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毕业论文主动配电网建模与仿真学生姓名： 尹乐乐 学号： 1105044212 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 秦 鹏 2015 年 6 月主动配电网建模与仿真摘要随着分布式电源(Distributed Generation, DG)越来越多的接入配电网,传统单向潮流的被动配电网正逐步演变成双向潮流的集成分布式发电装置的主动配电网(Active Distribution Network,ADN)。分布式电源的引入不可避免的带来一系列电能质量方面的问题,因此研究主动配电网的建模和仿真对主动配电网的控制和运行具有重要意义。本文的课题主要是建立主动配电网的模型,并在此基础上研究主动配电网的仿真平台。首先,介绍了主动配电网的发展以及建模和仿真的国内外研究现状，进而建立了主动配电网各组成部分的拓扑结构及数学模型,主要包括分布式电源模型,变压器模型,输电线路模型和负荷模型。通过MATLAB/Simulink仿真验证了几种DG模型的特性，对其特性进行了仿真研究。接着,通过建立等效电路,在理想电网条件下,理论上分析了 DG在不同接入点和不同接入数量情况下主动配电网的特点。根据建模的运行特性选择三个典型事例,分别对比接入电网前后的仿真结果,验证了等效模型的合理性和有效性,理论与仿真结合得出了一致结论。主动配电网作为一种“源网荷”相互协调的新三元结构配电网，是未来解决分布式能源大规模高渗透并网的主要技术手段。重点研究了主动配电网的整体架构和主要特征，阐述了主动配电网的技术理念。在此基础上系统和完整地提出了主动配电网的建模和仿真。最后,对本文的工作做了总结,并展望了主动配电网建模和仿真的方向。关键词： 主动配电网；建模；仿真；分布式电源；微网（微电网）Active Distribution Network Modeling and Simulation AbstractWith Distributed Power (Distributed Generation, DG) more access distribution network, the traditional one-way flow of passive distribution network is gradually evolving into a two-way flow of integrated distributed generation means active distribution network (Active Distribution Network, ADN). The introduction of distributed power inevitably bring about a series of power quality issues, so the research initiative with the modeling and simulation of the grid is important for the active distribution network control and operation. The main topic of this paper is to establish an active distribution grid model, and based on this research initiative distribution network simulation platform. Firstly, the development of research status and active distribution network modeling and simulation, and then take the initiative to establish a distribution network topology and mathematical models of various components, including distributed power model, transformer model, transmission line model and load model. By MATLAB / Simulink simulation model of the characteristics of several DG, its characteristics was simulated. Then, through