基于DIGSILENT仿真软件的微电网稳定性研究

古阳洋，赵　毅，苗　勇

(1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136； 2.辽宁省电力有限公司 检修分公司，辽宁 沈阳 110003)



基于DIGSILENT仿真软件的微电网稳定性研究

古阳洋1，赵毅1，苗勇2

(1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136； 2.辽宁省电力有限公司 检修分公司，辽宁 沈阳 110003)

摘要：微电网具有联网、孤岛和两种运行状态之间切换的三种暂态运行状态，因此保证良好供电可靠性是微电网存在的必要条件。研究了微电网运行的稳定性，介绍了微电网的相关概念，并且提出微电网发展的关键问题是确保微电网稳定性。介绍了DIGSILENT/PowerFactory仿真软件，根据微电网内分布式电源的输出特性和负荷需求特性，运用DIgSILENT/PowerFactory构建出一个微电网，就微电网能否在发生不同故障时，仍然保证其稳定性问题，进行了不同运行状况下微电网的动态特性分析。

关键词：微电网；电源技术；仿真分析

对于传统的大电网来说，其发展的历史久远，但随着现代科学的飞速进步与发展，电网不仅应从结构上、运行模式以及形式等多方面不断地更新，来适应时代的变化。微电网作为一种新型的网络结构，是由一系列的分布式电源、负荷、储能系统和控制装置等构成的系统单元。由于传统大电网有许多不足，近些年来提出的微电网，正是对这些不足进行补充。多个分布式电源的接入，以及微电网的复杂性，使得微电网具有低惯性、多种运行模式及使用大量电力电子装置等特点，进而微电网拥有良好的稳定性是其发展的关键问题。

下面对含多个分布式电源的微电网进行其稳定性研究。利用Digsilent PowerFactory软件，在典型微电网仿真模型的基础上，进行仿真试验，研究不同故障类型和不同故障点对微电网动态稳定的影响。

1微电网仿真模型的建立

1.1　软件简介

DIgSILENT/PowerFactory软件不仅提供了全面的电力系统元件的模型库，包括发电机、电动机、控制器、动态负荷、线路、变压器、并联设备的模型，还包含了几乎常用的所有电力系统分析的功能，如AC/DC潮流计算分析、故障分析、动态仿真、谐波分析、保护分析、可靠性分析、最优潮流计算、配网优化、低压网络分析。在仿真算例中，主要运用到故障分析和动态仿真两个功能。

故障分析：DIgSILENT/PowerFactory故障分析功能既可以分别根据IEC 909、IEEE std141/ANSI e37.5以及德国的VDE102/103标准进行，也可以根据DIgSILENT/PowerFactory自身所提供的综合故障分析(General Fault Analysis- GFA)方法进行。

DIgSILENT/PowerFactory故障分析功能支持几乎所有的故障类型(包括复故障分析)。

动态仿真：DIgSILENT/PowerFactory软件提供的仿真语言(DIgSILENT Simulation Language-DSL)，使用户可以自定义模型，任何类型的静态/动态的多输入/多输出模型，例如电压控制器、PSS等。该软件既可以进行短期(电磁)暂态仿真，也可以进行中期(机电)暂态仿真和长期暂态仿真。DIgSILENT/PowerFactory几乎可以仿真各种类型的故障。仿真过程中的任何变量(包括DSL所提供的)都可以被观察，并可将其通过虚拟表计功能

(Virtual Instrument-VI)绘制成曲线图。此曲线图可以被保留，以便于与其他仿真过程进行比较。

1.2　微电网仿真模型的构建

微电网是一种由分布式电源组成的独立系统，一般通过联络线与大系统相连，由于供电与需求的不平衡关系，微电网可选择与主网之间互供或者独立运行。采用了文献[4]中提出的元件模型，和控制模型。在DIgSILENT/PowerFactory仿真软件中建立了如图所示的外电网与微电网模型，它是1个由10 kV的外电网，经过2个变压器降压至0.38 kV后与微电网相连，其联结部分采用的接线形式是单母线。为了讨论大扰动和小扰动对相邻微电网的影响，将整个微电网设计成由两部分组成，分为左侧和右侧，中间经过1个断路器相连。

2微电网动态响应仿真分析

2.1　微电网内部负荷变化

微电网内部负荷的变化，如某个负荷从微电网中断开，像这样干扰量和干扰变动速率相对较小的扰动被称为小扰动。在小扰动时，电力系统发生较小的状态偏移和振荡。假设微电网线路上的断路器在0.3 s时断开，然后在0.6 s时合上，在0~1 s内进行动态仿真。分别检测系统电压和频率，以及负荷所在微电网中本侧和对侧分布式电源输出的有功功率，得到如图2、3、4所示的动态响应曲线。

从曲线中不难发现，微电网母线电压在负荷切除以及接入负荷时，它的三相电压并没有发生明显变化，同时该母线和外电网母线的频率也没有变化，只是在系统运行初，即发电机起机后的一段极短时间内有振荡现象，并且该现象随着时间的变化，而逐渐减弱。在图中能看到，被切除的小负荷所在侧，以及对侧的分布式电源输出的有功功率没有变化。因此当发生小负荷切除这样的小扰动时，微电网以及外电网不会发生频率和电压上的明显变化，仍能保证其运行的稳定性。

图1　外电网仿真

图2　0.38 kV右侧母线电压响应曲线

2.2　分布式电源出口处故障分析

分布式电源作为微电网的一个组成部分，为了讨论当分布式电源出口处发生故障时，微电网是否仍能维持其稳定性，在ACTerminal_PV5处设置三相(接地)短路故障，在0.3 s时，发生单相短路故障，在0.34 s时故障切除，在0~1 s内进行动态仿真。分别检测系统电压和频率，以及负荷所在微电网中本侧和对侧分布式电源输出的有功功率，得到如图5、6、7所示曲线。

