2023DIgSILENT PowerFactory軟件使用指南

DIgSILENT/PowerFactory軟件使用指南2023PowerFactory軟件簡介PowerFactory軟件簡介2DIgSILENT公司的業(yè)務范圍DIgitalSImuLationandElectricalNeTwork數(shù)字仿真和電網(wǎng)計算程序DIgSILENT公司的業(yè)務范圍研究、咨詢與培訓電力系統(tǒng)軟件開發(fā)PowerFactoryStationWareRT-Simulator硬件PowerFactoryMonitor344DIgSILENT公司總部公司組成DIgSILENT公司總部DIgSILENTGmbH，德國DIgSILENT－STRELSRL，意大利DIgSILENTBuyisa(PtyLtd.，南非DIgSILENTPacificLtd.，澳大利亞DIgSILENT(ChileLtda，智利DIgSILENT(ArgentinaLtda.，阿根廷人員DIgSILENTGmbH有員工近40由從事科學研究、技術咨詢和軟件開發(fā)的專家組成55DIgSILENT軟件PowerFactoryDIgSILENT軟件1985年：第一套商業(yè)版分析軟件開發(fā)成功1995年：DIgSILENT10.31版軟件正式發(fā)布1998年：DIgSILENTPowerFactory11.02000DIgSILENTPowerFactory12.02003DIgSILENTPowerFactory13.02005年：推出StationWare軟件2008DIgSILENTPowerFactory14.0目前已經(jīng)在一百多個國家得到使用，已售出的軟件超過4500套。77PowerFactory軟件的特點豐富的元件庫（EquipmentTypeLibrary），包括詳細的系統(tǒng)元件模型如架空線、電纜、變壓器、SVC、電流源和電壓源等等，以及控制器模型如發(fā)電機調(diào)壓器、調(diào)速器和PSS等等。PowerFactory軟件的特點面向程序化過程的編程語言DPL，能夠?qū)崿F(xiàn)多種靜態(tài)仿真分析功能，如電壓穩(wěn)定性、PV/QV敏感性分析等。面向連續(xù)運行過程的仿真語言DSL，用于實現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定性分析過程中系統(tǒng)元件的控制。含多種電力電子元件，如SVC、TCSC等，這些元件都可以利用DSL定義相應的控制模型。88PowerFactory軟件的特點數(shù)據(jù)管理方式PowerFactory軟件的特點數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)管理器：分級的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)庫以Project為單位對數(shù)據(jù)進行存儲，包含計算分析所需要的電網(wǎng)元件信息、圖形信息以及計算設置。提供電力系統(tǒng)運行、規(guī)劃方案信息管理功能：允許用戶在電網(wǎng)基礎信息的基礎上進行某些數(shù)據(jù)的修改并分別進行保存，如設計不同的擴建方案，分析系統(tǒng)不同的運行方式等等。完全圖形化的操作模式軟件由DataManager和Graphic圖形窗口兩個工作頁面組成，用戶可以直接在圖形窗口繪制電網(wǎng)、錄入和修改電網(wǎng)數(shù)據(jù)，也可以在DataManager頁面中進行數(shù)據(jù)的錄入和修改99PowerFactory軟件的特點虛擬表計技術的應用PowerFactory軟件的特點窗口的概念，用于顯示通過DPL或暫態(tài)分析過程中的各變量的曲線和波形，用戶可以根據(jù)自己的需要來定義變量。數(shù)據(jù)兼容性：提供用于與SCADA/GIS進行數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)交換語言DOLE?？梢酝ㄟ^Excel進行數(shù)據(jù)的輸入和輸出。與PSSE/E和PSS/U等電力系統(tǒng)仿真軟件的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。1010PowerFactory軟件的主要功能潮流計算PowerFactory軟件的主要功能描述復雜的單相和三相AC系統(tǒng)及各種交直流混合系統(tǒng)。潮流求解過程提供了3提供變電站控制、網(wǎng)絡控制、變壓器分接頭調(diào)整控制以及多種遠程控制模式。