PowerWorld

PowerWorld（共4篇）

PowerWorld 篇1

0 引言

可视化电力系统是目前电网的研究方向之一,是今后电力系统的潮流管理、网络控制、电力市场等的发展方向,也是今后电力系统分析、仿真程序的发展趋势。Power World是美国伊利诺斯大学开发的电力系统可视化仿真软件包,它以潮流分析为核心,采用动画式多色彩的单线圈等可视化技术,模拟电力系统在给定时间内的运行状况,从而直观生动地阐述了电力系统运行的基本概念。

1 电力系统分析仿真软件Power World的功能

Power World属于一个大型的电力系统可视化分析和计算程序,集潮流计算、短路电流计算、灵敏度分析、最优化潮流OPF、电压稳定分析和无功优化等多种功能于一体,并具有丰富的三维可视化显示技术。因此,它属于多个产品的集成,其核心是一个综合、强大的潮流计算软件,可以有效地求解多达100 000个节点的大型复杂电力系统。与其他同类商业应用软件不同的是:Power world允许用户通过可缩放的彩色动画单线图来模拟一个系统。图形和动画的演示增加了用户对系统特性和有关限制条件的理解,并且熟知采用何种补救措施。

Power World提供了极为方便的模拟电力系统时间特性的工具。同样它可以可视化地显示负荷、发电量和联络线功率随时间的变化,以及因此产生的系统运行状况的变化。

除了上述各功能,Power World可视化分析程序还提供方便快捷的局部菜单,主要有限值监视设定、越限后文本区自动改变颜色、可视化显示内容和参数设定、全屏切换显示和分屏耦合显示、快速查找和定位、鹰眼漫游、负荷预测可视化、考虑气候变化的系统运行状态分析、用户自定义界面、新的插入模板、母线颜色自动选择、动画率可调、饼图和线路颜色协调等功能。

2 Power World软件的基本应用

2.1 潮流计算(Power Flow)

在菜单Options/Tools→Simulator/Environment选项中选择Full Newton Power Flow(牛顿—拉夫逊算法)进行潮流计算,如图1所示。在运行模式下Run Mode就可以查看潮流仿真结果,如图2所示。

从图2中可以看到该系统是五母线系统,母线1和母线3由发电机向系统输入功率,母线1与母线5、母线3与母线4之间用变压器连接。在母线2、母线3上分别接有负载。发电机1和3发出的有功功率流入节点2和3的负载,灰色箭头所代表的是有功功率,而黑色箭头代表的是无功功率。图中所见的圆饼图标表示的是各线路或变压器上流动的潮流占线路所承受的功率负荷的百分比。

2.2 事故分析(Contingency Analysis)

事故分析是电力系统分析的一个重要组成部分。电力系统规划和运行人员必须分析系统中所发生的一系列事件,对发电机组或线路/变压器的投切等对电力系统造成的影响有深刻的认知。Power World程序的事故分析工具箱可以分析电力系统基本示例的拓扑关系,同时还可以有效地分析系统的任何稳态、暂态时间的结果。在程序中,单一的事故条件可以是单一的,也可以是多种因素组成的。按照对话框的操作提示,可以通过手动和自动2种模式来插入事故。首先在事故类型的选择上,对于单一元件或组合元件组成的事故,按照定义事故的类型,把所建模的电力系统中的元件分别设为事故分析元件,然后自动地依次轮流进行计算分析,找出并统计越限元件。Power World程序在这点上提供了高级过滤器功能,用来对定义的事故进行高级的条件没置。

3 应用实例

3.1 基于潮流动画的动态监视

潮流计算是调度系统中最重要、最基础的应用模块,传统的调度自动化系统仅是在相应的线路上实现潮流的动态显示,对于潮流的大小及整条线路传输备用容量都没有很好的监视手段。采用可视化技术的智能调度方式进行监控,不同的颜色区分出不同的电压等级;通过动态箭头的大小和流动的方向实时反映线路中功率的大小和方向;在线路上用动态分割饼图表示当前线路流过功率占该线路最大传输容量的百分比,当线路的传输容量百分比高于某一阈值,即备用容量不足时,饼图将出现放大和变色的醒目提示。另外,智能调度中的潮流动画还体现了多数据源的选择性,既可以显示来自SCADA中的原始量测值,也可以显示经过潮流计算后得到的电网数据。调度员可以根据自己的需要自动切换,显示自己关心的潮流状态,体现了智能调度的智能性。