the establishment of an equivalent circuit, in an ideal grid conditions, theoretically analyzed DG at various access points and the number of access conditions of different active distribution network features. Select according to the operating characteristics of three typical examples of modeling were connected to the grid before and after comparison of the simulation results verified the rationality and effectiveness, theory and simulation combined equivalent model obtained unanimous conclusion.Active distribution network as a source - Net - charge new ternary structure coordinated distribution network, is coming to solve large-scale distributed energy network of high permeability and the main technical means. Focus on the overall structure and main characteristics of active distribution network, described the initiative distribution network technology concepts. Based on this system and complete manner of active distribution network modeling and simulation.Finally, the work done in this paper is summarized, and the prospect of active distribution network modeling and simulation direction.Keywords: active distribution network; modeling; simulation; distributed power; micro-grid (micro grid)中北大学2015届毕业论文目录1 绪论11.1 本课题研究的背景和意义11.2 主动配电网的概述21.3 国内外主动配电网示范工程51.3.1国外主动配电网示范工程51.3.2国内主动配电网示范工程61.4 主动配电网与分布式发电对电力系统的影响71.5 本章小结82 各微电源的建模92.1 各微电源拓扑结构及数学模型92.1.1变压器模型102.1.2输电线路模型112.1.3负荷模型122.2 DG模型142.2.1 DG的分类142.2.2 DG的接入形式172.3 本章小结193 主动配电网系统的构建203.1 主动配电网系统的建模203.2 主动配电网的控制器模型213.2.1主动配电网控制的基本的原理213.2.2主动配电网控制器的结构223.2.3控制单元的实现233.3 本章小结254仿真实例264.1 实例1264.2 实例2284.3 实例3314.4 分析与讨论324.5 总结334.6 本章小结335 总结和展望345.1 总结345.2 进一步研究工作展望34参考文献36致谢38第II页 共II页1绪论 1.1本课题研究的背景和意义近年来,随着能源短缺和环境问题的日益突出，新能源发电技术在国家政策的大力支持下得到了迅猛的发展，大量的新能源发电装置以分布式电源(Distributed Generation,DG)的形式接入到电网中，在缓解电网压力的同时也给电网带来了电能质量和规划、运营、控制等方面的挑战1。DG般是指接入配电网当中或电网中用户一侧的小容量(一般10MW以下)的发电系统。DG的类型主要包括微型燃气轮机、燃料电池、太阳能光伏电池、风力发电以及储能装置等，其中以光伏发电和风力发电应用最为广泛。DG以小规模、分散式的方式布置在用户附近，这样不仅输电损耗小，还能方便可靠地实现功率补偿和电能供应。