CN104793509B - 一种时域仿真中pq型分布式电源与配电网接口处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种时域仿真中PQ型分布式电源与配电网接口处理方法，包括：S1，构建PQ型分布式电源三相模型；S2，建立配电网三相系统模型；S3，构成配电网三相简化系统，对配电网三相简化系统模型中的节点和支路进行编号；S4，按节点的编号顺序存储各个节点的三相负荷参数，按支路的编号顺序存储各个支路的三相阻抗参数；S5，对各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数进行标幺化；S6，对配电网进行三相潮流计算，用于求解时域仿真的初值；S7，分析分布式电源模型特性，提出PQ型分布式电源与配电网接口处理方法；S8，选择步长和仿真时间，对含分布式电源的配电网进行时域仿真计算。本发明利用了分布式电源并网时的特性，提出了PQ型分布式电源与配电网的接口处理方法。

Description

一种时域仿真中PQ型分布式电源与配电网接口处理方法

技术领域

本发明涉及电力系统配电网时域仿真领域，具体涉及一种时域仿真中PQ型分布式电源与配电网接口处理方法。

背景技术

能源是人类赖以生存的基础，随着旧能源的长期消耗，人类面临着常规能源枯竭、环境问题凸显难题，开发清洁的新能源对于节能减排、改善人类生存环境是全人类共同的责任。作为利用可再生能源的主要形式，分布式电源以投资小、清洁环保、供电可靠和发电方式灵活等优点赢得了快速发展。

配电网作为最主要的中小容量、分散式分布式电源接入网络，当分布式电源的数量及容量接入提升，可能会对配电网的运行、电能质量、局部电压稳定性等有不利影响。传统配电网动态元件较少，暂态研究几乎没有，而分布式电源的接入使得含分布式电源的配电网、微电网的暂态研究开始得到关注，然而现有的含分布式电源暂态仿真并未深入涉及网络不对称问题。

分布式电源作为配电网中主要的动态元件，其建模是配电网暂态研究的关键，现阶段对于分布式电源的暂态建模一般都是从能量流动的过程分模块建模。从目前存在的分布式电源类型以及电源主拓扑来说，配电网中中小容量的分布式电源并网的最常见的方式有两种：通过电力电子接口并网与通过同步电机并网。研究最多的为逆变器接口型分布式电源模型问题，主流方法采用PQ控制方式。

类似于传统输电网时域仿真中存在的机网接口、荷网接口，配电网也需要考虑动态元件与网络的接口问题。在配电网的暂态时域仿真过程中，恒阻抗负荷可以并入网络，无接口问题，存在接口问题是不能并入线性网络的节点，也即非恒阻抗负荷(静态负荷和异步电动机)、分布式电源节点等，动态元件采用诺顿等效电路方法，在时域仿真中需要求解各时步各动态元件节点的等效注入电流。PQ型分布式电源的变量处理是在dq轴下进行的，计算过程中采用park变换和反变换。

发明内容

本发明涉及一种时域仿真中PQ型分布式电源与配电网接口处理方法，包括：

步骤S1，构建分布式电源三相模型：采用逆变器接口型分布式电源模型，控制策略采用PQ控制；

步骤S2，建立含分布式电源的配电网三相系统模型；

步骤S3，根据分布式电源模型和配电网网络元件模型构成含分布式电源的配电网三相系统，对该配电网三相简化系统模型中的节点和支路进行编号；

步骤S4，按节点的编号顺序存储各个节点的三相负荷参数，按支路的编号顺序存储各个支路的三相阻抗参数；

步骤S5，对各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数标幺化；

步骤S6，对配电网进行三相潮流计算，用于求解时域仿真的初值；

步骤S7，分析分布式电源模型特性，提出分布式电源与配电网接口处理方法，该方法为：分布式电源采用逆变器接口模型，控制器采用PQ控制方式，对分布式电源数学模型进行Park变换，得到dq轴下的数学模型；为了进行dq解耦，Park变换的相角选择与网侧正序电压相位一致；在计算过程中需要记录前一步的变换矩阵的相角，反变换派克矩阵的相角选取要始终与各时步变换前所选相角一致。