3.2 基于动画显示及图形计算的静态安全分析

静态安全分析的意义在于帮助调度员针对可能出现的电网事故做好事故预案,也可以作为电网安全预警中稳态分析的重要工具,其作用是判断在发生预想事故后系统是否会发生负荷或电压越限。传统的静态安全分析软件要求预先定义好哪个或哪些线路、发电机、负荷等元件发生故障，分析方式单一,其计算结果常用列表的形式给出。在智能调度中静态安全分析将是基于动画显示及图形计算功能,体现了可视化下的互动性,并将结果直接在潮流图中进行显示。

目前,Power World系列可视化分析程序在国外的应用有美国能源部(DOE)、Bonneville Power Administration(BPA)、Tennessee Valley Authority (TVA)、British Columbia Hydro(BCHydro)、ISO-New England、PJM Interconnection、Southwest Power Pool (SPP)、Midwest Independent System Operator(MlSO)、American Electric Power(AEP)以及澳大利亚、瑞士、丹麦和新西兰等42个国家的各个电力相关部门。国内Power World系列在云南电网、广西电网、贵州电网、海南电网、广东电网和中国南方电网总部等有关部门大力推广下已经使用,主要包括调度中心、设计院和供电局以及有关电力高校,图3和图4是Power World系列可视化程序分别用于中国南方电网某省电网公司离线分析和在线可视化调度的工程实例。

4 结语

智能电网的建设必然使调度系统从传统型向智能型转变,也为迅速发展电网可视化技术提供了强大的推动力,同时电网可视化技术在智能调度中的作用也将愈加明显。Power World强大的可视化仿真功能和简易的操作,使其成为电力工业界及学术界对系统进行仿真的极佳工具。Power World通过不断对潮流求解,实现对电力系统的动态模拟。应用Power World电力系统可视化软件更能形象生动地理解电力系统的概念、运行及控制等,在电力系统和相关行业都将有很好的应用前景。

参考文献

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[2]唐玲明,陈普.基于Power World的电网潮流预演方法研究[J].中国电力教育,2010(19)

[3]张仰飞,李先允,郝思鹏.可视化软件包Power World Simulator在电力系统教学中的应用[J].中国电力教育,2006(S1)

[4]陈媛.电力系统连锁故障模式搜索方法研究[D].保定:华北电力大学.2007

[5]张跃锋.交直流电力系统协调控制的模型/策略与仿真研究[D].重庆:重庆大学,2008

[6]李静.Power World Simulator仿真软件在电力系统中的应用[j].煤炭技术,2012(6)

PowerWorld 篇2

关键词：最优潮流模型,Power World Simulator,可行性,线性规划法

随着电力系统规模的不断扩大，运行水平的提高，最优潮流计算OPF作为一种离线分析工具或一种在线最优控制手段正在得到广泛应用。用OPF解决电力市场中的一系列问题日益受到电力工业界的广泛关注，如：实时电价计算、输电费用的确定、网络阻塞管理、可用传输容量计算等等。

电力系统最优潮流，就是当系统的结构参数及负荷情况给定时，通过控制变量的优选所找到的能满足所有指定的约束条件，并使系统的一个或多个性能指标达到最优时的潮流分布。电力系统最优潮流的历史发展过程可以回溯到上世纪60年代初期。基于协调方程式的经典经济调度方法虽然具有方法简单，计算速度快，适宜于实时应用等优点，但协调方程式在处理节点电压越界及线路过负荷等安全约束的问题上却显得无能为力。而以数学规划为基础的最优潮流在约束条件的处理上具有很强的能力，它能够在模型中引入能表示成状态变量和控制变量函数的各种不等式约束，能够将电力系统对于经济性、安全性以及电能质量三方面的要求，完美的统一起来。

