PowerWorld Simulator软件的电力系统暂态稳定性仿真

王洪涛

（宁德师范学院物理与电气工程系，福建宁德352100）

PowerWorld Simulator软件的电力系统暂态稳定性仿真

王洪涛

（宁德师范学院物理与电气工程系，福建宁德352100）

将可视化软件Power world Simulator应用于电力系统暂态稳定性仿真，介绍了仿真的步骤和发电机模型库，建立IEEE-3机9节点系统，先求得系统的潮流分布，然后选择发电机、励磁系统和稳定器的类型，设置三相短路故障，完成暂态稳定性仿真。通过分析和对比发电机6阶、5阶实用模型和经典2阶数学模型时的仿真结果，验证了暂态稳定性仿真结果的有效性。

Power world Simulator；可视化；暂态稳定；发电机模型

1994年5月美国伊利诺伊大学开发了可视化仿真软件Power World Simulator（以下简称PWS）。该软件是一个大型的电力系统可视化规划、分析与运行控制程序，其设计界面友好，并有高度的交互性，能够进行专业性的大型工程实践分析，它能够有效地计算高达100000个节点的电力系统，其强大的电力系统分析能力及其可视化环境得到越来越多美国大学、工业界的重视和认可，被广泛地应用在电力企业培训、高等教育教学和电力工业仿真计算等方面[1-2]。

随着互联电力系统规模的扩大，跨区域、远距离电网的暂态稳定性问题倍受到重视[3-5]。我国制定的《电力系统安全稳定导则》（DL755-2001）对220 kV以上电压等级的系统，规定了系统必须能够承受的扰动方式。目前工程实践中采用判断电力系统暂态稳定性的主要方法是时域仿真法，该方法是通过数值积分的求解系统故障时及故障后的非线性微分方程组，再根据计算得到的相对功角，判断系统的暂态稳定性[6-8]。

本文将可视化软件PWS应用于电力系统暂态稳定性仿真，建立IEEE 3机9节点系统，先求得系统的潮流分布，然后选择发电机、励磁系统和稳定器的类型，设置三相短路故障，完成暂态稳定性仿真。通过分析和对比发电机6阶、5阶和经典2阶实用数学模型时的仿真结果，表明PWS软件在电力系统规划设计和仿真分析方面具有良好的应用前景。

1　同步发电机的实用数学模型

同步发电机的模型有2种形式，一种是基于原型电路参数，以磁链作为状态变量的Park模型；另一种是基于实用参数、以电势作为状态变量的实用模型。在电力系统暂态稳定性的时域仿真分析计算中，为了降低非线性微分方程组的个数，忽略定子绕组的暂态过程（dψd=dψq=0，ω=1），并针对不同工况对计算速度和精度的要求，可作不同程度的简化。

1.1同步发电机6阶实用模型

同步发电机忽略定子绕组的暂态过程和阻尼绕组的作用，考虑转子d轴的励磁绕组f和阻尼绕组D，和q轴的阻尼绕组Q和g绕组[7-9]，则电磁暂态方程为：

转子运动方程为：

式中：E"d、E"q和E'd、E'q分别为d、q轴次暂态和暂态电势；Ef为励磁电势；X"d、X"q、X'd、X'q和Xd、Xq分别为d、q轴次暂态、暂态和同步电抗；T"d0、T"q0和T'd0、T'q0分别为d、q轴次暂态和暂态开路时间常数；KF为发电机饱和系数；TJ为惯性时间常数；D为阻尼系数。(1)和(2)即为同步发电机6阶实用数学模型。

1.2同步发电机5阶实用模型和经典2阶模型

在同步发电机6阶实用模型基础上，仅考虑f、D、Q绕组的暂态过程，忽略q轴的g绕组的次暂态过程，则可得到式(3)表示的同步发电机5阶模型。

对于复杂的多机系统暂态稳定计算，工程上为了简化计算，假定发电机等值电动势E'在暂态过程中保持恒定，并忽略凸极效应的影响，则简化为经典2阶模型。

采用发电机经典2阶模型的暂态稳定性计算只需求解各发电机的转子运动方程，因此在电力系统规划和离线仿真等对计算精度要求不高的情况下可以采用。

2　PWS软件中暂态稳定计算的模型库

PWS的暂态稳定分析程序中，支持多种发电机、励磁系统、电力系统稳定器、原动机调速器系统和负荷的模型，包括已有的BPA、GE和PTI等电力系统仿真软件的模型库，可以直接调用。本文以软件中提供的BPA发电机模型库为例进行介绍。

