張龍音,晁勤,袁鐵江,吐?tīng)栠d·伊不拉音,袁建黨
(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830047;2.烏魯木齊電業(yè)局,新疆烏魯木齊 830011)
大型電力系統(tǒng)分析軟件如電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)、PSCAD、PSS/E等大都采用依照數(shù)學(xué)解析式搭建模型來(lái)完成風(fēng)電仿真[1-2]。然而風(fēng)力機(jī)或風(fēng)電場(chǎng)數(shù)學(xué)模型不能完整體現(xiàn)風(fēng)電的波動(dòng)性和間歇性。因此,提出一種基于“錄播重現(xiàn)”建模思想(該思想另篇文章發(fā)表)實(shí)現(xiàn)的新方案,本文主要介紹其實(shí)現(xiàn)方法。
目前大部分電力系統(tǒng)仿真軟件不包含風(fēng)電場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,需要采用外接用戶(hù)程序或自定義模型的方法實(shí)現(xiàn)。如電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)具有用戶(hù)自定義建模(UD)和用戶(hù)程序接口(UPI)功能。文獻(xiàn)[3-4]基于PSASP的UD功能,根據(jù)仿真目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用程序給定的基本功能框圖進(jìn)行連接裝配搭建了仿真模型。文獻(xiàn)[5]于PSASP的用戶(hù)程序接口(UPI)模塊中以風(fēng)速和并網(wǎng)點(diǎn)電壓為輸入變量,編寫(xiě)風(fēng)電功率計(jì)算程序。通過(guò)接口文件傳遞計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)至PSASP潮流計(jì)算程序,與其共同完成計(jì)算任務(wù)[6]。PSCAD/EMTDC中用戶(hù)通過(guò)兩種方式將自定義代碼嵌入程序:①直接在元件定義中加入Fortran代碼。②在元件定義中使用接口程序調(diào)用其他軟件中的函數(shù)或子程序(Fortran、MATLAB和C)[7-9]。PSS/E允許用戶(hù)自定義模型或修改已有的模型的連接方式[10-11]。在PSS/E中創(chuàng)建自定義模型,可利用FORTRAN或FLECS語(yǔ)言在CONEC和CONET文件中創(chuàng)建模型的數(shù)學(xué)方程,或利用MATLAB中SIMULINK環(huán)境創(chuàng)建模塊圖,在仿真運(yùn)算時(shí)調(diào)用[12]。
以上軟件實(shí)現(xiàn)方法均基于數(shù)學(xué)模型建模,而本文利用電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字動(dòng)態(tài)仿真軟件(Digital Dynamic Real Time Simulator,DDRTS) 提供的自定義函數(shù)功能和可控功率元件[13-15],實(shí)現(xiàn)的“錄播重現(xiàn)”模塊可將風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際錄波數(shù)據(jù)嵌入到電力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中,進(jìn)行全網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算。文章介紹了其實(shí)現(xiàn)方法,并通過(guò)實(shí)例與PSASP仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證了該模塊的可行性和有效性。
文章基于“錄播重現(xiàn)”的建模思想,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電數(shù)據(jù)嵌入軟件環(huán)境功能模塊(或稱(chēng)“錄播重現(xiàn)”功能模塊)。風(fēng)電實(shí)際出力數(shù)據(jù)經(jīng)風(fēng)電預(yù)處理模塊插值處理,轉(zhuǎn)換為T(mén)XT格式的秒級(jí)數(shù)據(jù)。通過(guò)風(fēng)電數(shù)據(jù)嵌入軟件環(huán)境模塊嵌入電力網(wǎng)架,從而實(shí)現(xiàn)將風(fēng)電數(shù)據(jù)嵌入電力系統(tǒng)軟件進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算的目的。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)思路如圖1所示。
由于風(fēng)電數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集常以15 min或5 min為采樣間隔,而DDRTS軟件環(huán)境的仿真步長(zhǎng)以s為單位。為使風(fēng)電數(shù)據(jù)的采樣間隔同軟件環(huán)境的仿真步長(zhǎng)匹配,文章基于MATLAB采用插值計(jì)算的方法將風(fēng)電數(shù)據(jù)由分鐘級(jí)插值為秒級(jí)。插值方法可采用一維線(xiàn)性插值,公式為:
圖1 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)思路Fig.1 The technology roadmap
