PowerWorld Simulator軟件的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真

王洪濤

（寧德師范學(xué)院物理與電氣工程系，福建寧德352100）

PowerWorld Simulator軟件的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真

王洪濤

（寧德師范學(xué)院物理與電氣工程系，福建寧德352100）

將可視化軟件Power world Simulator應(yīng)用于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真，介紹了仿真的步驟和發(fā)電機(jī)模型庫，建立IEEE-3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，先求得系統(tǒng)的潮流分布，然后選擇發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)和穩(wěn)定器的類型，設(shè)置三相短路故障，完成暫態(tài)穩(wěn)定性仿真。通過分析和對比發(fā)電機(jī)6階、5階實(shí)用模型和經(jīng)典2階數(shù)學(xué)模型時的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了暫態(tài)穩(wěn)定性仿真結(jié)果的有效性。

Power world Simulator；可視化；暫態(tài)穩(wěn)定；發(fā)電機(jī)模型

1994年5月美國伊利諾伊大學(xué)開發(fā)了可視化仿真軟件Power World Simulator（以下簡稱PWS）。該軟件是一個大型的電力系統(tǒng)可視化規(guī)劃、分析與運(yùn)行控制程序，其設(shè)計界面友好，并有高度的交互性，能夠進(jìn)行專業(yè)性的大型工程實(shí)踐分析，它能夠有效地計算高達(dá)100000個節(jié)點(diǎn)的電力系統(tǒng)，其強(qiáng)大的電力系統(tǒng)分析能力及其可視化環(huán)境得到越來越多美國大學(xué)、工業(yè)界的重視和認(rèn)可，被廣泛地應(yīng)用在電力企業(yè)培訓(xùn)、高等教育教學(xué)和電力工業(yè)仿真計算等方面[1-2]。

隨著互聯(lián)電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，跨區(qū)域、遠(yuǎn)距離電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性問題倍受到重視[3-5]。我國制定的《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》（DL755-2001）對220 kV以上電壓等級的系統(tǒng)，規(guī)定了系統(tǒng)必須能夠承受的擾動方式。目前工程實(shí)踐中采用判斷電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的主要方法是時域仿真法，該方法是通過數(shù)值積分的求解系統(tǒng)故障時及故障后的非線性微分方程組，再根據(jù)計算得到的相對功角，判斷系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性[6-8]。

本文將可視化軟件PWS應(yīng)用于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真，建立IEEE 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，先求得系統(tǒng)的潮流分布，然后選擇發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)和穩(wěn)定器的類型，設(shè)置三相短路故障，完成暫態(tài)穩(wěn)定性仿真。通過分析和對比發(fā)電機(jī)6階、5階和經(jīng)典2階實(shí)用數(shù)學(xué)模型時的仿真結(jié)果，表明PWS軟件在電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計和仿真分析方面具有良好的應(yīng)用前景。

1　同步發(fā)電機(jī)的實(shí)用數(shù)學(xué)模型

同步發(fā)電機(jī)的模型有2種形式，一種是基于原型電路參數(shù)，以磁鏈作為狀態(tài)變量的Park模型；另一種是基于實(shí)用參數(shù)、以電勢作為狀態(tài)變量的實(shí)用模型。在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的時域仿真分析計算中，為了降低非線性微分方程組的個數(shù)，忽略定子繞組的暫態(tài)過程（dψd=dψq=0，ω=1），并針對不同工況對計算速度和精度的要求，可作不同程度的簡化。

1.1同步發(fā)電機(jī)6階實(shí)用模型

同步發(fā)電機(jī)忽略定子繞組的暫態(tài)過程和阻尼繞組的作用，考慮轉(zhuǎn)子d軸的勵磁繞組f和阻尼繞組D，和q軸的阻尼繞組Q和g繞組[7-9]，則電磁暫態(tài)方程為：

轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程為：

式中：E"d、E"q和E'd、E'q分別為d、q軸次暫態(tài)和暫態(tài)電勢；Ef為勵磁電勢；X"d、X"q、X'd、X'q和Xd、Xq分別為d、q軸次暫態(tài)、暫態(tài)和同步電抗；T"d0、T"q0和T'd0、T'q0分別為d、q軸次暫態(tài)和暫態(tài)開路時間常數(shù)；KF為發(fā)電機(jī)飽和系數(shù)；TJ為慣性時間常數(shù)；D為阻尼系數(shù)。(1)和(2)即為同步發(fā)電機(jī)6階實(shí)用數(shù)學(xué)模型。

