2023DIgSILENT PowerFactory软件使用指南

DIgSILENT/PowerFactory软件使用指南2023PowerFactory软件简介PowerFactory软件简介2DIgSILENT公司的业务范围DIgitalSImuLationandElectricalNeTwork数字仿真和电网计算程序DIgSILENT公司的业务范围研究、咨询与培训电力系统软件开发PowerFactoryStationWareRT-Simulator硬件PowerFactoryMonitor344DIgSILENT公司总部公司组成DIgSILENT公司总部DIgSILENTGmbH，德国DIgSILENT－STRELSRL，意大利DIgSILENTBuyisa(PtyLtd.，南非DIgSILENTPacificLtd.，澳大利亚DIgSILENT(ChileLtda，智利DIgSILENT(ArgentinaLtda.，阿根廷人员DIgSILENTGmbH有员工近40由从事科学研究、技术咨询和软件开发的专家组成55DIgSILENT软件PowerFactoryDIgSILENT软件1985年：第一套商业版分析软件开发成功1995年：DIgSILENT10.31版软件正式发布1998年：DIgSILENTPowerFactory11.02000DIgSILENTPowerFactory12.02003DIgSILENTPowerFactory13.02005年：推出StationWare软件2008DIgSILENTPowerFactory14.0目前已经在一百多个国家得到使用，已售出的软件超过4500套。77PowerFactory软件的特点丰富的元件库（EquipmentTypeLibrary），包括详细的系统元件模型如架空线、电缆、变压器、SVC、电流源和电压源等等，以及控制器模型如发电机调压器、调速器和PSS等等。PowerFactory软件的特点面向程序化过程的编程语言DPL，能够实现多种静态仿真分析功能，如电压稳定性、PV/QV敏感性分析等。面向连续运行过程的仿真语言DSL，用于实现暂态稳定性分析过程中系统元件的控制。含多种电力电子元件，如SVC、TCSC等，这些元件都可以利用DSL定义相应的控制模型。88PowerFactory软件的特点数据管理方式PowerFactory软件的特点数据库和数据管理器：分级的面向对象的数据，该数据库以Project为单位对数据进行存储，包含计算分析所需要的电网元件信息、图形信息以及计算设置。提供电力系统运行、规划方案信息管理功能：允许用户在电网基础信息的基础上进行某些数据的修改并分别进行保存，如设计不同的扩建方案，分析系统不同的运行方式等等。完全图形化的操作模式软件由DataManager和Graphic图形窗口两个工作页面组成，用户可以直接在图形窗口绘制电网、录入和修改电网数据，也可以在DataManager页面中进行数据的录入和修改99PowerFactory软件的特点虚拟表计技术的应用PowerFactory软件的特点窗口的概念，用于显示通过DPL或暂态分析过程中的各变量的曲线和波形，用户可以根据自己的需要来定义变量。数据兼容性：提供用于与SCADA/GIS进行数据交换的数据交换语言DOLE。可以通过Excel进行数据的输入和输出。与PSSE/E和PSS/U等电力系统仿真软件的数据进行转换。1010PowerFactory软件的主要功能潮流计算PowerFactory软件的主要功能描述复杂的单相和三相AC系统及各种交直流混合系统。潮流求解过程提供了3提供变电站控制、网络控制、变压器分接头调整控制以及多种远程控制模式。故障分析支持几乎所有的故障类型（包括复故障分析）。谐波分析可以模拟各种谐波电流源和电压源，并提供计及集肤效应和内在自感的与频率相关的元件模型。1111PowerFactory软件的主要功能稳定性分析PowerFactory软件的主要功能能够实现机电暂态和电磁暂态的仿真计算，能够仿真电力系统几乎所有类型的故障，仿真分析的结果能够通过虚拟表计来绘制成曲线图。可靠性分析将系统充裕性和安全性进行了综合考虑，主要包括三个方面：预想事故分析、发电可靠性估计和网络可靠性估计。保护它包含了许多额外的原件如CT、VT、继电器等。所有这些保护元件在静态、暂态情况下都能够使用。在所有可能的仿真模式如潮流分析、故障分析、机电暂态和电磁暂态等情况下这些保护元件都能够响应。1212PowerFactory软件的主要功能最优潮流PowerFactory软件的主要功能最优潮流计算是对基本潮流计算的有效补充。最优潮流计算主要采用内点法，并提供了多种约束条件和控制手段，其考虑的目标函数主要有最小网损、最小燃料费用、最大利润及最小区域交换潮流。配网优化能够实现电容器选址优化、解环点优化以及电缆补强优化三种优化功能。低压网络分析根据连接到某一线路上的用户数量来定义负荷、考虑负荷的多样性、在进行潮流计算时考虑负荷多样性并计算电压最大跌落值和最大支路电流、自动进行电缆补强、电压跌落和电缆负载率分析等。