在理论研究方面，建立在严格的数学基础上的最优潮流模型首先是由法国学者carpeniier于1961年提出的。40多年来，广大学者对最优潮流问题进行了大量的研究。最主要的研究工作是从改善算法的收敛性能、提高计算速度等目的出发，提出了最优潮流的各种优化算法。按照所采用的优化方法的不同，传统的最优潮流算法大致可以分为非线性规划法和线性规划法。线性规划法具有计算方法成熟可靠，速度快和处理安全约束方便等特点。以线性规划技术为基础的最优潮流编程简单、计算速度快、收敛可靠，在算法上不存在不能克服的难点，程序维护方便，所以较容易进行实用化的开发。所以，从实用化的角度研究最优潮流，并使最优潮流得到广泛的实际运用，线性规划法求解最优潮流的程序的开发应用是具有实际意义的。

因此，在本文描述的线性规划法求解模型，就采用了线性规划的方法求解最优潮流，体现了线性规划法最优潮流计算速度快、收敛可靠，是一种实用的优化算法的特点。

（一）Power World简介

Power World软件是美国伊利诺斯 (Illinois) 大学开发的一款面向对象的电力系统可视化软件包。它的核心是一个强大的潮流计算的软件，采用高效的稀疏矩阵技术，它可以有效地求解多达100000个节点的系统。Power World采用动画式多色彩的饼图和等高线可视化技术来模拟一个电力系统。Power World的功能如下：

1. Power world基本功能

它可以图形化地显示负荷、发电量和电压随时间的变化，以及因此产生的系统运行状况的变化。

2. 可视化潮流

Power World可以对电力系统潮流进行可视化仿真。以箭头表示潮流走向，以饼图表示线路负载情况。整个系统运行情况都可视化的呈现出来。

3. 故障分析

Power World可以能进行单相、三相、相间和两相接地故障后每相电压和电流的计算，包括母线电压节点故障分析和各母线间线路上接地故障分析。

4. 电压可视化

Power World通过电压等高线的方式对各节点进行颜色分区，不同区域因电压高低各异而色彩深浅不同，并且随着潮流分布的改变各节点彩色区域可以实现动态变化(扩展或深浅变化)。

5. 最优潮流功能

Power World Simulator采用最优化潮流运算 (OPF) ，模拟实际的电力市场，考虑各区域的约束 (各地区的供应应与需求平衡) ，考虑输电系统的各种约束，边缘成本局部化。OPF以见效成本为目标，并考虑各种约束：平衡约束 (母线有功/无功平衡、发电机电压参考值、区域有功功率交换、输电线/变压器表面功率约束) ;非平衡约束 (输电线/变压器表面功率约束、发电机有功功率约束、发电机无功功率容量曲线、母线电压幅值) 。仿真中，用户可以通过改变机组有功出力和相角变换器来进行控制。OPF使用牛顿法 (Newton’s Method) 或线性规划 (Linear Programming) 求解。Power world Simulator13中LP OPF模块将OPF计算与LMP (Locational Marginal Price，节点边际电价)计算结合，通过线性规划计算，以最低成本作为目标函数，对机组MW作最优分配，并计算出各节点电价LMP(清算电价)，指导市场交易。

6. 其他的功能简介

该软件还具有有效传输容量计算、故障模拟、区域控制与电力交易模拟、移相器建模、交流线和直流线混合建模、无功补偿装置(并补和串补)建模等功能。

总之，Power World Simulator最大的优势就是其可视化的特点及简易的操作。从模型的建立到模型的稳态、动态分析，经济运行分析，交易模拟等过程都形象生动，简便灵活。本文之所以采用该软件进行最优潮流仿真，也正是考虑到它的仿真结果形象直观，便于分析。

（二）线性规划法最优潮流模型

1. 线性规划法最优潮流模型

最优潮流计算，即在各节点正常功率平衡及各种可靠性不等式约束条件下，通过调整系统中可利用控制手段，求以目标函数的最优潮流分布。如果实现最优只涉及一项指标，则称为单目标最优化。

