微电网仿真分析与等效化简

曹相芹1，鞠

平1，蔡昌春1，2

（1.河海大学能源与电气学院，江苏南京210098；

2.河海大学计算机与信息学院，江苏常州213022）

摘要：利用DIgSILENT 软件搭建微电网仿真系统，使其在微电网孤岛运行、联网及2种模式转换时均能稳定运行。将微电网通过公共连接点（PCC ）接入配电网，在配电网及微电网内部设置扰动，获取PCC 处的电压、频率及功率数据，研究微电网的总体特性。为从配电网角度对微电网进行整体建模，提出对微电网系统进行等效化简的具体方法，包括综合负荷、风力发电机、同步发电机、光伏发电的等效。搭建一接入微电网的中压系统，对微电网等效化简前后的系统进行仿真，结果显示两者拟合较好，尤其是无功功率几乎无差别，证实微电网等效系统与原系统总体等效。

关键词：微电网；仿真系统；DIgSILENT ；等效化简中图分类号：TM 711；TM 743文献标识码：A

文章编号：1006－6047（2011）05－0094－05

收稿日期：2010-12-14；修回日期：2011-03-13

电力自动化设备

Electric Power Automation Equipment

Vol．31No .5May 2011

第31卷第5期2011年5月

0引言

随着微电网理论研究逐渐深入，各地示范项目增多，容量增大，微电网高渗透率将成为今后电力系统的发展趋势。微电网的本质是小型电力系统，既可运行，也可联网运行。从配电网角度看，微电网可以看成为一个节点，功率可以从配电网流向微电网，也可以从微电网流向配电网。功率流动受到各种因素的影响，如微电源容量、负荷容量、运行经济性等。联网运行时，微电网表现为特殊的负荷或者电源，当微电网接入的数量较多时，对配网潮流及稳定性势必带来影响。

目前微电网技术的相关研究大多立足于微电网内部［1-3］，建模与仿真研究刚刚起步［4-5］，而从配电网角度对微电网进行整体建模，研究微电网模型结构的文章很少。鉴于微电网即插即用、灵活自治的特性，将微电网作为整体进行研究，笔者提出了微电网整体建模的思路和模型［6］。

1微电网仿真系统

由于微电网实际数据采集困难，需在软件平台上搭建微电网仿真系统［7-10］，本文选用电力系统仿真软件DIgSILENT 搭建微电网仿真系统，如图1所示。1.1系统组成

本文所采用的微电网系统包含微型燃气轮机8MV ·A （G GT ）、异步风力发电机2.4MV ·A （G WT ）、并联无功补偿电容、光伏电池0.4MW （PV ）、综合负荷1、综合负荷2。1.2控制策略

微电网控制主要有PQ 控制和U ／f 控制。PQ 控

制目标是使电源输出功率保持恒定，一般情况下分布式电源输出功率为最大输出功率，以发挥分布式电源的效益。U ／f 控制的目标是维持系统电压和系统频率为给定值，通过改变电源输出功率调整系统电压和频率［11-12］。

微电源的控制方式和微电网的运行模式有关。联网运行时，微电网的电压和频率主要由配电网提供，所有微电源均采用PQ 控制。孤岛运行时，系统电压和频率通过微型燃气轮机功率的调整来维持，此时微型燃气轮机采用U ／f 控制，其他微电源仍采用PQ 控制［12］。

2

微电网仿真分析

2.1

孤岛运行模式

在0~2s 时段，微电网孤岛运行，各微电源共同给负载供电，在此运行阶段，需维持微电网的电压U 和频率f 恒定，如图2所示。在2s 时刻，微电网内负荷S L1功率增加10%，风力和光伏发出有功、无功功

图1微电网系统图

Fig.1Micro -grid

M ~M 3300kW M ~M 4300kW M ~M 5315kW M ~M 6315kW M ~M 7315kW

S L2综合负荷2M ~

M 1300kW M ~

M 2300kW S L1

综合负荷1L 4L 1L 2PCC

异步风力发电机G WT

L 3L 6

-

~

光伏电池PV

L 8

微型燃气轮机G GT

L 5L 7

率恒定，负载的变化由微型燃气轮机跟踪，以维持系统功率平衡，如图2、图3所示（U 、f 为标幺值，后同）。

2.2

孤岛转联网模式

在0~2s 时段，微电网孤岛运行，电压为0.975p.u.，微电网中无功不足。在2s 时刻，微电网由孤岛

切换到联网模式，微电网的电压和频率突变到与相同，如图4所示。

配电网向微电网注入无功功率，微电网输出总的无功功率Q 鄱增加，使微电网的电压得到改善，如图5、图6所示。

微型燃气轮机改为PQ 控制，无功输出减少。风机、光伏发电系统功率短暂波动后恢复恒功率运行，如图7所示。

2.3联网转孤岛模式

在0~2s 时段，微电网联网运行，电压、频率均为额定值。在2s 时刻，微电网由联网向孤岛模式切换。此时微电网失去外电网的电压和频率参考，微型燃气轮机切换到U ／f 控制。因同步发电机惯性延迟，电压和频率发生瞬间小幅跌落，低于额定频率，如图8所示。

