0 引言

目前，国内应用最多的电网仿真软件为中国电力科学研究院有限公司开发的PSD-BPA仿真软件，其虽然能够利用机电模型正确模拟稳态电路，但无法全面准确反映诸如电动机调速等动态响应过程。而主要应用于小电网模拟仿真的电磁模型，虽能准确模拟电网动态响应过程，但该模型步长较小、计算耗时过长，无法全面应用于整个电网^[1-3]。为了使仿真算法既能准确反映研究对象的动态响应过程，亦能快速、高效地完成整个仿真过程，基于机电-电磁混合仿真算法逐渐受到关注。该算法能够充分结合电磁模型及机电模型之优点，重点研究区域利用电磁模型搭建，而外部电网以机电模型搭建，既保证了仿真的快速性，又能准确获得研究区域的动态响应全过程^[4-7]。

对于混合算法而言，目前能够实际应用的仿真软件较少，大多数电力系统仿真软件仍采用单一模型，而由中国电力科学研究院有限公司开发的基于电磁模型的Power System Model(PSModel)仿真软件^[8]能够与基于机电模型的PSD-BPA软件创建混合仿真接口，进而实现机电-电磁混合仿真^[9-12]。基于此，本文将电磁仿真软件PSModel与机电仿真软件PSD-BPA相结合，对某工业园区内部各环节进行电磁建模，针对内蒙古电网进行机电仿真，利用接口程序将两种模型进行整合，模拟不同故障下机组响应过程，根据所得结果验证模型的正确性。

1 工业园区建模 1.1 工业园区概况

某工业园区(以下简称“园区”)位于内蒙古自治区境内，该地区网架结构较为薄弱，在部分线路故障下，园区可能会与主网脱离，此时园区自身负荷站与热电厂将形成小孤网。由于园区热电厂最大发电能力小于园区内负荷，因此将使得孤网系统电压、频率降低，最终导致园区失去供电能力，造成严重经济损失。

园区混合仿真示意图见图 1，园区目前有B站220 kV/110 kV/10 kV主变压器3台，建有2×135 MW机组。两台机组分别通过110 kV/10.8 kV升压变压器与B站110 kV母线相接，园区通过A站至B站220 kV双回线与电网进行功率交换。园区下设甲、乙、丙、丁4个负荷区，运行负荷共360 MW，其中一级负荷约185 MW。当园区正常运行时，热电厂满出力约270 MW，则此时约有90 MW功率缺额；当A站至B站220 kV双回线断开时，园区进入孤网运行状态，此时只保留一级负荷，切去其他负荷。此外，园区正常运行时，主网向园区下送功率不得超过150 MW，且禁止园区向主网反送功率。

图 1中园区部分利用电磁软件PSModel搭建，其中热电厂部分G2、G3内主要包括发电机模型、调速器模型以及机网协调模型。而外部大电网则采用机电软件PSD-BPA搭建，该模型主要包括两部分：潮流文件(DAT文件)以及稳定文件(SWI文件)，其中，DAT文件包括发电机、线路及变压器等一次侧连接信息以及功率信息，主要用于潮流计算；SWI文件中包括各器件零序参数以及控制参数等，主要结合DAT文件用于稳定计算。

1.2 发电机模型

PSModel中发电机模型见图 2，模型中的各信号均为标幺值，可将T_E与P_E、T_M与P_M视为相等。由于本文主要涉及电动机调速过程，因此忽略励磁相关信号，只研究与调速相关的信号，即P_M-REF、T_E、T_M、P_E、P_M及ω信号。当P_M-REF确定时，将P_M-REF作为发电机的给定功率对电动机输出功率进行调整，而输出信号T_E(P_E)、T_M(P_M)将采样传至其他控制模块。

1.3 调速器模型

调速器模型(见图 3)主要包括三部分：GJ模型、GA模型、TB模型，分别模拟调速器调节系统、电液伺服系统以及原动机系统。该模型利用发电机输出信号T_E(P_E)、T_M(P_M)、ω以及功率给定信号P_REF、频率给定信号ω_REF进行调节。

