CN103577712A - 一种微电网综合等值模型结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微电网综合等值模型结构，该模型结构包括等效静态部分和等效电机部分，所述等效静态部分与等效电机部分并联在所接入的母线上，所述母线通过并网开关接入大电网，所述等效静态部分包括静态负荷元件和燃料电池、太阳能光伏电池以及储能设备，所述等效电机部分包括异步发电机、同步发电机和异步电动机以及同步电动机。解决了大量分布式电源及控制逆变设备接入中低压电网对配电网动态特性产生的影响的问题。采用本发明的综合等值负荷模型结构后，在负荷建模时，不需要对电网中的所有元件进行分析建模，建模方法更加简便，可以应对由于大量分布式电源及控制逆变设备接入中低压电网对配电网动态特性产生的影响。

Description

一种微电网综合等值模型结构

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，具体涉及一种微电网综合等值模型结构。 

背景技术

在不久的将来，大量的分布式发电设备将接入中低压电网，虽然对分布式发电源进行单独管理简单易行，但同时也存在着许多问题，如介入成本高、控制困难、未充分利用DG的发电能力、影响系统的电能质量等。由于分布式电源的不可控性，一旦发生故障，往往采取限制、隔离措施来减少对大电网的冲击。为协调大电网与分布式电源的矛盾，促进分布式发电特别是可再生能源的综合应用，微型电网(Microgrid)的概念应运而生。 

微电网由微网中央控制器(MGCC)进行集中控制,MGCC一般设置在中压网络和低压网络变电站的二次侧。设置这样的控制器主要是为了实现一系列重要的控制调度及分层管理的功能。同时它也将参与微电网的经济调度，给出第二层中微电源控制器(MC)及负荷控制器(LC)的设定值。第二层中主要包括各类微电源和低压负荷，微电源控制器负责控制所管理的微电源输出的有功和无功，负荷控制器通过中断的方式来控制电力负荷。 

微电网是一个分布式的低压网络，其中接入了一定量的分布式电源及低压负荷，微电网有如下几个特点： 

（1）独特性：微电网是有微型电源及负荷构成的小型电力系统，与大电网的主要区别在于灵活的可调度性。 

（2）多样性：微型电源的组成多种多样，既有传统电源，又有可再生能源。同时，微电网中也包含储能设备，作为系统稳定运行的必要条件；而负荷的类型也有很多，如敏感型、非敏感型，可控型、非可控型等。 

（3）可控性：根据运行工况的不同，微电网可以选择不同的运行方式，完善的控制策略使得微电网的可靠性得到提高，安全性得到保障。 

（4）交互式：作为具备独立发电设备的微电网可以在必要时对主网提供有力支撑；同时主网也可以向微电网供电。 

（5）独立性：微电网在一定条件下可以独立运行，在一定基础上保障了本地的用电需求。由于微电网惯性很小或无惯性，在能量需求变化的瞬间分布式电源无法满足其需求，所以微电网需要依赖储能装置来达到能量平衡。在现有的微电网结构中，储能装置是维持系统暂态稳定必不可少的设备。 

总体模型结构微网中元件成千上万，如果要详细分析微网内部的特性，需要对每个元件都加以描述。但是，如果要分析微网接入电力系统之后的特性，要对每个元件都加以描述既不可能、也无必要。所需要的只是从电力系统侧向微网侧看进去的总体特性，并不关注微网内部元件个体的特性。 

为了应对大量分布式电源及控制逆变设备接入中低压电网对配电网动态特性产生的影响，有必要对微电网的动态等值进行研究。由于微电网中各类分布式电源具有多样性及分散性的特点，传统的动态等值方法中的同调等值法并不适用。 

发明内容

本发明的目的是提供一种微电网综合等值模型结构，采用该模型结构后，在负荷建模时，不需要对电网中的所有元件进行分析建模，结构更加简单，建模方法更加简便，而且可以应对由于大量分布式电源及控制逆变设备接入中低压电网对配电网动态特性产生的影响。解决了大量分布式电源及控制逆变设备接入中低压电网对配电网动态特性产生的影响的问题。 

为实现上述目的，本发明的方案是：一种微电网综合等值模型，所述静态部分采用幂函数模型，所述等效电机部分采用通用电机模型。 

所述幂函数模型为： 

$\left\{\begin{array}{c}P=P_0{(U/U_0)}^{P_u}{(f^{\′}/{f_0}^{\′})}^{P_f}\\ Q=Q_0{(U/U_0)}^{Q_u}{(f^{\′}/{f_0}^{\′})}^{Q_f}\end{array}\right.$