式中,P(t)表示風(fēng)電場(chǎng)t時(shí)刻發(fā)出功率;P(t0)表示風(fēng)電場(chǎng)t0時(shí)刻發(fā)出功率;P(t1)表示風(fēng)電場(chǎng)t1時(shí)刻發(fā)出功率,其中t0 基于DDRTS自定義函數(shù)功能,文章在變功率負(fù)荷元件中采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)風(fēng)電數(shù)據(jù)讀入程序。“錄播重現(xiàn)”模塊功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴(lài)風(fēng)電數(shù)據(jù)讀入程序,達(dá)到將風(fēng)電數(shù)據(jù)嵌入DDRTS軟件環(huán)境的目的。部分程序如下: 針對(duì)“錄播重現(xiàn)”功能模塊中數(shù)據(jù)讀入程序流程圖如圖2所示。 圖2 程序流程圖Fig.2 The program flow chart 錄播重現(xiàn)功能模塊包括:有功、無(wú)功出力給定和有功、無(wú)功控制端口,其中有功出力(單位:MW)給定包括數(shù)據(jù)讀入程序模塊和比例函數(shù)兩部分。由于變功率負(fù)荷輸出為負(fù)荷量,相對(duì)系統(tǒng)而言輸出功率為負(fù),而風(fēng)電數(shù)據(jù)相對(duì)系統(tǒng)而言為正,故需在自定義函數(shù)模塊后加裝比例函數(shù),完成數(shù)據(jù)正負(fù)轉(zhuǎn)換。通過(guò)有功出力輸出將已讀入的風(fēng)電數(shù)據(jù)傳遞給變功率負(fù)荷,從而控制變功率負(fù)荷的輸出。錄播重現(xiàn)功能模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。 圖3 錄播重現(xiàn)功能模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 The topology of the waveform playback function 嵌入“錄播重現(xiàn)”功能模塊的變功率負(fù)荷元件,同其他電源型元件相同,通過(guò)變壓器和輸電線(xiàn)路連接入電力系統(tǒng),以功率源的形式向系統(tǒng)輸送能量。由“錄播重現(xiàn)”功能模塊讀入軟件環(huán)境中的數(shù)據(jù),通過(guò)這種方式與系統(tǒng)構(gòu)成聯(lián)系。最終實(shí)現(xiàn)將純粹數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電氣量,并接入系統(tǒng)中對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響的目的。變功率負(fù)荷元件接入電力系統(tǒng)示意圖如圖4所示。 圖4 變功率負(fù)荷接入電力系統(tǒng)示意圖Fig.4 Sketch map of variable power loads accessing the power system 以某含風(fēng)電的區(qū)域電網(wǎng)為例,分別在PSASP和DDRTS中搭建該電力網(wǎng)架。風(fēng)電場(chǎng)額定容量為49.5 MW。在DDRTS中搭建的電力網(wǎng)架如圖5所示。 截取該風(fēng)電場(chǎng)秋季某日日間出力歷史數(shù)據(jù),采樣時(shí)長(zhǎng)6 h,采樣間隔15 min。使用MATLAB繪圖函數(shù)繪制為風(fēng)電出力曲線(xiàn)(M)。同時(shí),經(jīng)插值模塊處理后嵌入DDRTS軟件環(huán)境中“錄播重現(xiàn)”功能模塊,將模塊作為風(fēng)電場(chǎng)模型并入電力網(wǎng)架;PSASP中風(fēng)電場(chǎng)采用雙饋直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通用模型。在仿真條件相同的情況下,分別在兩個(gè)軟件中進(jìn)行仿真,對(duì)風(fēng)電出力、節(jié)點(diǎn)電壓和系統(tǒng)頻率仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比仿真流程如圖6所示。 1)風(fēng)電出力曲線(xiàn)對(duì)比。 由圖6可知,采用“錄播重現(xiàn)”模塊作為風(fēng)電場(chǎng)模型仿真得出的風(fēng)電場(chǎng)出力曲線(xiàn)(D)同風(fēng)電場(chǎng)出力曲線(xiàn)(M)完全吻合,證明“錄播重現(xiàn)”功能模塊確實(shí)具備真實(shí)回放風(fēng)電場(chǎng)歷史數(shù)據(jù)的功能。 圖6 對(duì)比仿真流程圖Fig.6 Comparative simulation flow chart 圖7 風(fēng)電出力曲線(xiàn)對(duì)比Fig.7 Contrast of wind power output curves 同時(shí),由PSASP中基于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)解析思想搭建的風(fēng)電場(chǎng)模型仿真得出的風(fēng)電出力曲線(xiàn)(P)同原始出力曲線(xiàn)存在明顯不同。如圖中圈紅處可見(jiàn),曲線(xiàn)(P)變化滯后于曲線(xiàn)(M);曲線(xiàn)幅值也存在出入。仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。 表1 仿真曲線(xiàn)誤差統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics table of simulation curve errors 造成以上結(jié)果的主要原因有: ①采用基于數(shù)學(xué)模型搭建的風(fēng)電場(chǎng)模型具有一定的局限性,不能完全反映風(fēng)電場(chǎng)真實(shí)出力特性,使風(fēng)電場(chǎng)出力在幅值上出現(xiàn)一定的誤差。 ②由于PSASP軟件中風(fēng)電場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的出力變化是基于設(shè)定的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速變化,而風(fēng)電場(chǎng)的出力滯后于給定的風(fēng)速變化,引起PSASP中風(fēng)電場(chǎng)模型出力滯后于實(shí)際出力。 