由于DG在经济环保、电力安全性和可靠性以及满足用户的多样化需求等方面具有较大优势，得到了极大的重视和广泛的应用3。传统电网在接入大量的DG之后,使得电网不再是只有电力负荷的能量单向传输的配电网，而是电源与电力负荷并存,能量双向甚至多向流动的电网3。这样传统电网的调度、控制和管理方法需要更新换代才能适应这一新形势。于是，为了研究和分析的必要，给出了主动配电网(Active Distributed Network, ADN)的定义。ADN般是指由分布式电源、负荷、储能系统和控制装置构成的配电系统。它对于大电网表现为一个单一可控的单元，可对负荷实现多种能源形式的高可靠供给。主动配电网的特点主要有:1)是含有大量中小容量的DG；2)主动配电网中的功率是双向流动的；3)主动配电网能够实现自我控制、保护和管理等功能。目前被广泛研究的微网(Microgrid)可以说是ADN的一种特殊形式14。目前学术界和工业界都已逐步将研究方向从单纯的新能源发电技术转向到新能源发电接入主动配电网和微网方面,并建立示范工程和实验系统，以证明新型配电系统的可行性和可带来的效益。随着全球气候环境的恶化、能源的匮乏和国家经济的发展，大力开发利用可再生清洁高效能源是国家可持续发展的战略。分布式发电具有环境效益好、可靠性高、能源利用率高、投资低、安装灵活方便等优点，将成为解决能源问题的重要途径，也是未来电力系统的主要发展趋势。分布式电源的接入给电网带来一系列亟待研究和解决的理论与技术问题，主动配电网的概念即由此而生，且已经成为近年来电力系统研究领域的热点问题之一。国内外在主动配电网领域展开了广泛的研究，但就服务于电力系统分析控制的电网仿真建模而言，相关研究工作尚正处在起步阶段。这些工作主要集中在分布式电源数学模型、分布式电源接入配电网对电网综合负荷特性的影响及其建模等方面10。但是，就现阶段而言，一方面，分布式发电或者主动配电网建设的示范工程还相当有限；另一方面，也难以有足够的投入建设相应的物理模拟实验室。因此，从工程现场或者实验室获得所需实测数据非常困难，从而阻碍了含有主动配电网和分布式电源的配电网综合建模研和仿真研究的深入开展。1.2 主动配电网的概述随着世界范围内的能源供应持续紧张，合理开发利用可再生绿色清洁能源已经成为一个重要课题。分布式发电是解决未来能源问题的主要途径，是电力供应必要的补充。分布式发电系统将不同形式的能源转换为电能加以利用，是能源利用的最有效方式之一。目前常见的分布式电源（distributed energy resource，DER）包括微型燃气轮机、风力发电、光伏发电、燃料电池等，对应的发电技术称为分布式发电技术。分布式发电（distributed generation，DG）一般指发电功率在几千瓦至几百兆瓦的容量规模较小的发电系统，该系统具有模块化和分散式的特点，其直接接入配电网或配置在用户现场附近，用以满足特定用户的需求，能够经济、可靠、高效发电，与配电网兼容且可靠经济运行15。DG 接入配电网建立独立的发电单元来对负荷供电，并通过公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）14接入电网进行能量交换。分布式发电系统不仅向用户提供电能，同时还可以向用户提供热能，通过将电能和热能组合来提高能源的利用率，满足用户供热和制冷的需要，具有安装灵活、污染少、供电可靠性高、能源利用率高、经济性好等优点。同时，由于分布式发电一般靠近用户且发电的位置离负荷距离较近，因此，分布式发电与大电网相结合，被认为是提高电力系统供电可靠性、改善电能质量、降低能耗的主要方式18,19。综上所述，分布式发电系统主要有以下优点：（1）分布式发电可提高大电网运行的安全稳定性，在意外事故发生的情况下，还可满足本地用户正常的用电需求，提高用户端用电的安全可靠性和电力系统供电的可靠性；（2）减少各种有害物质的排放，环保性能好，与大电网形成良好的互补性；（3）分布式发电系统相对独立，可对区域电力的电能质量进行实时监控和调节，能够快速启停，具有调峰填谷性能，能够起到改善电压水平和电能质量等作用；（4）分布式发电系统减少了由电能远距离输送所带来的网络损耗，安装灵活且成本低，电能的利用率高。虽然分布式发电具有上述优点，但分布式发电是以电力电子技术为基础，随着大量的分布式电源接入配电网，大量的电力电子器件增加了非线性负载的数量5，将会给大电网运行与控制带来了极大的影响。当电力系统发生故障时，分布式电源可能必须立刻退出运行，以保证大电网的安全稳定运行，这就在很大程度上限制了分布式能源的充分利用。为了尽量利用分布式发电所带来的环境经济效益以及改善电能质量和供电可靠的优点，并最低程度地降低其对主网的影响，欧美最早提出了主动配电网的概念6。