中低压微网系统动态时域仿真与分析

于力，李鹏，许爱东，董旭柱，孙充勃，宋关羽

（1．南方电网科学研究院有限责任公司，广州510080；2．中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心，广州510080；3．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）

中低压微网系统动态时域仿真与分析

于力1，2，李鹏3，许爱东1，2，董旭柱1，2，孙充勃3，宋关羽3

（1．南方电网科学研究院有限责任公司，广州510080；2．中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心，广州510080；3．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）

暂态仿真和稳定性仿真在传统电力系统分析时几乎很少同时用于解决同一问题，而在微网以及含分布式电源的配电网中二者的应用出现了交集，如何合理地选择这两种仿真方法成为了亟待解决的问题。为此，详细阐述了暂态仿真和稳定性仿真的一致性和差异性，对微网中各种分布式电源和储能系统进行建模，采用Matlab/SimPowerSystems作为暂态仿真工具，DIgSILENT作为稳定性仿真工具，在统一的微网算例上进行了大量的仿真测试。通过对仿真结果的比较分析，说明了二者的一致性和差异性，同时也给出了其各自的适用范围，对于理解微网内部的各种动态过程和选择合理的仿真方法具有一定的指导意义。

分布式电源；储能；微网；暂态仿真；稳定性仿真

数字仿真在电力系统的发展历程中一直起着不可替代的作用，并已紧密融合到包括电力系统规划、设计、运行和测试在内的整个过程[1-2]。电力系统在正常运行或故障条件下其动态过程的时间尺度差异极大，包括了各种电场、磁场、机械传动、热力学动态等各种过程及其之间的相互影响。这使得根据不同时间尺度特点开发的暂态仿真计算方法也不尽相同，甚至差别很大。面向不同的应用场景，电力系统时域仿真可分为电磁暂态仿真、机电暂态仿真和中长期动态仿真3种类型。

电磁暂态仿真在精确的电路层面上对系统元件进行建模，重点捕捉系统中从数微秒至数秒之间的电磁暂态过程，但由于采用详细的非线性模型和计及网络的暂态过程，使得计算过程耗时、存取数据量大，通常限制在小规模的系统范围内，一般进行电磁暂态仿真时都要对电力系统进行等值化简[3]。而机电暂态仿真则基于忽略了快动态过程的简化模型，难于模拟系统中快速的暂态响应特性，主要用于研究电力系统受到诸如短路故障，切除线路、发电机、负荷，发电机失去励磁或者冲击性负荷等大扰动作用下，电力系统的动态行为和保持同步稳定运行的能力。

近年来，分布式发电技术[4-5]因具有灵活、经济与环保等特点在全球范围内受到广泛关注，给电力系统的运行和控制方式带来了巨大影响。现有研究和实践表明，将分布式发电系统以微网的形式接入到大电网并网运行是发挥其效能的最有效方式[6-10]。而分布式发电技术的千差万别使得各种分布式电源具有完全不同的动态过程，再考虑电力电子装置及其控制器的特性、一次能源的动态特性等因素，使得分布式发电系统的动态特性极为复杂。同时，微网中的多种能源输入、多种能源输出、多种能量转换单元以及多种运行状态使得微网系统中的动态过程更加复杂。相对于传统电力系统而言，微网系统动态过程的时间尺度跨度更大，动态过程间的耦合更紧密[11]。

虽然对于微网系统数字仿真的研究可以借鉴传统电力系统数字仿真的经验，即以电磁暂态仿真方法为基础研究微网系统中相对较快的动态过程，称为“暂态仿真”，以机电暂态仿真方法为基础研究微网系统中相对较慢的动态过程，称为“稳定性仿真”。但是，这两种仿真方法的适用范围仍需要进一步研究。并且，由于微网系统本身就是一个小型发配电系统，其系统规模不会太大，暂态仿真方法在仿真规模上的限制得到了大大的释放。针对特定的研究目的和应用场景，如何去选择合适的仿真方法，成为了亟待解决的问题。

