基于PSASP/UPI模块和动态链接库的风电场潮流计算

钱叶牛，姜涛，邹琪，刘洋洋

（1．东北电力大学 电气工程学院，吉林吉林132012；2．天津市电力科学研究院，天津300384）

近年来，全球能源供应紧张，环境问题日益突出，特别是全球气候变暖日趋明显，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性。风能以其储量巨大、分布广泛、清洁无污染和可再生的特点，越来越受到世界各国的广泛关注。作为利用风能主要方式的风力发电在世界各国得到了飞速的发展，风力发电已发展成多机联合并网运行的大型风电场。

然而，风能的随机性和不可控性决定了风电机组的出力具有波动性和间歇性的特点，而且风机多数为异步电机，其运行特性与同步电机有着本质的区别。因此，风电接入系统，必将对系统的运行造成影响。这一影响涉及方方面面，其中潮流计算就是一个基础而关键的问题，解决好这个问题，是展开其他问题研究的基础[1]。因此，对包含风电场的电力系统进行潮流计算是非常有意义的。

仿真是电力系统研究人员进行系统研究、试验的有效手段之一。电力系统仿真软件以数学模型代替实际的电力系统，用数值方法对系统的运行特性进行实验和研究，它已经成为电力系统研究人员不可缺少的有力工具[2]。目前国内外用于电力系统仿真 的 软 件 有 PSCAD/EMTDC、DIGSILENT、PSS/E、BPA、PSASP等。但是含有风电场潮流计算模块的软件只有DIGSILENT和PSS/E，这两种软件风电场模块单一且功能简单，不能满足深入研究的需要。对于包含风电场的电力系统的潮流计算，国内外研究人员更多地用编程语言编程求解，但是这种做法的工作量和难度都比较大；而且编写的程序解法单一，且耗时耗力。中国电科院研制的PSASP（全称Power System Analysis Software Package）是一款非常专业的电力系统仿真软件。该软件版本比较多，目前最高版本是7.04，虽然从6.26版本开始加入了风电模块，但是该模块只停留在设计阶段，还在陆续地完善中，无法简单快速地进行风电场的潮流计算。本文在PSASP/UPI模块中，利用动态链接库技术在软件中嵌入风力发电机，进而完成含风电场的电力系统潮流计算。最后用修改的IEEE14节点系统进行了测试，结果表明风力发电系统能很好地体现在PSASP/UPI模块中，为风电系统的运行提供了研究途径。

1 PSASP/UPI模块和动态链接库介绍

PSASP于1973年开始研发，至今已有30多年的发展历程。近年来，随着电力系统和电力电子技术的发展，新型系统元件不断投入，要求仿真软件能模拟若干新型电子元件。为满足以上要求，可以对已有程序加以增补，但这不是好办法：一是所增加的内容不但要求与已有功能兼容，而且要对与之相关的部分作严密的处理。这就要求对原有程序的内容和结构有清楚的了解，其工作量和难度都很大[3]。

基于上述考虑，研发人员开发了PSASP用户程序接口（UPI）功能模块（PSASP/UPI）。通过该模块，可以实现包含新型元件的电力系统计算。PSASP和用户程序（UP）间通过动态链接库（Dynamic Link Library，简称DLL）交换数据。考虑到描叙电力系统元件的数学模型中含有大量的数学公式，因而本文选用Fortran Power Station 4.0形成所需要的*.DLL文件。

为了让PSASP/UPI能够正确灵活地调用用户生成的*.DLL文件，PSASP对UP程序的编写做了一些强制性的规定。对于潮流计算，PSASP规定UP程序的主函数名和形参必须是LF_UP?(Markend,Ntime,Npar,F1,nf1,F2,nf2,F3,nf3,V1,nv1,IVP,NVP,nnvp)。其中的?是UP程序的标识号，取值在0~9。Markend是计算是否结束的标记，值为1时表示继续计算（初始值设为1），值为0时表示中止计算，该参数的取值由计算目标是否达到给出。UP程序可以从PSASP中获得包含母线电压模、角等在内的16种数据信息。其他一些参数的说明可参见PSASP用户程序（UPI）修改补充说明书[3]。

