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03


PSCAD元件简述
武汉大学电气工程学院
乐 健 2011.07

PSCAD元件简述

主要内容
? ? ? ? ? ? ? ? ? PSCAD主元件库 HVDC和FACTS元件库 Sources元件库 Transformers元件库 Transmission lines/Cables元件库 Machine

s元件库 I/O Devices元件库 Sequencer元件库 其它元件
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一、PSCAD主元件库
各页面列表

分页式元件库

各元件列表
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二、 HVDC和FACTS元件库

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包括: 基本的开关器件模型如IGBT, GTO, 二极管等; 基本的主电路单元如逆变器,整流器等; 常见的应用级电路如HVDC,SVC等(含相应控 制系统); 触发脉冲产生电路;

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1.

电力电子器件
二极管的导通和关断状态由它两端的电压和流经 的电流所决定。正向电压、正向电流时导通。

二极管 二极管固有导通电阻很小 和关断电阻很大。当其正向 偏置且正向电压超过了输入 参数“Forward Voltage Drop”时二极管导通。电流 过零时二极管关断,直到再 次偏置之前一直保持关断。
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三极管

IGBT

可关断晶闸管
GTO/IGBT通常由 门极触发导通和关断。 能在门极脉冲为0时 关断器件,而不管器 件是否受到了正向偏 置电压。

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晶闸管通常由门极受触发后保持导通,而根据 器件自身的电压和电流情况决定何时关断。 晶闸管

其状态会在以下情况下发生改变: ?器件两端的正向偏置电压大于或等于输入 参数“Forward Voltage Drop”,且门极信 号从0变为1。 ?器件两端的正向偏置电压大于或等于输入 参数“Forward Voltage Drop”,且门极信 号预置为1 ?正向偏置电压大于或等于输入参数 “Forward Break-Over Voltage”。 ?关断时刻为器件电流的过零点(电压反向, 电流未反向时,晶闸管还保持导通;电压正 向,而电流反向时,晶闸管关断)。
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2. 关于插值和开关器件动作
在指定的时间段内,电力网络的暂态仿真是一系列离散间 隔(时间步长)网络方程的求解。EMTDC是固定时长的暂 态仿真程序,因此仿真之前一旦选定就保持不变。 由于时间步长固定,网络事件如故障或晶闸管动作可能发 生在这些离散时间点之中(若不刻意更改)。这就意味着 如果器件动作处于时间步长间隔中的话,只有等到下一时 间步长时程序才能体现出此事件。
一个办法就是采用变步长解法,如果发现了器件动作事 件,程序将把事件步长分割为更小的步长。然而,这无 法克服器件开合感性和容性电路时,由于电流和电压的 微分所造成的伪电压和电流尖峰问题。
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如果事件发生在时间步长内的话,EMTDC使用插 值算法来寻找事件发生的确切时刻。这么做比缩短 时间步长的方法结果更精确、计算速度更快,并且 允许EMTDC在更大的事件步长下精确地模拟任何 动作事件,

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插值的应用场合 ?具有大量快速切换设备的电路; ?带有浪涌避雷器的电路与电力电子设备连接; ?HVDC系统与易发生次同步谐振的同步机相联; ?使用小信号波动法分析AC/DC系统,这时精细的 触发角控制是必须的; ?使用GTO与反向晶闸管构成的强制换相换流器; ?PWM电路和STATCOM系统; ?分析具有电力电子设备的开环传递函数;

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3. 可控整流桥
内部锁相环输入

控制部分

整流变

6脉波格雷兹变换桥

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整流或逆变 触发信号的输入方式 可实现单独控制 与整流变接线方式 的配合

是否使用缓冲电路
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与整流变接线方式的配合 希望提供给整流变PLO的电压尽量理想,故一般该电压 取自整流变的系统侧,且与A相对地电压同步。而触发脉 冲是以整流变阀侧线电压过零为起始点。故需要根据整流 变的接线方式进行调整。

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以Y/Y型接线为例:
脉冲触发起始点为相电压交点,滞后网侧A相对地电压 30度。
2pi

1 T 12

α

T

t

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4. 带插值点的脉冲触发
返回一个二元数组,包括触发脉 冲和晶闸管、IGBTs和GTOs插值 导通关断时刻所必须的插值时间 标签。第一个元素信号为0或1, 表示实际的门极控制信号。第二 个元素为插值的时刻。
组件的输出是基于输入信号H和L的比较得出的。L通常是 触发角定值,H则来自于锁相振荡器或者与之等同的环节 若使用的是GTO或IGBT,则此组件还提供了对OFF信号 的输入信号比较。
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三、 Sources元件库

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包括: 三种三相电压源模型; 两种单相电压源模型; 电流源模型; 谐波电流源模型;

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1. 电压源模型
? 位于系统阻抗之后
该方式下需直接输入电源电压、相位和频率

?