主动配电网是规模较大的公共服务配电网，它采用了大量的电力电子器件，将风力发电、光伏发电、燃料电池、微型燃气轮机、负荷、储能设备及控制装置等结合，形成一个可控单元，直接接在用户侧，同时向用户提供电能和热能。主动配电网是一个能够实现自我保护、自我控制和自我管理的自治系统，它既可与大电网联网运行，也可在电网故障时与大电网断开独立运行。主动配电网可以迅速动作以满足用户的需求，通过利用余热提高能量的利用率，能为用户不间断供电。主动配电网通过 PCC 接入大电网，并进行能量交换，与大电网互为备用，从而大大提高了供电的可靠性。图 1.1 为主动配电网的典型模式，图1.2主动配电系统示意图其中微电源包括风力发电、光伏发电、燃料电池、微型燃气轮机等，其中一部分微电源接在热力负荷附近，同时为用户提供电能和热能，从而提高了能量的利用率。主动配电网作为对大电网的有力补充和有效支撑，将成为未来电力系统的发展研究方向之一9。 图 1.1 主动配电网的典型模式图1.2 主动配电系统示意图国外对主动配电网的研究主要集中在主动配电网的保护控制、接入标准、经济性、管理和市场等方面，其研究的重点主要在满足用户对电能质量的要求、提高重要负荷的供电可靠性、能源利用的多元化、电网的智能化和降低成本等方面9。我国对于主动配电网的研究才刚刚起步，主动配电网在我国有广阔的发展前景。在我国主动配电网的研究和发展中20，需要解决的关键问题和技术如下： （1）加强主动配电网与大电网、各微电源之间的协调控制，保持主动配电网运行的稳定性，尽量减少主动配电网对大电网运行的影响，尽可能的利用主动配电网中的分布式发电所带来的环境经济效益和供电可靠性； （2）主动配电网的运行方式灵活，需研究先进的电力电子接口和合适的硬件设备，不仅可以使主动配电网灵活方便地接入主网，而且还可以实现对各个微电源即插即用； （3）主动配电网中引入了大量先进的电力电子装置，由此可能会带来一系列的问题，需实现对这些装置的最优控制和智能控制，以保证主动配电网的安全高效运行；（4）研究先进的监测技术，保证主动配电网在并网和孤岛下都能稳定运行，在保持本地电压稳定的同时，降低网络损耗，提高主动配电网的供电可靠性和能量利用率； （5）储能关键技术和通信技术是主动配电网不可缺少的重要技术，储能设备有削峰填谷的作用，可以提高间歇式能源的利用效率； （6）研究主动配电网的仿真与实验工作，主要包括数字仿真技术研究、数字仿真与物理建模仿真工具及实验平台的开发等，而实验平台的开发是主动配电网走向实际应用的桥梁与检验。 上述主动配电网的诸多方面都需要做进一步的探讨和研究。鉴于主动配电网系统的复杂性和实际条件的限制，无论是研究主动配电网与大电网之间的相互作用机理，还是研究各种微电源接入电网对电网稳态和动态行为的影响，都需要以仿真工具为基础，系统仿真已成为电力系统规划、设计、运行的重要研究手段之一。开发了主动配电网控制仿真平台，设计主动配电网系统实验平台，基于CIM 开发了分布式发电系统图形平台，这些平台的开发为主动配电网相关理论的研究打下了坚实的基础。 1.3 国内外主动配电网示范工程1.3.1 国外主动配电网示范工程(1)欧盟欧盟是最早提出并开展ADN建设的地区，其目的主要是实现可再生能源的集成利用与节能减排。欧盟已在英国、西班牙、丹麦等地开展了ADN相关技术的研究和示范工程建设。比较著名的有: ADINE(active distribution network)项目，建设目标是利用自动化、信息、通信、电力电子等新技术，实现对大规模接入DER的主动管理，示范工程已实现了接入大量 DG 的能量协调控制；ADDRESS(active distribution networks with full integration of demand and distributed energy resources )项目，建设目标是实现以主动需求为核心的用户侧需求响应功能，示范工程建立了用于实时数据处理的大型、开放式电力通信网络，验证了实时激励等需求侧技术对电网效益的积极作用。(2)北美北美在 ADN 研究与示范工程领域同样走在世界前列，较为著名的有美国 R.A 公司与西北太平洋实验室建设的奥林匹克半岛项目( Olympic Peninsula Project ) 、ConEdison主导的Demand Response Programs、Encorp主导的Virtual Power Plant、City of Port Collins主导的Port Collins示范工程。上述工程的建设目的是利用各种类型的可调控资源辅助配电网的优化运行。工程通过建设双向通信系统、电价等激励信息，实现了需求侧各类可响应负荷、分布式能源与配电系统之间的协调互动，实现了系统削峰填谷，提升了电网运行安全性。