2.1发电机模型库

在PWS模型库中支持BPA软件中的同步发电机模型主要包括了国内常用的发电机模型[10]：

(1)模拟等值机和无穷大电源的经典2阶模型：GENCLS；

(2)考虑q轴g阻尼绕组的隐极机6阶模型：GENROU和GENROE；

(3)不考虑q轴g阻尼绕组的凸极机5阶模型：GENSAE和GENSAL。

2.2 Power World Simulator暂态稳定计算流程

暂态稳定计算首先是以系统稳态的潮流计算结果作为初始状态，然后建立暂态稳定计算的数学模型，包括一次电网的数学描述(网络方程)和发电机、励磁系统、原动机调速器、电力系统稳定器动态特性的数学描述，再设定大扰动的故障类型、故障切除时间以及解算步长等参数，最后将结果以图形方式输出。具体流程图如图1所示。

图1暂态稳定计算流程图

3　仿真算例与分析

3.1仿真建模和潮流计算

在PWS软件平台中，以IEEE-3机9节点系统[11]为例，按照文献[11]给出的节点、线路和变压器参数，设置潮流计算的各元件参数，完成潮流计算后的可视化结果如图2所示。

图2潮流计算结果显示

需要说明的是，在PWS软件所有的仿真模型、数据和仿真结果均能可视化显示（如图2），功能强大且操作简单。由于可视化结果的截图可能影响曲线的清晰度，本文将仿真结果数据输出，并重新作图显示。

通过潮流计算结果的分析可知，系统中各线路的功率平衡，各节点电压偏移小于5%μN，满足潮流计算的约束条件，为暂态稳定性计算提供了初始条件。

3.2发电机6阶实用模型下的暂态稳定仿真与分析

在运行模式下依次设定G1、G3、G5发电机组的发电机、励磁系统和稳定器模型，如表1所示，各模型的参数选择默认设置[8]。在仿真中假定机械功率Pmech未发生变化，故未添加原动机和调速器的数学模型。

设置故障类型为BUS4至BUS5线路的90%（即距离BUS5为10%）处发生三相短路故障，故障发生时间为1.00 s，故障切除时间为1.05 s。仿真开始时间为0s，仿真步长为0.01 s，仿真结束时间为15 s。仿真得到的各发电机功率P(t)曲线和转子相对角随时间变化的δ(t)曲线如图3（b）所示。

表1 6阶模型下发电机组各模块的类型

图3发电机6阶模型时的功角和功率曲线

由图3（a）可知，以发电机G1为平衡机，发电机G3、G5的转子相对角保持第一个振荡周期不失步，经过衰减振荡过程后，在7 s时恢复到原来的稳态值；图3（b）的功率变化曲线与(a)图中转子相对角的变化趋势一致，经过振荡衰减过程恢复到原来的运行状态。由此可知，系统在这种大扰动方式下是暂态稳定的。

3.3发电机5阶实用模型下的暂态稳定仿真与分析

选择的发电机、励磁系统和稳定器的模型类型见表2。故障类型、故障切除时间、仿真时间和步长等仿真参数均与

3.2节的相同，仿真结果如图4所示。

表2 5阶模型下发电机组各模块的类型

图4可见，同步发电机G3、G5的功角和功率曲线的振荡趋势一致，都经过振荡衰减后恢复到原来的稳定运行状态，说明系统在该大扰动方式下能够保持暂态稳定。

图4发电机5阶模型时的功角和功率曲线

3.4 E'恒定的2阶模型下的暂态稳定仿真与分析

恒定的2阶模型下近似考虑了励磁调节器的作用，所以在PWS仿真中2阶发电机模型：GENCLS，此模型不能与励磁系统连用，且不考虑调速器的作用。在模型中用阻尼系数D考虑阻尼因素[12]，并将D设置为推荐值2.0，仿真时间40 s。