其中，P、Q、U、f'分别为有功功率、无功功率、电压和负荷母线频率的实际运行值，P₀、Q₀、U₀、f₀′分别为有功功率、无功功率、电压和负荷母线频率的额定运行值；P_u为有功电压特性系数；P_f为有功频率特性系数；Q_u为无功电压特性系数；Q_f为有功频率特性系数。 

所述通用电机模型为： 

暂态电动势方程： 

$\frac{d{E}_d^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T_0^{\′}}[E_d^{\′}+(X-X^{\′})I_q]+{\mathrm{\ω}}_B({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)E_q^{\′}$

$\frac{d{E}_q^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T_0^{\′}}[E_q^{\′}-(X-X^{\′})I_d]-{\mathrm{\ω}}_B({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)E_d^{\′}$

定子侧电压方程： 

$U_d={\mathrm{\ω}}_s{E}_d^{\′}+X^{\′}{I}_q-R_s{I}_d$

$U_q={\mathrm{\ω}}_s{E}_q^{\′}-X^{\′}{I}_d-R_s{I}_q$

转子运动方程： 

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{H}[T_L(A{\mathrm{\ω}}_r^2+B{\mathrm{\ω}}_r+C)-(E_d^{\′}{I}_d+E_q^{\′}{I}_q)]$

其中，E’_d，E’_q分别为d轴、q轴暂态电势；X′,X分别为暂态电抗、同步电抗；T₀′为暂态开路时间常数；ω_s，ω_r分别为定子磁链转速和转子转速的标幺值；ω_B为转速基准值；I_d，I_q为定子电流的d轴、q轴分量；U_d，U_q分别是定子电压的d轴、q轴分量；H为电动机惯性时间常数；T_L为负载系数，A、B、C分别为电动机的机械转矩中与转速平方、转速成线性关系及与转速无关部分的比例系数。 

本发明达到的有益效果：本发明采用等效静态部分和等效电机部分相结合的综合等值模型，等效静态部分与等效电机部分并联在所接入的母线上，母线通过并网开关接入微网，等效静态部分采用幂函数模型，等效电机部分采用通用电机模型。采用该模型结构后，在对微网进行综合负荷建模时，不需要对电网中所有的元件进行分析建模，结构更加简单，建模方法更加简便，而且可以应对由于大量分布式电源及控制逆变设备接入中低压电网对配电网动态特性产生的影响。 

附图说明

图1是本发明综合等值模型的结构原理图； 

图2是本发明坐标空间向量示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。 

本发明的综合等值模型结构包括等效静态部分和等效电机部分，所述等效静态部分与等效电机部分并联在所接入的母线上，所述母线通过并网开关接入大电网，所述等效静态部分包括静态负荷元件和燃料电池、太阳能光伏电池以及储能设备，所述等效电机部分包括异步发电机、同步发电机和异步电动机以及同步电动机。 

微网中的元件可以分为两大类，一类是静态元件，另一类是动态元件。静态元件既包括静态负荷元件，也包括燃料电池、太阳能光伏电池、储能设备等分布式电源。这些分布式电源在微网并网运行时，主要通过逆变器接入微网，与静态负荷模型中的恒功率部分具有相似性。因此，将这些分布式电源连同静态负荷元件等效为静态部分，其模型为静态的代数方程，描述有功功率、无功功率与电压、频率的关系。 

微网中的动态元件主要包括异步发电机（如风力发电机）、同步发电机（如微型燃气轮机）和异步电动机、同步电动机。无论是发电机还是电动机，同步电机和异步电机只是在稳态时的概念。而在动态过程中，同步电机并不是真正同步的，其转子和定子之间也有一定的转速差，体现出异步特性。因此，本发明采用通用电机模型来描述微网中所有电机。 

如图1，等效静态部分与等效电机部分并联在所接入的母线上，总功率为两者之和，然后通过并网开关接入大电网。对于微网中的静态负荷，可以采用ZIP模型或者幂函数模型描述，但对于微网中的静态电源，有时难以采用ZIP描述，所以，本实施例中的静态负荷采用幂函数模型，即： 

$\left\{\begin{array}{c}P=P_0{(U/U_0)}^{P_u}{(f^{\′}/{f_0}^{\′})}^{P_f}\\ Q=Q_0{(U/U_0)}^{Q_u}{(f^{\′}/{f_0}^{\′})}^{Q_f}\end{array}\right.$

其中，P、Q、U、f'分别为有功功率、无功功率、电压和负荷母线频率的实际运行值，P₀、Q₀、U₀、f₀′分别为有功功率、无功功率、电压和负荷母线频率的额定运行值；P_u为有功电压特性系数；P_f为有功频率特性系数；Q_u为无功电压特性系数；Q_f为有功频率特性系数。当电网的的频率变化较小时， 