位于机端
该方式下需直接输入机端电压、相位和有功 功率、无功功率。仿真中自动算出电源 电压和相位。
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阻抗数据格式
可以直接用集中的R,L,C值(模型1的RRL value, 模型3的R+jX value选项)或极坐标的形式(模型 1的Impedance,模型3的Z /theta values选项,模 型2无此方式)

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电源控制模式

固定控制:电压源幅值、频率和相位 角均直接输入,仿真过程中固定(注意 基准电压和频率不用于控制) 外部控制:幅值、频率和相位角均可 通过外部控制,仿真过程中可变。 自动控制(仅用于三相电源):可通过 自动调整电压幅值对某母线处的电压 进行调节;或自动调整内部相位角调 节有功输出。
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四、 Transformers元件库

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包括: 采用经典方法建模的模型; UMEC模型;

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1.采用经典建模法的模型
经典法的变压器模型是在电磁耦合的 基础上建立的。在磁路为线性的假定前提 下,变压器模型可以用既具有自感也具有 互感的耦合电路来表示。所列写的微分方 程均适用于暂态和稳态分析。经典法的理 论模型的思路来源于传统变压器的等值电 路,如两相变压器的T型、π型等值电路。 它将变压器的主磁通和漏磁通分开考虑, 在计算单相变压器时简单方便,并且参数 的物理意义清晰,可以很好的与实际变压 器吻合。但它在模拟三相,多绕组,且绕 组间存在耦合时会显得十分复杂。而且在 进行模拟计算时需要准确知道变压器绕组 的联结形式,绕组的匝数等,然而这些参 数一般无法获得,这样会显得十分不便。

?c

I1

I2 V2

?11

V1

?12

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?3

2. UMEC模型
?4
V1

?1
I1

?2
I2 V2

?5

变压器另一种模型是将漏磁通和主 磁通统一考虑的UMEC(Unified Magnetic Equivalent Circuit)模型。 这是一种是基于Steinmetz磁路等 效模型,变压器任一绕组铁心支路 都可以等效为磁路等效模型。目前 为止UMEC模型的发展已经十分完 ? 备,该模型基于磁路模型进行计算, i u 具有较高的仿真精度,并且无需知 道铁心长度、铁心横截面积、绕组 匝数等详细的变压器物理参数。
k k

?3

? nk ?k
?l ?l
Pl
+

k

Pk

N k ik
-

? n ,k ?1
a b

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铁芯饱和
主磁通受铁心饱和的影响,可以将其作为一局部的非线性 问题并将以线性化处理。PSCAD/EMTDC中变压器的饱和 模型就是将主磁通和漏磁通分开处理的。为了提高仿真精 度,需要将铁心饱和和铁心损耗考虑进去,铁心损耗可以 直接在变压器元件模型参数里设置。PSCAD的经典法和 UMEC法采用不同的方法模拟铁心饱和。经典法模拟饱和 度时使用了一个并联补偿电流源,而UMEC法是用分段线 性法处理的。

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经典模型的铁芯饱和处理方法包括:在最靠 近铁芯的绕组上添加可变电感;或在 最靠近铁芯的绕组上添加补偿电流源。 EMTDC采用后者。
I s (t )
VL (t )
1 s

?S (t )

IS

?S

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气隙电抗,通常为近似 为漏抗的2倍

注意要与理想模型联用 涌流的衰减时间常数 膝点电压,1.15-1.25pu 用于防止启动时不稳定 励磁电流,一次电流的百分比
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变压器UMEC 模型是运用分段线性化的方法来模拟铁心 饱和特性。分段线性化方法就是把非线性的计算过程分成 几个线性区段,这样在每段线性区段内,就可以采用线性 电路的计算方法来计算,简单方便。
V V R3 R2

R1 I (a) I

(b)

PSCAD在控制变压器的等效励磁支路时采用了分段 线性近似的方法。在模拟铁心的非线性特性时,直接 在元件模型参数设置中输入I-U曲线,即10个点的(I, U)坐标,然后利用插值算法在每个区段内计算损失 特性,既减少了矩阵倒置的计算,又保留了计算的准 确性。
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饱和I-U曲线

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五、 Transmission lines/Cables元件库

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PSCAD中构建架空线路有两种方法:Remote Ends模式和 Direct Connection模式。 Remote Ends模式下线路端 点不与其它元件有物理上的直接连接,需要应用架空 线接口元件。 Direct Connection模式可直接相连,但 仅能用于1相、3相或6相的单根显示系统。

Remote Ends模式

Direct Connection模式

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TLine配置元件

用到接口元 件时需三者 名称一致

用到接口元 件时需三者 数目一致 模式选择

线路截面设置

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(1)线路模型常规参数

(2)线路模型特性参数 Bergeron模型 频率特性(phase)模型 频率特性(mode)模型

(3) 地平面参数 线路截面设置界面
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(4) 线路特性参数 仅适用于Bergeron模型