2)PCC點(diǎn)電壓對(duì)比。 如圖8觀(guān)察可知,PCC點(diǎn)電壓曲線(xiàn)(D)同PCC點(diǎn)電壓曲線(xiàn)(P)變化總體趨勢(shì)相似,但曲線(xiàn)(P)波動(dòng)幅度較之曲線(xiàn)(D)略小,同時(shí)變化速度略有滯后。這主要?dú)w因于風(fēng)電出力曲線(xiàn)(P)本就滯后于風(fēng)電出力曲線(xiàn)(D),使得PCC點(diǎn)電壓本該升高時(shí),曲線(xiàn)(P)卻處于下降狀態(tài)。 圖8 PCC點(diǎn)電壓曲線(xiàn)對(duì)比Fig.8 PCC point voltage curve contrast 3)節(jié)點(diǎn)頻率對(duì)比。 由圖9知,風(fēng)電場(chǎng)出力變化引起系統(tǒng)頻率變化,甚至越限。觀(guān)察可見(jiàn)系統(tǒng)頻率曲線(xiàn)(P)較系統(tǒng)頻率曲線(xiàn)(D)變化幅度大。造成這一結(jié)果的主要原因是PSASP中風(fēng)電場(chǎng)模型開(kāi)啟了原動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速裝置,在風(fēng)速變化導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)出力變化時(shí),調(diào)速裝置自動(dòng)動(dòng)作調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)出力,使得系統(tǒng)頻率變化幅度沒(méi)有DDRTS中仿真系統(tǒng)頻率變化劇烈。又由于基于數(shù)學(xué)解析式的模型存在響應(yīng)延遲,同時(shí)仿真風(fēng)速與真實(shí)風(fēng)速不同,造成了兩個(gè)系統(tǒng)頻率躍升幅度和速度的不同。 圖9 系統(tǒng)頻率曲線(xiàn)對(duì)比Fig.9 System frequency curve contrast 通過(guò)對(duì)比以上仿真結(jié)果可以看出,基于DDRTS搭建的“錄播重現(xiàn)”功能模塊能達(dá)到真實(shí)再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際風(fēng)力機(jī)出力情況的目的。 通過(guò)對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)理進(jìn)行研究,基于“錄播重現(xiàn)”建模思想和電力系統(tǒng)仿真軟件DDRTS,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了將大型風(fēng)電場(chǎng)出力數(shù)據(jù)嵌入電力系統(tǒng)軟件的“錄播重現(xiàn)”仿真模塊。對(duì)比仿真結(jié)果證明,基于DDRTS建立的“錄播重現(xiàn)”模塊在風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)建模中仿真結(jié)果精確度高,解決了以往大型風(fēng)電并網(wǎng)仿真中模型龐雜、計(jì)算緩慢和適應(yīng)種類(lèi)單一的問(wèn)題。同時(shí),該模塊亦可精確完成大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)故障情況下的仿真試驗(yàn)。當(dāng)然,該模塊也存在不足之處,即無(wú)法改變既定模型的相關(guān)參數(shù),只能搭建與嵌入數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的固定參數(shù)風(fēng)機(jī)或風(fēng)電場(chǎng)模型,這有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究。 [1] 李晶,宋家驊,王偉勝.大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(6):101-105.LI Jing,SONG Jia-hua,WANG Wei-sheng.Modeling and dynamic simulation of variable speed wind turbine with large capacity[J].Proceedings of the CSEE,2004,24(6):100-105(in Chinese). [2]KAVEH Malekian,ALI Shirvani,UWE Schmidt,et al.Detailed modeling of wind power plants incorporating variable-speed synchronous generator[C].IEEE Electrical Power&Energy Conference 2009:1-6. [3] 魏巍,王渝紅,李興源,等.基于PSASP的雙饋風(fēng)電場(chǎng)建模及接人電網(wǎng)仿真[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2009,29(12):68-72.WEI Wei,WANG Yu-hong,LI Xing-yuan.Based on PSASP simulation of doubly-fed wind power grid modeling and meet people[J].Electric Power Automation Equipment,2009,29(12):68-72(in Chinese). [4] 趙潔,劉滌塵,熊莉,等.基于PSASP自定義模型的核電機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真[J].核動(dòng)力工程,2010,31(3):113-117.ZHAO Jie,LIU Di-chen,XIONG Li,et al.Simulation of dynamic response of nuclear power plant based on userdefined model in PSASP[J].Nuclear Power Engineering,2010,31(3):113-117(in Chinese). [5] 李鵬,張保會(huì),汪成根,等.