可以忽略频率的影响，此时负荷模型即为： 

$\left\{\begin{array}{c}P=P_0{(U/U_0)}^{P_u}\\ Q=Q_0{(U/U_0)}^{Q_u}\end{array}\right.$

本实施例中的等效电机部分采用通用电机模型，如图2，a-b-c为电机定子坐标，A'-B'-C'为电机转子坐标，d-q为转速为ω_s的旋转坐标，x-y为转速为ω_s的系统公共坐标。定子磁链旋转速度表示为ω_s，转子旋转速度表示为ω_r。假定在0时刻，定子a轴和d轴重合，则t时刻d轴领先于a轴角度为θs=ω_st，转子绕组领先于定子绕组的角度为θ=ω_rt，d轴领先A轴θr=(ωs-ωr)t。 

定义滑差率s=（ω_s-ω_r）/ω_s，故 

$\frac{{\mathrm{d\θ}}_r}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r-s{\mathrm{\ω}}_s$

利用Park变换，将定子a、b、c轴上变量转换到d-q坐标中，变换方程为： 

$\left[\begin{array}{c}{f}_d\\ f_q\\ f_0\end{array}\right]=\frac{2}{3}A\left[\begin{array}{c}{f}_a\\ f_b\\ f_c\end{array}\right]$

将转子在A'-B'-C'坐标系中的各量转换到d-q坐标中的变换方程为： 

$\left[\begin{array}{c}{f}_d\\ f_q\\ f_0\end{array}\right]=\frac{2}{3}B\left[\begin{array}{c}{f}_{A^{\′}}\\ f_{B^{\′}}\\ f_{C^{\′}}\end{array}\right]$

经过Park变换得到在d-q坐标中的定子电压方程为： 

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}=p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}-R_s{i}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{qs}}=p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}-R_s{i}_{\mathrm{qs}}\end{array}\right.$

转子电压方程为： 

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}=p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}-({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r){\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}-R_r{i}_{\mathrm{dr}}\\ u_{\mathrm{qr}}=p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}+({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r){\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}-R_r{i}_{\mathrm{qr}}\end{array}\right.$

其中，u为端电压，p为微分算子，Ψ为磁通量，ω为转速，R为电阻，i为电流，f为转子或定子的旋转频率，f₀表示转子或定子的旋转频率的初始值，下标s为定子，下标r为转子，下标d，q表示在d、q轴的分量，下标A'、B'、C'表示在A'、B'、C'轴的分量。 

由此可见，电压由3部分组成，第1部分为电磁感应引起的绕组电压，第2部分为速度电动势，第3部分为欧姆电压项。其中，转子电压中比同步电机多出了速度电动势，此速度电动势是由于转子速度与同步速的相对运动引起的。如果转子转速也为同步速时，此项即消失。在传统电机模型中，同步发电机和异步电动机的转子电压为零，异步发电机的转子电压不为零。 

由于电机定子时间常数一般很小，所以在电力系统暂态分析计算中通常忽略电机的定子暂态，即： 

$\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}}{\mathrm{dt}}=\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}}{\mathrm{dt}}0$

定义： 

$\left[\begin{array}{c}{E^{\′}}_d=-\frac{L_m}{L_{\mathrm{rr}}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}},{E^{\′}}_q=\frac{L_m}{L_{\mathrm{rr}}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}\\ L=L_{\mathrm{ss}},L^{\′}=L_{\mathrm{ss}}-\frac{{L^2}_m}{L_{\mathrm{rr}}},{T^{\′}}_0=\frac{L_{\mathrm{rr}}}{R_r}\\ {u^{\′}}_{\mathrm{dr}}=\frac{L_m}{L_{\mathrm{rr}}}{u}_{\mathrm{dr}},{u^{\′}}_{\mathrm{qr}}=\frac{L_m}{L_{\mathrm{rr}}}{u}_{\mathrm{qr}}\end{array}\right.$

经过推导，可得出等效电机的通用电机模型，即： 

暂态电动势方程： 

$\frac{d{E}_d^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T_0^{\′}}[E_d^{\′}+(X-X^{\′})I_q]+{\mathrm{\ω}}_B({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)E_q^{\′}$

$\frac{d{E}_q^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T_0^{\′}}[E_q^{\′}-(X-X^{\′})I_d]-{\mathrm{\ω}}_B({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)E_d^{\′}$

定子侧电压方程： 

$U_d={\mathrm{\ω}}_s{E}_d^{\′}+X^{\′}{I}_q-R_s{I}_d$

$U_q={\mathrm{\ω}}_s{E}_q^{\′}-X^{\′}{I}_d-R_s{I}_q$

转子运动方程： 

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{H}[T_L(A{\mathrm{\ω}}_r^2+B{\mathrm{\ω}}_r+C)-(E_d^{\′}{I}_d+E_q^{\′}{I}_q)]$