电力系统调度运行研究中常用的最优潮流一般以系统各运行成本最小为目标函数其数学模型如下：

目标函数：

式中：PGi为第i台发电机的有功出力;A, B, C为其耗量特性曲线参数。

约束条件：

式 (2) ， (3) 即为最优潮流的等式约束，其中i∈SB, SB为系统所有节点集合。PGi, QGi为发电机的有功，无功出力;PDi, QDi为节点i的有功，无功负荷;Vi，θi为节点i电压幅值与相角，θij=θi-θj;Gij, Bij为节点导纳矩阵第i行第j列元素的实部与虚部。

式 (4) , (5) 即为最优潮流的不等式约束，VD为负荷节点电压，QD为发电机无功出力。

式 (6) 即为控制变量约束。

综上所述，最优潮流的数学模型可以简要的描述为：

运用线性规划法求解最优潮流，在每次迭代过程中，都会对上式 (7) 在迭代点处进行线性化形成线性规划模型，线性化过程包括目标函数的线性化、网络运行约束的线性化以及控制变量的增量表示。为了减小线性规划的求解规模，在线性化过程中并没有考虑将等式约束条件g (x) =0线性化。

(1)目标函数的线性化

发电机的发电成本一般表示为各发电机有功的二项式函数，所以式(1)可以用线性近似表示为：

式中表示在当前迭代点下目标函数对控制变量的灵敏度系数。

(2)网络运行约束的线性化

网络运行约束为不等式 (4) , (5) , 可用与上下限的距离表示如下：

将式 (9) , (10) 化为近似的线性表达式：

这样，函数约束可以表示为：

其中为在当前迭代点下函数约束对于控制变量的灵敏度系数矩阵。

(3)控制变量约束的增量表示

控制变量的调节范围，也可用其与上下限的距离来表示成增量形式如下：

式中：

因为问题本身是非线性的，为了保证线性模型具有较高的精度，对控制变量每一步变化的步长应加以限制，故上述式 (13) 可改写成：

其中为所有控制变量的下限减掉当前值的差值，ΔPGmax为所有控制变量的上限减掉当前值的差值，ΔPGstep表示对所有控制变量步长的限制。由于函数约束和目标函数的性质都是未知的，各个迭代点处的线性性能也不一样，为保证一定的计算精度和运算速度，保证下一迭代点的有效性和可行性，在迭代过程中还需要不断调整步长。

综上所述，对模型 (7) 进行线性化后形成了如下线性规划模型：

2. 线性规划法最优潮流计算流程

线性规划法最优潮流求解的基本过程是一个反复迭代的过程：给定初始迭代点和初始步长;在初始迭代点处对函数约束和目标函数线性化;形成线性规划问题并求解;还原为原非线性规划问题上的有效可行迭代点;在新点处再次线性化求解，直至达到最优点。

基本流程包括如下步骤：

(1)计算潮流，给定初始运行点。

(2)求解线性系数。

(3)求解函数约束上下限和控制变量上下限。

(4)求解线性规划问题。

(5)代入线性规划结果，由控制变量的偏差量得到新迭代点处控制变量的值，计算潮流，得到函数约束值。如果函数约束违限，则进行调整;否则，继续。

(6)计算目标函数值。

(7)判断是否收敛。即前后两次目标函数值是否满足收敛精度要求，若收敛，则停止;否则，判断是否己到迭代上限。如果己达到迭代上限，则停止。否则，继续下一步。

(8)判断前后两次目标是否上升，如果上升，则进行调整。否则，返回 (2) ，继续。

（三）实例分析

本文以IEEE14节点为例，运用Power world Simulator13进行最优潮流计算。

输入上述数学模型进行计算，仿真结果如图1示，绿色箭头的方向表示功率的走向，箭头的大小代表传输功率的大小。通过仿真图形可以很直观、形象的观察到功率的走向，以及功率是如何分配的，如果流过传输线的功率大，则绿色的箭头就大，反之，流过的功率小，箭头就小。潮流计算结果在表1，表2中列出。其中表1为母线数据，表2为支路潮流数据。