为维持暂态功率平衡，原配电网输送的功率改由微型燃气轮机提供，但微电网输出总的功率减少，如图9所示

。

84

P ／M

W 4.0Q ／M v a r

1.5-1.0

1.5

2.0

2.5

3.0 3.5

4.0 4.5

5.0

t ／s

图3孤岛模式微电源功率

Fig.3Micro -grid powers in island

mode

0.9800.975

0.970U

1.01f 1.000.99

1.5

2.0

2.5

3.0 3.5

4.0

4.5

5.0

t ／s

图2孤岛模式PCC 母线电压、频率

Fig.2Bus voltage and frequency

at

PCC in island mode

1.010.99

0.97U

1.01f 1.000.99

1.5

2.0

2.5

3.0 3.5

4.0

4.5

5.0

t ／s

图4孤岛转联网模式PCC 母线

电压、频率

Fig.4Bus voltage and frequency at PCC in switching

mode from islanded

to grid -connected

41-2

P ／M W

4Q ／M v a r

1-21

4

7

10

t ／s

图5孤岛转联网模式PCC 母线功率

Fig.5Bus powers at PCC in switching mode

from islanded to grid -connected

PV ，G GT ，

G WT

图9

微电网输出总功率

Fig.9Powers of micro -grid

8.58.0

7.5P 鄱／M W

2.6Q 鄱／M v a r 2.52.41.5

3.0 5.0

t ／s

2.0

2.5

3.5

4.0

4.5

图7孤岛转联网模式微电源功率

Fig.7Micro -grid powers in switching

mode

from islanded to grid -connected

8

4

0P ／M W 4.0Q ／M v a r

1.5

-1.0

1.5

2.0

2.5

3.0 3.5

4.0 4.5

5.0

t ／s

PV ，G

GT ，

G WT

3.0Q 鄱／M v a r

2.52.01.5

2.0

2.5

3.0 3.5

4.0

4.5

5.0

t ／s

图6微电网输出总无功功率

Fig.6Reactive power of micro -grid

图8联网转孤岛模式PCC 母线电压、频率

Fig.8Bus voltage and frequency at PCC in

switching

mode from grid -connected to

islanded

1.011.000.99U 1.01f

1.000.9814

710

t ／

s

0.99第5期

曹相芹，等：微电网仿真分析与等效化简

其余微电源输出功率不变，如图10所示。

3

微电网等效化简

3.1

综合负荷折算

采用统计综合法确定电动机综合负荷模型［13］。3.1.1同一母线上电动机的综合

综合负荷2同一母线上2类电动机等效为1台电动机，用加权求和法近似获得等效电气参数。

1Z M =鄱i ＝12

ρi

1

Z i

（1）

其中，Z i 为第i 台电动机的电气支路阻抗，Z M 为等效电动机电气支路阻抗。定子支路Z s =R s +j X s ，励磁支路Z μ=j X μ，转子支路Z r =R r ／s +j X r 。参数如表1所示（电阻、电抗如无特别注明则为标幺值）。

3.1.2

考虑传输元件的影响

低电压等级的负荷模型，经过传输元件（线路或者变压器）后，才能折算到高压侧，具体方法请见文献［13］，下面加以引用。

低压侧负荷模型采用电动机并联恒阻抗的形式，电动机采用三阶模型。综合负荷模型经传输元件向高压侧折算示意图如图11所示。其中，M 代表低压侧电动机，Z L 代表低压侧恒定阻抗（已包含电容补偿），Z D 代表传输元件阻抗，U L 为低压母线电压，U H 为高压母线电压，I LM 为流入低压侧电动机的电流，I line 为高压侧总的电流。