从曲线中不难发现，当分布式电源出口发生三相短路故障时，系统电压和频率将失去稳定，如果故障及时清除，系统电压和频率仍能保持稳定。

图4　PV1(左)、PV5(中)、PV6(右)输出的有功功率

图5　微电网电压响应曲线

图6　380 V(左)、10 kV母线(右)频率响应曲线

图7　PV1(左)、PV5(中)、PV6(右)输出的有功功率

2.3　微电网内部不同故障类型对比分析

电力系统短路故障分为单相接地短路，两相短路，两相接地短路和三相短路。在微电网中，当发生短路故障地点相同时，不同的短路故障类型所带来的影响也不同。对比分析中，在微电网terminal 1.1号端子处分别设置三相短路和单相(接地)短路进行仿真。

首先，先假设微电网terminal 1.1号端子处发生三相短路，在0.3 s时故障发生，并且在0.34 s时故障切除，在0至1 s内进行动态仿真。然后进行单相(A相接地)短路故障仿真，故障点与上述仿真实验相同，故障在0.3 s发生，并且同时也是在0.34 s保护装置动作将故障切除。分别检测系统电压和频率，以及负荷所在微电网中本侧和对侧分布式电源输出的有功功率，得到如下所示对比曲线。

图8　10 kV母线电压响应曲线(三相短路)

图9　10kV母线电压响应曲线 (A相短路)

由上图可知，在微电网内部发生的短路故障，对外电网母线电压造成的影响极弱，并且在故障切除后三相电压恢复。

从两种故障类型的0.38 kV母线电压响应曲线中，不难发现发生三相短路故障时，母线电压A相B相C相三相同幅度降低，并且降低的幅度较大，但当发生单相(A相接地)短路故障时，从图中观察到，只有A相电压被明显削弱，B、C相电压只发生微弱变化。

图10　0.38kV右侧母线电压响应曲线(三相短路)

图11　0.38kV右侧母线电压响应曲线(A相短路)

母线频率响应曲线可以看出，三相短路故障而言，0.38 kV母线频率以及外电网母线频率都在故障发生瞬间，发生在可接受范围内的大幅度振荡，并且振荡效果逐渐减弱，趋于稳定，而且在故障切除时，母线电压都不发生任何变化；但发生单向(接地)短路故障时，在故障发生和故障切除过程中，母线频率曲线产生了激烈的在可接受范围内的大幅度振荡，在故障切除后振荡效果逐渐减弱，趋于稳定。

图12　0.38 kV(左)、10 kV母线(右)频率响应曲线(三相短路)

图13　0.38 kV(左)、10 kV母线(右)频率响应曲线(单相短路)

图14　PV1(左)、PV5(中)、PV6(右)输出的有功功率(三相短路)

图15　PV1(左)、PV5(中)、PV6(右)输出的有功功率(三相短路)

对于三相短路故障而言，离故障点较近的分布式电源输出了更多的有功功率，但在单向(接地)短路故障而言，PV1、PV5、PV6输出有功功率的幅值相同，只是PV1只在短路故障和故障切除瞬间，输出的有功功率发生变化。

由图可看出，当发生三相短路时，母线电压三相都会减小，并且对所连母线产生的影响更大，当发生单相短路时，母线电压只有故障相发生变化。虽然当微电网发生短路故障的时候，都会对微电网所关联母线电压和频率造成一定影响，对外电网母线电压和频率产生较小影响，并且在微电网中，分布式电源输出的有功功率响应曲线都会发生振荡现象，但是在故障切除后，各项数据都恢复正常，微电网正常运行。

3结语

在综述微电网控制研究的基础上，运用典型微电网仿真系统，分别分析了小扰动以及大扰动对微电网及其外电网稳定性的影响。得出了微电网电压和频率收到扰动后的动态响应曲线。分析仿真结果后，得出如下结论：

1)三相短路故障后，若能及时断开联络开关，切除故障，使微电网孤岛运行，就能保证在外电网发生故障后，微电网内部的稳定运行；

2)短路故障持续时越快切除故障，对电网的稳定性影响越小；

3)当发生故障时分布式电源发电出力的程度越大，影响越大。

参考文献

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[7]Huang Wei,Niu Ming.The microgrid unplanned solitary network control: Based strategy analysis[J].Automation of Electric Power Systems，2011，35(9)：42-46.

(责任编辑佟金锴校对张凯)

Study on Stability of Micro Power Grid Based on the

DIGSILENT Simulation Software

GU Yang-yang1,ZHAO Yi1,MIAO Yong2

(1.Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136;2.Maintenance Company,

Liaoning Electric Power Supply Company Limited,Shenyang 110003)

Abstract：Because micro-grid has three transient running states that are networking,island and switching between the two operations,it is a necessary condition for the existence of micro-grid to ensure good power supply reliability.In this paper,the stability of micro-grid operation was studied.First,the related concept of micro-grid was introduced and it was treated as the key issue to raise micro-grid development to ensure the stability of the micro-grid.Secondly,the DIGSILENT/PowerFactory simulation software was introduced.Finally,according to the output characteristics of the distributed power in the micro-grid and the demand characteristics of load,the DIgSILENT/PowerFactory was used to construct a micro-grid,and the dynamic characteristics of the micro-grid were analyzed at different operating conditions to guarantee the stability of the micro-grid when different faults occurred.

Key words：micro-grid;stability;simulation analysis

通讯作者：赵毅(1982-)，男，辽宁沈阳人，讲师，硕士。

作者简介：古阳洋(1992-)，男，辽宁沈阳人。

收稿日期：2014-06-07

中图分类号：TM743

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)02-0146-06

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.02.012