由于微网系统规模相对较小，暂态仿真和稳定性仿真经常会考虑用于对同一实际系统的仿真计算，此时出现了两个需要重点关注的问题：①能否建立既适用于暂态仿真又适用于稳定性仿真的统一的微网算例，该算例中两种仿真方法采用相同的网络结构、控制系统和数据参数；②由于是对同一实际系统的模拟，暂态仿真和稳定性仿真的仿真结果能否保持一致，又存在哪些本质区别。

本文将从上述两个问题入手，首先系统地阐述了微网暂态仿真与稳定性仿真的一致性和差异性，然后介绍了各种分布式电源以及储能装置的建模方法，并将其接入一个典型的中低压微网[12]，在建立统一的微网算例的基础上，采用DIgSILENT作为稳定性仿真工具，Matlab/SimPowerSystems作为暂态仿真工具，选取4种典型的应用场景进行仿真，说明两种仿真方法的一致性和差异性，同时给出了各自的适用范围，为合理选择合适的仿真方法与工具提供了一定的理论依据。

1 微网暂态仿真和稳定性仿真

微网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。对一个实际微网系统的动态过程进行仿真模拟，既可以采用暂态仿真，也可以采用稳定性仿真。无论是哪一种仿真，都是通过建模将实际系统转化为一个微分-代数方程组DAE（differential-algebraic equations），数学本质上都是利用数值积分方法和非线性方程组求解方法实现对系统的不断求解。只是由于侧重点的不同，暂态仿真和稳定性仿真在建模方法、仿真算法上均有所不同，导致仿真结果也存在着显著的差异。

在时间尺度上，暂态仿真侧重于微网系统中快速变化动态过程的详细仿真，特别强调仿真结果的准确性和完整性，可以捕捉频率范围从几百kHz到工频之间系统中的电气量和非电气量的动态过程；而稳定性仿真侧重于系统中各种变化较慢的动态过程的仿真，适当忽略了系统中快动态过程的影响，着重研究工频及以上范围内的系统动态过程。

在建模方法上，暂态仿真采用详细的元件模型，而稳定性仿真采用简化的元件模型。对电网元件来说，暂态仿真计及电网动态过程，采用标量表示，通过微分方程来描述；稳定性仿真忽略其动态过程，采用相量表示，通过代数方程来描述，系统相当于是一个纯基波模型。对电力电子装置来说，暂态仿真采用拓扑建模法（较典型的为双电阻模型），对每一个开关进行详细建模，考虑开关动作特性；稳定性仿真采用准稳态模型，通过简单的代数方程描述电力电子装置两侧的电压和电流关系[13]。

在仿真算法上，稳定性仿真中由于电网元件采用代数方程描述，整个电网模型可以用节点电压方程来表示，系统中还存在发电机、电力电子装置以及控制系统等，整个电力系统的数学模型可表示为一组微分-代数方程组，通过对其进行数值积分即可求解。数值积分方法主要有隐式梯形积分法、改进尤拉法、龙格-库塔法等，其中隐式梯形积分法由于数值稳定性好而得到越来越多的应用。而暂态仿真中电网元件采用微分方程描述，首先需要差分化形成含历史量的代数方程组，再与描述控制系统的方程组联立求解，采用的数值积分方法一般为隐式积分法。

为了保证仿真结果的精度及算法的数值稳定性，通常依据系统中快动态过程的时间常数选取仿真步长。因此，暂态仿真的仿真步长一般在微秒级，而稳定性仿真忽略快动态过程后，使得其仿真步长可以在毫秒级。可以说，稳定性仿真以牺牲仿真精确度为代价，在降低计算规模的同时采用较大的仿真步长，从而大大提高了仿真计算速度。

综上所述，稳定性仿真和暂态仿真对同一个实际系统进行模拟时，其仿真结果既需要保持一致性，又存在差异性。在理解一致性和差异性的基础上，综合考虑仿真精度和计算速度后，才能在进行微网的仿真研究时对仿真方法进行合理地选择。

