风电运行数据嵌入电力系统仿真软件D D R T S的设计及实现

张龙音，晁勤，袁铁江，吐尔逊·伊不拉音，袁建党

（1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐 830047；2.乌鲁木齐电业局，新疆乌鲁木齐 830011）

大型电力系统分析软件如电力系统分析综合程序（PSASP）、PSCAD、PSS/E等大都采用依照数学解析式搭建模型来完成风电仿真[1-2]。然而风力机或风电场数学模型不能完整体现风电的波动性和间歇性。因此，提出一种基于“录播重现”建模思想（该思想另篇文章发表）实现的新方案，本文主要介绍其实现方法。

目前大部分电力系统仿真软件不包含风电场数学模型，需要采用外接用户程序或自定义模型的方法实现。如电力系统分析综合程序（PSASP）具有用户自定义建模（UD）和用户程序接口（UPI）功能。文献[3-4]基于PSASP的UD功能，根据仿真目标的数学模型，运用程序给定的基本功能框图进行连接装配搭建了仿真模型。文献[5]于PSASP的用户程序接口（UPI）模块中以风速和并网点电压为输入变量，编写风电功率计算程序。通过接口文件传递计算结果数据至PSASP潮流计算程序，与其共同完成计算任务[6]。PSCAD/EMTDC中用户通过两种方式将自定义代码嵌入程序：①直接在元件定义中加入Fortran代码。②在元件定义中使用接口程序调用其他软件中的函数或子程序（Fortran、MATLAB和C）[7-9]。PSS/E允许用户自定义模型或修改已有的模型的连接方式[10-11]。在PSS/E中创建自定义模型，可利用FORTRAN或FLECS语言在CONEC和CONET文件中创建模型的数学方程，或利用MATLAB中SIMULINK环境创建模块图，在仿真运算时调用[12]。

以上软件实现方法均基于数学模型建模，而本文利用电力系统实时数字动态仿真软件（Digital Dynamic Real Time Simulator，DDRTS） 提供的自定义函数功能和可控功率元件[13-15]，实现的“录播重现”模块可将风电场实际录波数据嵌入到电力网架结构中，进行全网暂态稳定计算。文章介绍了其实现方法，并通过实例与PSASP仿真结果进行了对比分析，验证了该模块的可行性和有效性。

1 风电数据嵌入软件功能模块设计实现思路

文章基于“录播重现”的建模思想，设计实现风电数据嵌入软件环境功能模块（或称“录播重现”功能模块）。风电实际出力数据经风电预处理模块插值处理，转换为TXT格式的秒级数据。通过风电数据嵌入软件环境模块嵌入电力网架，从而实现将风电数据嵌入电力系统软件进行稳定计算的目的。设计实现思路如图1所示。

1.1 风电数据预处理模块设计

由于风电数据的现场采集常以15 min或5 min为采样间隔，而DDRTS软件环境的仿真步长以s为单位。为使风电数据的采样间隔同软件环境的仿真步长匹配，文章基于MATLAB采用插值计算的方法将风电数据由分钟级插值为秒级。插值方法可采用一维线性插值，公式为：

图1 设计实现思路Fig.1 The technology roadmap

式中，P（t）表示风电场t时刻发出功率；P（t0）表示风电场t0时刻发出功率；P（t1）表示风电场t1时刻发出功率，其中t0

1.2 风电数据读入程序设计

基于DDRTS自定义函数功能，文章在变功率负荷元件中采用C语言编程实现风电数据读入程序。“录播重现”模块功能的实现主要依赖风电数据读入程序，达到将风电数据嵌入DDRTS软件环境的目的。部分程序如下：

针对“录播重现”功能模块中数据读入程序流程图如图2所示。

图2 程序流程图Fig.2 The program flow chart

1.3 基于变功率负荷元件的“录播重现”功能模块设计及实现

录播重现功能模块包括：有功、无功出力给定和有功、无功控制端口，其中有功出力（单位：MW）给定包括数据读入程序模块和比例函数两部分。由于变功率负荷输出为负荷量，相对系统而言输出功率为负，而风电数据相对系统而言为正，故需在自定义函数模块后加装比例函数，完成数据正负转换。通过有功出力输出将已读入的风电数据传递给变功率负荷，从而控制变功率负荷的输出。录播重现功能模块的拓扑结构如图3所示。

图3 录播重现功能模块拓扑结构Fig.3 The topology of the waveform playback function

1.4 基于“录播重现”功能模块的风电场模型并网实现

嵌入“录播重现”功能模块的变功率负荷元件，同其他电源型元件相同，通过变压器和输电线路连接入电力系统，以功率源的形式向系统输送能量。由“录播重现”功能模块读入软件环境中的数据，通过这种方式与系统构成联系。最终实现将纯粹数字量转化为电气量，并接入系统中对电力系统产生影响的目的。变功率负荷元件接入电力系统示意图如图4所示。

图4 变功率负荷接入电力系统示意图Fig.4 Sketch map of variable power loads accessing the power system

2 基于DDRTS的电力系统“录播重现”仿真模块功能测试

以某含风电的区域电网为例，分别在PSASP和DDRTS中搭建该电力网架。风电场额定容量为49.5 MW。在DDRTS中搭建的电力网架如图5所示。

截取该风电场秋季某日日间出力历史数据，采样时长6 h，采样间隔15 min。使用MATLAB绘图函数绘制为风电出力曲线（M）。同时，经插值模块处理后嵌入DDRTS软件环境中“录播重现”功能模块，将模块作为风电场模型并入电力网架；PSASP中风电场采用双馈直驱风力发电机组通用模型。在仿真条件相同的情况下，分别在两个软件中进行仿真，对风电出力、节点电压和系统频率仿真结果进行对比分析。对比仿真流程如图6所示。