PowerFactory软件划分13PowerFactory软件划分13功 能配网包工业用户包输电网包标准包风电应用包标准版专业版标准版专业版标准版专业版潮流计算√√√√√√√√故障分析√√√√√√√√最优潮流保护√√√√√√谐波√√机电暂态√√√√电磁暂态√√低压网络分析√配网优化√可靠性分析√√1414PowerFactory在风电领域的独特性风电机组模型：PowerFactory在风电领域的独特性基于双馈感应发电机（DFIG）的变速风机基于变频器控制同步发电机（CDSG）的变速风机基于普通感应发电机的恒速风机风电机组控制：风电机组叶片机械特性模拟桨距角控制发电机保护和转子短路保护器（Crow-bar）建模变频器控制建模15PowerFactory软件界面介绍15PowerFactory软件界面介绍1616基本概念用户在PowerFactory修改信息都自动存储在Database中（即安装目录下的DB文件），用户无需自定义存储路径。基本概念所搭建网络能够以图形的形式显示。录入数据的方法：在图形用户界面录入在datamanager中录入Database的主要结构17Database的主要结构17LocalLibrary：User3LocalLibrary：User3在当前的Project中自定义的元件库，User3能够进行修改。GlobalLibrary：软件内置的元件库，含电力系统相关的所有标准元件类型，如发电机、线路、变压器以及相关控制器的元件类型等等。只有管理员能够进行修改。18PowerFactoryDatabase18软件内置元件库模型及算例自定义用户名1919Project的概念Project－项目Project的概念包含项目分析计算所需的所有数据电网数据和网络拓扑结构负荷数据、发电厂相关数据系统运行方式仿真事件和语句仿真分析结果20功能图标区 20画图工具已激活的Project 区DataManager数据管理窗 绘图区DataManager数据管理窗 结果输出窗 Project的结构Project中的所有数据存储在一系列名为workbookstructure的文件夹中。Project的文件夹结构Library-库的概念NetworkModelOperationScenarios系统运行方式StudyCase212222Project的结构—系统元件库EquipmentTypeLibrary件库Project的结构—系统元件库母线类型：单母线、双母线等发电机模型架空线、电缆导线型号杆塔类型变压器型号2323Library元件库—发电机BasicData：Library元件库—发电机视在功率额定电压功率因数RMS/EMTSimulation：惯量定子电阻/漏抗隐极机/凸极机同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗暂态时间常数、次暂态时间常数磁饱和效应2424Library元件库—导线BasicData：Library元件库—导线额定电压、电流和频率架空线/电缆正序电阻、电抗零序电阻、电抗LoadFlow：正序电纳零序电纳2525Library元件库－变压器BasicData：Library元件库－变压器额定电压额定功率向量组正序短路电压百分比铜损LoadFlow高压/中压/低压分接头励磁电抗26Project的结构—网络模型26NetworkModel网络模型：•Diagrams：用于存储电网的拓扑结构信息。•NetworkData：存储电网数据，如线路名称、导线型号和长度等。•Variations：用于存储网络变化，如电网扩建、新建线路和电厂等等。27NetworkModel—电网图27NetworkModel—电网图28Project的结构—电网与元件库的关系组成一个电网的系统元件系统元件1 系统元件2公用元件类型及相应参数元件类型公用元件类型及相应参数293030Project的结构—案例分析StudyCases可以理解为一个含多个studycase的文件夹，其中：Project的结构—案例分析每一个studycase对应某些已激活的grid，operationscenarios以及variations。每一个studycase有相应的计算命令。每一个studycase保存相应的计算结果。