基于PSASP/UPI模塊功能的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)仿真計(jì)算[M].中國(guó)高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)第二十三屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文匯編. [6] 劉前進(jìn),黎雄,孫元.基于PSASP程序的FACTS潮流建模[J].電網(wǎng)技術(shù),2000,24(7):6-9.LIU Qian-jin,LI Xiong,SUN Yuan.FACTS based on PSASP program flow modeling[J].Grid Technology,2000,24(7):6-9(in Chinese). [7] 袁欣,孫元博,張承學(xué).PSCAD/EMTDC自定義元件在電力系統(tǒng)仿真中的運(yùn)用[J].電力科學(xué)與工程,2010,26(7):12-15.YUAN Xin,SUN Yuan-bo,ZHANG Cheng-xue.Application on use-defined model of PSCAD/EMTDC in power system simulation[J].Power Science and Engineering,2010,26(7):12-15(in Chinese). [8]姚自林.PSCAD/EMTDC自定義模型在繼電保護(hù)仿真中的應(yīng)用[J].電力學(xué)報(bào),2009,24(4):280-282.YAO Zi-lin.The application of the user-defined model of PSCAD/EMTDC in relay protection simulation[J].Journal of Electric Power,2009,24(4):280-282(in Chinese). [9] 袁欣.PSCAD/EMTDC與MATLAB接口技術(shù)在繼電保護(hù)仿真中的運(yùn)用[J].電力學(xué)報(bào),2010,25(3):214-217.YUAN Xin.The Application of the interface technique between PSCAD/EMTDC and Matlab in power system simulation[J].Journal of Electric Power,2010,25(3):214-217(in Chinese). [10]PSS/E online documentation program operation manual[Z].America:PTI Inc,2004. [11]PSS/E online documentation program application guide[Z].America:PTI Inc,2004. [12]謝大鵬,王曉茹,張薇.利用PSS/E實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)低頻減載控制仿真[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(1):71-75.XIE Da-peng,WANG Xiao-ru,ZHANG Wei.Realization of power system under-frequencyioad shedding control simulation with PSS/E[J].Power System Protection and Control,2009,37(1):71-75(in Chinese). [13]胡明亮.數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)[M].北京:北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,2004. [14]董海艷,賈清泉.基于DDRTS的電能質(zhì)量實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(24):142-145.DONG Hai-yan,JIA Qing-quan.A platform of power quality real-time simulation based on DDRTS[J].Relay,2009,37(24):142-145(in Chinese). [15]洪秀麗,黃梅.雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組模型在DDRTS中的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械與電子,2009,3(9):29-31.HONG Xiu-li,HUANG Mei.The realization of model of wind turbines with doubly feed induction generator[J].Machinery&Electronics,2009,3(9):29-31(in Chinese). [16]韓強(qiáng),蔣燕玲,馬進(jìn).基于STATCOM的雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制的研究[J].陜西電力,2012,40(11):20-25.HAN Qiang,JIANG Yan-ling,MA Jin.Research on reactive power and voltage control in wind farm based on STATCOM and DFIG[J].Shaanxi Electric Power,2012,40(11):20-25(in Chinese). [17]楊媛媛,楊京燕,馬昌建,等.計(jì)及過(guò)負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J].