新 能 源 一×一ｚ ｚｍｚｏ、，ｃ ｚ 基亏ＰＳＡＴ￣６风电场接入电力系统时域仿真研究 沈正元，初翠平 （东北电力大学，吉林吉林摘１３２０１２） 要：电网规模日渐增大加之风力发电技术不断进步，风电场接入地区电力系统时，电网动态安全问题就越来 越受到关注，其中时域仿真研究电力系统的动态特性是一个行之有效的方法。引入了一种［￣：（Ｍａｔｌａｂ语言为基础 编－Ｗ的仿真软件ＰＳＡＴ，集绘图、分析以及计算为一体的电力系统分析软件包来研究电网动态安全问题。文中首 先简要概述ＰＳＡＴ的功能及特点，然后结合１个典型风电场接入电网的模型进行时域仿真分析，说明了风电场接 入电力网络时的网络模型、参数的设置以及仿真图形的绘制等问题。 关键词：ＰＳＡＴ；风电场模型；电力系统潮流；时域仿真 中图分类号：ＴＭ６１４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３—７５９８（２０１２）０９—００１６—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ Ｂｅ Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｗｉｎｄ Ｆａｒｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＳＡＴ ＳＨＥＮ Ｚｈｅｎｇ－ｙｕａｎ，ＣＨＵ Ｃｕｉ—ｐｉｎｇ （Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｄｉａｎｌｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ １ ３２０ １ ２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ ａｎｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｉｓ ｐａｉｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄ ｗｈｅｎ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｉｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｓｐｅｃｔ，ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｎｏｖｅｌ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐａｃｋａｇｅ ＰＳＡＴ ｔｈａｔ ｂａｓｅｓ ｏｎ Ｍａｔｌａｂ ｌａｎｇｕａｇｅ，ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｄｒａｗｉｎｇ，ａｎａｌｙｓｉｓ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄａｔａ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｂｒｉｅｆｌｙ ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ＰＳＡＴ． Ｔｈｅｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｋｅｓ ａ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ ｔｏ ｂｅ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ，ａｎｄ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ ｔｏ ｂｅ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ，ｉｔｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｇｒａｐｈｉｃｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＳＡＴ；ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｍｏｄｅｌ；ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｌｏａｄ ｆｌｏｗ；ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 基础，集绘图、分析、计算与数据处理为一体，对有 ０ 引言 电力系统的时域仿真计算是研究电力系统稳 态运行的基本运算。即根据给定的运行条件和系统 风电场接入电网的电力系统潮流计算进行建模仿 真，对１个仿真实例进行分析。 １ ＰＳＡＴ简介 用于电力系统常规计算分析的软件包ＰＳＡＴ （Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｔｏｏｌｂｏｘ）可以通过Ｍａｔｌａｂ 接线情况，以及在遭受干扰时可以通过计算确定电 力网络各部分的运行状态。