PSAT應用于風電系統暫態穩定性研究

【摘要】：為了研究各風電系統的暫態穩定特性;在PSAT平臺上建立了風速、變頻器和風力發電機的數學模型，并利用三機九節點包含風力機組的電力系統網絡模型，在三相短路故障情況下用時域仿真法對這個網絡進行了仿真;得出了不同機組類型，不同擾動類型，以及不同持續時間下，各風電系統穩定性不同的結論。

【關鍵詞】：風力發電系統、暫態穩定性、低電壓穿越

一、引言

隨著化石能源等傳統能源的日益減少，風力發電作為一種新能源發電技術迅速崛起。然而，隨著風電裝機容量在電網總裝機容量的比重不斷提高，風力發電對電網的穩定性帶來嚴重考驗。不同類型的風電機組對電網暫態穩定性的影響不同，為了深入地了解各風力發電機組特性以及不同風機對電力系統暫態穩定性影響程度，對風力發電系統進行仿真分析是十分必要的。風電系統的暫態穩定性研究這一課題已被很多科研工作者和電網工作人員青睞，他們也做出了一定的成果。但是對這一課題的研究大都是針對單一類型風機的發電系統，本文將雙饋發電系統、直驅發電系統、恒速恒頻發電系統對比進行研究，得出了相關結論。另外本文所用的電力系統仿真軟件PSAT是近年興起的電力系統仿真軟件，具有小信號穩定分析和時域仿真、潮流計算、連續潮流計算、最優潮流求解等模塊，為用戶進行電力系統仿真提供了極大的便利。

二、?PSAT軟件簡介

PSAT是一種新的電力系統分析軟件，其命令行版本也是GNU Octave兼容的[1，2，3]。它的核心是潮流計算，會對狀態變量進行初始化處理。一旦求出了系統潮流，就能執行后續的靜態或動態分析。PSAT包含計算模塊有：小信號穩定分析和時域仿真、潮流計算、連續潮流計算、最優潮流求解等等。

PSAT 具有良好的適用于電力系統仿真的界面，在進行電力系統計算時，在 Data file 文本框輸入原始計算數據， 在Perturbation file 欄錄入動態更細數據，在Command line寫入命令以便執行。計算邊界條件實時顯示在主界面右端，包括計算基準容量、頻率、仿真開始及結束時間，收斂門檻等。實時計算結果包括潮流計算結果、最優潮流結果，收斂結果等顯示在主界面的右邊。

三、?算例

本論文在PSAT上建立了雙饋，直驅及恒速風機數學模型，采用WSCC的三機九節點模型進行仿真，得出三相短路故障時風電系統穩定性結果。

在母線處，將短路故障的開始時間設置為1秒，故障持續時間分別為120ms、246ms和625ms。可得出如下仿真圖：

從上圖可以看出，在故障開始后，恒速風機的轉速急劇變化，但在故障清除后，轉速開始回穩，大約在4s時趨于穩定，即恒速風機本身是穩定的。

當故障持續時間為246ms時，含雙饋風機的電力系統能保持暫態穩定，但轉子電流越限，如下圖所示，因此機組本身不能保持穩定;含直驅同步電機的電力系統的功角變化是同步的，轉子電流不越限，因此它們也都保持穩定;含恒速機組的電力系統保持穩定，但功角比故障前的功角大。

當故障持續時間為625ms時，含雙饋風機的電力系統仍然能保持穩定，但轉速和功角都比原來大很多，已接近不穩定狀態，轉子電流繼續越限，雙饋機組本身不能保持穩定;含直驅風機的電力系統不穩定，機組也不穩定，仿真不能完全結束;含恒速風機的風電系統不穩定，恒速機組本身也不穩定，仿真結果不收斂。

通過以上分析，將三種發電系統以及機組本身的暫態穩定性結果填入表1。

四、?結論

本文在PSAT上建立了幾種風機的數學模型，并進行了暫態穩定仿真，在比較的基礎上得出了如下結論：

1、故障持續時間越長，系統越容易失穩;在短路情況下，雙饋機組本身的穩定性較難保持，但系統穩定性保持較好。

2、同傳統電力系統相比，含雙饋風力發電機的電力系統受負荷影響較大，突然甩負荷使得雙饋風電系統和機組本身很容易失穩，即雙饋系統對負荷變化非常敏感。相對來說直驅風電系統和恒速風電系統的穩定性能較好保持，但機組本身也較容易失穩。

3、由于換流器的解耦作用，雙饋風機和直驅風機暫態穩定性受發電機轉速影響較小，受換流器電流大小較大的限制。因而變速風機的穩定性與換流器本身的特性有密切關系。

【參考文獻】

[1]?Power System Analysis Toolbox Documentation for PSAT version 2.0.0， Federico Milano.2010，5-80.

[2]?王金銘，高鍵.基于PSAT的電力系統時域仿真[J].科學技術與工程，2008，8（17）：4802-4807.

[3]?孫雷雷.PSAT在電力系統暫態仿真中的應用[J].現代計算機，2009，20（10）：103-106.

個人簡介：辛文成，1988-11，男，漢，湖北黃岡人，工學碩士，研究方向：電氣一次設計、新能源發電.