（四）结论

1. 本文用Power World Simulator工具采用线性规划法来计算非线性最优潮流问题，通过对IEEE14标准测试系统的计算，显示了利用线性规划法进行潮流计算的可行性。

2. 充分利用Power World的可视化特点，形象，直观的反应计算的结果。同时Power World的操作简单，提高了它的实用性。

3. 由于Power World程序采用的是线性规划法进行最优潮流计算，所以即使对于大型的电力系统，Power World也可以进行线性规划法潮流计算并能够较快地获得结果。

参考文献

[1]王锡凡, 方万良, 杜正春.现代电力系统分析[M].北京:科学出版社, 2003.

[2]成海滨, 沈茂亚.电力系统最优潮流算法研究综述[J].电气应用, 2006, 25 (11) :14-18.

[3]韩宪良, 李海生.基于Power World的电力系统潮流及电压可视化分析[J].大众科技, 2008, 10:128-129.

PowerWorld 篇3

由伊利诺斯大学Thomas Jeffrey Overbye教授和Mark James Laufenberg博士共同开发的Power World软件是一个面向对象的电力系统大型可视化分析和计算程序, 其集成了电力系统潮流计算、短路计算与故障分析、静态安全分析、灵敏度分析、经济调度EDC/AGC、联络线功率交换经济性分析、功率传输分配因子 (PTDF) 计算、无功优化、ATC计算、最优潮流OPF、电压稳定分析PV/QV、GIS功能、用户定制模块等多种庞大复杂功能于一体, 而所有这一切功能都通过一个主界面来实现, 此界面友好, 并有优异的交互性能, 它可以有效地求解多达100, 000个节点的大型复杂电力系统, 广泛应用于电网规划、科研机构以及调度运行。本系电力系统分析课程采用PowerWorld来进行教学和实验, 效果很好, 但PowerWorld在进行短路电流计算中存在只能计算瞬态短路, 不能计算任意时刻短路电流的缺陷。本文对PowerWorld进行功能扩充, 使用MATLAB编程实现了基于运算曲线的任意时刻短路电流周期分量计算, 并成功用于教学和设计工作, 具有很好的实用价值。

2、PowerWorld外部接口介绍

PowerWorld具有很好的开放性及众多的外部接口, 在进行仿真时, 既可以在其编辑模式的环境下独立建模, 也可以通过其接口读取其他仿真软件建立的文件, 并可以把仿真结果通过输出接口输出, 外部接口的使用避免了用户的重复建模工作和方便了其他软件应用, 常见的输入接口有以下几种:Matlab (*.m) , Exce (l (*.xls) , , PowerW orld Binary (*.pwb) , Powerworld Auxiliary Data (*.aux) , Comma Delimited (*.csv) , GE EPC Format (*.epc) , HTML Fil (e*.htm, PTI Raw Data (*.raw) , Bitmap (*.bmp) , BPAIPF Format (*.net) , IEEE Common Format (*.cf) , JPEG (*.jpg) , SQL Script (*.sql) 等, 本文主要用到了Exce (l (*.xls) 和Matlab (*.m) 接口。

2.1 Excel (*.xls) 接口的使用

首先运行PowerWorld/Simulator软件, 然后进行建模, 建模完成后选择“工具”栏里的“运行模式”, 点击“运行”, 接着, 进行短路计算, 设置短路位置及短路类型后, 点击“计算”, 就会出现如图1所示的节点导纳矩阵, 最后, 在节点导纳矩阵的数据上点击鼠标右键, 选择“全部发送到EXCEL”, 这样, 节点导纳矩阵就以Excel (*.xls) 格式导出。

2.2 Matlab (*.m) 接口的使用

在上例中, 首先选择”选项”栏里的”文件”, 然后在文件菜单中再选择”保存导纳矩阵或雅各比矩阵”, 接着, 选择文件类型及雅克比矩阵, 即可生成 (*.m) 格式的导纳矩阵。

