基于PSASP/UPI模塊和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的風(fēng)電場(chǎng)潮流計(jì)算

錢(qián)葉牛，姜濤，鄒琪，劉洋洋

（1．東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012；2．天津市電力科學(xué)研究院，天津300384）

近年來(lái)，全球能源供應(yīng)緊張，環(huán)境問(wèn)題日益突出，特別是全球氣候變暖日趨明顯，世界各國(guó)都認(rèn)識(shí)到了發(fā)展可再生能源的重要性。風(fēng)能以其儲(chǔ)量巨大、分布廣泛、清潔無(wú)污染和可再生的特點(diǎn)，越來(lái)越受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。作為利用風(fēng)能主要方式的風(fēng)力發(fā)電在世界各國(guó)得到了飛速的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電已發(fā)展成多機(jī)聯(lián)合并網(wǎng)運(yùn)行的大型風(fēng)電場(chǎng)。

然而，風(fēng)能的隨機(jī)性和不可控性決定了風(fēng)電機(jī)組的出力具有波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn)，而且風(fēng)機(jī)多數(shù)為異步電機(jī)，其運(yùn)行特性與同步電機(jī)有著本質(zhì)的區(qū)別。因此，風(fēng)電接入系統(tǒng)，必將對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響。這一影響涉及方方面面，其中潮流計(jì)算就是一個(gè)基礎(chǔ)而關(guān)鍵的問(wèn)題，解決好這個(gè)問(wèn)題，是展開(kāi)其他問(wèn)題研究的基礎(chǔ)[1]。因此，對(duì)包含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算是非常有意義的。

仿真是電力系統(tǒng)研究人員進(jìn)行系統(tǒng)研究、試驗(yàn)的有效手段之一。電力系統(tǒng)仿真軟件以數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際的電力系統(tǒng)，用數(shù)值方法對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，它已經(jīng)成為電力系統(tǒng)研究人員不可缺少的有力工具[2]。目前國(guó)內(nèi)外用于電力系統(tǒng)仿真 的 軟 件 有 PSCAD/EMTDC、DIGSILENT、PSS/E、BPA、PSASP等。但是含有風(fēng)電場(chǎng)潮流計(jì)算模塊的軟件只有DIGSILENT和PSS/E，這兩種軟件風(fēng)電場(chǎng)模塊單一且功能簡(jiǎn)單，不能滿(mǎn)足深入研究的需要。對(duì)于包含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算，國(guó)內(nèi)外研究人員更多地用編程語(yǔ)言編程求解，但是這種做法的工作量和難度都比較大；而且編寫(xiě)的程序解法單一，且耗時(shí)耗力。中國(guó)電科院研制的PSASP（全稱(chēng)Power System Analysis Software Package）是一款非常專(zhuān)業(yè)的電力系統(tǒng)仿真軟件。該軟件版本比較多，目前最高版本是7.04，雖然從6.26版本開(kāi)始加入了風(fēng)電模塊，但是該模塊只停留在設(shè)計(jì)階段，還在陸續(xù)地完善中，無(wú)法簡(jiǎn)單快速地進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)的潮流計(jì)算。本文在PSASP/UPI模塊中，利用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)在軟件中嵌入風(fēng)力發(fā)電機(jī)，進(jìn)而完成含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算。最后用修改的IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能很好地體現(xiàn)在PSASP/UPI模塊中，為風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行提供了研究途徑。

1 PSASP/UPI模塊和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)介紹

PSASP于1973年開(kāi)始研發(fā)，至今已有30多年的發(fā)展歷程。近年來(lái)，隨著電力系統(tǒng)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，新型系統(tǒng)元件不斷投入，要求仿真軟件能模擬若干新型電子元件。為滿(mǎn)足以上要求，可以對(duì)已有程序加以增補(bǔ)，但這不是好辦法：一是所增加的內(nèi)容不但要求與已有功能兼容，而且要對(duì)與之相關(guān)的部分作嚴(yán)密的處理。這就要求對(duì)原有程序的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)有清楚的了解，其工作量和難度都很大[3]。