故障分析支持幾乎所有的故障類型（包括復故障分析）。諧波分析可以模擬各種諧波電流源和電壓源，并提供計及集膚效應和內(nèi)在自感的與頻率相關的元件模型。1111PowerFactory軟件的主要功能穩(wěn)定性分析PowerFactory軟件的主要功能能夠?qū)崿F(xiàn)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的仿真計算，能夠仿真電力系統(tǒng)幾乎所有類型的故障，仿真分析的結(jié)果能夠通過虛擬表計來繪制成曲線圖?？煽啃苑治鰧⑾到y(tǒng)充裕性和安全性進行了綜合考慮，主要包括三個方面：預想事故分析、發(fā)電可靠性估計和網(wǎng)絡可靠性估計。保護它包含了許多額外的原件如CT、VT、繼電器等。所有這些保護元件在靜態(tài)、暫態(tài)情況下都能夠使用。在所有可能的仿真模式如潮流分析、故障分析、機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)等情況下這些保護元件都能夠響應。1212PowerFactory軟件的主要功能最優(yōu)潮流PowerFactory軟件的主要功能最優(yōu)潮流計算是對基本潮流計算的有效補充。最優(yōu)潮流計算主要采用內(nèi)點法，并提供了多種約束條件和控制手段，其考慮的目標函數(shù)主要有最小網(wǎng)損、最小燃料費用、最大利潤及最小區(qū)域交換潮流。配網(wǎng)優(yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn)電容器選址優(yōu)化、解環(huán)點優(yōu)化以及電纜補強優(yōu)化三種優(yōu)化功能。低壓網(wǎng)絡分析根據(jù)連接到某一線路上的用戶數(shù)量來定義負荷、考慮負荷的多樣性、在進行潮流計算時考慮負荷多樣性并計算電壓最大跌落值和最大支路電流、自動進行電纜補強、電壓跌落和電纜負載率分析等。PowerFactory軟件劃分13PowerFactory軟件劃分13功 能配網(wǎng)包工業(yè)用戶包輸電網(wǎng)包標準包風電應用包標準版專業(yè)版標準版專業(yè)版標準版專業(yè)版潮流計算√√√√√√√√故障分析√√√√√√√√最優(yōu)潮流保護√√√√√√諧波√√機電暫態(tài)√√√√電磁暫態(tài)√√低壓網(wǎng)絡分析√配網(wǎng)優(yōu)化√可靠性分析√√1414PowerFactory在風電領域的獨特性風電機組模型：PowerFactory在風電領域的獨特性基于雙饋感應發(fā)電機（DFIG）的變速風機基于變頻器控制同步發(fā)電機（CDSG）的變速風機基于普通感應發(fā)電機的恒速風機風電機組控制：風電機組葉片機械特性模擬槳距角控制發(fā)電機保護和轉(zhuǎn)子短路保護器（Crow-bar）建模變頻器控制建模15PowerFactory軟件界面介紹15PowerFactory軟件界面介紹1616基本概念用戶在PowerFactory修改信息都自動存儲在Database中（即安裝目錄下的DB文件），用戶無需自定義存儲路徑?；靖拍钏罱ňW(wǎng)絡能夠以圖形的形式顯示。錄入數(shù)據(jù)的方法：在圖形用戶界面錄入在datamanager中錄入Database的主要結(jié)構17Database的主要結(jié)構17LocalLibrary：User3LocalLibrary：User3在當前的Project中自定義的元件庫，User3能夠進行修改。GlobalLibrary：軟件內(nèi)置的元件庫，含電力系統(tǒng)相關的所有標準元件類型，如發(fā)電機、線路、變壓器以及相關控制器的元件類型等等。只有管理員能夠進行修改。18PowerFactoryDatabase18軟件內(nèi)置元件庫模型及算例自定義用戶名1919Project的概念Project－項目Project的概念包含項目分析計算所需的所有數(shù)據(jù)電網(wǎng)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡拓撲結(jié)構負荷數(shù)據(jù)、發(fā)電廠相關數(shù)據(jù)系統(tǒng)運行方式仿真事件和語句仿真分析結(jié)果20功能圖標區(qū) 20畫圖工具已激活的Project 區(qū)DataManager數(shù)據(jù)管理窗 繪圖區(qū)DataManager數(shù)據(jù)管理窗 結(jié)果輸出窗 Project的結(jié)構Project中的所有數(shù)據(jù)存儲在一系列名為workbookstructure的文件夾中。