式中E’_d，E’_q分别为d轴、q轴暂态电势；X′,X分别为暂态电抗、同步电抗;T₀′为暂态开路时间常数；ω_s，ω_r分别为定子磁链转速和转子转速的标幺值；ω_B为转速基准值；I_d，I_q为定子电流的d轴、q轴分量；U_d，U_q是定子电压的d轴、q轴分量；H为电动机惯性时间常数；T_L为负载系数，A、B、C为电动机的机械转矩与转速平方、转速成线性关系及与转速无关部分的比例系数。 

本发明在定义实用变量时没有计及频率，而是在模型方程中计及频率，这是为了计及频率的变化和影响。由于微网内部分布式电源惯性小，扰动时频率的波动有可能较大，所以，从物理特性和物理现象出发，考虑频率对电机动态性能的影响是必要的。通用电机模型充分结合了各类电机的共同点，如同步电机在暂态情况下，并非运行于同步转速，也存在转差，因此，在描述同步电机的方程中也可以引入转差率这一状态量；在负荷建模的过程中，对负荷参数进行辨识时，把转差率的辨识 范围扩大到-0.2～0.2，负值表示异步发电机模型。因此，上述提到的电机便综合成为了一类电机模型，扩展了模型的描述能力。 

采用本发明的综合负荷模型结构后，在对微网进行综合负荷建模时，不需要再对电网中所有的元件进行分析建模，结构更加简单，建模方法更加简便，而且可以应对由于大量分布式电源及控制逆变设备接入中低压电网对配电网动态特性产生的影响。 

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明涉及精神的前提下，本领域普通工程技术人员对发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。 

Claims (4)

1.一种微电网综合等值模型结构，其特征在于：该模型结构包括等效静态部分和等效电机部分，所述等效静态部分与等效电机部分并联在所接入的母线上，所述母线通过并网开关接入大电网，所述等效静态部分包括静态负荷元件和燃料电池、太阳能光伏电池以及储能设备，所述等效电机部分包括异步发电机、同步发电机和异步电动机以及同步电动机。

2.根据权利要求1所述的微电网综合等值模型结构，其特征在于所述静态部分采用幂函数模型，所述等效电机部分采用通用电机模型。

3.根据权利要求2所述的微电网综合等值模型结构，其特征在于所述幂函数模型为：

$\left\{\begin{array}{c}P=P_0{(U/U_0)}^{P_u}{(f^{\′}/{f_0}^{\′})}^{P_f}\\ Q=Q_0{(U/U_0)}^{Q_u}{(f^{\′}/{f_0}^{\′})}^{Q_f}\end{array}\right.$

其中，P、Q、U、f'分别为有功功率、无功功率、电压和负荷母线频率的实际运行值，P₀、Q₀、U₀、f₀′分别为有功功率、无功功率、电压和负荷母线频率的额定运行值；P_u为有功电压特性系数；P_f为有功频率特性系数；Q_u为无功电压特性系数；Q_f为有功频率特性系数。

4.根据权利要求2所述的微电网综合等值模型结构，其特征在于所述通用电机模型为：

暂态电动势方程：

$\frac{d{E}_d^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T_0^{\′}}[E_d^{\′}+(X-X^{\′})I_q]+{\mathrm{\ω}}_B({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)E_q^{\′}$

$\frac{d{E}_q^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T_0^{\′}}[E_q^{\′}-(X-X^{\′})I_d]-{\mathrm{\ω}}_B({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)E_d^{\′}$

定子侧电压方程：

$U_d={\mathrm{\ω}}_s{E}_d^{\′}+X^{\′}{I}_q-R_s{I}_d$

$U_q={\mathrm{\ω}}_s{E}_q^{\′}-X^{\′}{I}_d-R_s{I}_q$

转子运动方程：

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{H}[T_L(A{\mathrm{\ω}}_r^2+B{\mathrm{\ω}}_r+C)-(E_d^{\′}{I}_d+E_q^{\′}{I}_q)]$

其中，E’_d，E’_q分别为d轴、q轴暂态电势；X′，X分别为暂态电抗、同步电抗；T₀′为暂态开路时间常数；ω_s，ω_r分别为定子磁链转速和转子转速的标幺值；ω_B为转速基准值；I_d，I_q为定子电流的d轴、q轴分量；U_d，U_q分别是定子电压的d轴、q轴分量；H为电动机惯性时间常数；T_L为负载系数；A、B、C分别为电动机的机械转矩中与转速平方、转速成线性关系及与转速无关部分的比例系数。

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