基于上述考慮，研發(fā)人員開(kāi)發(fā)了PSASP用戶(hù)程序接口（UPI）功能模塊（PSASP/UPI）。通過(guò)該模塊，可以實(shí)現(xiàn)包含新型元件的電力系統(tǒng)計(jì)算。PSASP和用戶(hù)程序（UP）間通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（Dynamic Link Library，簡(jiǎn)稱(chēng)DLL）交換數(shù)據(jù)。考慮到描敘電力系統(tǒng)元件的數(shù)學(xué)模型中含有大量的數(shù)學(xué)公式，因而本文選用Fortran Power Station 4.0形成所需要的*.DLL文件。

為了讓PSASP/UPI能夠正確靈活地調(diào)用用戶(hù)生成的*.DLL文件，PSASP對(duì)UP程序的編寫(xiě)做了一些強(qiáng)制性的規(guī)定。對(duì)于潮流計(jì)算，PSASP規(guī)定UP程序的主函數(shù)名和形參必須是LF_UP?(Markend,Ntime,Npar,F1,nf1,F2,nf2,F3,nf3,V1,nv1,IVP,NVP,nnvp)。其中的?是UP程序的標(biāo)識(shí)號(hào)，取值在0~9。Markend是計(jì)算是否結(jié)束的標(biāo)記，值為1時(shí)表示繼續(xù)計(jì)算（初始值設(shè)為1），值為0時(shí)表示中止計(jì)算，該參數(shù)的取值由計(jì)算目標(biāo)是否達(dá)到給出。UP程序可以從PSASP中獲得包含母線電壓模、角等在內(nèi)的16種數(shù)據(jù)信息。其他一些參數(shù)的說(shuō)明可參見(jiàn)PSASP用戶(hù)程序（UPI）修改補(bǔ)充說(shuō)明書(shū)[3]。

2 含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算

目前，國(guó)內(nèi)外風(fēng)電場(chǎng)使用的發(fā)電機(jī)主要有三種，普通異步電機(jī)、雙饋異步電機(jī)和直驅(qū)永磁同步電機(jī)。普通異步電機(jī)是并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)最早采用的機(jī)型，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和維護(hù)方面等特點(diǎn)，曾得到廣泛的應(yīng)用。該種電機(jī)轉(zhuǎn)速變化幅度小，只能在同步轉(zhuǎn)速附近變化，不能隨風(fēng)速的改變而做相應(yīng)的調(diào)整，因而風(fēng)能利用率比較低。目前，風(fēng)電場(chǎng)新增機(jī)組中該類(lèi)型所占比例不大，但是現(xiàn)存風(fēng)電場(chǎng)中數(shù)量還很多。由雙饋異步電機(jī)和直驅(qū)永磁同步電機(jī)組成的風(fēng)電機(jī)組均具有變速運(yùn)行的特點(diǎn)，因而可以捕獲最大的風(fēng)能并能減小機(jī)組機(jī)械部件所受的應(yīng)力，是近些年來(lái)風(fēng)電場(chǎng)采用較多的機(jī)組。不同類(lèi)型的電機(jī)工作原理、運(yùn)行規(guī)律和控制方法等均不同，因此，在潮流計(jì)算中的模型也不同?？紤]到直驅(qū)永磁同步電機(jī)的實(shí)質(zhì)還是同步電機(jī)，在PSASP中仿真時(shí)，只需根據(jù)控制目標(biāo)的不同設(shè)置節(jié)點(diǎn)類(lèi)型為PV或PQ即可。而普通異步電機(jī)、雙饋異步電機(jī)運(yùn)行規(guī)律與同步電機(jī)有明顯的區(qū)別，研究表明含這2種電機(jī)的節(jié)點(diǎn)在潮流計(jì)算中不能簡(jiǎn)單地處理為PV或PQ節(jié)點(diǎn)，因而在PSASP中無(wú)法利用現(xiàn)有模型進(jìn)行仿真。本文只研究含普通異步電機(jī)、雙饋異步電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)在PSASP中的潮流計(jì)算。

2.1 含普通異步電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)潮流計(jì)算

在對(duì)普通異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析中，較多地使用其簡(jiǎn)化的等值電路如圖1所示[4]。圖中的Pe是發(fā)電機(jī)向并網(wǎng)點(diǎn)注入的有功功率；U是并網(wǎng)點(diǎn)電壓；I是注入并網(wǎng)點(diǎn)電流；x1是定子電抗；xm是勵(lì)磁電抗；s是滑差；r2是轉(zhuǎn)子電阻；x2是轉(zhuǎn)子電抗。顯然，Pe就是電阻r2/s上流過(guò)的功率。