Project的文件夾結(jié)構Library-庫的概念NetworkModelOperationScenarios系統(tǒng)運行方式StudyCase212222Project的結(jié)構—系統(tǒng)元件庫EquipmentTypeLibrary件庫Project的結(jié)構—系統(tǒng)元件庫母線類型：單母線、雙母線等發(fā)電機模型架空線、電纜導線型號桿塔類型變壓器型號2323Library元件庫—發(fā)電機BasicData：Library元件庫—發(fā)電機視在功率額定電壓功率因數(shù)RMS/EMTSimulation：慣量定子電阻/漏抗隱極機/凸極機同步電抗、暫態(tài)電抗、次暫態(tài)電抗暫態(tài)時間常數(shù)、次暫態(tài)時間常數(shù)磁飽和效應2424Library元件庫—導線BasicData：Library元件庫—導線額定電壓、電流和頻率架空線/電纜正序電阻、電抗零序電阻、電抗LoadFlow：正序電納零序電納2525Library元件庫－變壓器BasicData：Library元件庫－變壓器額定電壓額定功率向量組正序短路電壓百分比銅損LoadFlow高壓/中壓/低壓分接頭勵磁電抗26Project的結(jié)構—網(wǎng)絡模型26NetworkModel網(wǎng)絡模型：?Diagrams：用于存儲電網(wǎng)的拓撲結(jié)構信息。?NetworkData：存儲電網(wǎng)數(shù)據(jù)，如線路名稱、導線型號和長度等。?Variations：用于存儲網(wǎng)絡變化，如電網(wǎng)擴建、新建線路和電廠等等。27NetworkModel—電網(wǎng)圖27NetworkModel—電網(wǎng)圖28Project的結(jié)構—電網(wǎng)與元件庫的關系組成一個電網(wǎng)的系統(tǒng)元件系統(tǒng)元件1 系統(tǒng)元件2公用元件類型及相應參數(shù)元件類型公用元件類型及相應參數(shù)293030Project的結(jié)構—案例分析StudyCases可以理解為一個含多個studycase的文件夾，其中：Project的結(jié)構—案例分析每一個studycase對應某些已激活的grid，operationscenarios以及variations。每一個studycase有相應的計算命令。每一個studycase保存相應的計算結(jié)果。3131如何使用PowerFactory進行潮流計算如何使用PowerFactory進行3232潮流計算的應用正常運行方式潮流計算的應用負載率、損耗、電壓分布；電網(wǎng)規(guī)劃和運行發(fā)電計劃和優(yōu)化為短路和穩(wěn)定性分析提供初始數(shù)值緊急狀態(tài)負載率、損耗、電壓分布事故、網(wǎng)絡安全/可靠性仿真運行極限可靠性分析3333潮流計算的設置BasicOptions：平衡/不平衡潮流變壓器分接頭是否自動調(diào)節(jié)電容器/電抗器是否自動調(diào)節(jié)是否考慮無功出力極限ActivePowerControl有功功率控制方式Advancedoptions,如計算方法等IterationControl：迭代次數(shù)修改3434系統(tǒng)元件—發(fā)電機BasicData：系統(tǒng)元件—發(fā)電機發(fā)電機型號機組控制模型LoadFlow：是否作為平衡機PV節(jié)點還是PQ節(jié)點P、Q、V設置無功出力上下限有功出力上下限3535系統(tǒng)元件－變壓器BasicData：變壓器型號LoadFlow：分接頭位置分接頭能夠自動調(diào)節(jié)是否連續(xù)調(diào)節(jié)控制母線控制電壓范圍3636系統(tǒng)元件－電容器/電抗器組BasicData：系統(tǒng)元件－電容器/電抗器組額定電壓可投入最大組數(shù)實際投入組數(shù)每組的額定無功功率LoadFlow：可投入最大組數(shù)實際投入組數(shù)能否自動投切所控制的母線電壓調(diào)節(jié)范圍37OperationScenarios系統(tǒng)運行方式37OperationScenarios系統(tǒng)運行方式3838運行方式庫OperationalLibrary庫運行方式庫斷路器負荷轉(zhuǎn)移故障設置設備退出運行熱穩(wěn)定極限39Project的結(jié)構—系統(tǒng)運行模式39OperationScenarios系統(tǒng)運行方式根據(jù)NetworkModel中的grid生成，用以描述系統(tǒng)的各種運行方式，如大負荷方式、小負荷方式等等。當前運行方式的相應信息。