加拿大在HydroQuebec计划的支持下，大力开展 ADN高级配电自动化的研究与应 用，包括ENMAX、BC Hydro、Toronto Hydro在内的电力企业均建设了各自的示范工程。加拿大ADN示范工程的建设目的是通过信息集成，改善配电网的供电质量，为此大力建设智能量测系统，远程信息采集及控制系统、故障定位系统，通过在ADN运行中开展广泛的集成应用，提升了用户的供电品质。(3)日本日本ADN示范工程主要是在其最大的研发组织NEDO的主导下完成的，如新电力系统示范工程(demonstrative project on new power systems) 、大规模光伏接入示范工程(demonstrative project on gridinterconnection of clustered photovoltaic power generation systems ) 、区域新能源接入示范工程（demonstrative project of regional power grids with various new energies）等。日本ADN示范工程的建设目的是实现对各类分布式能源的大规模集成接入与消纳，特别是对配电网电能质量的影响与平抑措施的示范应用。示范工程通过建设一种基于主从结构的能量管理系统，对 ADN 管辖内的分布式电源和储能装置进行调度管理，进一步提升配电网的供电品质。1.3.2国内主动配电网示范工程我国已将ADN作为国家高技术研究发展计划(863计划) 的研究方向。2012年，启动了“主动配电网的间歇式能源消纳及优化技术研究与应用”课题，并在广东电网进行示范。2014年，863项目“主动配电网运行关键技术研究及示范”将分别在北京、厦门、佛山、贵阳等地进行工程示范。(1)北京主动配电网示范工程示范点选择北京未来科技城，系统最大负荷不小于200MW，220kV变电站2座，110kV变电站5座，10kV配电室不少于30座；清洁能源种类不低于4类: 冷热电联产机组不小于250MW、垃圾焚烧发电不小于30MW、垃圾填埋发电不小于541.25MW、多点接入光伏发电总量不小于5.68MW、风机不小于1.5MW、电动汽车集中充放电站容量不小于10MW储能规模不小于500kW/（1MWh）。全网可再生能源装机容量不低于总负荷20%。示范工程完成后可实现可再生能源100%全额消纳，核心区供电可靠率不低于99.999%，具备提供无电压暂降和短时中断的高品质电力定制能力。(2)厦门主动配电网示范工程示范点选择福建海西厦门岛，系统最大负荷不低120MW，清洁能源种类不少于3类: 冷热电联产机组不低于150MW、垃圾焚烧发电不低于2MW、多点接入光伏发电总量不低于60kV、电动汽车集中充放电站容量不低于5MW、移动式储能车规模不小于1MW/（2MWh）。示范工程完成后可实现可再生能源100%全额消纳，核心区供电可靠率不低于99.99%。1.4主动配电网与分布式发电对电力系统的影响 主动配电网与分布式发电接入电网会对电网产生广泛而重大的影响，如对电能质量的影响2、对配电网继电保护的影响11、对配电网静态电压稳定性的影响、对配电网稳态电压分布的影响、对供电可靠性的影响等，分布式发电接入电网还会使电力系统规划和运行、负荷预测产生不确定性3。现择其研究较为集中的两方面影响简述如后。 （1）对电力系统电能质量的影响 电能质量国家定义的具体指标有电网频率、电压偏差、三相电压不平衡、电网谐波、电压波动和闪变。分布式电源接入电网引入了大量先进的电力电子装置，在进行能量传递和投切负荷时，对电力电子器件的操作会引起电网电压、电流波形畸变，进而对电网造成谐波污染。分布式发电使用了模块化、分散化的供电方式，提高了电网供电的可靠性，但是分布式电源的不规则启动和停运会导致分布式电源的输出功率波动，从而导致分布式电源与相关的控制设备之间相互影响，直接或间接造成配电网的电压闪变。此外分布式电源与电网负荷的不协调运行，也会引起电压的闪变和波动3。 （2）对配电网继电保护的影响 分布式电源接入配电网后对继电保护性能（灵敏性、速动性、选择性及可靠性）和继电保护整定与配置产生一定的影响。继电保护的灵敏性与电网的运行方式有关，分布式电源的接入使配电网中存在电源，改变了电网的运行方式，势必会影响继电保护的灵敏性。分布式电源的接入改变了故障电流的大小和方向，降低了继电器的动作速度，从而影响继电保护装置整体的速动性。选择性与继电保护整定密切相关，分布式电源的接入增加了整定配合的难度，因此，分布式电源的引入会使保护失去选择性。在分布式电源接入配电网的情况下，当线路发生故障时，系统保护快速动作切除故障后，分布式电源仍可能向故障点提供电流，使瞬时性故障变为永久性故障，从而导致重合闸失败，因此，分布式电源的引入有可能降低保护的可靠性。