3、应用运算曲线法计算短路电流的基本思路

运算曲线法的计算步骤:制定等值电路→计算转移电抗→计算计算电抗→查曲线→计算有名值→计算短路点的短路电流;以PowerWorld为平台进行曲线法运算时, 难点在于转移阻抗的求解方法, 而查表精度受限于所选择的曲线拟合方法。本系统的数据主要来源于从POWERWORLD导出的原始导纳矩阵。本系统首先把稀疏的导纳矩阵通过逆转换成为满阻抗矩阵, 然后, 再通过转移算法计算出转移阻抗, 接着, 将转移电抗转化为计算电抗, 再通过查运算曲线表格求得各个电源的短路电流的标幺值。最后, 将查得的短路电流标幺值按电源基准容量以及平均电压转换为有名值后相加即得到总的短路电流。本文查运算曲线表格时用抛物线拟合曲线。设函数y=f (x) , 对给定的自变量三个值:x0, x1, x2 (x0

4、应用运算曲线法计算短路电流的程序设计

4.1 程序流程如图2所示:

3.2程序实现方法

本系统用MATLAB软件编程实现, MATLAB是Matrix Laboratory (矩阵实验室) 的缩写, MATLAB现在成为国际上公认的最优秀的数值计算和仿真分析软件, 它采用了工程技术的计算语言, 而且几乎与数学表达式相同, 并且具有强大的矩阵处理功能, 可以直接对矩阵、向量、数组及多项式进行各种复杂的运算。MATLAB所有的变量不需要定义而直接使用, 这对于科学和工程计算非常方便, 因此MATLAB被广泛地应用到数学计算、控制系统、信号处理等领域。下面介绍几个主要函数。

(1) 脚本文件:Operational_Curve, 主要完成数据的初始化, 运行后按照提示进行操作具体。

(2) function Ybus=PowerworldToMatlab (Filename, Ftype, type) , 用于从Powerworld中读取正序导纳、负序导纳、零序导纳到Matlab, 其中, Filename为前面所述的方法从Powerworld中导出的 (*.m) 或 (*.xls) 文件;Ftype为文件类型的标志, 0为*.m文件, 1为*.xls文件;Type为正序导纳、负序导纳、零序导纳的标志, 1为正序导纳, 2为负序导纳, 0为零序导纳;Ybus为导纳矩阵。

(3) function JszkData=YbusToJszk (Ybus) , 完成对导纳矩阵Ybus求逆得到阻抗矩阵Zbus, 然后, 根据⑸或⑹计算出相应的转移电抗, 然后再计算出相应的计算电抗, 结果存于JszkData矩阵中。

(4) function CurveData=QueryFromCurve (JszkData, type) , 根据计算电抗X进行查表, 确定计算电抗X的区间。利用曲线拟合函数, 进行曲线拟合y=f (x) , 再把计算电抗X代入y=f (x) , 求出相应y值, 结果存于CurveData, 其中, JszkData为计算阻抗矩阵, type为汽轮机和水轮机的标志, 0为汽轮机, 1为水轮机。

(5) function Reactance=QueryFromCurve (CurveData, Gdata) , 由相应的CurveData值, 计算出短路电流的有名值, 结果存于Reactance, 其中, CurveData为短路电流标幺值矩阵, Gdata为电源矩阵。

5、算例验证

以参考文献[1]第6章6-2中的算例为例, PowerWorld图如图3所示, 具体参数不再列出。只列出利用本算法所得结果和传统运算曲线法的结果相比较, 以证明算法的有效性及合理性。短路电流结果对比如表1所示:

从表1可以看出, 算例的计算结果与手工计算结果基本相同, 利用程序还进行了其它不同短路时间等短路电流的计算, 均与手算非常接近, 因此可以认为本软件运算曲线法结果准确。

6、结语

本设计采用MATLAB语言来编写短路计算程序, 该程序先把PowerWorld中的导纳矩阵转为阻抗矩阵, 再通过转移阻抗算法计算出转移阻抗, 进而转化为计算电抗, 然后, 采用抛物线拟合法查取存入计算机中的相应运算曲线, 可以进行任意时刻、任意支路的电压、电流计算, 算例验证本程序的正确性和可靠性, 本系统已经在本学院《电力系统分析》教学中应用, 并取得较好的效果。

参考文献

[1]陈光会, 王敏, 主编.电力系统基础.水利水电出版社, 2004年09月.