1.2同步發(fā)電機(jī)5階實(shí)用模型和經(jīng)典2階模型

在同步發(fā)電機(jī)6階實(shí)用模型基礎(chǔ)上，僅考慮f、D、Q繞組的暫態(tài)過程，忽略q軸的g繞組的次暫態(tài)過程，則可得到式(3)表示的同步發(fā)電機(jī)5階模型。

對于復(fù)雜的多機(jī)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計算，工程上為了簡化計算，假定發(fā)電機(jī)等值電動勢E'在暫態(tài)過程中保持恒定，并忽略凸極效應(yīng)的影響，則簡化為經(jīng)典2階模型。

采用發(fā)電機(jī)經(jīng)典2階模型的暫態(tài)穩(wěn)定性計算只需求解各發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程，因此在電力系統(tǒng)規(guī)劃和離線仿真等對計算精度要求不高的情況下可以采用。

2　PWS軟件中暫態(tài)穩(wěn)定計算的模型庫

PWS的暫態(tài)穩(wěn)定分析程序中，支持多種發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、原動機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)和負(fù)荷的模型，包括已有的BPA、GE和PTI等電力系統(tǒng)仿真軟件的模型庫，可以直接調(diào)用。本文以軟件中提供的BPA發(fā)電機(jī)模型庫為例進(jìn)行介紹。

2.1發(fā)電機(jī)模型庫

在PWS模型庫中支持BPA軟件中的同步發(fā)電機(jī)模型主要包括了國內(nèi)常用的發(fā)電機(jī)模型[10]：

(1)模擬等值機(jī)和無窮大電源的經(jīng)典2階模型：GENCLS；

(2)考慮q軸g阻尼繞組的隱極機(jī)6階模型：GENROU和GENROE；

(3)不考慮q軸g阻尼繞組的凸極機(jī)5階模型：GENSAE和GENSAL。

2.2 Power World Simulator暫態(tài)穩(wěn)定計算流程

暫態(tài)穩(wěn)定計算首先是以系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的潮流計算結(jié)果作為初始狀態(tài)，然后建立暫態(tài)穩(wěn)定計算的數(shù)學(xué)模型，包括一次電網(wǎng)的數(shù)學(xué)描述(網(wǎng)絡(luò)方程)和發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)、原動機(jī)調(diào)速器、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器動態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述，再設(shè)定大擾動的故障類型、故障切除時間以及解算步長等參數(shù)，最后將結(jié)果以圖形方式輸出。具體流程圖如圖1所示。

圖1暫態(tài)穩(wěn)定計算流程圖

3　仿真算例與分析

3.1仿真建模和潮流計算

在PWS軟件平臺中，以IEEE-3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)[11]為例，按照文獻(xiàn)[11]給出的節(jié)點(diǎn)、線路和變壓器參數(shù)，設(shè)置潮流計算的各元件參數(shù)，完成潮流計算后的可視化結(jié)果如圖2所示。

圖2潮流計算結(jié)果顯示

需要說明的是，在PWS軟件所有的仿真模型、數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果均能可視化顯示（如圖2），功能強(qiáng)大且操作簡單。由于可視化結(jié)果的截圖可能影響曲線的清晰度，本文將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)輸出，并重新作圖顯示。

通過潮流計算結(jié)果的分析可知，系統(tǒng)中各線路的功率平衡，各節(jié)點(diǎn)電壓偏移小于5%μN(yùn)，滿足潮流計算的約束條件，為暫態(tài)穩(wěn)定性計算提供了初始條件。

3.2發(fā)電機(jī)6階實(shí)用模型下的暫態(tài)穩(wěn)定仿真與分析

在運(yùn)行模式下依次設(shè)定G1、G3、G5發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)和穩(wěn)定器模型，如表1所示，各模型的參數(shù)選擇默認(rèn)設(shè)置[8]。在仿真中假定機(jī)械功率Pmech未發(fā)生變化，故未添加原動機(jī)和調(diào)速器的數(shù)學(xué)模型。