步骤S8，选择步长和仿真时间，对含分布式电源的配电网进行时域仿真计算。

作为优选方案，所述步骤S1中构建PQ型分布式电源三相模型包括：

将所述分布式电源源侧视为直流电压源，分布式电源电路拓扑中主要由直流电压源、逆变器和滤波器构成；分布式电源并网采用PQ控制策略。

作为优选方案，所述步骤S2中建立含分布式电源的配电网三相系统模型包括：

将所述配电网的上级变电站出口母线视为无穷大电源，作为潮流计算中的平衡节点，将所述支路上所有负荷等效为支路末节点集中负荷，模型为可考虑不对称的恒功率PQ负荷，所述支路采用集中参数模型，考虑三相之间的耦合电抗。

作为优选方案，所述步骤S3中对所述配电网三相简化系统模型中的节点和支路进行编号的方法包括：对所述配电网三相简化系统，将所述平衡节点的编号设为0，按照广度优先对其他节点进行编号；对所述配电网三相简化系统，按照各支路末端节点编号对各支路进行编号。

作为优选方案，所述步骤S4中存储节点i的三相负荷参数包括a、b和c三相的有功功率P_ia、P_ib、P_ic和无功功率Q_ia、Q_ib、Q_ic；

存储支路L_i的三相阻抗参数为其中，各相阻抗含实部电阻和虚部电抗，两相间耦合阻抗只有虚部电抗。

作为优选方案，所述步骤S5中选取所述上级变电站出口母线电压作为基准电压，选取所述上级变电站容量为三相基准功率，对所述各个节点的三相负荷参数和所述各个支路的三相阻抗参数进行标幺化。

作为优选方案，所述步骤S6中对配电网进行三相潮流计算，用于求解时域仿真的初值包括：

平衡节点等值为电压幅值和相角为恒定已知量并假定三相电压对称，将分布式电源看作是对称的恒功率PQ负荷；潮流计算完成后，所有节点的各相电压都为已知初值，恒阻抗负荷利用潮流电压和负荷功率转化为节点接地导纳，并入网络；分布式电源的初值根据并网点的电压正序分量和三相注入电流并结合其PQ控制模型求解。

分布式电源采用逆变器接口模型，控制器采用PQ控制方式，对分布式电源数学模型进行Park变换，得到dq轴下的数学模型；为了进行dq解耦，Park变换的相角选择与网侧正序电压相位一致；在计算过程中需要记录前一步的变换矩阵的相角，反变换派克矩阵的相角选取要始终与各时步变换前所选相角一致。

所述步骤S8中选择步长和仿真时间，对含分布式电源的配电网进行时域仿真计算包括：

求解时域仿真初值，设置扰动参数，将各负荷、分布式电源中能够并入网络的恒阻抗部分并入网络，修改导纳矩阵和相关代数方程；选择步长和仿真时间，继而在初值和新网络基础上不断求解各时步的代数方程和微分方程，遇到故障和操作时，进行网络修改或变量增减处理，并进行一步代数量跃变计算，仿真一直到给定时间界限结束。

本发明提供的一种时域仿真中PQ型分布式电源与配电网接口处理方法的有益效果包括：

1、本发明提供的一种时域仿真中PQ型分布式电源与配电网接口处理方法，利用了park变换将分布式电源注入电流转换到dq轴下，使其注入电流求解更加方便。

2、park变换相角采用并网点电压正序分量的相位，简化park变换后的分布式电源模型形式，达到对模型dq解耦的目的。

附图说明

图1为本发明提供的一种时域仿真中PQ型分布式电源与配电网接口处理方法的流程图；

图2为本发明提供的一种时域仿真中PQ型分布式电源与配电网接口处理方法的实施例一的流程图；

图3为本发明提供的一种时域仿真中PQ型分布式电源与配电网接口处理方法的实施例二的配电网三相系统测试案例模型图；

图4为分布式电源并网拓扑图；

图5为分布式电源与网络接口处理方式过程图；

图6为本实施例的DG有功功率曲线图；

图7为本实施例的DG无功功率曲线图；

图8为本实施例的负荷波动点电压曲线图；

图9为本实施例的DG1节点电压曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种时域仿真中PQ型分布式电源与配电网接口处理方法，其方法流程如图1所示，由图1可知，该方法包括：