[2] (美) 格洛费 (Glover, J.D.) 等著, 王庆红, 等改编.电力系统分析与设计.机械工业出版社, 2009年05月.

[3]王葵, 孙莹, 编著.电力系统自动化 (第二版) .中国电力出版社, 2007年01月.

[4]何仰赞, 温增银著.电力系统分析.华中科技大学出版社, 2002年03月.

[5]李光琦, 编.电力系统暂态分析 (第三版) .中国电力出版社, 2007年01月.

PowerWorld 篇4

1 基于DFIG的变速风电机组模型

双馈感应发电机组 (doubly-fed induction generator, DFIG) 为目前风电机组的主流机型。双馈异步发电型变速恒频风电机组如图1所示。

近几年, 风力发电机组的单机容量和风电场建设规模日益扩大, 成为电网电源的重要组成部分。对于含有风电场的电力系统, 由于风力的随机性和间歇性会对电力系统稳定运行产生一定的影响, 因此需要建立正确的数学模型对系统进行仿真分析。

假定定子、转子三相绕组对称且不考虑零轴分量, 则两相任意速ωs旋转dq坐标系下, DFIG的数学模型应如下表示。

电磁转矩方程为

磁链方程为

电压方程为

运动方程为

式中:ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分别为定子、转子磁链的d、q轴分量;isd、isq、ird、irq分别为定子、转子电流的d、q轴分量;Usd、Usq、Urd、Urq为定子、转子电压的d、q轴分量;Ls=Lss+Lm, Lr=Lrr+Lm, Lm=3Lsr/2, Lsr为定子、转子互感幅值, Lss、Lrr分别为定、转子每相漏感;ωs为坐标系旋转角速度;ωr为转子旋转角速度;TL为风力机提供的驱动转矩;Te为电磁转矩;n为电机的极对数;J为风力机的转动惯量。

如果风电场中每台发电机都用全暂态模型表示, 则产生的高阶模型在用计算机分析时计算量非常大, 不利于计算结果的分析。因此, 在研究整个风电场对电力系统的影响时, 不需要考虑每台风力发电机组对电网的单独影响。本文采用一台DFIG模型来等值一个完整的风电场, 研究整个风电场对电网动态性能的影响。

2 系统仿真模型

Power World Simulator (PWS) 是一个面向对象的电力系统大型可视化分析和计算程序。PWS集电力系统潮流计算、灵敏度分析、静态安全分析、短路电流计算、经济调度EDC/AGC, 最优潮流OPF、无功优化、GIS功能、电压稳定分析PV/QV、ATC计算、用户定制模块等多种庞大复杂功能于一体, 并利用数据挖掘技术实现强大丰富的三维可视化显示技术。在PWS中, 输电线路的通断、变压器或发电机的增加以及联络线功率的交换, 一切仅需点击鼠标即可完成[6,7,8,9,10]。

本文中使用模型的基本原型是WSCC-3机9节点系统, 不考虑风电场内部机组之间的影响, 因此采用PWS15.0中的DFIG模型来等值一个完整的风电场, 风电场模型只包括一个简化的风力机等值模型 (GEWTG) , 它包含了详细的励磁控制器模型 (EXWTGE) 和机械调速系统模型 (WNDTGE) , 详细模型见文献[11]。原模型中的两台同步发电机更替成了DFIG, 同步机为平衡机, 系统负荷水平为315MW, 系统接线如图2所示。

2.1 切机对静态电压稳定的影响

常规的大容量发电厂退出运行时, 系统由于突然失去大量无功注入可能存在电压崩溃的危险。双馈感应电机能够实现有功、无功的解耦控制, 因此基于DFIG的无功特性取决于双馈风电机组的控制。一般而言, DFIG构成的风电场能够控制其风电场出口与电网之间不交换无功功率, 即整个风电场不发出也不消耗无功。因此, 切除整个风电场后, 采用风火打捆方式, 即利用火电机组的调节能力配合运行, 对风电出力进行补偿, 平抑风电的间歇性波动, 保证风电电能质量。用等高线可视化展现采用风火打捆方案切风机后各节点的电压情况如图3所示。