設(shè)置故障類型為BUS4至BUS5線路的90%（即距離BUS5為10%）處發(fā)生三相短路故障，故障發(fā)生時間為1.00 s，故障切除時間為1.05 s。仿真開始時間為0s，仿真步長為0.01 s，仿真結(jié)束時間為15 s。仿真得到的各發(fā)電機(jī)功率P(t)曲線和轉(zhuǎn)子相對角隨時間變化的δ(t)曲線如圖3（b）所示。

表1 6階模型下發(fā)電機(jī)組各模塊的類型

圖3發(fā)電機(jī)6階模型時的功角和功率曲線

由圖3（a）可知，以發(fā)電機(jī)G1為平衡機(jī)，發(fā)電機(jī)G3、G5的轉(zhuǎn)子相對角保持第一個振蕩周期不失步，經(jīng)過衰減振蕩過程后，在7 s時恢復(fù)到原來的穩(wěn)態(tài)值；圖3（b）的功率變化曲線與(a)圖中轉(zhuǎn)子相對角的變化趨勢一致，經(jīng)過振蕩衰減過程恢復(fù)到原來的運(yùn)行狀態(tài)。由此可知，系統(tǒng)在這種大擾動方式下是暫態(tài)穩(wěn)定的。

3.3發(fā)電機(jī)5階實(shí)用模型下的暫態(tài)穩(wěn)定仿真與分析

選擇的發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)和穩(wěn)定器的模型類型見表2。故障類型、故障切除時間、仿真時間和步長等仿真參數(shù)均與

3.2節(jié)的相同，仿真結(jié)果如圖4所示。

表2 5階模型下發(fā)電機(jī)組各模塊的類型

圖4可見，同步發(fā)電機(jī)G3、G5的功角和功率曲線的振蕩趨勢一致，都經(jīng)過振蕩衰減后恢復(fù)到原來的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，說明系統(tǒng)在該大擾動方式下能夠保持暫態(tài)穩(wěn)定。

圖4發(fā)電機(jī)5階模型時的功角和功率曲線

3.4 E'恒定的2階模型下的暫態(tài)穩(wěn)定仿真與分析

恒定的2階模型下近似考慮了勵磁調(diào)節(jié)器的作用，所以在PWS仿真中2階發(fā)電機(jī)模型：GENCLS，此模型不能與勵磁系統(tǒng)連用，且不考慮調(diào)速器的作用。在模型中用阻尼系數(shù)D考慮阻尼因素[12]，并將D設(shè)置為推薦值2.0，仿真時間40 s。

圖5發(fā)電機(jī)2階模型時的功角和功率曲線

由圖5可見，在發(fā)生三相短路大擾動故障后，發(fā)電機(jī)的功角和功率曲線的衰減過程較長，在40 s時基本平息，系統(tǒng)恢復(fù)到原來的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，保持了暫態(tài)穩(wěn)定。

3.5發(fā)電機(jī)6階、5階與2階模型時仿真結(jié)果的對比

將圖3與圖5的暫態(tài)過程對比可知，汽輪發(fā)電機(jī)（隱極機(jī)）采用詳細(xì)的6階實(shí)用模型遠(yuǎn)比采用經(jīng)典的2階模型時的過渡過程短，而2階模型需要較長時間（40 s）的仿真才能恢復(fù)到原來的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，但二者得出的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的結(jié)論是一致的。同樣將圖4與圖5的暫態(tài)過程對比可知，水輪發(fā)電機(jī)（凸極機(jī)）的5階模型的衰減振蕩過程短與2階模型仿真得出的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性結(jié)論一致。

在仿真中應(yīng)用發(fā)電機(jī)6階、5階模型需要確定與其相配合的勵磁機(jī)和穩(wěn)定器的模型和參數(shù)，在模型和參數(shù)不確定的情況下，應(yīng)用發(fā)電機(jī)經(jīng)典2階模型較為適宜。