步骤S1，构建分布式电源三相模型：采用逆变器接口型分布式电源模型，控制策略采用PQ控制；构建PQ型分布式电源三相模型包括：

将所述分布式电源源侧视为直流电压源，分布式电源电路拓扑中主要由直流电压源、逆变器和滤波器构成；分布式电源并网采用PQ控制策略。

步骤S2，建立含分布式电源的配电网三相系统模型，其包括：

将所述配电网的上级变电站出口母线视为无穷大电源，作为潮流计算中的平衡节点，将所述支路上所有负荷等效为支路末节点集中负荷，模型为可考虑不对称的恒功率PQ负荷，所述支路采用集中参数模型，考虑三相之间的耦合电抗。

步骤S3，根据分布式电源模型和配电网网络元件模型构成含分布式电源的配电网三相系统，对该配电网三相简化系统模型中的节点和支路进行编号；

本实施例中，对所述配电网三相简化系统模型中的节点和支路进行编号的方法包括：

对所述配电网三相简化系统，将所述平衡节点的编号设为0，按照广度优先对其他节点进行编号；对所述配电网三相简化系统，按照各支路末端节点编号对各支路进行编号。

步骤S4，按节点的编号顺序存储各个节点的三相负荷参数，按支路的编号顺序存储各个支路的三相阻抗参数；本实施例的存储节点i的三相负荷参数包括a、b和c三相的有功功率P_ia、P_ib、P_ic和无功功率Q_ia、Q_ib、Q_ic；

存储支路L_i的三相阻抗参数为其中，各相阻抗含实部电阻和虚部电抗，两相间耦合阻抗只有虚部电抗。

步骤S5，对各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数标幺化；选取所述上级变电站出口母线电压作为基准电压，选取所述上级变电站容量为三相基准功率，对所述各个节点的三相负荷参数和所述各个支路的三相阻抗参数进行标幺化。

步骤S6，对配电网进行三相潮流计算，用于求解时域仿真的初值；对配电网进行三相潮流计算，用于求解时域仿真的初值包括：

平衡节点等值为电压幅值和相角为恒定已知量并假定三相电压对称，将分布式电源看作是对称的恒功率PQ负荷；潮流计算完成后，所有节点的各相电压都为已知初值，恒阻抗负荷利用潮流电压和负荷功率转化为节点接地导纳，并入网络；分布式电源的初值根据并网点的电压正序分量和三相注入电流并结合其PQ控制模型求解。

步骤S7，分析分布式电源模型特性，提出PQ型分布式电源与配电网接口处理方法，该方法包括：

分布式电源采用逆变器接口模型，控制器采用PQ控制方式，对分布式电源数学模型进行Park变换，得到dq轴下的数学模型；为了进行dq解耦，Park变换的相角选择与网侧正序电压相位一致；在计算过程中需要记录前一步的变换矩阵的相角，反变换派克矩阵的相角选取要始终与各时步变换前所选相角一致。

步骤S8，选择步长和仿真时间，对含分布式电源的配电网进行时域仿真计算，其包括：

求解时域仿真初值，设置扰动参数，将各负荷、分布式电源中能够并入网络的恒阻抗部分并入网络，修改导纳矩阵和相关代数方程；选择步长和仿真时间，继而在初值和新网络基础上不断求解各时步的代数方程和微分方程，遇到故障和操作时，进行网络修改或变量增减处理，并进行一步代数量跃变计算，仿真一直到给定时间界限结束。

为更好阐述上述方法，参见图1-图9，本实施例给出了具体时域仿真中PQ型分布式电源与配电网接口处理并进行三相时域仿真计算的实施例，如图3所示为本发明提供的含分布式电源配电网系统的实施例的测试案例模型图。由图3可知，该案例平衡节点编号为0，其余节点按树的广度编号，支路编号取支路末节点的节点编号，包括L1～L5。

按节点编号顺序存储配电网各节点三相负荷参数,如节点i应当存储有功功率P_ia、P_ib、P_ic和无功功率Q_ia、Q_ib、Q_ic；按支路编号顺序存储配电网各支路三相阻抗参数，如支路Li应当存储阻抗参数为各相自阻抗含实部电阻和虚部电抗，两相间耦合阻抗只有虚部电抗。