圖1 普通異步發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化的等值電路

由電路關(guān)系可以得到：

式中，Qe為發(fā)電機(jī)向并網(wǎng)點(diǎn)注入的無(wú)功功率，φ為電機(jī)功率因數(shù)角。

從式(2)、(3)可以看出Qe與Pe和U以及電機(jī)本身參數(shù)相關(guān)，而Pe和電機(jī)參數(shù)通常是已知量，即Qe僅與U相關(guān)。另外，異步電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，滑差s<0，則Pe>0，Qe<0，即異步發(fā)電機(jī)在發(fā)出有功功率的同時(shí)，還要從電網(wǎng)中吸收一定的無(wú)功功率。因此，在潮流計(jì)算中，含此類(lèi)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)即不能看作PQ節(jié)點(diǎn)，又不能看作PV節(jié)點(diǎn)，更不能看作平衡節(jié)點(diǎn)。如何處理此類(lèi)節(jié)點(diǎn)，目前學(xué)術(shù)界還沒(méi)有共識(shí)。

從現(xiàn)有的研究成果看，主要將此類(lèi)節(jié)點(diǎn)處理為RX節(jié)點(diǎn)、變PQ節(jié)點(diǎn)以及各自派生出的修正的或簡(jiǎn)化的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。文獻(xiàn)[5-6]詳細(xì)敘述了如何將此類(lèi)節(jié)點(diǎn)處理為RX節(jié)點(diǎn)，這種處理方法增加了滑差s的不平衡方程，或需要修改雅克比矩陣，計(jì)算比較復(fù)雜，在PSASP中不易實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[1,7]將此類(lèi)節(jié)點(diǎn)處理為變PQ節(jié)點(diǎn)，推導(dǎo)出了此類(lèi)節(jié)點(diǎn)無(wú)功增量對(duì)電壓的偏導(dǎo)數(shù)，進(jìn)而修改雅克比矩陣對(duì)應(yīng)元素，從而完成潮流計(jì)算。這種處理方法也需要修改雅克比矩陣，且偏導(dǎo)數(shù)計(jì)算復(fù)雜，也不利于在PSASP中實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[4，9]在異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)電路基礎(chǔ)上導(dǎo)出了Q值的計(jì)算方法，并用此Q值動(dòng)態(tài)地修改風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功功率。這種方法實(shí)質(zhì)也是將風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)處理為變PQ節(jié)點(diǎn)，但是其無(wú)需修改雅克比矩陣且計(jì)算公式簡(jiǎn)單，較易在PSASP中實(shí)現(xiàn)。本文采用文獻(xiàn)[4，9]提出的方法，結(jié)合PSASP/UPI功能模塊，設(shè)計(jì)出了含普通異步電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)潮流計(jì)算UPI流程，如圖2所示。

圖2 含普通異步電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)潮流計(jì)算UPI流程

從流程圖中可以看出UP程序需要修改風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的注入功率，因而在PASAP中必須在該節(jié)點(diǎn)上接入一個(gè)同步發(fā)電機(jī)，以獲取修改PG、QG的權(quán)限。同時(shí)該發(fā)電機(jī)要設(shè)置為PQ節(jié)點(diǎn)，P、Q的初始值均為0.0。此外，設(shè)置“首次調(diào)用”判斷框，可以減少重復(fù)讀取數(shù)據(jù)文件，加快程序的執(zhí)行。Markend是潮流計(jì)算是否結(jié)束的標(biāo)志，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)電壓收斂時(shí)，將該參數(shù)置0，結(jié)束計(jì)算。用戶(hù)如果想了解UP程序中某些變量的變化情況（如Pe、Qe），可將這些變量值賦值給F3數(shù)組，結(jié)果將出現(xiàn)在UP變量輸出報(bào)表中。關(guān)于F3數(shù)組的意義可參見(jiàn)PSASP用戶(hù)程序（UPI）修改補(bǔ)充說(shuō)明書(shū)[3]。