每次只能激活一個OperationScenario。每一個OperationScenario的具體信息和數(shù)據(jù)修改需要用戶自己進行保存。4040OperationalDatavs.NetworkDataNetworkData：OperationalDatavs.NetworkData包含組成電力系統(tǒng)的一系列元件，如發(fā)電機、變壓器等，以及這些元件的具體類型這些數(shù)據(jù)幾乎是不變的。OperationalData：這些數(shù)據(jù)與運行方式相關，如負荷的大小、線路/發(fā)電機處于檢修還是運行狀態(tài)、變壓器分接頭位置等等。這些數(shù)據(jù)經(jīng)常會發(fā)生變化。41Variations網(wǎng)絡變化41Variations網(wǎng)絡變化Variationvs.OperationScenario42Variationvs.OperationScenario42強調(diào)電網(wǎng)運行參數(shù)的變化任何時候都只能有一個OperationScenario強調(diào)電網(wǎng)運行參數(shù)的變化任何時候都只能有一個OperationScenario處于激活主要用于系統(tǒng)運行方式分析強調(diào)電網(wǎng)的變化可以有多個Variations同時處于激活狀態(tài)主要用于電網(wǎng)擴建規(guī)劃4343NetworkModel：VariationsVariations化，如新建線路、變電站擴建等等。NetworkModel：VariationsExpansionStage則表征電網(wǎng)各個擴建項目。如何定義：NetworkModel：Variations44NetworkModel：Variations44NetworkModel：Variations45NetworkModel：Variations452009.01.04 2009.07.20 2009.12.152009.08.152009.08.1546PowerFactory中系統(tǒng)控制的實現(xiàn)46PowerFactory中系統(tǒng)控制的實現(xiàn)4747DSL語言簡介系統(tǒng)元件的控制（如發(fā)電機的調(diào)壓器、調(diào)速器、風電機組的各類控制環(huán)節(jié)，等等）在PowerFactory中都是通過DSL來實現(xiàn)的。DSL語言簡介DSL：DIgSILENTSimulationLanguage能夠描述所有的線性/非線性微分環(huán)節(jié)能夠描述所有的算法和邏輯表達式能夠定義一系列的程序事件有框圖和DSL程序兩種表達方式4848概念(1)－ModelDefinitionModelDefinition概念(1)－ModelDefinitionType，類似于元件庫的概念。用于定義控制器模型、機械模型等的建模，可以反復被調(diào)用。一個ModelDefinition由多個block以及輸入、輸出信號組成，用以實現(xiàn)一個控制環(huán)節(jié)，如發(fā)電機調(diào)壓器AVR模型。每一個block與一個傳遞函數(shù)對應；各個block之間通過輸入信號、輸出信號以及運行符號連接。49概念(1)－ModelDefinition495050概念(2)－CommonModelElement，類似于系統(tǒng)元件的概念，概念(2)－CommonModel需要調(diào)用事先定義好的ModelDefinition能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。用戶可修改CommonModel同的暫態(tài)運行特性。51概念(2)－CommonModel515252概念(3)－CompositeModelFrameType，與ModelDefinition反復調(diào)用。概念(3)－CompositeModelFrame用于定義不同的CommonModel不含具體的數(shù)學方程或傳遞函數(shù)。一個Frame由多個slot和輸入、輸出信號組成：每一個slot有一個或多個輸入信號、輸出信號，并與一個特定的commonmodel相對應。53概念(3)－CompositeModelFrame5354概念(4)－CompositeModel5455CommonModel55CompositeFrameCompositeModelModelDefinition56基于DFIG的變速風電機組簡介56基于DFIG的變速風電機組簡介風力發(fā)電機種類FixedSpeed定速 VariableSpeed變速Stall