陜西電力,2012,40(10):17-11,25.YANG Yuan-yuan,YANG Jing-yan,MA Chang-jian,et al.Dynamic economic dispatch considering in wind power integrated system risk of overload[J].Shaanxi Electric Power,2012,40(10):17-11,25. [18]張婷婷,許凱,劉淑莉,等.基于EMD—AR算法的風(fēng)電場(chǎng)功率短期預(yù)測(cè)[J].陜西電力,2012,40(10):31-34.ZHANG Ting-ting,XU Kai,LIU Shu-li,et al.Short term load prediction of wind farm power based on EMD-AR algorithm[J].Shaanxi Electric Power,2012,40(10):31-34(in Chinese). [19]阿麗努爾·阿木提,晁勤,吐?tīng)栠d·依布拉音,等.直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組建模與仿真[J].陜西電力,2012,40(12):25-29.ALINUER·AMUTI,CHAO Qin,TUERXUN·YIBULAYIN,et al.Modeling and simulation of direct driving wind generators[J].Shaanxi Electric Power,2012,40(12):25-29(in Chinese). [20]趙林峰,程郎,高玉霞.1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)方案[J].能源技術(shù),2010,31(4):210-212.ZHAO Lin-feng,CHENG Lang,GAO Yu-xia.Design scheme of full powe test-bed for 1.5 MW wind turbine[J].Energy Technology,2010,31(4):210-212. [21]毛航銀,盧冰,張磊.儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力放大中應(yīng)用研究的發(fā)展[J].能源工程,2010(6):45-48.MAO Hang-yin,LU Bing,ZHANG Lei.Research on application of energy storage technology in wind power[J].Energy engineering,2010(6):45-48(in Chinese). [22]李建林.電池儲(chǔ)能技術(shù)控制方法研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2012,28(12):61-65.LI Jian-lin.Study on control methods battery energy storage technology[J].Power System and Clean Energy,2012,28(12):61-65(in Chinese). [23]馬輝,鄭超.基于LabVIEW的CPIB總線(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,85(24):128-130.MA Hui,ZHENG Chao.Research of CIPB bus test and control system based on LabVIEW[J].Modern Electronics Technique,2012,85(24):128-130. [24]曹媛莉,李世光,梅守濱,等.基于STM32風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].節(jié)能,2012,31(10):54-56.CAO Yuan-li,LI Shi-guang,MEI Shou-bin,et al.Based on the STM32 wind-light complementary control system design[J].Energy Conservation,2012,31(10):54-56(in Chinese). [25]陳亮亮,張堃,馬琴.新疆托克遜風(fēng)電場(chǎng)工程220 kV順唐變電站一期工程主變保護(hù)設(shè)計(jì)[J].西北水電,2012(5):57-60,65.CHEN Liang-liang,ZHANG Kun,MA Qin.Protection design of main transformer,220 kV Shuntang substation stage[J].Northwest Water Power,2012(5):57-60,65. [26]邵昱,邵慶華,王莉,等.改變風(fēng)電場(chǎng)接入阻抗對(duì)電壓暫態(tài)特性影響的研究[J].陜西電力,2012,40(7):19-22.SHAO Yu,SHAO Qing-hua,WANG Li,et al.Study on the influence caused by change of connected-impedance between wind farm and grid to the voltage transient stability[J].Shaanxi Electric Power,2012,40(7):19-22(in Chinese).1.2 風(fēng)電數(shù)據(jù)讀入程序設(shè)計(jì)
1.3 基于變功率負(fù)荷元件的“錄播重現(xiàn)”功能模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
1.4 基于“錄播重現(xiàn)”功能模塊的風(fēng)電場(chǎng)模型并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)
2 基于DDRTS的電力系統(tǒng)“錄播重現(xiàn)”仿真模塊功能測(cè)試
3 結(jié)論