1）风电出力曲线对比。

由图6可知，采用“录播重现”模块作为风电场模型仿真得出的风电场出力曲线（D）同风电场出力曲线（M）完全吻合，证明“录播重现”功能模块确实具备真实回放风电场历史数据的功能。

图6 对比仿真流程图Fig.6 Comparative simulation flow chart

图7 风电出力曲线对比Fig.7 Contrast of wind power output curves

同时，由PSASP中基于传统数学解析思想搭建的风电场模型仿真得出的风电出力曲线（P）同原始出力曲线存在明显不同。如图中圈红处可见，曲线（P）变化滞后于曲线（M）；曲线幅值也存在出入。仿真统计结果如表1所示。

表1 仿真曲线误差统计表Tab.1 Statistics table of simulation curve errors

造成以上结果的主要原因有：

①采用基于数学模型搭建的风电场模型具有一定的局限性，不能完全反映风电场真实出力特性，使风电场出力在幅值上出现一定的误差。

②由于PSASP软件中风电场数学模型的出力变化是基于设定的风电场风速变化，而风电场的出力滞后于给定的风速变化，引起PSASP中风电场模型出力滞后于实际出力。

2）PCC点电压对比。

如图8观察可知，PCC点电压曲线（D）同PCC点电压曲线（P）变化总体趋势相似，但曲线（P）波动幅度较之曲线（D）略小，同时变化速度略有滞后。这主要归因于风电出力曲线（P）本就滞后于风电出力曲线（D），使得PCC点电压本该升高时，曲线（P）却处于下降状态。

图8 PCC点电压曲线对比Fig.8 PCC point voltage curve contrast

3）节点频率对比。

由图9知，风电场出力变化引起系统频率变化，甚至越限。观察可见系统频率曲线（P）较系统频率曲线（D）变化幅度大。造成这一结果的主要原因是PSASP中风电场模型开启了原动机励磁系统和调速装置，在风速变化导致风电场出力变化时，调速装置自动动作调节风电场出力，使得系统频率变化幅度没有DDRTS中仿真系统频率变化剧烈。又由于基于数学解析式的模型存在响应延迟，同时仿真风速与真实风速不同，造成了两个系统频率跃升幅度和速度的不同。

图9 系统频率曲线对比Fig.9 System frequency curve contrast

通过对比以上仿真结果可以看出，基于DDRTS搭建的“录播重现”功能模块能达到真实再现现场实际风力机出力情况的目的。

3 结论

通过对大型风电场并网发电机理进行研究，基于“录播重现”建模思想和电力系统仿真软件DDRTS，设计实现了将大型风电场出力数据嵌入电力系统软件的“录播重现”仿真模块。对比仿真结果证明，基于DDRTS建立的“录播重现”模块在风电并网电力系统建模中仿真结果精确度高，解决了以往大型风电并网仿真中模型庞杂、计算缓慢和适应种类单一的问题。同时，该模块亦可精确完成大规模风电并网故障情况下的仿真试验。当然，该模块也存在不足之处，即无法改变既定模型的相关参数，只能搭建与嵌入数据相对应的固定参数风机或风电场模型，这有待于进一步开发和研究。

[1] 李晶，宋家骅，王伟胜.大型变速恒频风力发电机组建模与仿真[J].中国电机工程学报，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，王渝红，李兴源，等.基于PSASP的双馈风电场建模及接人电网仿真[J].电力自动化设备，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] 赵洁，刘涤尘，熊莉，等.基于PSASP自定义模型的核电机组动态响应仿真[J].核动力工程，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] 李鹏，张保会，汪成根，等.基于PSASP/UPI模块功能的风电场并网仿真计算[M].中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十三届学术年会论文汇编.

[6] 刘前进，黎雄，孙元.基于PSASP程序的FACTS潮流建模[J].电网技术，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，孙元博，张承学.PSCAD/EMTDC自定义元件在电力系统仿真中的运用[J].电力科学与工程，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自定义模型在继电保护仿真中的应用[J].电力学报，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与MATLAB接口技术在继电保护仿真中的运用[J].电力学报，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]谢大鹏，王晓茹，张薇.利用PSS/E实现电力系统低频减载控制仿真[J].电力系统保护与控制，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.数字动态实时仿真系统[M].北京：北京交通大学电气工程学院，2004.

[14]董海艳，贾清泉.基于DDRTS的电能质量实时仿真平台[J].电力系统保护与控制，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]洪秀丽，黄梅.双馈感应风电机组模型在DDRTS中的实现[J].机械与电子，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]韩强，蒋燕玲，马进.基于STATCOM的双馈风电场无功电压控制的研究[J].陕西电力，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]杨媛媛，杨京燕，马昌建，等.计及过负荷风险的风电并网电力系统动态经济调度[J].陕西电力，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]张婷婷，许凯，刘淑莉，等.基于EMD—AR算法的风电场功率短期预测[J].陕西电力，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]阿丽努尔·阿木提，晁勤，吐尔逊·依布拉音，等.直驱风电机组建模与仿真[J].陕西电力，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]赵林峰，程郎，高玉霞.1.5 MW风力发电机组全功率试验台的设计方案[J].能源技术，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]毛航银，卢冰，张磊.储能技术在风力放大中应用研究的发展[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.电池储能技术控制方法研究[J].电网与清洁能源，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]马辉，郑超.基于LabVIEW的CPIB总线测控系统研究[J].现代电子技术，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，梅守滨，等.基于STM32风光互补发电控制系统设计[J].节能，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]陈亮亮，张堃，马琴.新疆托克逊风电场工程220 kV顺唐变电站一期工程主变保护设计[J].西北水电，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，邵庆华，王莉，等.改变风电场接入阻抗对电压暂态特性影响的研究[J].陕西电力，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）.