选取上级变电站出口母线电压作为基准电压，选取上级变电站容量为基准功率，对各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数进行标幺化，本实施例中取基准电压U_B＝380V，基准功率S_B＝100kVA，对上一步中存储的各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数进行标幺化，考虑节点的负荷功率是单相的，其基准值应当取阻抗不存在单相和三相概念，基准值取

分布式电源并网拓扑结构如图4。

假设逆变器输出电压相位超前网侧电压δ，则

其中K为逆变器变比，定义为逆变器输出线电压与逆变器直流侧电压的比值；

u_a、u_b、u_c为逆变器输出相电压，U_dc为逆变器直流侧电压；ω＝2πf为角频率。

根据分布式电源模型，如图4，有

将(1)带入(2)并进行正交Park变换，并进行标幺化，整理得到分布式电源电路模型方程：

其中

进行Park变换时，变换矩阵的相角取并网点电压正序分量的相位，u_g-abc表示并网点的正序分量，于是有

这样就简化了模型的数学表达式，其中，D_m表示Park变换矩阵。

于是，dq轴下的分布式电源向电网注入功率S_dg为：

S_dg＝(u_gd+ju_gq)×(i_d+ji_q)^* (5)

因为u_gq＝0，有

实现了PQ控制下dq轴的解耦。

时域仿真中PQ型分布式电源与配电网接口处理方法具体如图5。

三相潮流计算结束以后，可以得到分布式电源节点的三相电压、三相注入电流(对称的)，求取出网侧电压正序分量、电压正序分量a相电压相角以及电流a相相角，利用park变换对正序电压u_{gabc_1}和三相对称电流i_abc进行变换，得到u_gd0(u_gq0＝0)、i_d0、i_q0，分别对应u_gd、u_gq、i_d、i_q的初值。

状态量初值求解根据稳态时状态量是稳定值，从而有状态量的微分为0，带入微分方程求解，由式(3)有：

解得：

K₀为逆变器变比K的初值，X、R分别表示图4中的电抗和电阻。

时域仿真过程中，状态量存在于微分方程，需要采用数值分析的微分方程积分方法求解，本发明采用显式的改进欧拉法，包括预测环节和校正环节，以下以状态量i_d和i_q的第n+1步求解为例说明，其余动态元件的状态量类似求解。

其中x_dq表示i_d、i_q、u_gd、u_gd、u_d、u_q变量组。

预测环节：

其中h_n是第n步求解第n+1步时的步长。

预测环节结束后根据预测得到的所有状态量，进行全网代数量求解，得到x_dqn+1,0，再进行校正环节：

校正环节结束后再根据得到的状态量，进行全网代数量求解，得到x_dqn+1。

时域仿真过程中需要有扰动存在，本发明考虑的扰动有负荷的突变、分布式电源的投切，其中负荷看作恒阻抗负荷，时域仿真时已经并入网络，突变时只需要修改网络导纳矩阵。分布式电源切除时，置脱网标志位，后续相应的所有代数量、状态量置0处理；分布式电源并网时，并网点电压、相角瞬间获取。所有扰动时，还需要进行一步代数量跃变计算，包括分布式电源内部的代数量跃变。

如图3的案例，线路阻抗、DG参数、负荷功率及扰动信息分别如表1、表2、表3所示(考虑四重扰动，分别是DG1投入、节点3负荷突变、DG1功率输出增加、DG2切除)，选取步长为100us，仿真结果如图6-图9所示。

表1支路数据参数(单位：欧姆)

首端

末端

Zaa

Zbb

Zcc

Zab

Zac

Zbc

0

1

0.149+j0.512

0.142+j0.508

0.144+j0.523

j0.001

j0.002

j0.002

1

2

0.147+j0.512

0.147+0.544

0.147+j0.519

j0.002

j0.001

j0.001

1

3

0.110+j0.393

0.110+j0393

0.110+j0.393

j0.003

j0.004

j0.002

2

4

0.052+j0.157

0.051+j0.167

0.053+j0.147

j0.002

j0.002

j0.001

3

5

0.050+j0.156

0.052+j0.148

0.055+j0.158

j0.001

j0.001

j0.003

表2DG电路及控制器参数

表3负荷功率及扰动信息

从曲线可以看出，投入DG及DG输出功率改变时，功率曲线能较快上升既定目标，波动一段时间后维持稳定，负荷突变及DG切除时，功率曲线变化较小；任何扰动时刻，电压曲线变化明显，其中投入DG和DG输出功率改变，电压需要经过较长时间维持稳定，负荷变化和DG切除时，电压突变后恢复稳定速度极快。