1.3.1 调速GJ模型

GJ模型为调速器调节系统模型(见图 4)，图中P_E、P_M、ω需从发电机进行采样，P_REF、ω_REF人为给定即可(通常设为1)。控制器包括3种模式，可根据实际工况进行调整，控制器输出为P_CV，作为下一环节的输入信号。

1.3.2 调速GA模型

GA模型为调速器电液伺服系统模型架构(见图 5)，输入信号P_CV为GJ模型的输出信号，其中时间常数信号的切换与油动机开启/关闭模式有关，输出信号P_GV作为下一环节的输入信号。

1.3.3 调速TB模型

TB模型为原动机模型(见图 6)，模拟调节阀开度与发电机机械功率间的变化关系，输入信号为GJ模型的输出信号，输出信号P_M-REF可直接作为图 2所示发电机的功率信号。

1.4 机网协调模型

机网协调模型如图 7、图 8所示，主要功能是根据系统运行工况，在GJ模型功率给定信号P_REF上添加一个修正信号ΔP_REF，该控制模块包括两种工作模式：功率控制模式和频率控制模式。对于本系统而言，当A站至B站220 kV双回线正常运行时，控制模式开关切换至1档启用功率控制模式，将A站至B站220 kV双回线上所传有功功率P作为输入量(本系统规定当功率流向由B站流向A站为正向，反之为负向)。当功率P为正时，功率开关切换至1档；当功率P为负时，功率开关切换至2挡。当A站至B站220 kV双回线跳开时，园区将形成孤网系统，控制模式开关切换至2档启用频率控制模式，将孤网系统的角频率ω作为输入信号，利用ω和ω_REF的偏差，经过PI控制器生成修正信号ΔP_REF。

1.5 机电-电磁接口

机电部分及电磁部分均需要创建外部接口，当机电部分进行计算时，电磁部分等效为诺顿电流源模型，图 9(a)为机电部分中的机电-电磁接口程序，接口程序位于PSD-BPA软件SWI文件中，其中68、69分别视作接口程序开始端口及结束端口；DG卡为等值群信息卡，主要功能是对混合仿真初始化、等值方法、输入及输出方式进行设置；DG+卡为等值群计算信息附加卡，用以对计算过程中涉及的迭代方案、误差阀值、计算最大线程数等进行设置；DF卡为负荷电磁暂态计算信息卡，用来设置接口点(本文选用A站220 kV侧)进入电磁暂态计算时的有功、无功功率。图 9(b)为电磁部分中的机电-电磁接口程序，主要包括测量环节及接口环节，二者共同作用下，外部机电部分将被等效为戴维南模型进而进入电磁部分计算。

2 机电-电磁混合仿真

为了验证所述控制模型的正确性，搭建“外部电网+园区”的机电-电磁混合模型。园区部分利用PSModel电磁模型进行搭建，将A站220 kV侧作为机电-电磁混合仿真接口，内蒙古电网部分则利用PSD-BPA机电模型搭建。园区热电厂2号机组采用“GA+GJ+TB”结构进行调速控制，而3号机组采用“GA+GJ+TB+机网协调”结构进行调速控制，仿真参数及调速系统模型参数见表 1-表 4。

2.1 投退负荷

PSModel电磁部分(仿真步长为5~100 μs，算法自适应变步长)所得运行曲线如图 10所示，当t∈[0, 6]时，园区内热电厂机组启动，当t∈[6,15]时，系统基本达到稳定状态，此时A站下送B站90 MW有功功率，2号、3号机组各出力135 MW。当t=15 s时，切去园区165 MW负荷，此时由于电机无法瞬间调整出力，因此热电厂将向主网侧反送潮流，由于本系统设定禁止反送潮流(即机网协调P_P=0)，3号机组所配机网协调控制器输出ΔP_REF将为负值，因此3号机组出力逐步降低，机端输出电流下降，当达到稳态时，3号机组出力约为60 MW，2号机组由于未添加机网协调仍保持为135 MW，机端输出电流近似恒定。当t=25 s时，之前切去的负荷重新投入，系统恢复初始稳定状态，3号机组出力增加，机端输出电流上升，在整个负荷变化过程中，发电机转速能够很快响应，并快速恢复至额定转速。