2 分布式电源及储能系统的建模

2.1 燃料电池/光伏发电系统

燃料电池[14-15]FC（fuel cell）和光伏电池[16-17]PV（photovoltaic cell）均为直流型分布式电源，其并网结构如图1所示，其电气系统主要包括直流型分布式电源、直流电容器、逆变器、滤波器、线路及交流电网等几部分。

图1 直流型分布式发电系统结构Fig.1Structure of dc type distributed generation system

光伏电池是光伏发电系统中最基本的能量转换单元，不同种类的光伏电池可采用不同模型加以描述，本文采用单二极管等效电路模型，最大功率跟踪MPPT（maximum power point tracking）算法采用扰动观测法，光伏逆变器采用双环控制策略，外环包括基于MPPT算法的直流电压控制和无功功率控制两部分，内环采用电流控制。

本文燃料电池选取固体氧化物燃料电池作为物理模型，采用计及内部气体分压力变化的暂态模型，其并网逆变器采用双环控制策略，外环采用恒功率控制。

2.2 风力发电系统

风力发电系统根据风机转速将其分为恒频/恒速和恒频/变速两种。恒频/恒速风力发电系统以异步电机风力发电系统[18]ASM（asynchronous motor）为例，一般通过异步电机直接与电网相连，采用定桨距控制或者失速控制维持发电机转速恒定，如图2所示。该系统主要由异步发电机模块、桨距控制模块、空气动力系统模块和轴系模块构成。

图2 异步电机风力发电系统Fig.2Wind system driven by asynchronous motor

在恒频/变速风力发电系统中，根据风速的状况可实时地调节发电机的转速，优化风机的运行效率。本文以永磁同步直驱风力发电系统[19]PMSM（permanent magnet synchronous machine）为例，其并网结构如图3所示，通过两个全功率PWM变频器与电网相连，可以控制有功功率和无功功率，调节发电机功率因数为1.0。风机原动机模型与异步电机风力发电系统相同。

图3 永磁同步直驱风力发电系统Fig.3Wind system driven by permanent magnet synchronous machine

2.3 储能系统

本文采用应用较为广泛的铅酸电池[20]作为储能装置，其并网结构与燃料电池相同，不再赘述。考虑到微网系统的多种运行模式，本文蓄电池控制系统采用下垂控制，多个储能系统之间采用对等控制模式，使得所有的储能装置都参与微电网电压和频率的调节。在微网孤岛运行时，储能系统起到对微网内部电压和频率的支撑作用。

3 微网仿真验证

本文采用一个适合我国实际的典型的中低压微网[12]，如图4所示。该网络分为中压微网和低压微网两部分，低压微网通过变压器接在中压微网M5节点处。中压微网以模块化形式设计，包含3个结构和参数一致的子网。低压微网主馈线设置了S1和S2两个联络开关，既可以作为一个完整的微网系统实现并网和孤岛多种运行模式，又可以解列成两个小的微网运行。

图4 典型微网算例结构Fig.4Typical microgrid case structure

将上述分布式电源以及储能系统按图4所示位置分别接入微网中，各个分布式电源的接入容量见表1，元件参数以及控制系统参数见文献[12]。

表1 分布式电源接入容量及个数Tab.1Numbers and capacities of DG

分别采用MATLAB/SimPowerSystems和DIgSILENT进行暂态仿真和稳定性仿真，并对仿真结果进行了详细的比较。其中，暂态仿真步长为5 μs，稳定性仿真步长为1 ms。仿真考虑以下4种场景：

（1）低压微网并网转孤岛切换（场景1）；

（2）低压微网孤岛运行时切负荷（场景2）；（3）低压微网并网运行时中压网络发生短路故障（场景3）；

（4）低压微网孤岛运行时内部发生短路故障（场景4）。

3.1 低压微网并网转孤岛切换

孤岛运行是典型的微网运行模式，文献[12]将低压微网分成了两个独立的部分运行，并进行了相应的仿真测试。在此，本文考虑将其作为整体进行测试，以充实该算例系统。在微网稳定运行后，3 s时刻联络开关S1打开，整个低压微网形成孤岛。微网内各分布式电源运行情况如图5～8所示。