2.2 含雙饋異步電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)潮流計(jì)算

雙饋異步發(fā)電機(jī)的等值電路如圖3所示。其中，r1和x1是定子繞組的電阻和電抗；r2和x2是轉(zhuǎn)子繞組的電阻和電抗；xm是勵(lì)磁繞組的電抗；U1是定子繞組端電壓，即電機(jī)接入系統(tǒng)點(diǎn)的電壓；U2是轉(zhuǎn)子繞組外接電源電壓；s是滑差。

圖3 雙饋異步發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化的等值電路

雙饋異步發(fā)電機(jī)與普通異步發(fā)電機(jī)不同，定轉(zhuǎn)子繞組與系統(tǒng)均有能量的交換，因而其注入系統(tǒng)的有功功率為轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組發(fā)出的有功功率之和[8]，即：

式中，x11=x1+xm；s=(w1-w)/w1；可由電機(jī)轉(zhuǎn)速控制規(guī)律求取，其中w1是電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，w是轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度；P1和Q1是定子繞組發(fā)出的有功功率和無(wú)功功率；P2和Q2是轉(zhuǎn)子繞組發(fā)出的有功功率和無(wú)功功率。

雙饋異步發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)注入的無(wú)功功率取決于電機(jī)的運(yùn)行方式：恒電壓方式或恒功率因數(shù)方式。研究表明在恒電壓運(yùn)行方式下很容易出現(xiàn)雙饋電機(jī)無(wú)功功率越極限，因而在實(shí)際的應(yīng)用中多數(shù)采用恒功率因數(shù)方式運(yùn)行[9]。在該運(yùn)行方式下，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組外接電源的電壓和相角可使雙饋電機(jī)定子側(cè)功率因數(shù)恒定不變。若設(shè)該功率因數(shù)為cosφ，則有：

考慮到雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)出或吸收的無(wú)功功率比較小，可近似認(rèn)為電機(jī)向系統(tǒng)饋入的無(wú)功功率為：

與普通異步電機(jī)類(lèi)似，雙饋電機(jī)注入系統(tǒng)的無(wú)功功率也與并網(wǎng)點(diǎn)的電壓有關(guān)，因而在潮流計(jì)算中風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)不能簡(jiǎn)單地處理為某一節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。在恒功率因數(shù)運(yùn)行方式下，將節(jié)點(diǎn)處理為變PQ節(jié)點(diǎn)。如何處理變PQ節(jié)點(diǎn)，通常有2種做法。文獻(xiàn)[10]推導(dǎo)出了無(wú)功功率與節(jié)點(diǎn)電壓之間的關(guān)系，通過(guò)修改雅克比矩陣中相應(yīng)的元素，從而完成潮流計(jì)算。這種處理方法需要修改雅克比矩陣，且偏導(dǎo)數(shù)計(jì)算復(fù)雜，不利于在PSASP中實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[9]在雙饋電機(jī)穩(wěn)態(tài)電路基礎(chǔ)上導(dǎo)出了Q值的計(jì)算方法，并用此Q值動(dòng)態(tài)地修改風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功功率。這種方法無(wú)需修改雅克比矩陣且計(jì)算公式簡(jiǎn)單，較易在PSASP中實(shí)現(xiàn)。本文在后者的基礎(chǔ)上，結(jié)合PSASP/UPI功能模塊，設(shè)計(jì)出了含雙饋異步電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)潮流計(jì)算UPI流程，如圖4所示。

3 風(fēng)電場(chǎng)初始數(shù)據(jù)錄入及人機(jī)界面設(shè)計(jì)

在進(jìn)行含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算時(shí)，需要的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)不能像其他元件一樣直接在PSASP中錄入。為了解決這一問(wèn)題，一種辦法是將這些數(shù)據(jù)直接寫(xiě)進(jìn)LF_UP?(…)函數(shù)中，但是當(dāng)數(shù)據(jù)變化時(shí)，需要重新修改并形成PSASP調(diào)用所要的wind_i.dll文件，過(guò)程比較繁瑣且效率低下。為此，本文利用Delphi2010 VCL組件編制了風(fēng)電場(chǎng)初始數(shù)據(jù)錄入的可視化人機(jī)界面，如圖5所示。通過(guò)該界面完成風(fēng)電場(chǎng)初始數(shù)據(jù)的輸入。