Pitching變槳距

No不能控制無功

Q-control無功控制InductionGenerator感應發(fā)電機

InductionGenerator感應發(fā)電機

InductionGeneratorwithVariableRotorResistance(“Opti-slip”)轉(zhuǎn)子電阻可調(diào)的感應發(fā)電機(“最優(yōu)滑差”)

DFIG雙饋電機

CD-SG逆變器驅(qū)動同步電機CD-IGNoQ-control無無功控制StrongShortCircuitContribution短路電流大

逆變器驅(qū)動感應電機WeakShc.Contrib.短路電流小57575858基于雙饋感應電機的風電機組變頻機基于雙饋感應電機的風電機組齒輪箱齒輪箱雙饋感應發(fā)電機電網(wǎng)DFIG是繞線式轉(zhuǎn)子感應發(fā)電機，轉(zhuǎn)子回路通過接在轉(zhuǎn)子滑環(huán)上的電力電子變頻器與電網(wǎng)相連，定子則直接接入電網(wǎng)，變頻器通過IGBT開關的開斷來控制。5959雙饋感應發(fā)電機的優(yōu)點與傳統(tǒng)的感應發(fā)電機相比，DFIG具有很多的優(yōu)勢，如下：雙饋感應發(fā)電機的優(yōu)點通過變頻器控制轉(zhuǎn)子電流為電機提供勵磁。具有無功控制能力，能夠提供電壓支持。實現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制，這意味著能夠?qū)D(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子勵磁電流進行獨立控制。6060情況下限制風電機組出力。統(tǒng)、機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。基于雙饋機的變速風電機組模型風速模型基于雙饋機的變速風電機組模型風速模型控制發(fā)電機與電網(wǎng)之間的風力機模型軸系模型雙饋發(fā)電機變頻器控制系統(tǒng)最大功率追蹤塊轉(zhuǎn)速控制器功率控制與電流控制變速風電機組保護

無功交換功率、控制風電機組發(fā)出的有功功率以追蹤風電機組的最優(yōu)運行點或者在高風速情況下限制風電機組出力。上述功能主要通過變速風電機組的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制及風力機的槳距角控制實現(xiàn)。6161空氣動力學模型電能?？諝鈩恿W模型?3風速與空氣動力功率的關系可描述為：3Pw

1R2C2

(,6262軸系模型63軸系模型63HturTHturTTHgenshaftturKSDturDSDgen低速軸齒輪箱高速軸發(fā)電機風力機與發(fā)電機的兩質(zhì)塊模型來表示軸系，分別由風力機與發(fā)電雙饋感應發(fā)電機拓撲結(jié)構圖Vdc˙rac˙acVdc˙rac˙acGrid