4　結(jié)束語

本文以Power World Simlator 13.0為仿真平臺，介紹了電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真的流程和發(fā)電機(jī)模型庫，以標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)完成了三相短路故障下的暫態(tài)穩(wěn)定性仿真。通過對比汽輪機(jī)6階實(shí)用模型、水輪機(jī)5階實(shí)用模型和經(jīng)典2階模型時的發(fā)電機(jī)功角和功率曲線，表明使用不同階次的發(fā)電機(jī)模型得到的暫態(tài)穩(wěn)定性結(jié)論是一致的，而經(jīng)典2階模型更適用于勵磁機(jī)和穩(wěn)定器模型和參數(shù)未知的情況采用。

PWS軟件具有操作簡便、界面友好、仿真速度快和可視化功能強(qiáng)的特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計和仿真研究方面有良好的應(yīng)用前景。

［1］張艷平，張洪平，周力行．Power world Simulator電力系統(tǒng)仿真可視化軟件包的功能及應(yīng)用［J］．電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2008，（2）：76－80．

［2］汪玉鳳，康微微，李斌．基于PowerW orld的60kV供電系統(tǒng)潮流分析［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2006，25（6）：879－881．

［3］夏小琴，韋化．極坐標(biāo)形式的暫態(tài)穩(wěn)定約束最優(yōu)潮流的簡約空間內(nèi)點(diǎn)法［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（4）：14－19．

［4］黃玉龍，劉明波．結(jié)合軌跡靈敏度和微分進(jìn)化技術(shù)的暫態(tài)穩(wěn)定約束最優(yōu)潮流計算［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（10）：18－26．

［5］孫聞，房大中．考慮暫態(tài)穩(wěn)定約束的發(fā)電再調(diào)度研究［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（9）：12－16．

［6］黃學(xué)良，劉志仁，祝瑞金，等．大容量變速恒頻風(fēng)電機(jī)組接入對電網(wǎng)運(yùn)行的影響分析［J］．電工技術(shù)學(xué)報，2010，25 （4）：142－149．

［7］楊慧敏，易海瓊，文勁宇，等．一種實(shí)用的大電網(wǎng)低頻振蕩概率穩(wěn)定性分析方法［J］．電工技術(shù)學(xué)報，2010，25（3）：124－129．

［8］葉瑞麗，劉瑞葉，劉建楠，等．直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電場接入后的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計算［J］．電工技術(shù)學(xué)報，2014，29 （6）：211－218．

［9］倪以信，陳壽孫，張寶霖．動態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析［M］．北京：清華大學(xué)出版，2002：45－56．

［10］劉?。娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)勵磁控制［M］．北京：中國電力出版社，2007：30－43．

［11］PSD－BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序用戶手冊［M］．4．23版．北京：中國電力科學(xué)研究院，2012：76－87．

［12］電力系統(tǒng)可視化計算分析平臺用戶手冊Power world Simulator［M］．13．0版．南寧：廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計研究院，2008：271－290．

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Power world Simulator Software of Power System Transient Stability Simulation

WANG Hong-tao
(Physics and Electrical Engineering Ningde Teachers College,Ningde352100,China)

The visualization software PowerWorld Simulator used for Power system transient stability simulation,this paper introduces the simulation stepsand generatormodel library,establish the IEEE threemachines nine nodes system,first get the trend of the distribution system,and then choose the type of generator,excitation system and stabilizer,set up three phase short circuit fault,complete the transient stability simulation.By analyzing and comparing the generator 6,5 utility model and the classic 2 ordermathematicalmodel simulation results,the validity of the transient stability simulation results was verified.

PowerWorld Simulator；visualization;transientstability;generatormodel

TM 743

A

1673-4343（2015）06-0070-06

10．14098／j．cn35－1288／z．2015．06．015

2015-05-13

福建省省科技計劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2015H 0032)；寧德市科技計劃項(xiàng)目（20130161）；福建省省屬高校科研專項(xiàng)項(xiàng)目（JK2011061）；福建省服務(wù)海西建設(shè)項(xiàng)目（2013F27）；福建省服務(wù)海西6·18項(xiàng)（2012H 214）；福建省教育廳科技項(xiàng)目（JA4335）；科研創(chuàng)新團(tuán)隊項(xiàng)目（2013T04）

王洪濤，男，寧夏石嘴山人，講師。主要研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。