图5发电机2阶模型时的功角和功率曲线

由图5可见，在发生三相短路大扰动故障后，发电机的功角和功率曲线的衰减过程较长，在40 s时基本平息，系统恢复到原来的稳定运行状态，保持了暂态稳定。

3.5发电机6阶、5阶与2阶模型时仿真结果的对比

将图3与图5的暂态过程对比可知，汽轮发电机（隐极机）采用详细的6阶实用模型远比采用经典的2阶模型时的过渡过程短，而2阶模型需要较长时间（40 s）的仿真才能恢复到原来的稳定运行状态，但二者得出的系统暂态稳定的结论是一致的。同样将图4与图5的暂态过程对比可知，水轮发电机（凸极机）的5阶模型的衰减振荡过程短与2阶模型仿真得出的系统暂态稳定性结论一致。

在仿真中应用发电机6阶、5阶模型需要确定与其相配合的励磁机和稳定器的模型和参数，在模型和参数不确定的情况下，应用发电机经典2阶模型较为适宜。

4　结束语

本文以Power World Simlator 13.0为仿真平台，介绍了电力系统暂态稳定性仿真的流程和发电机模型库，以标准的IEEE 3机9节点系统完成了三相短路故障下的暂态稳定性仿真。通过对比汽轮机6阶实用模型、水轮机5阶实用模型和经典2阶模型时的发电机功角和功率曲线，表明使用不同阶次的发电机模型得到的暂态稳定性结论是一致的，而经典2阶模型更适用于励磁机和稳定器模型和参数未知的情况采用。

PWS软件具有操作简便、界面友好、仿真速度快和可视化功能强的特点，在电力系统规划设计和仿真研究方面有良好的应用前景。

［1］张艳平，张洪平，周力行．Power world Simulator电力系统仿真可视化软件包的功能及应用［J］．电力科学与技术学报，2008，（2）：76－80．

［2］汪玉凤，康微微，李斌．基于PowerW orld的60kV供电系统潮流分析［J］．辽宁工程技术大学学报，2006，25（6）：879－881．

［3］夏小琴，韦化．极坐标形式的暂态稳定约束最优潮流的简约空间内点法［J］．电力系统保护与控制，2012，40（4）：14－19．

［4］黄玉龙，刘明波．结合轨迹灵敏度和微分进化技术的暂态稳定约束最优潮流计算［J］．电力系统保护与控制，2011，39（10）：18－26．

［5］孙闻，房大中．考虑暂态稳定约束的发电再调度研究［J］．电力系统保护与控制，2011，39（9）：12－16．

［6］黄学良，刘志仁，祝瑞金，等．大容量变速恒频风电机组接入对电网运行的影响分析［J］．电工技术学报，2010，25 （4）：142－149．

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［8］叶瑞丽，刘瑞叶，刘建楠，等．直驱风电机组风电场接入后的电力系统暂态稳定计算［J］．电工技术学报，2014，29 （6）：211－218．

［9］倪以信，陈寿孙，张宝霖．动态电力系统的理论和分析［M］．北京：清华大学出版，2002：45－56．

［10］刘取．电力系统稳定性及发电机励磁控制［M］．北京：中国电力出版社，2007：30－43．

［11］PSD－BPA暂态稳定程序用户手册［M］．4．23版．北京：中国电力科学研究院，2012：76－87．

［12］电力系统可视化计算分析平台用户手册Power world Simulator［M］．13．0版．南宁：广西电力工业勘察设计研究院，2008：271－290．

（责任编辑：朱联九）

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

福建省省科技计划重点项目(2015H 0032)；宁德市科技计划项目（20130161）；福建省省属高校科研专项项目（JK2011061）；福建省服务海西建设项目（2013F27）；福建省服务海西6·18项（2012H 214）；福建省教育厅科技项目（JA4335）；科研创新团队项目（2013T04）

王洪涛，男，宁夏石嘴山人，讲师。主要研究方向：电力系统稳定与控制。