電力電子變頻器是一個背靠背式變頻器系統(tǒng)，由兩個電壓源變頻器和的直流環(huán)節(jié)組成。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子回路饋入轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器，轉(zhuǎn)子變頻器相應地在轉(zhuǎn)子回路中增加額外的電壓相量。通過對該電壓相量進行控制，可以使轉(zhuǎn)子回路的頻率與期望的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一致。在正常的運行狀態(tài)下，為了獲得最大的功率輸出，轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的控制進行調(diào)節(jié)，這就是轉(zhuǎn)子回路變頻運行的原因。變頻器64變頻器646565DFIG風電機組的保護系統(tǒng)irCrowBarrTripspeed保護信號uDFIG風電機組的保護系統(tǒng)irCrowBarrTripspeed保護信號uTripVoltage電壓保護轉(zhuǎn)速保護Max轉(zhuǎn)子過流1）低電壓/過電壓保護2）低速/超速保護3）轉(zhuǎn)子過流保護（Crow-bar保護）葉片齒輪箱

measgen

雙饋感應發(fā)電機IImeasI

變壓器 電網(wǎng)PmeasQmeasPmeasQmeas

dmeasq,rotor

轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器AC

直流環(huán)節(jié)

電網(wǎng)側(cè)變頻器DC

grid gridgridPmeasgridP

grid

ref

measgen

CoordinateTranformationP

DCRRFP SVRF

ACPconv,mqcurrent

meas

measgen

RRF SVRF

rotor,md rotor,mq

Iq,conv

Id,convLookup table

speedcontroller

currentcontroller

Iref

controllerQIrefQIUCoordinateTranformationIU

refIdI

refq,rotor

meas dc

d,convPQ

q,conv

measconvPratedPPgridP

UQpitchUQ

measgrid

QmeasgridQ

PQcontroller

controllerPmeasgridP

PrefgridP

QrefgridQ

refdc

refconv66風力機控制66

器系統(tǒng)

電網(wǎng)側(cè)變頻器控制器轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組通過能夠控制轉(zhuǎn)子滑環(huán)電壓的電力電子變頻器饋入電網(wǎng)，其解耦控制方法可以用于控制雙饋電機的有功與無功。轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器imeasid,rotorimeasid,rotor取自轉(zhuǎn)速控制器

Pref

meas

gen

Pt風力機

genrefgrid

gridPmeasgridPmeas

K(11)PP sTP

irefid,rotoriref

id,rotorKd(1

1

SVRFPmd,rotor PSVRF

RRFPmd,rotorPRRF

mi坐標iRRF雙饋 d,rotor 變換感應iRRF測量環(huán)節(jié)QrefgridQimeasq,rotori

QgridQrefgridQ

K(11)QQ sTQ功率外環(huán)

q,rotor

K(11)qq sTqimeasiq,rotor

Pmq,rotormu

SVRFRRF

Pmq,rotor

q,rotorr

RRFSVRF轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制器

rPLL ui電壓鎖相iimeasq,rotori

measq,rotor67676868轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制坐標變換SVRF→RRF部分：用于將轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制器輸出的定子電壓定向參考坐標系下的變頻器調(diào)制系數(shù)信號變換為雙饋電機轉(zhuǎn)子參考坐標系下的信號輸入DFIG中，并引入控制器的前饋補償部分（轉(zhuǎn)子磁鏈）以實現(xiàn)控制的完全解耦。坐標變換RRF→SVRF部分：用于將雙饋電機轉(zhuǎn)子電流由轉(zhuǎn)子參考坐標系下的表示方法轉(zhuǎn)換為定子電壓坐標系下的表示方法，以實現(xiàn)定子電壓定向的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制。6969轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制風力機模塊：將雙饋感應發(fā)電機輸出的發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號輸入后，在經(jīng)風力機（windturbine）模型輸出風力機的機械功率至電機。當考慮完整的風力機模型及