分布式电源的引入影响了继电保护的性能，而继电保护整定是根据继电保护性能而做出的合理配置，因此，分布式电源的引入必然会对继电保护的整定与配置产生影响4。1.5本章小结 这一章介绍了主动配电网的定义，国内外发展情况及列举了几个典型工程。阐述了研究主动配电网的优点以及主动配电网的意义，同时也提出了大量接入分布式电源给电网带来的危害，从而引出主动配电网建模与仿真的重要性。2各微电源的建模2.1各微电源拓扑结构及数学模型ADN般是指由分布式电源、负荷、储能系统和控制装置构成的配电系统。配电网是指电力系统中二次降压变电所低压侧直接或经过降压变压器降压后向用户供电的网络。配电网按电压等级可分为高压配电网(35ll0kV)、中压配电网(610kV)和低压配电网(0.4kV)，而ADN多指含DG的更靠近用户侧的低压配电网。低压配电网的结构按接线方式大致可分为三种:福射网、树状网、环状网2，如图2.1所示。图中位于低压母线出口处的黑色方块代表断路器，馈线上的黑色圆点代表线路节点，箭头代表负荷。不管是何种结构，都是由高压电网经降压变压器降压后通过单个或者多个馈线向某区域内用户供电，而用户则可以处于馈线上的任意节点。（a）辐射网(b)树状网 (c)环状网图2.1配电网的一般结构低压配电网一般具有如下特点:1)深入城市中心和居民密集点；2)传输功率和传输距离一般不大；3)供电容量、用户性质、供电质量和可靠性要求不同；4)中性点不接地运行,单相接地时允许运行一段时间。本章主要介绍ADN各组成部分的建模。 2.1.1变压器模型ADN结构中包含一个连接大电网的降压变压器,其额定容量等级通常在0.11MVA之间。额定容量的等级同时也决定了整个配电网中所能承载的负荷容量。变压器通常有一个典型的载荷调节范围为额定容量的5%。变压器负荷率又称运行率,是影响变压器容量、台数和电网结构的重要参数,其表达式为:100%式中，为变压器的实际最大负荷，Ssc为变压器的额定短路容量。尤Kp取值大,则称高负荷率；Kp取值小，则称低负荷率。一般双绕组变压器的等值电路如图2.2所示，在等值电路中，一般将励磁支路前移到电源侧，将变压器二次绕组的电阻和漏抗折算到一次绕组侧并和一次绕组的电阻和漏电抗合并，用等值阻抗表示。图2.2 变压器等值电路故变压器等值电路可简化为一个连接变压器原副边节点的阻抗支路，如图2.3。图 2.3所示在MATLAB/Simulink中电力变压器大多做成三相，包括双绕组和三绕组变压器。在SimPowerSystem中，提供了三相双绕组变压器模块。2.1.2输电线路模型ADN中的输电线路主要有地下电缆和架空线路。前者主要应用在高负荷密度的城市区域，而后者应用更为普遍，主要材料是绝缘A1芯或Cu芯导体34。在电力系统分析中，用电阻、电抗、电纳和电导参数反映输电线路特性。实际上，这些参数沿线均匀分布，即在线路任一微小长度内都存在电阻、电抗、电纳和电导,因此精确地建模非常复杂。输电线路模型可分为等值的集中参数元件模型和行波模型两大类。在仅需要分析线路端口状况，即两端电压、电流、功率时，通常可不考虑线路的分布特性，用集中参数元件模型模拟输电线路；当线路较长时，则需要用双曲函数研究均匀分布参数的线路。设有长度L为的输电线路，其参数沿线均匀分布，通常等值电路以集中参数的型电路表示，如图2.4所示。单位长度L0的阻抗和导纳分别为Z0= + jg= +j, y0=+ j=+j。实际中常常忽略电导，对长度为L的输电线路，则其参数可得到简化的计算公式2-2。 图2.4 输电线路型等值电路对于电压等级ll0kV以下，长度不超过100km的架空电力线路，由于线路短，电压不高，可同时忽略电导和电纳的影响，阻抗为Z= Rl+ jXl, = (+ j)l，其等值电路如图2.5所示。图2.5 短线路等值电路在SimPowerSystem库中，提供了输电线路的模型有型等值模块和分布参数等值模块。2.1.3负荷模型ADN中的负荷按其特性分类大致可分为线性负荷和非线性负荷两类。(1)线性负荷模型在给定频率时,线性负荷等值阻抗为常数，负荷吸收的有功功率和无功功率与负荷的电压平方成正比。如图2.6所示为串联和并联的恒阻抗负荷模型10。串联负荷模型适用于表示单一负荷。图2.6 负荷模型ZS=RS+jXS= 因此RS=，XS=并联负荷模型适用于表示含感应电动机的集中负荷。YP=，因此RS=，XS= 。(2)非线性负荷模型非线性负荷主要包括一些电力电子型设备，比如个人计算机、节能焚光灯、电视机和突光照明设备等。这些负荷还不能用恒定的R、L、C结构来表示，而且其非线性特性不太适合用线性谐波等值模型表示。