通过仿真计算可以评定 电力系统运行方式的合理性、经济性和安全性。由 于现场试验和计算难度较高，所以使用电力系统仿 真软件进行仿真己成为电力系统分析重要的工具 和手段。 进行调用，亦可以与Ｓｉｍｕｌｉｎｋ相结合使用ｌ ２ｌ。使用 过程中可以模拟电力系统中常见组件，对已建立 的电网模型进行小干扰稳定分析、潮流计算、最优 潮流计算、时域仿真和ＰＭＵ配置，而且支持用户 自定义模型。它的核心是潮流程序，潮流问题一旦 得到解决，就可以进一步进行模拟系统静态和动 目前研究电力系统仿真的技术方法有很多。国 内主要是以ＭａｔＰｏｗｅｒ、ＰＳＡＴ等软件用于电力教学 和科学研究＿１］。本文采用电力系统分析软件包ＰＳＡＴ． ∥ 它基于Ｍａｔｌａｂ数学语言编写的以图形用户界面为 态分析。它的网络设计均采用基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型 １６ 库的图形用户方式。为了提高对电力系统分析的 准确性，ＰＳＡＴ提供了很多静态和动态模型：母线、 变压器、传输线、Ｐ— 节点、平衡节点、线路故障、 Ｐ—Ｑ节点、断路器、母线频率测量、频率依赖负荷、 电压依赖负荷、同步电机、柔性交流输电系统 （ＦＡＣＴＳ）、有载调压变压器、感应电机等：而且还包 括大量的实用工具：构造网络的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ库、设置 参数的图形界面、用户自定义模块工具、图形方式 输出、数据格式转换及命令记录工具等。该工具包 可计算规模较大的系统，且该软件包源代码完全 公开，因此用户可以根据自己的研究兴趣编写、修 改相应源代码实现研究目的ｌ ３ｌ。 ２仿真研究内容及仿真模型搭建 ２．１ 研究内容 本文模拟仿真系统目的是研究风电场并入电 网时对系统电压稳定的一些影响。具体研究思路 是，假设模拟风电场组的输出功率水平，从风电场 本身和电网侧两个角度来研究，然后选取几种典型 风电场的运行方式，本文中以阵风情况和渐变风情 况为例。再通过时域仿真的方法检验电力系统在该 风电场输出功率水平冲击下的电压变化以及系统 中常规机组的出力变化，最后分析在电网侧发生短 路故障（考虑对系统影响最严重的三相短路故障） 时对风电场稳定运行的一些影响。 ２．２仿真模型搭建 本文使用的研究软件ＰＳＡＴ可计算上千节点规 模，它源代码完全公开，方便开发，它的模型数据的 输入一般有２种方式：第一个是 ．ｍ文件格式输入； 另外．ＰＳＡＴ支持在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下从模型库中拖 拽元件搭建仿真算例（。 。 ．ｍｄｌ文件），Ｓｉ篡 黧 撵 ◇埘 ｍｕｌｉｎｋ环境下 编译的文件最终是解释成第一种方式的文本文件 仃 一—— 由Ｍａｔｌａｂ函数调用并完成计算。 ３仿真 仿真实验采用ＷＳＣＣ ３机９节点系统（见图 １）．基于ＰＳＡＴ对含风力发电场的电力系统运行进 行时域仿真研究。在本文仿真时风电场从节点２接 入系统。建立该系统的ＰＳＡＴ模型，将初始和终止时 间等参数保存到仿真模型中，然后进行潮流计算， 最后进行系统的时域仿真。发电机采用二阶模型， 风电场及其他具体参数见文献［４］。 图 ＷＳＣＣ ３机９节点系统 本模型中假设风电场最大的装机容量为２ ＭＷ。 风电机组的额定风速是１５ ｍ／ｓ。 ３．１ 阵风情况 研究风电场对系统运行的影响，算例中设初始 时刻的平均风速为１０ ｒｒｄｓ，当２ Ｓ时出现了阵风，１２ Ｓ 时阵风消失，仿真时间设为２０ Ｓ。阵风风速最大幅 值为８ ｍ／ｓ。在阵风情况下，风电场的输出功率、风 电场母线电压以及常规发电机组２的输出功率变 化如图２一图４所示。 一 一¨图２¨ 阵风下风电场的输出功率 一※０ 一√一 孵 新能源 一×乏ｚｍｌ ０．９９８ ０．９９６ Ｏ ９９４ ｊ Ｏ ９９２ ０＿９９ ０．９８８ ０．９８６ ０．９８４ ０．９８２ ０ ９８ ０ ２ ４ ６ ８ １０ １２ １４ １６ １８ ２０ ｔ｝ｓ 图３阵风情况下风电场母线电压 图２一图４表明：在阵风情况下，风电场的输出 ，ｃｎ 奴一ｚ０、新能 源 一×一ｚ ｚｍｚ０、，ｃ》ｚ 图４常规机组２的输出功率 功率随着风速迅速变化而变化，风电场母线电压也 相应的快速正比变化。在风电场输出功率急速变化 的同时．系统中的常规发电机组的有功输出也随之 快速变动，以补偿系统功率平衡的需要。 ３．２渐变风情况 假设初始时刻的平均风速为１０ ｍ／ｓ．在２ Ｓ时 刻，出现了渐变风。渐变风的上升时间为６ ｓ。峰值 保持时间为８ ｓ，在１６ Ｓ时阵风消失，渐变风风速最 大幅值为７ ｍ／ｓ。仿真时间设为２０ ｓ。风电场输出功 率、风电场母线电压曲线如图５一图６所示。 ｓ 图５渐变风下风电场的输出功率 ｌ ０ ９９８ ０ ９９６ ０ ９９４ ．０ ９９２ Ｓ ０．９９ ０ ９８８ ０．９８６ ０．９８４ ０ ９８２ ０ ９８ 图６渐变风下风电场母线电压 当渐变风发生时，由于额定风速为２０ ｍ／ｓ．所以 输出功率还未达到极大值，输出功率会随风速的增 １８ 加而增大．