塔形及参数 可进行导线换位和地线设置

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PSCAD同轴埋地电缆的建模方法类似。

电缆特性参数输入不同
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六、 Machines元件库

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包括: 同步电机模型;感应电机模型;直流电机模型; 永磁电机模型; 交流、直流、静止励磁机模型; 蒸汽机、汽轮机和水轮机模型; 电力系统稳定器模型; 风力发电机系统模型;

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同步发电机模型

1-隐极机;2-凸极机 数据输入方式:发电机 方式;等效电路方式 多质量扭转轴接口配置,需考 虑原动机惯量和轴系扭转效应 时应用 电枢电阻输入形式

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基本参数,包括端口电压,额定电 流,转动惯量等。

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鼠笼式感应电机模型

?鼠笼式感应电机可运行于“速度控制”或 “转矩控制”模式 下. 在速度控制模式下,电机以指定的速度W旋转,在转矩控 制模式下,转速是根据电机惯量、阻尼输入输出转矩计算得到。 ?通常,电机以指定的转速W下以速度控制模式启动,在达到 稳态后可切换至转矩控制模式。

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风源模型 风速输出

风机模型

输出转矩 和功率

可采用自 定义风 速模型

连接电机的 机械转速 旋转机械的 转速 旋转机械的 功率 风机控制器模型

桨距角

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七、 I/O Devices元件库

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包括: 滑块、开关、拨号盘和按键等用户接口控制模块; 绘图或表计通道模块; 多重运行模块、优化运行模块; 变绘图步长模块、矢量接口模块;

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1.用户接口控制模块

Add as control

Add as meter
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Add as polymeter 用于监视多轨迹曲线。用柱状图形式动态显示每条轨迹 的幅值。

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Add as phasormeter 可用于监视多达6个独立的相量。每个相量相应的幅值和 相角在仿真过程中可动态变化。

至少需要一个幅值和一 个相角,默认1为幅值, 2为相角

相量显示切换

度或弧度
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2. 多重运行模块
使能控制 2个或2个以上的多重 运行模块同时有效时 将出错。

可记录6个变量

可控制6个变量

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控制变量数 变量变化类型 变量类型

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数据变化类型 ?连续的:需指定起始、结束和增量。软件自动计算多重 运行的次数。 ?平坦随机:需指定多重运行次数、随机变化范围。 ?列表:需指定多重运行次数和相应每次运行的变量值。 ?正态随机:需指定多重运行次数、随机变化范围以及 相应的标准偏差。

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记录变量数 记录文件名 最优运行的判 据变量通道

选择是否确定 最优的运行

最优运行判据 概率密度函数 的分辨率

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3. 最优运行模块
该模块可被视为另一种类型的多重运行模块。两者之间 的主要区别在于优化运行模块能真正实现搜索并收敛到 最优设计参数。采用该模块可通过大大减少所需运行的 次数来节省时间,并通过向准确设计点的收敛来提高精 确度。
优化算法:
?黄金分割: 适用于单一REAL变量. ?单纯型算法: 适用于多个REAL (最多20个) 变量. 该方法沿可视实 体的多面体边缘来搜索最佳答案。 ?胡克捷夫法: 适用于多个 REAL变量的优化. ?遗传算法: 适用于多个REAL/INTEGER/LOGICAL变量的优化.
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优化方法选择,目前未支持遗传算法

优化的变量数,目前 只支持REAL型,最 多20个。

最大允许多重运行 数目,最多10000

目标函数允许偏差 两次运行结果间偏差 小于该允许值时将停 止运行。
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黄金分割优化方法

间隔搜索 自动搜索

间隔搜索法的区间指定

自动搜索法的参数设置

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黄金分割法是用于一元函数在给定的初始区间[a,b]内搜索极小点的一 种方法。它是优化计算中的经典算法,以算法简单、收敛速度均匀、效 果较好而著称,是许多优化算法的基础,但它只适用于一维区间上的凸 函数。 其基本原理是:依照“去劣存优”原则、对称原则以及等比收缩原则 来逐步缩小搜索区间。

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Simplex优化方法
初始步长 变量初始值

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八、 Sequencer元件库

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序列元件是一组特定的控制元素,它们可基于定时器、延时和/或 其它状态进行组合来构成事件序列。 每个序列元件的输入输出均为值为0(LOW)或1(HIGH)的整型值。输出 为HIGH表示特定元件的条件满足,反之则未得到满足;输入为HIGH 表明该序列元件的上一个序列元件的条件已得到满足,反之则尚未满足。

事件序列启动

开关闭合

延时 条件等待

延时

延时 开关断开

故障清除

可人工控制 是否进行后 续序列

故障应用

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九、 其它元件

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数据类型转换

四舍五入取整

截断取整

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数据聚合

可进行数据类型转换

数据分接

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通用常量

PI分段

参数输入方式,有名值或标幺值

零序参数 输入方式: 手工输入 或估计 PI分段用于相互 耦合的三相线建 模或长度极短的 传输线。
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谢谢!

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