基于PSASP的电力系统潮流计算研究*

张 伟 郭 伟

南京信息工程大学 江苏南京 210044

基于PSASP的电力系统潮流计算研究*

张 伟 郭 伟

南京信息工程大学 江苏南京 210044

文章依托电力系统分析课程的教学改革，将电力系统综合程序引入到实践教学中，并结合目前关注度较高的风力发电的特点，建立了简化的异步发电机组的等效模型，设计出大型海上风电场并网后电力系统潮流计算的一种方法，最后通过PSASP自带的WSCC9节点系统，进行此方法的验证，并将结果同现有计算包含风电场系统潮流的结果进行比较，得出来设计可行性的结论，由此可以推广其他形式新能源并网的潮流计算。

电力系统分析；PSASP；海上风电场；潮流计算

电力系统分析课程是电气工程及其自动化专业的一门重要专业课,课程主要阐述了电力系统的基本概念、基本理论和计算方法。由于教学和实验学时短，学生感到难度较大。为了提高该课程的教学效果以及让学生做到理论联系实际，特将电力系统综合程序引入该课程的课程实验中。电力系统分析中所涉及的3大计算均能通过实验课让学生进行独立的操作和设计，通过仿真以实现理论和实践的有机结合。

一、PSASP 简介

电力系统综合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP）是中国电力科学研究院开发的一套功能强大的电力系统分析程序，是目前电力行业广泛应用的计算分析软件，可进行电力系统的各种计算分析，具有运行稳定、运算结果准确、使用方便、界面友好等优点。PSASP可进行电力系统的各种计算，包含了电力系统潮流计算、短路电流计算、暂态稳定等十几种计算模块，涉及了稳态、暂态、线性、非线性、优化等各种分析手段。PSASP基于Windows系统，有着简洁、明了、方便的人机界面；PSASP提供了“目录”“索引”两种形式的帮助，且帮助的内容非常详细，用户可方便地获得电子文件形式的直接帮助。这些使得学生在短时间内就可学会并灵活应用。PSASP具有非常灵活而强大的结果分析功能，能将结果以报表和曲线的形式输出，能在系统单线图和地理位置接线图上标注计算结果，与Excel、AutoCAD、Matlab等常用软件有方便的接口。除此之外，PSASP还具有高度的开放性，提供了用户自定义(UD)和用户程序接口(UPI)的功能，其中用户自定义建模方法提供了自行建模来研究电力系统新设备、新装置，用户程序接口为用户提供了自由、开放的环境，可通过编程利用PSASP的资源和实现PSASP功能的扩充。

二、基于PSASP的潮流计算

PASAP对于电力系统传统的潮流计算具有强大的辅助分析能力，随着风电技术逐渐由陆上延伸到海上,海上风力发电已经成为世界可再生能源发展领域的焦点。风电是一种波动性、间歇性电源，大规模并网会对局部电网的稳定运行造成影响。随着海上风电机组容量和风电场规模的不断增大，迫切需要研究大型海上风电场并网后对电力系统的影响。潮流计算是分析大型海上风电机组并网后对整个电网产生影响的基础，也是其并网后对电网的稳态运行及对电网稳定性分析的研究基础，因此我们把对包含风电的潮流计算引入到相关的课程实验中。

1.海上风电机组数学模型的建立

海上风电机组多为异步发电机，大型海上风电场一般有几十台或者上百台的异步风电机组成，计算海上风电场并网后的电力系统潮流时必须要考虑风电机组的稳态数学模型，其等效电路和功率传递关系如图1所示。其中xm、rm，分别为励磁电抗和电阻，x1、r1分别为定子的电抗和电阻，x2、r1分别为转子的电抗和电阻。由于图1中xm＞＞x1，可忽略定子和铁心的功率损耗，并将励磁支路移到电路首端,可得到简化的异步发电机的Γ型等值模型（如图2所示）。

图1 异步发电机的功率关系

图2 异步发电机的简化等值电路

由图2电路关系可以得到：

(1)式的实部为海上风电场发出的有功功率Pe，虚部即为风电场发出的无功功率Qe

由实部得到发电机滑差系数s的表达式为:

2.海上风电机组并网后的潮流计算

常规的潮流计算将系统母线分为PQ节点、PV节点和平衡节点3大类。但海上风电机组在发出有功功率的同时要吸收无功功率，其输出的有功功率取决于风速大小。海上风电机组的功率曲线一般由风电机厂家提供，如表1所示。

表1 600kw海上风电机组功率特性

实验中的海上风电机组的切入风速vcut-in为3m/s，切出风速vcut-out为25m/s，额定风速ve为13～14m/s，当风速为3m/s到13m/s之间时，电机的输出功率与风速大体上是成正比。风电机组消耗的无功功率和机端电压、发出的有功功率以及发电机的滑差有关。因此求解包含风电场的电力系统潮流时,必须考虑风电机组本身的特点并很好地处理风电场的节点，实验按照如下3种方式处理海上风电场节点。

第一，海上风电场的功率因数为已知量，并且在不同风速条件下保持恒定。在有功功率已知时可以通过功率因数求得无功功率，在潮流计算中可将风电场近似处理为PQ节点。

第二，采用本文提出的异步发电机的简化等值模型，利用已知条件求出Qe，仍将海上风电机组视为PQ节点，改变WSCC9节点系统的相关参数，进行潮流计算。

第三，但实际上，海上风电场的功率因数在不同运行方式下是变化的。考虑到海上风电机组本身没有励磁调节装置，不能调节电压，这种情况下就不能简单的将风电节点归属于PV节点或是PQ节点。这时针对以上海上异步风力发电机组有功和无功功率及与电压、风速、滑差率的关系,在使用牛顿－拉夫逊法潮流计算中，要对雅可比矩阵中的海上风电场节点的无功增量对电压的偏导数增加以下分量：

3.具体算例分析

本算例采用的是PSASP软件自带的WSCC9系统进行潮流计算，其接线图如图3所示。海上风电机机端变压器变比一般为690v/10kv,经线路汇集后，再经风电场升压变压器电站主变升压送至系统。风电场容量为40×600kw，风电机组为同一机型，风机的切入风速、切出风速、额定风速均相同，额定电压为690v。海上等值（40台）风电机组的定子阻抗为0.005048＋j0.060515,转子电抗为0.002267＋j0.066097，激磁电抗为j2.205952（选取SB=100MVA），cosΨ=0.89，系统电压为1.0p.u.，本算例忽略海上风电机出口并联电容器补偿的作用,即电容器暂未投入。按照上述的3种方法计算的潮流结果如表2所示。

表2 不同风速下海上风电场的潮流结果

无论采用哪种计算方法,海上风电场的端电压的变化规律都是随着风电机组有功功率的变大而先增加然后达到某一值后开始减小(不包括风电场出力为0 时的情况)。通过对比表2中的结果不难发现，采用衡定功率因数方法计算出来的电压有很大偏差，电压变化规律基本上是随着风电场的有功功率的增加而减小。后两种方法计算结果较为接近，也符合电压变化规律，因此得到所提出的模型是正确的结论。

三、结束语

根据电力系统分析课程的特点，将PSASP仿真软件引入到实践教学环节中，计算包含新能源并网后的电力系统的潮流。在提出的简化异步发电机稳态模型的基础上，提出了一种简单可行的包含海上风电场的潮流计算方法，并通过具体算例的验证，证明了此方法的正确性和实用性，由此可以将其他新能源发电形式融入PASAP的潮流计算中，从而为电力系统其他分析研究打下基础。

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Study of power folw calculation for power system base on PSASP

Zhang Wei, Guo Wei
Nanjing university of information sciences & technology,Nanjing,210044,China

The power system analysis software package(PSASP) introduced into the practice teaching of the power system analysis relies on the reform of power system analysis.This paper proposes a simplified steadystate equivalent model of asynchronous generators base on the characteristics of the wind power generation.A method to calculate the power flow for power system including large-scale offshore wind farm is then proposed. The feasibility of this model is finally validated through the WSCC 9 node system included in PSASP and the comparison between the newly outcomes and the result from the existed calculation of power flow for power systems including wind farm,and can extend other forms of new energyy for the power flow calculation.

power system analysis; PSASP; offshore wind power; power flow calculation

2009-12-01

张伟, 博士，讲师。

*本文系南京信息工程大学科研基金资助项目(09JY0031)。