图5 燃料电池各物理量变化曲线（场景1）Fig.5Simulation results of SOFC in scene 1

图6 异步风机各物理量变化曲线（场景1）Fig.6Simulation results of ASM in scene 1

图7 光伏系统各物理量变化曲线（场景1）Fig.7Simulation results of PV in scene 1

微网由两个蓄电池系统作为主电源，采用对等控制模式，由于系统功率的缺失，蓄电池发出一定的有功功率和无功功率，系统频率有所降低。燃料电池和光伏系统在经过小的扰动后恢复到原来的稳定状态，而异步风机采用失速控制，各物理量也逐渐运行到一个新的稳定状态。暂态仿真和稳定性仿真的结果整体上保持一致。

从仿真结果中可以明显看到，暂态仿真曲线为波纹状，且以稳定性仿真曲线为中心，上下波动。这些小的波动主要反映了微网内大量电力电子装置的开关动作的快动态过程，频率在几kHz左右。而由于稳定性仿真忽略了开关动作特性，采用基于基波相量的准稳态模型，不能反映出这种波动现象。因此，在要求对电力电子装置内部特性进行分析的情况下，如谐波分析、滤波器设计等，稳定性仿真将不再适用。而在进行控制策略验证和稳定性分析等只需要考虑电力电子装置整体特性的情况下，二者均可以采用，考虑计算速度的因素，稳定性仿真更好一些。

另外，由于稳定性仿真采用代数方程描述网络模型，忽略了网络的快动态过程，在开关S1打开的瞬间，导致了各分布式电源的功率以及系统频率发生了瞬时的突变，以燃料电池有功输出和系统频率为例，在开关打开后的约0.1 s时间内稳定性仿真结果是不准确的。因此在需要考虑网络动态过程时，稳定性仿真将不再适用。

3.2 低压微网孤岛运行时切负荷

在微网孤岛运行情况下，设置5 s时切除L18节点上的负荷5。负荷切除后，蓄电池储能系统进行整个系统的功率平衡，其有功和无功输出均减小，系统频率增加，而异步风机采用失速控制，各物理量也逐渐运行到一个新的稳定状态。燃料电池和光伏系统受切负荷影响较小，变化不明显。该仿真测试同样验证了暂态仿真和稳定性仿真的一致性和差异性。异步风机和蓄电池系统的变化情况如图9～10所示。

图10 蓄电池各物理量变化曲线（场景2）Fig.10Simulation results of battery in scene 2

3.3 低压微网并网运行时中压网络发生短路故障

在微网并网稳定情况下，3 s时刻M5母线发生三相短路故障，3.1 s时刻故障消除。微网内各分布式电源运行情况如图11～15所示。

在故障发生瞬间，各个分布式电源的有功输出均因出口电压跌落而减少，系统频率降低，由于蓄电池采用下垂控制，其有功输出增加，故障消除后系统又恢复原来状态。在故障情况下暂态仿真和稳定性仿真的分析结果基本上保持一致。

而由于短路故障对微网的扰动较大，在故障发生和消除的瞬间，稳定性仿真由于简化建模和忽略快动态过程造成的误差更加明显。以燃料电池的有功输出为例，稳定性仿真的突变有了明显的增大。此时，稳定性仿真的系统频率已经不能准确反映出系统的频率变化。

图11 燃料电池各物理量变化曲线（场景3）Fig.11Simulation results of SOFC in scene 3

图12 异步风机各物理量变化曲线（场景3）Fig.12Simulation results of ASM in scene 3

图13 光伏系统各物理量变化曲线（场景3）Fig.13Simulation results of PV in scene 3

而且在故障消除后，在一些分布式电源的动态过程较为复杂的情况下，暂态仿真和稳定性仿真的结果出现明显的差别，例如异步风机有功的有功功率、永磁直驱风机的转速和机械功率等。以直驱风机系统的机械功率变化为例，暂态仿真结果仍然围绕稳定性仿真结果波动，但是其波动范围明显变大，这是由电力电子装置模型的不同、网络模型的不同以及仿真步长的差异等多方面因素造成的。可见，在系统较为复杂的情况下进行短路故障等大的扰动分析，稳定性仿真的精确度会有所降低。因此，在进行暂态短路电流计算、故障穿越特性、保护装置整定等对仿真精确度要求较高的研究分析时，采用暂态仿真方法更为合适。