折算到高压侧的参数关系如下：

R sH =R s +m 1

（2）X sH =X s +m 2

（3）X μH =X μ

（4）R rH =R r

（5）X rH =X r

（6）τJH =m 23τJ

（7）m 1+j m 2=Z D Z L

Z D +Z L

（8）m 3=Z D +Z L

Z L

（9）综合负荷1及等效综合负荷2的电动机折算前后参数分别如表2、3所示，主要是X s 发生了变化。

3.1.3

综合负荷的折算和等效

综合负荷1、2折算为2台电动机后再采用加权求和法等效为1台电动机，其参数如表4所示。

3.1.4静态负荷折算

实际系统中Z D 垲Z L ，折算后的静态负荷阻抗相当于将传输元件阻抗直接加到负荷阻抗上。Z LH ≈Z L +Z D

（10）

综合负荷1及等效综合负荷2的静态负荷参数折算前后分别如表5所示。

3.2

风力发电机

该风力发电机为异步电机，其参数要经传输元件进行折算。参考综合负荷模型的折算方法，折算参数如表6所示。

参数R s X s X μR r X r τJ ／s

折算前

0.032

0.010 2.9570.0080.2270.853折算后0.032

0.014

2.957

0.008

0.227

0.856

表2电动机经变压器折算参数

Tab.2Motor parameter conversion

参数R s X s X μR r X r τJ ／s

折算前

0.008

0.026 2.5760.0240.2170.710折算后0.008

0.036

2.576

0.024

0.217

0.717

表3等效电动机经变压器折算参数

Tab.3Equivalent motor parameter conversion

电动机

R s X s R r X r X μτJ ／s

M 3，M 40.0320.0100.0080.227 2.9570.853M 5，M 6，M 700.0200.0350.202 2.3900.623等效0.008

0.026

0.024

0.217

2.576

0.710

表1电动机等效参数

Tab.1Equivalent parameters of

motors

84

0P ／M

W 4.0Q ／M v a r

1.5-1.0

1.5

2.0

2.5

3.0 3.5

4.0 4.5

5.0

t ／s

图10联网转孤岛模式微电源功率

Fig.10Micro -grid powers in switching

mode from grid -connected to islanded

PV ，G GT ，

G WT

参数

R s X s R r X r X μτJ ／s

负荷1

0.0320.0140.0080.227 2.9570.856负荷2等效

0.0080.019

0.0360.035

0.0240.019

0.2170.220

2.5762.674

0.7170.757

表4等效电动机参数

Tab.4Equivalent motor parameters

参数R s X s X μR r X r τJ ／s

折算前

0.010

0.100 3.0000.0100.100 1.188折算后0.022

0.119

3.000

0.010

0.100

1.181

表6风力发电机参数折算到高压侧

Tab.6WT parameter conversion

图11折算示意图

Fig.11Sketch map of conversion

I line

Z D U H

U L

M ~

I LM Z L

U H

I line

M ~

I MH Z H

参数Z L

Z D Z LH

负荷10.576+j 0.288j 0.0040.576+j 0.292负荷2

0.367+j 0.073

j 0.010

0.367+j 0.083

表5静态负荷参数经变压器折算参数

Tab.5Static load parameters

第31卷

电力自动化设备

RLC 并联支路折算到高压侧，参数如表7所示。

3.3

同步发电机

微型燃气轮机为同步发电机，其参数也要经过传输元件折算。可将传输元件阻抗直接加到发电机阻抗上，时间常数不变。同步发电机参数如表8所示。

3.4

光伏发电等效

忽略光伏电池的动态性能，可用静态电源代替光伏电池，功率因数为1。

进一步化简，可将静态电源看成静态有功负荷，但数值为负。

4微电网等效系统

等效化简后微电网系统如图12所示。

为了便于分析扰动时微电网的整体特性，搭建了110kV ／20kV 中压电网。微电网在PCC 处接入中压电网，联网运行，如图13所示。

故障设置为2s 时中压电网的线路7的50%处发生单相接地故障，2.15s 故障清除，测量PCC 母线数据如图14、15所示，实线为原微电网系统仿真结果，虚线为微电网等效模型结果，两者拟合较好，尤其是无功功率几乎看不出差别。由此可见，微电网的

等效系统与原系统总体等效。

5结语

本文搭建了微电网仿真系统，通过仿真分析了不同运行模式之间切换时的运行行为。为了方便从配电网角度研究微电网的总体行为特性，对微电网系统进行了等效化简，通过仿真对比验证了其有效性。参考文献：

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2007，31（19）：100-107.

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WANG Chengshan ，LI Peng.Theory and methodology of power system simulation including distributed generation units ［J ］.Au -tomation of Electric Power Systems ，2008，23（1）：8-12.

［5］

王成山，，王立伟.电力系统电磁暂态仿真算法研究进展［J ］.电力系统自动化，2009，33（7）：97-103.

WANG Chengshan ，LI Peng ，WANG Liwei.Progresses on algo -rithm of electromagnetic tr ansient simulation for electric power