2 含风电场的电力系统潮流计算

目前，国内外风电场使用的发电机主要有三种，普通异步电机、双馈异步电机和直驱永磁同步电机。普通异步电机是并网风电场最早采用的机型，具有结构简单、运行可靠和维护方面等特点，曾得到广泛的应用。该种电机转速变化幅度小，只能在同步转速附近变化，不能随风速的改变而做相应的调整，因而风能利用率比较低。目前，风电场新增机组中该类型所占比例不大，但是现存风电场中数量还很多。由双馈异步电机和直驱永磁同步电机组成的风电机组均具有变速运行的特点，因而可以捕获最大的风能并能减小机组机械部件所受的应力，是近些年来风电场采用较多的机组。不同类型的电机工作原理、运行规律和控制方法等均不同，因此，在潮流计算中的模型也不同。考虑到直驱永磁同步电机的实质还是同步电机，在PSASP中仿真时，只需根据控制目标的不同设置节点类型为PV或PQ即可。而普通异步电机、双馈异步电机运行规律与同步电机有明显的区别，研究表明含这2种电机的节点在潮流计算中不能简单地处理为PV或PQ节点，因而在PSASP中无法利用现有模型进行仿真。本文只研究含普通异步电机、双馈异步电机的风电场在PSASP中的潮流计算。

2.1 含普通异步电机的风电场潮流计算

在对普通异步发电机的稳态分析中，较多地使用其简化的等值电路如图1所示[4]。图中的Pe是发电机向并网点注入的有功功率；U是并网点电压；I是注入并网点电流；x1是定子电抗；xm是励磁电抗；s是滑差；r2是转子电阻；x2是转子电抗。显然，Pe就是电阻r2/s上流过的功率。

图1 普通异步发电机简化的等值电路

由电路关系可以得到：

式中，Qe为发电机向并网点注入的无功功率，φ为电机功率因数角。

从式(2)、(3)可以看出Qe与Pe和U以及电机本身参数相关，而Pe和电机参数通常是已知量，即Qe仅与U相关。另外，异步电机运行在发电状态时，滑差s<0，则Pe>0，Qe<0，即异步发电机在发出有功功率的同时，还要从电网中吸收一定的无功功率。因此，在潮流计算中，含此类电机的风电场节点即不能看作PQ节点，又不能看作PV节点，更不能看作平衡节点。如何处理此类节点，目前学术界还没有共识。

从现有的研究成果看，主要将此类节点处理为RX节点、变PQ节点以及各自派生出的修正的或简化的节点类型。文献[5-6]详细叙述了如何将此类节点处理为RX节点，这种处理方法增加了滑差s的不平衡方程，或需要修改雅克比矩阵，计算比较复杂，在PSASP中不易实现。文献[1,7]将此类节点处理为变PQ节点，推导出了此类节点无功增量对电压的偏导数，进而修改雅克比矩阵对应元素，从而完成潮流计算。这种处理方法也需要修改雅克比矩阵，且偏导数计算复杂，也不利于在PSASP中实现。文献[4，9]在异步电机稳态电路基础上导出了Q值的计算方法，并用此Q值动态地修改风电场节点的无功功率。这种方法实质也是将风电场节点处理为变PQ节点，但是其无需修改雅克比矩阵且计算公式简单，较易在PSASP中实现。本文采用文献[4，9]提出的方法，结合PSASP/UPI功能模块，设计出了含普通异步电机的风电场潮流计算UPI流程，如图2所示。

图2 含普通异步电机的风电场潮流计算UPI流程

从流程图中可以看出UP程序需要修改风电场节点的注入功率，因而在PASAP中必须在该节点上接入一个同步发电机，以获取修改PG、QG的权限。同时该发电机要设置为PQ节点，P、Q的初始值均为0.0。此外，设置“首次调用”判断框，可以减少重复读取数据文件，加快程序的执行。Markend是潮流计算是否结束的标志，当风电场节点电压收敛时，将该参数置0，结束计算。用户如果想了解UP程序中某些变量的变化情况（如Pe、Qe），可将这些变量值赋值给F3数组，结果将出现在UP变量输出报表中。关于F3数组的意义可参见PSASP用户程序（UPI）修改补充说明书[3]。

2.2 含双馈异步电机的风电场潮流计算

双馈异步发电机的等值电路如图3所示。其中，r1和x1是定子绕组的电阻和电抗；r2和x2是转子绕组的电阻和电抗；xm是励磁绕组的电抗；U1是定子绕组端电压，即电机接入系统点的电压；U2是转子绕组外接电源电压；s是滑差。

图3 双馈异步发电机简化的等值电路

双馈异步发电机与普通异步发电机不同，定转子绕组与系统均有能量的交换，因而其注入系统的有功功率为转子绕组和定子绕组发出的有功功率之和[8]，即：

式中，x11=x1+xm；s=(w1-w)/w1；可由电机转速控制规律求取，其中w1是电机的同步转速，w是转子本身的旋转速度；P1和Q1是定子绕组发出的有功功率和无功功率；P2和Q2是转子绕组发出的有功功率和无功功率。

双馈异步发电机向系统注入的无功功率取决于电机的运行方式：恒电压方式或恒功率因数方式。研究表明在恒电压运行方式下很容易出现双馈电机无功功率越极限，因而在实际的应用中多数采用恒功率因数方式运行[9]。在该运行方式下，通过调节转子绕组外接电源的电压和相角可使双馈电机定子侧功率因数恒定不变。若设该功率因数为cosφ，则有：