圖5 風(fēng)電場(chǎng)初始數(shù)據(jù)錄入界面

4 算例

4.1 普通異步風(fēng)電場(chǎng)算例

普通異步風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)升壓變壓器和110 kV的輸電線路接入到IEEE14標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中的14號(hào)節(jié)點(diǎn)（如圖6）。系統(tǒng)數(shù)據(jù)參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。風(fēng)電場(chǎng)由40臺(tái)普通異步電機(jī)和40臺(tái)升壓變壓器T1構(gòu)成。假設(shè)每臺(tái)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況相同，則可將風(fēng)電場(chǎng)等效為1臺(tái)等值機(jī)和1臺(tái)變壓器。電機(jī)參數(shù)為：額定電壓0.69 k V；額定容量0.6 MW；定子阻抗0.00453+j0.050752，轉(zhuǎn)子阻抗0.00486+j0.149152，勵(lì)磁電抗j2.205952；在風(fēng)電節(jié)點(diǎn)處增加電容器，無(wú)功補(bǔ)償量為有功的30%[9]。變壓器T1參數(shù)為：額定容量0.8MVA，額定變比0.69/35 k V，短路電壓百分值6.5。變壓器T2參數(shù)為：額定容量31.5 MVA，額定變比35/110 k V，短路電壓百分值10.5。輸電線路阻抗參數(shù)為13.23+j26.21。全系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量選為100 MVA，各電壓等級(jí)均選平均額定電壓作為基準(zhǔn)電壓。

圖6 含風(fēng)電場(chǎng)的IEEE14標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)圖

計(jì)算過(guò)程如下：1）在PSASP中建立圖6所示的系統(tǒng)，完成相關(guān)數(shù)據(jù)的錄入；2）按圖2所示的流程在Fortran Power Station 4.0中建立wind_i.dll文件，并將其拷入PSASP算例的Temp文件夾中；3）利用圖5所示的界面輸入風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“保存”按鈕，所形成的wind_i.dat文件自動(dòng)保存到2）步驟中的Temp文件夾中；4）進(jìn)入PSASP文本支持環(huán)境中，設(shè)置好潮流用戶(hù)程序數(shù)據(jù)卡片，保存退出，點(diǎn)擊計(jì)算即可完成潮流計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 普通異步風(fēng)電場(chǎng)潮流計(jì)算結(jié)果

4.2 雙饋異步風(fēng)電場(chǎng)算例

將以上算例中的風(fēng)電場(chǎng)替換為16臺(tái)雙饋異步電機(jī)和16臺(tái)升壓變壓器T1，就構(gòu)成1個(gè)雙饋異步風(fēng)電場(chǎng)。雙饋異步電機(jī)參數(shù)為：額定電壓0.69 k V；額定容量1.5 MW；同步轉(zhuǎn)速1 000 r/min；定子阻抗0.001692+j0.03692Ω，轉(zhuǎn)子阻抗0.002423+j0.03759Ω，勵(lì)磁電抗j1.456 8[10]；功率因數(shù)0.99（滯后）；風(fēng)電節(jié)點(diǎn)處不加補(bǔ)償裝置。變壓器T1參數(shù)為：額定容量1.6MVA，額定變比0.69/35 k V，短路電壓百分值6.5。其他元件參數(shù)同上，潮流計(jì)算過(guò)程也同上。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 雙饋異步風(fēng)電場(chǎng)潮流計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論與展望

本文基于普通異步電機(jī)和雙饋異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型，利用PSASP/UPI模塊實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)的潮流計(jì)算。從仿真結(jié)果看：普通異步風(fēng)電場(chǎng)在發(fā)出有功功率的同時(shí)需要消耗大量的無(wú)功功率，且整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)電壓水平偏低；雙饋異步風(fēng)電場(chǎng)在發(fā)出有功功率的同時(shí)能發(fā)出少量的無(wú)功功率，且整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)電壓水平較高。這與實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行情況是一致的。從計(jì)算過(guò)程看，十分簡(jiǎn)單、清晰，易于為研究人員所掌握。此外，本文的仿真過(guò)程可為進(jìn)一步研究風(fēng)電系統(tǒng)提供參考，如考慮風(fēng)速分布、尾流效應(yīng)和地形變化等因素對(duì)風(fēng)電場(chǎng)潮流計(jì)算的影響等。

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