同理，对于外部大电网，图 11为PSD-BPA机电部分(仿真步长为10 ms)所得运行曲线。由图 11 (a)可知，当园区于15 s切去负荷的瞬间，相邻的500 kV场站电压将会升高，但能在较快时间内恢复到合理范围；当园区于25 s重新投入负荷的瞬间，相邻的500 kV场站电压将会发生跌落，在热电厂发电机快速调整出力之后，又能重新恢复到初始状态电压附近。同理，由图 11(b)可知，伊旗电厂作为机电部分的平衡机，当园区切去部分负荷时，伊旗电厂减少出力，伊旗电厂至甘迪尔500 kV站单回线潮流由265 MW降至220 MW，由于伊旗电厂至甘迪尔500 kV站线路为双回线，则可知此时伊旗电厂降低出力90 MW；而当园区负荷重新投入时，伊旗电厂增加出力90 MW，符合PSModel部分所得特性。

进一步而言，分别利用混合仿真以及PSD-BPA单一机电仿真模拟3号机组调整出力过程(见图 12)，由图 12可知，在启动阶段混合仿真能够准确地模拟出发电机出力逐渐增加的过程，而单一PSD-BPA仿真缺少发电机的启动过程始终保持恒定出力；另一方面，在电动机调整出力的过程中，混合仿真所得曲线在两个稳态之间存在明显的暂态过程过渡，而单一的PSD-BPA仿真出力变化过于迅速，几乎不存在过渡过程。由此可见，对于暂态过程而言，混合仿真能够更准确地反映相关物理量的暂态变化过程。

2.2 双回线跳闸

PSModel电磁软件所得运行曲线见图 13，当t=25 s时，A站至B站220 kV双回线断开，与此同时根据当前园区内控制方案，需切去园区二级负荷175 MW，保留一级负荷约185 MW。此时3号机组在机网协调的作用下启用频率控制模式，开始逐渐降低出力，机端输出电流开始逐渐减小，稳态时输出约50 MW。而2号机组由于未添加机网协调控制，出力仍保持135 MW。线路断开瞬间，机组出力无法瞬间变化，因此机组出力大于一级负荷，孤网频率开始上升，电动机转速也相应提高，在机网协调频率模式启动后，3号机组逐渐降低出力，稳态时功率平衡，发电机转速恢复到额定转速。

同理，外部大电网PSD-BPA机电部分所得运行曲线见图 14。当t=25 s，A站至B站220 kV双回线断开时，伊旗电厂至甘迪尔500 kV线路有功功率迅速降低，即平衡机伊旗电厂降低出力，在断线故障以及伊旗电厂降出力共同作用下，相比初始状态而言，园区附近甘迪尔站500 kV场站电压升高，仿真结果符合实际运行状态，可知机电-电磁混合仿真能够准确获得园区内部动态过程，亦能获得外部大电网的稳态运行特性。

3 结论

本文利用机电-电磁混合模型对某工业园区调速系统进行仿真模拟和分析，其中，对于重点研究区域(园区部分)利用PSModel进行电磁模型搭建，而外部大电网则用PSD-BPA进行机电模型搭建，二者之间利用机电-电磁接口进行数据交换，成功实现了基于机电-电磁混合算法的调速系统仿真。仿真结果表明，该算法能够准确有效地模拟不同故障下，系统由暂态向稳态过渡的动态过程，验证了所述控制系统的有效性。混合仿真算法能够充分结合机电算法以及电磁算法的优点，更全面地反映电网运行特性，是未来电网仿真模拟的主要趋势。