非线性负荷可以作为谐波注入电流源考虑，对于一些非线性负荷来说，只要实际的电压畸变低于10%左右，就可以看成是理想的电流源10。提出了一种诺顿等值的模型，用来表示非线性负荷注入的谐波电流。如图2.7所示。该非线性负荷模型，如果忽略负荷的基波功率，仅从谐波源的角度来讲，与DG的等效谐波模型是一样的，故在本文中作DG模型处理。图2.7 非线性负荷模型本文在Simulink中的SimPowerSystems库利用R、L、C的串联或并联组合，提供了 4个静态负荷模型模块，其中两个单相模型，两个三相模型。由于在MATLAB中并联RLC负荷存在电感初始电流设置的问题，为了方便，对于三相平衡的配电网可选用三相RLC串联负荷模块。2.2 DG模型2.2.1 DG的分类在绪论中提到DG的形式主要包括微型燃气轮机、燃料电池、太阳能光伏电池、风力发电以及储能装置等，其中以光伏发电和风力发电应用最为广泛。下面简要介绍一下储能装置、光伏发电和风力发电的拓扑结构及工作原理。(1)储能装置在配电网中接入储能装置，可以起到良好的移峰填谷的作用。在电量过剩时，储能装置可以吸收能量，反之，在电量紧缺时，储能装置释放能量。同时，为支持ADN的离网运行状态，ADN中通常安装能快速调节频率和功率平衡的储能装置。该储能装置可以是蓄电池组8，也可以是飞轮储能等。其安装位置多在降压变压器低压侧出口母线处。典型的蓄电池接入电网的拓扑结构如图2.8所示。图2.8 蓄电池接入电网拓扑图由于蓄电池本身为直流电，因此接入电网时需使用变流装置，储能装置先经过直直变换器升压，然后由并网变流器将直流转换成工频交流电，再经滤波装置、隔离变压器并网。(2)光伏发电(PV)由于光伏发电受光照强度和天气情况等制约，输出功率具有随机性和波动性，故在ADN中通常采用电流型控制策略。其典型双级式并网拓扑结构如图2.9所示，太阳能电池组件发出的直流电经过直直变换器升压，再经并网变流器将直流电转换成工频交流电，最后经滤波装置、隔离变压器之后并网。采用这种双级式拓扑结构能简化每一级的控制方法，提高各级的控制效率。图2.9 典型光伏发电装置拓扑结构图3.10 典型光伏发电装置模型图(3)风力发电(WP)风力发电(WindPower)是一种由传动装置将风能转为机械能，再由发电机将风能转换为电能的发电技术。风力发电因为风速的不确定性，导致其输出功率与PV系统一样具有随机性和波动性。故其在ADN中同样采用电流型控制策略。以目前两大主流机型直驱型和双馈型风力发电系统为例，其典型拓扑结构如图2.11所示。图2.11(a)为直驱永磁同步发电系统，同步发电机发出的电能经过交一直一交变流器转换为工频交流电，再经过滤波装置、隔离变压器之后并网。图2.11(b)为双馈异步风力发电系统,双馈机的定子侧输出工频交流电直接与电网相连，转子侧则经交一直一交变流器再与电网相连，以提供可控的转子励磁电流。与双馈机组相比，直驱型风力发电机组由于省去了齿轮箱，具有结构简单，运行维护成本低，可靠性和效率高等优点。(a) 直驱型(b) 双馈型图2.11 风力发电拓扑结构图图2.12 风力发电模型结构柴油综上，以上几种DG均需要通过电力电子变换装置将能量转换为正弦交流电并网，但是有几点区别在于:1)并网时滤波装置可以选择L、LC或LCL型(网侧电感通常为并网变压器漏感)；2)并网前可经过隔离变压器,也可直接并网。2.2.2 DG的接入形式DG接入系统有两种方式:并联接入电网或通过开关切换，如图2.13所示(a) (b)图2.13 DG接入方式:(a)并联接入方式;(b)开关切换方式在并联接入方式中，当DG供电中断时，电网能瞬时弥补负荷差值。同样,当电网出现故障时，DG也能瞬时承担起负荷。这种方式可以保证负荷始终不间断供电。在开关切换方式中，任一时刻DG与电网中仅有一个电源与负荷相连，而另一个仅在开关切换后工作，但负荷在开关切换过程中处于停电状态。开关切换方式与并联接入方式相比有如下优点：1)设备和运行简单,控制和调节回路较少；2)由于DG 般只在需要时运行，因而DG运行成本较低；而并联运行时；DG始终保持运行；这不仅会增加燃料和运行维修费用，还会造成机组磨损等。(2) DG接入点与接入容量DG的接入点、接入容量的不同会对整个配电系统的供电质量、运行特点及保护等方面产生很大的影响。文献5中从对系统电压、损耗的影响方面出发，提到了 DG的配网最优结构系统，考虑了单个DG的三种接入点，如图2.14所示。以辐射网为例，DG接入电网中的三个不同位置为：首端、中间负荷点和末端负荷点。图2.14 DG接入点不管DG接入点在何处，接入台数是多少，DG的总接入容量大约不能超过馈线负荷总容量的2/3。2.3本章小结本章介绍了了主动配电网各组成部分的拓扑结构及数学模型，主要包括分布式电源模型，变压器模型,输电线路模型和负荷模型。