这样便导致机组出口电压上升；风速在 １７ ｍ／ｓ恒定时侯，风电场输出功率也基本保持恒定， 母线电压也基本恒定；当风速降低时，输出功率和 母线电压都会产生一定的扰动，经过一段时间后， 便可重新回到原来的运行状态。 ３．３三相故障节点 三相短路故障，故障点在节点７。图７一图８所 示为风电场与系统之间的联络线路中节点７处发 生三相短路故障时风电场母线电压变化情况以及 常规机组２的输出无功功率变化情况。设１ Ｓ时发 生短路故障。由图７可知，该系统中经受联络线三 相短路故障时，暂态电压跌落非常大，在１．０８３ Ｓ时 故障排除，电压浮动开始渐渐减小，到４ Ｓ时基本能 够恢复正常。 簿皇一ｃｌ １ ０ Ｏ ０ ０ ０ ８ ６ ４ ２ 图７三相短路故障时的风电场节点电压 图８常规机组２的输出无功功率 ４结论 从以上的算例可以得出，基于Ｍａｔｌａｂ的仿真软 件ＰＳＡＴ，其仿真界面具有可视化窗口，操作非常方 便，而且仿真图形具有清晰准确的特点，这样就为 工程设计及理论研究提供了一个平台。随着电力Ｔ 业的发展，各种新装备新问题有待解决．基于Ｍａｔｌａｂ 的电力系统分析工具软件包ＰＳＡＴ，以其丰富的元 １ ２ 件模型库、完善的仿真功能以及源代码开放和灵活 ［３］谷志红，牛东晓，王会青．广义回归神经网络模型在短期 的自定义功能将成为电力科研人员一个重要的 电力负荷预测中的应用研究ＩＪ］．中国电力，２００６，３９（４）： 选择。 １１一ｌ４． ［４］ＰＭ安德逊，ＡＡ佛阿德．电力系统的控制与稳定（第二 参考文献 卷）【Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９９９． ［１］汤涌．电力系统数字仿真技术的现状与发展［Ｊ】．电力系 （责任编缉 申光艳） 统自动化，２００２，２６（１７）：６６—７０． 【２】王金铭，高键．基于ＰＳＡＴ的电力系统时域仿真研究『Ｊ］． 收稿日期：２０１２—０６—０５ 科学技术与工程，２００８，８（１７）：４８０２—４８０５． 作者简介：沈正元（１９８６一），男，江苏宿迁人，硕士研究生，研究方向 为电力系统稳定与控制。 －—＋－“—＋一”＋”＋一＋”＋ （上接第７页） 中国电机工程学报，２００８，２８（３４）：４７—５１． ［２］印彪，张文亮，周孝信，等．特高压同步电网安全性评 估［Ｊ】．中国电机工程学报，２００７，２７（３４）：１－６． ［３］ 印永华．特高压大电网发展规划研究［Ｊ］．电网与清洁能 源，２００９，２５（１０）：１－３． ［４］余贻新，李鹏．大区电网弱互联对互联系统阻尼和动态 稳定性的影响『Ｊ］．中国电机工程学报，２００５，２５（１１）：６－１１． 【５］云雷，刘代刚，汪如松．基于多重扰动的跨区域电网薄弱 Ｓ 区域选取研究ｌＪｌ＿陕西电力，２０１１，３９（１０）：１９—２２． （ａ）Ｇ 强迫振荡源 ３ ５ ［６】刘春梅，李勇，辛杨．电力系统低频振荡的影响因素研 ３ ０ 究［Ｊ］．陕西电力，２０１１，０６（４）：１２—１５． ２ ５ ［７］余一平，闵勇，陈磊，等．基于能量函数的强迫功率振荡 ｊ ２ ０ 扰动源定位［Ｊ】．电力系统自动化，２０１０，３４（５）：１－６． 乓 【８］汤涌．电力系统强迫功率振荡的基础理论【ＪＪ．电网技术， １ ５ ２００６，３０（１０）：２９－３３． １ ０ 【９】顾丽鸿，周孝信，陶洪铸，等．局部弱互联诱发互联电网 Ｏ ５ 强迫振荡机制分析ＩＪ１．电网技术，２０１０，３４（１２）：３６—４３． ０ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ ［１０］韩志勇，贺仁睦，马进，等．电力系统强迫功率振荡扰动 ｔ／ｓ （ｂ）Ｇ 强迫振荡源 源的对比分析『Ｊ］．电力系统自动化，２００９，３３（３）：１６—１９． 图６不同振荡源位置对强迪功率振荡的影响 【１ １］余一平，闵勇，陈磊．多机电力系统强迫功率振荡稳态响 应特性分析［Ｊ］．电力系统自动化，２００９，３３（２２）：５－９． 人强迫振荡机制解释电网非负阻尼功率振荡现象。 ［１２］俞翔，朱石坚，刘树勇．多自由度非线性隔振系统建模及 伯 （１）在经典特征值分析理论基础上，引入多自 媾 鍪 露 瓣鼹凇 矮 鍪 其非共振响应［嚣 毯翳壤隧懋藕 ＪＪ．振动与冲击，２６（７）：６９—７３．新能 源 一 ×一ｚ ｚｍｚ 亡由度强迫振动理论推导多机系统的强迫功率振荡 ［１３］谢能刚，宋修广．多自由度结构受迫振动中的能量共 发生机理及系统状态变量稳态响应特性。 振『ＪＩ．振动与冲击，２１（３）：４０—４２． （２）详细推导并论证了多机系统强迫功率振荡 【１４］ＫＵＮＤＥＲ Ｐ．电力系统稳定与控制［Ｍ】．北京：中国电力出 版社．２００２：４６５—５５２． 与系统固有模式频率、强迫振荡模式阻尼及强迫振 （责任编缉付小平） 荡源等影响因素直接相关。 （３）通过实际算例验证了系统周期性扰动可以 收稿日期：２０１２—０７—１５ 引发系统功率振荡．并分别分析了强迫振荡模式、 作者简介：王哲伟（１９９Ｏ一），男，河南安阳人，本科生，主要研究方向 振荡源幅值及位置对系统强迫功率振荡的影响。 为电力系统运行与控制。 参考文献 【１】赵良，郭强，覃琴，等．特高压同步电网稳定特性分析ＩＪＩ