图14 蓄电池各物理量变化曲线（场景3）Fig.14Simulation results of battery in scene 3

图15 直驱风机各物理量变化曲线（场景3）Fig.15Simulation results of PMSM in scene 3

3.4 低压微网孤岛运行时内部发生短路故障

在微网并网运行时，在2.5 s时开关S1打开，微网转为孤岛运行，设置4 s时刻L5母线发生三相短路故障，4.1 s时刻故障消除。微网内各分布式电源运行情况如图16所示。同样，在故障发生瞬间，各个分布式电源的有功输出均因出口电压跌落而减少，系统频率降低，由于蓄电池有功输出增加，故障消除后系统恢复到原来状态。从图中可以看出，在系统发生大的扰动时，稳定性仿真与电磁暂态仿真的结果稍有差别，尤其是频率的变化。但是这并没有影响到后续仿真结果的正确性。整体来说，暂态仿真和稳定性仿真的结果基本上保持一致。

图16 各分布式电源运行情况（场景4）Fig.16Simulation results of DGs in scene 4

4 结语

本文首先详细说明了微网暂态仿真与稳定性仿真的一致性和差异性，然后在统一的微网算例上实现了微网并网转孤岛切换、微网孤岛运行时切负荷、中压微网发生短路故障以及低压微网孤岛运行时内部故障等4种典型应用场景的仿真，最后对仿真结果进行分析，验证了微网暂态仿真和稳定性仿真的一致性，明确了二者的差异性，同时也给出了二者的适用范围。希望本文的工作可以帮助系统运行与研究人员更好地理解暂态仿真和稳定性仿真的特点，在微网的仿真分析时选择合适仿真计算方法与工具。

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Dynamic Time-domain Simulation and Analysis of Medium-low Voltage Microgrid

YU Li1，2，LI Peng3，XU Ai-dong1，2，DONG Xu-zhu1，2，SUN Chong-bo3，SONG Guan-yu3
（1.Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid，Guangzhou 510080，China；2.Power Grid Technology Research Center of China Southern Power Grid，Guangzhou 510080，China；3.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The electromagnetic transient simulation and transient stability simulation are rarely performed simultaneously for the calculation of traditional bulk power system，which is not true for the analysis and calculation of microgrid and distribution system with distributed generation．It is a common question for the user to choose a proper simulation tool．In this paper，the consistency and difference of the two type simulations is set forth in detail，and the dynamic models of distributed generation and energy storage system in microgrid are built．They are applied to a typical microgrid test case，simulated respectively using DIgSILENT and Matlab/SimPowerSystems．The detailed comparisons are provided to verify their consistency and difference．At the same time，the application guidance for the two type simulations is given．It is helpful to understand the various transient processes and make a more reasonable choice for the related research．

distributed generation；storage；microgrid；transient simulation；stability simulation

TM74

A

1003-8930（2014）12-0028-08

于力（1983—），男，博士，助理研究员，研究方向为智能配电网自愈控制与仿真分析技术。Email：yuli@csg.cn

2013-05-24；

2013-08-29

南方电网公司2013年科技项目“含分布式电源的智能配网试验与检测关键技术研究”（K-KY-2012-2-009）；国家高技术研究发展计划（863计划）（2011AA05A114）

李鹏（1981—），男，博士，讲师，研究方向为电力系统电磁暂态仿真与分布式发电技术。Email：lip@tju.edu.cn

许爱东（1977—），男，硕士，高级工程师，研究方向为智能配电网与微电网控制。Email：xuad@csg.cn