通过MATLAB/Simulink仿真验证了几种DG模型的特性，为之后建立仿真平台提供理论支持。3 主动配电网系统的构建3.1主动配电网系统的建模本文构建的仿真平台，其结构如图3.1所示。该仿真平台包含1个46kV的光伏电池模块、1个30kV燃料电池模块、1台275kV的风机以及1台300kV的柴油发电机，各微电源模型加入主动配电网，为解决在主动配电网孤网运行时功率平衡问题，在本仿真系统中加入了1个二级负荷，当主动配电网转入孤网运行时该二级负荷动作消耗系统内的多余的功率，以实现系统的功率平衡。仿真过程中由于受到时间的限制。该仿真平台考虑了风机的风速变化情况：即在12s时风速从8m/s逐渐上升到10m/s。平台忽略了外界条件对光伏电池和燃料电池的影响。该主动配电网系统通过变压器接入10kV配电系统。在10kV系统与主动配电网之间存在主分离器，当外部系统发生故障或者外部电能质量不能满足主动配电网内用户的要求时，该分离器动作使主动配电网转入孤网运行。该主动配电网系统包含A、B、C共3条线路，线路A接入了风力机和光伏电池；线路B没有接入单独的供电电源；线路C接入了柴油发电机和简化固体氧化物燃料电池以及二级负荷。负载分为敏感负载和一般负载。其中A、B母线接入敏感负载，本文采用的敏感负载由对电磁暂态过程比较敏感的电动机负载组成。在母线B上接入一般负载，即在电能质量不能满足要求或者孤网运行电源出力不够时可以切除的负荷。本文采用的一般负载是对电磁暂态过程不敏感的幂指数负荷。图3.1 主动配电网结构图3.2 主动配电网的控制器模型主动配电网中各微电源大部分都是通过逆变器将直流变为交流后输入电网的，因此逆变器的控制对主动配电网的正常运行非常重要16。电压型逆变器（voltage source inverter，VSI）容易进行脉宽调制（PWM）、无差拍和重复等多种控制18。考虑到主动配电网受到扰动时内部电压和频率的支撑问题，本文利用PQUf下垂特性的原理，通过电压型逆变器，采用基于状态反馈解耦的双闭环控制来实现系统的电压频率控制。3.2.1主动配电网控制的基本的原理一般情况下，系统2个节点之间的有功功率由功率角控制，无功功率由电压控制，系统的频率下垂特性曲线如图3.2所示。图3.2 P下垂特性由图3.2可知，通过对频率的控制可实现系统有功的输出的控制，其标幺值的数学描述如下，系统基准容量取100MVA基准角频率取314rad/s：j(t)=*j(Pj*Pj(t)； j= (*min)/( Pj*Pjmax) 。 式中，Pj(t)为第j个微电源的实际有功出力；Pjmax为第j个微电源的最大有功出力；min为微电源正常运行时的最小角频率；*、Pj*分别为所需调节的角频率以及有功；j(切除的功率。图4.1为微电源的总的有功无功出力情况。在01s间由于感应电动机的启动存在振荡过程。在12s由于考虑了风速的变化。风机的出力逐渐增大故总的出力也加大。图4.2为系统总的负荷水平的变化。图4.3为系统的频率变化，由图4.3可知，除了在系统开始启动阶段频率有振荡外，系统的频率基本都能保持在额定水平运行，投切负载对系统的频率影响不大。为考虑系统的电能质量，本文使用总谐波畸变率（total harmonic distortion，简称为THD用符号THD表示）指标，由图4.4可知系统稳定运行时，THD基本维持在0.1%左右。但在切除负载时影响比较大。THD接近5% 。但仍满足IEEE5191992在低压系统内THD5%的标准19。图4.1 实例1主动配电网有功无功出力图4.2 实例1主动配电网总负荷水平图4.3 实例1 主动配电网频率图4.4 实例1 主动配电网总谐波畸变率4.2实例2如图4.54.8所示，主动配电网的B母线在3.5发生三相接地短路故障，在0.1s后故障排除。图4.5显示了各微电源的总出力情况，由图4.5可知在三相接地短路故障发生时微电源总的出力也受到较强的冲击，引起出力的振荡，但通过短时的调整又能恢复至稳定运行。图4.6显示了故障线路B母线上的潮流变化情况，在故障解除后其具有很好的自恢复能力。图4.7显示了主动配电网PCC点处的频率波动，可看出在故障发生时主动配电网PCC点处的频率波动动比较大!但波动仍在0.5Hz的范围内，主动配网可以正常运行。故障发生0.1s后即3.6s故障切除，其频率能够很快恢复到额定值附近。图4.8显示主动配电网PCC点处的THD 。主动配网无故障情况时，THD1%；发生故障时主动配网的THD最大约为14%，由于三相接地短路故障发生几率较低!故仍可视为合格。图4.5 实例2 主动配电网有功无功出力图4.6 实例2 主动配电网故障线路负荷水平图4.7 实例2 主动配电网频率图4.8 实例2主动配电网总谐波畸变率图4.9 实例3 主动配电网频