M

~微型燃气轮机

异步风力发电机

PCC

等效静

态负荷电动机

图12等效系统

Fig.12Micro -grid equivalent system

参数R ／ΩL ／H C ／μF 折算前0.03001333折算后

11.03

3.060

表7RLC 并联支路折算到高压侧

Tab.7RLC parallel parameter conversion

参数x d x q τ

d ′／s

τq ′／s

折算前 1.500 1.5000.0170折算后

1.559

1.559

0.017

表8同步发电机参数

Tab.8Synchronous generator parameters

1.021.000.98U 1.001f

1.0000.999

1.5

2.0

2.5

3.0 3.5

4.0

4.5

5.0

t ／s

图14PCC 母线电压、频率比较

Fig.14Comparison of bus voltage and

frequency at PCC

图13中压电网

Fig.13Medium voltage power grid

1

25

4

3610微电网

PCC

7

电网

110kV ／20kV 42

-2P ／M W 0.5Q ／M v a r

0-1.0

1.5

2.0

2.5

3.0 3.5

4.0

4.5

5.0

t ／s

图15PCC 母线功率比较

Fig.15Comparison of bus power at PCC

-0.50第5期

曹相芹，等：微电网仿真分析与等效化简

Simulative analysis and equivalent reduction for micro -grid

CAO Xiangqin 1，JU Ping 1，CAI Changchun 1，2

（1.College of Energy and Electric ，Hohai University ，Nanjing 210098，China ；2.College of Computer and Information ，Hohai University ，Changzhou 213022，China ）

Abstract ：A simulation system is built for micro -grid based on DIgSILENT software ，which can operate stably in different modes ：islanded ，grid -connected and switching between them.Micro -grid is connected to the power grid through the PCC （Point of Common Coupling ）.Set disturbances inside and outside the micro -grid to obtain the voltage ，frequency and power curves at PCC for the research of its overall characteristics.For the micro -grid modeling from the aspect of power distribution ，the equivalent reduction methodology is proposed ，including comprehensive loads ，wind generators ，synchronous generators ，PV genera -tions ，etc.A mid -voltage power system connected with micro -grid is set up and simulated before and after equivalent reduction.Results show two systems match well to each other ，especially the reactive powers ，which prove the correctness of the equivalent model.

Key words ：micro -grid ；simulation system ；DIgSILENT ；equivalent reduction

system ［J ］.Automation of Electric Power Systems ，2009，33（7）：97-103.

［6］鞠平，蔡昌春，曹相芹.基于物理背景的微电网总体模型［J ］.电

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JU Ping ，CAI Changchun ，CAO Xiangqin.General microgrid model based on physical background ［J ］.Electric Power Automation Equipment ，2010，30（3）：8-11.

［7］NIKDS L S ，STAVROS A P ，NIKOS D H.A stability algorithm

for the dynamic analysis of inverter dominated unbalanced LV microgrids ［J ］.IEEE Trans on Power Systems ，2007，22（1）：294-304.［8］PAPATHANASSIOU S ，HATZIARGYRIOU N ，STRUNZ K.A bench -

mark low voltage microgrid network ［C ／CD ］∥Proc CIGRE Symp Power Systems with Dispersed Generation.Athens ，Greece ：［s.n.］，2005.

［9］Microgrids -large scale integration of micro generation to low vol -tage grids ，EU Contract ENK5-CT -2002-00610，Technial Annex

［EB ／OL ］.（2002－04－01）.http ：∥microgrids.power.ece.ntua.gr.［10］郭力，王成山.含多种分布式电源的微电网动态仿真［J ］.电力

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版社，2008.

（编辑：李育燕）

作者简介：

曹相芹（1985-），女，江苏连云港人，硕士研究生，主要研究方向为电力系统建模（E -mail ：cxqwagd@126.com ）；

鞠

平（1962-），男，江苏靖江人，副校长，教授，博士研究

生导师，博士，主要研究方向为电力系统建模与控制（E -mail ：

pju@hhu.edu.cn ）；

蔡昌春（1981-），男，浙江乐清人，讲师，博士研究生，主要研究方向为电力系统建模（E -mail ：fload_cai@163.com

）。

第31卷

电力自动化设备

Research of current limiting characteristics for hybrid current limiting circuit

breaker in DC power system

WANG Chen ，ZHUANG Jinwu ，JIANG Zhuangxian ，ZHANG Xiaofeng ，LIU Luhui ，DAI Chao

（Naval University of Engineering ，Wuhan 430033，China ）

Abstract ：As it is difficult to interrupt the high d i ／d t fault current in DC power system ，a scheme of DC hybrid current limiting circuit breaker based on high speed electro -magnetic repulsion switch is presented.The working principle and parameter design of current limiting circuit breaker and the performance of high speed electro -magnetic repulsion switch are analyzed.The current limiting characteristics are analyzed by EMTP simulation for different d i ／d t ，which show that ，the DC prospective fault current of 100kA ／5ms is limited below 16kA in less than 2ms ；the interrupting time decreases with the d i ／d t increases and the interrupting time approaches 1ms when the d i ／d t increases near 20A ／μs.The test of short -circuit interrupting with the prospective fault current of 30kA ／3ms for generator -rectifier system validates the simulative results and the effective function of the current limiting circuit breaker.

Key words ：high speed repulsion switch ；current limiting circuit breaker ；hybrid ；thyristor

∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥

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