考虑到双馈电机转子侧发出或吸收的无功功率比较小，可近似认为电机向系统馈入的无功功率为：

与普通异步电机类似，双馈电机注入系统的无功功率也与并网点的电压有关，因而在潮流计算中风电场节点不能简单地处理为某一节点类型。在恒功率因数运行方式下，将节点处理为变PQ节点。如何处理变PQ节点，通常有2种做法。文献[10]推导出了无功功率与节点电压之间的关系，通过修改雅克比矩阵中相应的元素，从而完成潮流计算。这种处理方法需要修改雅克比矩阵，且偏导数计算复杂，不利于在PSASP中实现。文献[9]在双馈电机稳态电路基础上导出了Q值的计算方法，并用此Q值动态地修改风电场节点的无功功率。这种方法无需修改雅克比矩阵且计算公式简单，较易在PSASP中实现。本文在后者的基础上，结合PSASP/UPI功能模块，设计出了含双馈异步电机的风电场潮流计算UPI流程，如图4所示。

3 风电场初始数据录入及人机界面设计

在进行含风电场的电力系统潮流计算时，需要的风力发电机数据不能像其他元件一样直接在PSASP中录入。为了解决这一问题，一种办法是将这些数据直接写进LF_UP?(…)函数中，但是当数据变化时，需要重新修改并形成PSASP调用所要的wind_i.dll文件，过程比较繁琐且效率低下。为此，本文利用Delphi2010 VCL组件编制了风电场初始数据录入的可视化人机界面，如图5所示。通过该界面完成风电场初始数据的输入。

图5 风电场初始数据录入界面

4 算例

4.1 普通异步风电场算例

普通异步风电场通过升压变压器和110 kV的输电线路接入到IEEE14标准系统中的14号节点（如图6）。系统数据参见文献[11]。风电场由40台普通异步电机和40台升压变压器T1构成。假设每台风力机运行工况相同，则可将风电场等效为1台等值机和1台变压器。电机参数为：额定电压0.69 k V；额定容量0.6 MW；定子阻抗0.00453+j0.050752，转子阻抗0.00486+j0.149152，励磁电抗j2.205952；在风电节点处增加电容器，无功补偿量为有功的30%[9]。变压器T1参数为：额定容量0.8MVA，额定变比0.69/35 k V，短路电压百分值6.5。变压器T2参数为：额定容量31.5 MVA，额定变比35/110 k V，短路电压百分值10.5。输电线路阻抗参数为13.23+j26.21。全系统的基准容量选为100 MVA，各电压等级均选平均额定电压作为基准电压。

图6 含风电场的IEEE14标准系统图

计算过程如下：1）在PSASP中建立图6所示的系统，完成相关数据的录入；2）按图2所示的流程在Fortran Power Station 4.0中建立wind_i.dll文件，并将其拷入PSASP算例的Temp文件夹中；3）利用图5所示的界面输入风力发电机数据，点击“保存”按钮，所形成的wind_i.dat文件自动保存到2）步骤中的Temp文件夹中；4）进入PSASP文本支持环境中，设置好潮流用户程序数据卡片，保存退出，点击计算即可完成潮流计算，计算结果如表1所示。

表1 普通异步风电场潮流计算结果

4.2 双馈异步风电场算例

将以上算例中的风电场替换为16台双馈异步电机和16台升压变压器T1，就构成1个双馈异步风电场。双馈异步电机参数为：额定电压0.69 k V；额定容量1.5 MW；同步转速1 000 r/min；定子阻抗0.001692+j0.03692Ω，转子阻抗0.002423+j0.03759Ω，励磁电抗j1.456 8[10]；功率因数0.99（滞后）；风电节点处不加补偿装置。变压器T1参数为：额定容量1.6MVA，额定变比0.69/35 k V，短路电压百分值6.5。其他元件参数同上，潮流计算过程也同上。计算结果如表2所示。

表2 双馈异步风电场潮流计算结果

5 结论与展望

本文基于普通异步电机和双馈异步电机稳态模型，利用PSASP/UPI模块实现了风电场的潮流计算。从仿真结果看：普通异步风电场在发出有功功率的同时需要消耗大量的无功功率，且整个风电场电压水平偏低；双馈异步风电场在发出有功功率的同时能发出少量的无功功率，且整个风电场电压水平较高。这与实际风电场运行情况是一致的。从计算过程看，十分简单、清晰，易于为研究人员所掌握。此外，本文的仿真过程可为进一步研究风电系统提供参考，如考虑风速分布、尾流效应和地形变化等因素对风电场潮流计算的影响等。

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