从图3可知, 在电网电压稳定极限的允许范围内, 风电场并网必须配备足够的无功补偿容量。

2.2 风机脱网对电网频率稳定性的影响

以美国西部电网WSCC-3机9节点系统为例, 对风机脱网对系统频率的影响进行暂态仿真。

暂态计算综合评估系统的功角稳定、电压稳定及频率稳定情况。在计算结果满足以下所有条件时, 认为系统是暂态的:1) 故障后, 同一交流系统内功角差最大的两台机组之间的功角差呈现减幅振荡并渐趋于平稳;2) 故障期间任何时刻系统频率在47.5~51.5 Hz, 故障后恢复至49.2~50.5 Hz。PWS下风机未脱网和脱网系统频率曲线如图4、图5所示。

由图4和图5可知, 若风机不脱网, 系统瞬时频率最低跌至49.30 Hz, 但若风机脱网则最低跌至48.80 Hz, 加重了系统频率的下跌幅度。分析其原因, 随着风电场并网规模的扩大, 当发生故障时, 大规模风机暂时脱网将造成系统较大的频率缺额, 使系统短时难以恢复至额定频率。文献[8]指出, 风电在电网中所占发电比重越大, 对系统调频困难的负面影响也越大;文献[9-10]讨论了当双馈感应发电机控制系统使机组转速与电网频率完全解耦时, 导致电网频率发生改变, 机组无法对电网频率提供有功贡献。当电网中发生高功率缺额时, 电网频率降低的变化率较高, 频率跌落幅度较大, 不利于电网频率的稳定。

2.3 风机脱网对电网暂态稳定性的影响

在暂态稳定计算时, 假定故障及其恢复过程中风速保持不变, 负荷需求也保持不变, 重点研究电网侧发生故障时, 风力发电机组的响应特性和对电力系统的影响, 以及10个周波后风电场从系统中退出, 对同步发电机功角特性的影响。PWS下暂态故障说明如图6所示。

如图6所示, 选取母线8作为三相接地故障发生的母线, 发生时间为1 s时刻, 断路器在1.1 s动作将故障切除。PWS下机端电压响应曲线如图7所示。

图7中三相接地故障发生1 s时刻, 各发电机的机端电压都有跌落, 最低跌落到0.27 p.u., 风电系统电压稳定问题的关键在于对其补偿无功。文献[12]研究了利用静止同步补偿器 (STATCOM) 改善基于定转速风电机组和基于转子电阻可调的绕线式发电机风电场的暂态电压稳定性;文献[13]将静止无功补偿器 (SVC) 和可控硅控制串联补偿器 (TCSC) 进行联合补偿, 通过仿真计算验证了其对异步机风电场与电网暂态电压稳定性的作用。PSW下风机脱网后同步机功角特性如图8所示。

考虑到WSCC-3机9节点为美国西部电网系统, 所以为了验证其仿真结果的普遍性, 在PSW15.0中搭建典型的IEEE14节点系统进行仿真验证, 如图9所示。

将原系统中同步发电机G2替换为等容量的双馈风力发电机, 验证风机脱网对系统频率稳定性的影响, 仿真结果如图10、图11所示。

由图10、图11可知, 若风机不脱网, 系统瞬时频率最低跌至49.96 Hz, 但若风机脱网则最低跌至49.40 Hz, 加重了系统频率的下跌幅度。

3 结论

1) 采用风火捆绑方案可改善风机脱网后电网电压稳定性。

2) 风电系统电压稳定问题的关键在于对其补偿无功, 因此可通过在风电机组机端并联电容及加装静止同步补偿器 (STATCOM) 、静止无功补偿器 (SVC) 和可控硅控制串联补偿器 (TCSC) 的联合补偿来改善电压稳定性。

3) 当发生故障时, 大规模风机暂时脱网将造成系统较大的频率缺额, 导致系统短时难以恢复至额定频率。