張 偉 郭 偉

南京信息工程大學 江蘇南京 210044

基于PSASP的電力系統(tǒng)潮流計算研究*

張 偉 郭 偉

南京信息工程大學 江蘇南京 210044

文章依托電力系統(tǒng)分析課程的教學改革，將電力系統(tǒng)綜合程序引入到實踐教學中，并結合目前關注度較高的風力發(fā)電的特點，建立了簡化的異步發(fā)電機組的等效模型，設計出大型海上風電場并網后電力系統(tǒng)潮流計算的一種方法，最后通過PSASP自帶的WSCC9節(jié)點系統(tǒng)，進行此方法的驗證，并將結果同現(xiàn)有計算包含風電場系統(tǒng)潮流的結果進行比較，得出來設計可行性的結論，由此可以推廣其他形式新能源并網的潮流計算。

電力系統(tǒng)分析；PSASP；海上風電場；潮流計算

電力系統(tǒng)分析課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課,課程主要闡述了電力系統(tǒng)的基本概念、基本理論和計算方法。由于教學和實驗學時短，學生感到難度較大。為了提高該課程的教學效果以及讓學生做到理論聯(lián)系實際，特將電力系統(tǒng)綜合程序引入該課程的課程實驗中。電力系統(tǒng)分析中所涉及的3大計算均能通過實驗課讓學生進行獨立的操作和設計，通過仿真以實現(xiàn)理論和實踐的有機結合。

一、PSASP 簡介

電力系統(tǒng)綜合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP）是中國電力科學研究院開發(fā)的一套功能強大的電力系統(tǒng)分析程序，是目前電力行業(yè)廣泛應用的計算分析軟件，可進行電力系統(tǒng)的各種計算分析，具有運行穩(wěn)定、運算結果準確、使用方便、界面友好等優(yōu)點。PSASP可進行電力系統(tǒng)的各種計算，包含了電力系統(tǒng)潮流計算、短路電流計算、暫態(tài)穩(wěn)定等十幾種計算模塊，涉及了穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、線性、非線性、優(yōu)化等各種分析手段。PSASP基于Windows系統(tǒng)，有著簡潔、明了、方便的人機界面；PSASP提供了“目錄”“索引”兩種形式的幫助，且?guī)椭膬热莘浅Ｔ敿?，用戶可方便地獲得電子文件形式的直接幫助。這些使得學生在短時間內就可學會并靈活應用。PSASP具有非常靈活而強大的結果分析功能，能將結果以報表和曲線的形式輸出，能在系統(tǒng)單線圖和地理位置接線圖上標注計算結果，與Excel、AutoCAD、Matlab等常用軟件有方便的接口。除此之外，PSASP還具有高度的開放性，提供了用戶自定義(UD)和用戶程序接口(UPI)的功能，其中用戶自定義建模方法提供了自行建模來研究電力系統(tǒng)新設備、新裝置，用戶程序接口為用戶提供了自由、開放的環(huán)境，可通過編程利用PSASP的資源和實現(xiàn)PSASP功能的擴充。

二、基于PSASP的潮流計算

PASAP對于電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的潮流計算具有強大的輔助分析能力，隨著風電技術逐漸由陸上延伸到海上,海上風力發(fā)電已經成為世界可再生能源發(fā)展領域的焦點。風電是一種波動性、間歇性電源，大規(guī)模并網會對局部電網的穩(wěn)定運行造成影響。隨著海上風電機組容量和風電場規(guī)模的不斷增大，迫切需要研究大型海上風電場并網后對電力系統(tǒng)的影響。潮流計算是分析大型海上風電機組并網后對整個電網產生影響的基礎，也是其并網后對電網的穩(wěn)態(tài)運行及對電網穩(wěn)定性分析的研究基礎，因此我們把對包含風電的潮流計算引入到相關的課程實驗中。

1.海上風電機組數(shù)學模型的建立

海上風電機組多為異步發(fā)電機，大型海上風電場一般有幾十臺或者上百臺的異步風電機組成，計算海上風電場并網后的電力系統(tǒng)潮流時必須要考慮風電機組的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，其等效電路和功率傳遞關系如圖1所示。其中xm、rm，分別為勵磁電抗和電阻，x1、r1分別為定子的電抗和電阻，x2、r1分別為轉子的電抗和電阻。由于圖1中xm＞＞x1，可忽略定子和鐵心的功率損耗，并將勵磁支路移到電路首端,可得到簡化的異步發(fā)電機的Γ型等值模型（如圖2所示）。

圖1 異步發(fā)電機的功率關系

圖2 異步發(fā)電機的簡化等值電路

由圖2電路關系可以得到：

(1)式的實部為海上風電場發(fā)出的有功功率Pe，虛部即為風電場發(fā)出的無功功率Qe

由實部得到發(fā)電機滑差系數(shù)s的表達式為:

2.海上風電機組并網后的潮流計算

常規(guī)的潮流計算將系統(tǒng)母線分為PQ節(jié)點、PV節(jié)點和平衡節(jié)點3大類。但海上風電機組在發(fā)出有功功率的同時要吸收無功功率，其輸出的有功功率取決于風速大小。海上風電機組的功率曲線一般由風電機廠家提供，如表1所示。

表1 600kw海上風電機組功率特性

實驗中的海上風電機組的切入風速vcut-in為3m/s，切出風速vcut-out為25m/s，額定風速ve為13～14m/s，當風速為3m/s到13m/s之間時，電機的輸出功率與風速大體上是成正比。風電機組消耗的無功功率和機端電壓、發(fā)出的有功功率以及發(fā)電機的滑差有關。因此求解包含風電場的電力系統(tǒng)潮流時,必須考慮風電機組本身的特點并很好地處理風電場的節(jié)點，實驗按照如下3種方式處理海上風電場節(jié)點。

第一，海上風電場的功率因數(shù)為已知量，并且在不同風速條件下保持恒定。在有功功率已知時可以通過功率因數(shù)求得無功功率，在潮流計算中可將風電場近似處理為PQ節(jié)點。

第二，采用本文提出的異步發(fā)電機的簡化等值模型，利用已知條件求出Qe，仍將海上風電機組視為PQ節(jié)點，改變WSCC9節(jié)點系統(tǒng)的相關參數(shù)，進行潮流計算。

第三，但實際上，海上風電場的功率因數(shù)在不同運行方式下是變化的?？紤]到海上風電機組本身沒有勵磁調節(jié)裝置，不能調節(jié)電壓，這種情況下就不能簡單的將風電節(jié)點歸屬于PV節(jié)點或是PQ節(jié)點。這時針對以上海上異步風力發(fā)電機組有功和無功功率及與電壓、風速、滑差率的關系,在使用牛頓－拉夫遜法潮流計算中，要對雅可比矩陣中的海上風電場節(jié)點的無功增量對電壓的偏導數(shù)增加以下分量：

3.具體算例分析

本算例采用的是PSASP軟件自帶的WSCC9系統(tǒng)進行潮流計算，其接線圖如圖3所示。海上風電機機端變壓器變比一般為690v/10kv,經線路匯集后，再經風電場升壓變壓器電站主變升壓送至系統(tǒng)。風電場容量為40×600kw，風電機組為同一機型，風機的切入風速、切出風速、額定風速均相同，額定電壓為690v。海上等值（40臺）風電機組的定子阻抗為0.005048＋j0.060515,轉子電抗為0.002267＋j0.066097，激磁電抗為j2.205952（選取SB=100MVA），cosΨ=0.89，系統(tǒng)電壓為1.0p.u.，本算例忽略海上風電機出口并聯(lián)電容器補償?shù)淖饔?即電容器暫未投入。按照上述的3種方法計算的潮流結果如表2所示。

表2 不同風速下海上風電場的潮流結果

無論采用哪種計算方法,海上風電場的端電壓的變化規(guī)律都是隨著風電機組有功功率的變大而先增加然后達到某一值后開始減小(不包括風電場出力為0 時的情況)。通過對比表2中的結果不難發(fā)現(xiàn)，采用衡定功率因數(shù)方法計算出來的電壓有很大偏差，電壓變化規(guī)律基本上是隨著風電場的有功功率的增加而減小。后兩種方法計算結果較為接近，也符合電壓變化規(guī)律，因此得到所提出的模型是正確的結論。

三、結束語

根據(jù)電力系統(tǒng)分析課程的特點，將PSASP仿真軟件引入到實踐教學環(huán)節(jié)中，計算包含新能源并網后的電力系統(tǒng)的潮流。在提出的簡化異步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)模型的基礎上，提出了一種簡單可行的包含海上風電場的潮流計算方法，并通過具體算例的驗證，證明了此方法的正確性和實用性，由此可以將其他新能源發(fā)電形式融入PASAP的潮流計算中，從而為電力系統(tǒng)其他分析研究打下基礎。

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Study of power folw calculation for power system base on PSASP

Zhang Wei, Guo Wei
Nanjing university of information sciences & technology,Nanjing,210044,China

The power system analysis software package(PSASP) introduced into the practice teaching of the power system analysis relies on the reform of power system analysis.This paper proposes a simplified steadystate equivalent model of asynchronous generators base on the characteristics of the wind power generation.A method to calculate the power flow for power system including large-scale offshore wind farm is then proposed. The feasibility of this model is finally validated through the WSCC 9 node system included in PSASP and the comparison between the newly outcomes and the result from the existed calculation of power flow for power systems including wind farm,and can extend other forms of new energyy for the power flow calculation.

power system analysis; PSASP; offshore wind power; power flow calculation

2009-12-01

張偉, 博士，講師。

*本文系南京信息工程大學科研基金資助項目(09JY0031)。