3131如何使用PowerFactory进行潮流计算如何使用PowerFactory进行3232潮流计算的应用正常运行方式潮流计算的应用负载率、损耗、电压分布；电网规划和运行发电计划和优化为短路和稳定性分析提供初始数值紧急状态负载率、损耗、电压分布事故、网络安全/可靠性仿真运行极限可靠性分析3333潮流计算的设置BasicOptions：平衡/不平衡潮流变压器分接头是否自动调节电容器/电抗器是否自动调节是否考虑无功出力极限ActivePowerControl有功功率控制方式Advancedoptions,如计算方法等IterationControl：迭代次数修改3434系统元件—发电机BasicData：系统元件—发电机发电机型号机组控制模型LoadFlow：是否作为平衡机PV节点还是PQ节点P、Q、V设置无功出力上下限有功出力上下限3535系统元件－变压器BasicData：变压器型号LoadFlow：分接头位置分接头能够自动调节是否连续调节控制母线控制电压范围3636系统元件－电容器/电抗器组BasicData：系统元件－电容器/电抗器组额定电压可投入最大组数实际投入组数每组的额定无功功率LoadFlow：可投入最大组数实际投入组数能否自动投切所控制的母线电压调节范围37OperationScenarios系统运行方式37OperationScenarios系统运行方式3838运行方式库OperationalLibrary库运行方式库断路器负荷转移故障设置设备退出运行热稳定极限39Project的结构—系统运行模式39OperationScenarios系统运行方式根据NetworkModel中的grid生成，用以描述系统的各种运行方式，如大负荷方式、小负荷方式等等。当前运行方式的相应信息。每次只能激活一个OperationScenario。每一个OperationScenario的具体信息和数据修改需要用户自己进行保存。4040OperationalDatavs.NetworkDataNetworkData：OperationalDatavs.NetworkData包含组成电力系统的一系列元件，如发电机、变压器等，以及这些元件的具体类型这些数据几乎是不变的。OperationalData：这些数据与运行方式相关，如负荷的大小、线路/发电机处于检修还是运行状态、变压器分接头位置等等。这些数据经常会发生变化。41Variations网络变化41Variations网络变化Variationvs.OperationScenario42Variationvs.OperationScenario42强调电网运行参数的变化任何时候都只能有一个OperationScenario强调电网运行参数的变化任何时候都只能有一个OperationScenario处于激活主要用于系统运行方式分析强调电网的变化可以有多个Variations同时处于激活状态主要用于电网扩建规划4343NetworkModel：VariationsVariations化，如新建线路、变电站扩建等等。NetworkModel：VariationsExpansionStage则表征电网各个扩建项目。如何定义：NetworkModel：Variations44NetworkModel：Variations44NetworkModel：Variations45NetworkModel：Variations452009.01.04 2009.07.20 2009.12.152009.08.152009.08.1546PowerFactory中系统控制的实现46PowerFactory中系统控制的实现4747DSL语言简介系统元件的控制（如发电机的调压器、调速器、风电机组的各类控制环节，等等）在PowerFactory中都是通过DSL来实现的。DSL语言简介DSL：DIgSILENTSimulationLanguage能够描述所有的线性/非线性微分环节能够描述所有的算法和逻辑表达式能够定义一系列的程序事件有框图和DSL程序两种表达方式4848概念(1)－ModelDefinitionModelDefinition概念(1)－ModelDefinitionType，类似于元件库的概念。用于定义控制器模型、机械模型等的建模，可以反复被调用。一个ModelDefinition由多个block以及输入、输出信号组成，用以实现一个控制环节，如发电机调压器AVR模型。每一个block与一个传递函数对应；各个block之间通过输入信号、输出信号以及运行符号连接。49概念(1)－ModelDefinition495050概念(2)－CommonModelElement，类似于系统元件的概念，概念(2)－CommonModel需要调用事先定义好的ModelDefinition能够实现的功能。用户可修改CommonModel同的暂态运行特性。51概念(2)－CommonModel515252概念(3)－CompositeModelFrameType，与ModelDefinition反复调用。概念(3)－CompositeModelFrame用于定义不同的CommonModel不含具体的数学方程或传递函数。一个Frame由多个slot和输入、输出信号组成：每一个slot有一个或多个输入信号、输出信号，并与一个特定的commonmodel相对应。53概念(3)－CompositeModelFrame5354概念(4)－CompositeModel5455CommonModel55CompositeFrameCompositeModelModelDefinition56基于DFIG的变速风电机组简介56基于DFIG的变速风电机组简介风力发电机种类FixedSpeed定速 VariableSpeed变速Stall