整体来看，功率曲线能实现给定控制，电压曲线与实际负荷、DG功率水平一致，实现了配电网的三相时域仿真。

以上虽然根据附图对本发明的实施例进行了详细说明，但不仅限于此具体实施方式，本领域的技术人员根据此具体技术方案进行的各种等同、变形处理，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种时域仿真中PQ型分布式电源与配电网接口处理方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1，构建分布式电源三相模型：采用逆变器接口型分布式电源模型，控制策略采用PQ控制；

步骤S2，建立含分布式电源的配电网三相系统模型；

步骤S3，根据分布式电源模型和配电网网络元件模型构成含分布式电源的配电网三相系统，对该配电网三相简化系统模型中的节点和支路进行编号；

步骤S4，按节点的编号顺序存储各个节点的三相负荷参数，按支路的编号顺序存储各个支路的三相阻抗参数；

步骤S5，对各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数标幺化；

步骤S6，对配电网进行三相潮流计算，用于求解时域仿真的初值；

步骤S7，分析分布式电源模型特性，提出并网处理方法：分布式电源采用逆变器接口模型，控制器采用PQ控制方式，对分布式电源数学模型进行Park变换，得到dq轴下的数学模型；为了进行dq解耦，Park变换的相角选择与网侧正序电压相位一致；在计算过程中需要记录前一步的变换矩阵的相角，反变换派克矩阵的相角选取要始终与各时步变换前所选相角一致；

步骤S8，选择步长和仿真时间，对含分布式电源的配电网进行时域仿真计算；其计算方法如下：

求解时域仿真初值，设置扰动参数，将各负荷、分布式电源中能够并入网络的恒阻抗部分并入网络，修改导纳矩阵和相关代数方程；选择步长和仿真时间，继而在初值和新网络基础上不断求解各时步的代数方程和微分方程，遇到故障和操作时，进行网络修改或变量增减处理，并进行一步代数量跃变计算，仿真一直到给定时间界限结束。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中构建分布式电源三相模型包括：

将所述分布式电源源侧视为直流电压源，分布式电源电路拓扑中主要由直流电压源、逆变器和滤波器构成；分布式电源并网采用PQ控制策略。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中建立含分布式电源的配电网三相系统模型包括：

将所述配电网的上级变电站出口母线视为无穷大电源，作为潮流计算中的平衡节点，将支路上所有负荷等效为支路末节点集中负荷，模型为不对称的恒功率PQ负荷，所述支路采用集中参数模型，考虑三相之间的耦合电抗。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中对所述配电网三相简化系统模型中的节点和支路进行编号的方法包括：

对所述配电网三相简化系统，将所述平衡节点的编号设为0，按照广度优先对其他节点进行编号；对所述配电网三相简化系统，按照各支路末端节点编号对各支路进行编号。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中存储节点i的三相负荷参数包括a、b和c三相的有功功率P_ia、P_ib、P_ic和无功功率Q_ia、Q_ib、Q_ic；

存储支路L_i的三相阻抗参数为其中，Z_aa、Z_bb、Z_cc表示各相自阻抗，Z_ab、Z_ac、Z_bc表示相间互阻抗，各相阻抗含实部电阻和虚部电抗，两相间耦合阻抗只有虚部电抗。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中选取所述上级变电站出口母线电压作为基准电压，选取上级变电站容量为三相基准功率，对所述各个节点的三相负荷参数和所述各个支路的三相阻抗参数进行标幺化。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6中对配电网进行三相潮流计算，用于求解时域仿真的初值，其包括：

平衡节点等值为电压幅值和相角为恒定已知量并假定三相电压对称，将分布式电源看作是对称的恒功率PQ负荷；潮流计算完成后，所有节点的各相电压都为已知初值，恒阻抗负荷利用潮流电压和负荷功率转化为节点接地导纳，并入网络；分布式电源的初值根据并网点的电压正序分量和三相注入电流并结合其PQ控制模型求解。