Pitching变桨距

No不能控制无功

Q-control无功控制InductionGenerator感应发电机

InductionGenerator感应发电机

InductionGeneratorwithVariableRotorResistance(“Opti-slip”)转子电阻可调的感应发电机(“最优滑差”)

DFIG双馈电机

CD-SG逆变器驱动同步电机CD-IGNoQ-control无无功控制StrongShortCircuitContribution短路电流大

逆变器驱动感应电机WeakShc.Contrib.短路电流小57575858基于双馈感应电机的风电机组变频机基于双馈感应电机的风电机组齿轮箱齿轮箱双馈感应发电机电网DFIG是绕线式转子感应发电机，转子回路通过接在转子滑环上的电力电子变频器与电网相连，定子则直接接入电网，变频器通过IGBT开关的开断来控制。5959双馈感应发电机的优点与传统的感应发电机相比，DFIG具有很多的优势，如下：双馈感应发电机的优点通过变频器控制转子电流为电机提供励磁。具有无功控制能力，能够提供电压支持。实现了有功功率和无功功率的解耦控制，这意味着能够对转矩和转子励磁电流进行独立控制。6060情况下限制风电机组出力。统、机械系统、电气系统等。基于双馈机的变速风电机组模型风速模型基于双馈机的变速风电机组模型风速模型控制发电机与电网之间的风力机模型轴系模型双馈发电机变频器控制系统最大功率追踪块转速控制器功率控制与电流控制变速风电机组保护

无功交换功率、控制风电机组发出的有功功率以追踪风电机组的最优运行点或者在高风速情况下限制风电机组出力。上述功能主要通过变速风电机组的转子侧变频器控制及风力机的桨距角控制实现。6161空气动力学模型电能。空气动力学模型•3风速与空气动力功率的关系可描述为：3Pw

1R2C2

(,6262轴系模型63轴系模型63HturTHturTTHgenshaftturKSDturDSDgen低速轴齿轮箱高速轴发电机风力机与发电机的两质块模型来表示轴系，分别由风力机与发电双馈感应发电机拓扑结构图Vdc˙rac˙acVdc˙rac˙acGrid

电力电子变频器是一个背靠背式变频器系统，由两个电压源变频器和的直流环节组成。发电机的转子回路馈入转子侧变频器，转子变频器相应地在转子回路中增加额外的电压相量。通过对该电压相量进行控制，可以使转子回路的频率与期望的转子转速一致。在正常的运行状态下，为了获得最大的功率输出，转子通过转子侧变频器的控制进行调节，这就是转子回路变频运行的原因。变频器64变频器646565DFIG风电机组的保护系统irCrowBarrTripspeed保护信号uDFIG风电机组的保护系统irCrowBarrTripspeed保护信号uTripVoltage电压保护转速保护Max转子过流1）低电压/过电压保护2）低速/超速保护3）转子过流保护（Crow-bar保护）叶片齿轮箱

measgen

双馈感应发电机IImeasI

变压器 电网PmeasQmeasPmeasQmeas

dmeasq,rotor

转子侧变频器AC

直流环节

电网侧变频器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风力机控制66

器系统

电网侧变频器控制器转子侧变频器双馈电机转子绕组通过能够控制转子滑环电压的电力电子变频器馈入电网，其解耦控制方法可以用于控制双馈电机的有功与无功。转子侧变频器imeasid,rotorimeasid,rotor取自转速控制器

Pref

meas

gen

Pt风力机

genrefgrid

gridPmeasgridPmeas

K(11)PP sTP

irefid,rotoriref

id,rotorKd(1

1

SVRFPmd,rotor PSVRF

RRFPmd,rotorPRRF

mi坐标iRRF双馈 d,rotor 变换感应iRRF测量环节QrefgridQimeasq,rotori

QgridQrefgridQ

K(11)QQ sTQ功率外环

q,rotor

K(11)qq sTqimeasiq,rotor

Pmq,rotormu

SVRFRRF

Pmq,rotor

q,rotorr

RRFSVRF转子侧变频器控制器

rPLL ui电压锁相iimeasq,rotori

measq,rotor67676868转子侧变频器控制转子侧变频器控制坐标变换SVRF→RRF部分：用于将转子侧变频器控制器输出的定子电压定向参考坐标系下的变频器调制系数信号变换为双馈电机转子参考坐标系下的信号输入DFIG中，并引入控制器的前馈补偿部分（转子磁链）以实现控制的完全解耦。坐标变换RRF→SVRF部分：用于将双馈电机转子电流由转子参考坐标系下的表示方法转换为定子电压坐标系下的表示方法，以实现定子电压定向的转子侧变频器控制。6969转子侧变频器控制风力机模块：将双馈感应发电机输出的发电机转速信号输入后，在经风力机（windturbine）模型输出风力机的机械功率至电机。当考虑完整的风力机模型及