[科普中国]-主动配电网建模

背景

近年来，随着能源短缺和环境问题的日益突出，新能源发电技术在国家政策的大力支持下得到了迅猛的发展，大量的新能源发电装置以分布式电源(DistributedGeneration, DG)的形式接入到电网中，在缓解电网压力的同时也给电网带来了电能质量和规划、运营、控制等方面的挑战。

DG一般是指接入配电网当中或电网中用户一侧的小容量(一般10MW以下)的发电系统。DG的类型主要包括微型燃气轮机、燃料电池、太阳能光伏电池、风力发电以及储能装置等，其中以光伏发电和风力发电应用最为广泛。DG以小规模、分散式的方式布置在用户附近，这样不仅输电损耗小，还能方便可靠地实现功率补偿和电能供应。由于DG在经济环保、电力安全性和可靠性以及满足用户的多样化需求等方面具有较大优势，得到了极大的重视和广泛的应用。

传统电网在接入大量的DG之后，使得电网不再是只有电力负荷的能量单向传输的配电网，而是电源与电力负荷并存，能量双向甚至多向流动的电网。这样传统电网的调度、控制和管理方法需要更新换代才能适应这一新形势。1

主动配电网的特点主动配电网的特点主要有:

1)是含有大量中小容量的DG；

2)主动配电网中的功率是双向流动的；

3)主动配电网能够实现自我控制、保护和管理等功能。目前被广泛研究的微网(Microgrid )可以说是ADN的一种特殊形式。

目前学术界和工业界都己逐步将研究方向从单纯的新能源发电技术转向到新能源发电接入主动配电网和微网方面，并建立示范工程和实验系统，以证明新型配电系统的可行性和可带来的效益。1

国内外研究现状主动配电网(ADN)是近几年来才提出的新名词。最早美国电力可靠性技术解决方案协会((CERTS)提出了“微网”的概念，微网是由微电源和负荷共同组成的系统，可同时提供电能和热量，其组成结构较ADN简单，也可以说是ADN的一种特殊形式。

目前对ADN的研究处于领先地位的主要有北美、欧盟和日本等。美国CERTS已在美国电力公司Walnut的微网测试基地成功验证了微网的初步理论;欧盟推出了“Microgrids”和“More Microgrids" 2个主要项目，德国太阳能研究所建成的微网实验室规模最大，容量达到200kVA，该研究所还在其实验平台设计安装了简单的能量管理系统;日本常规能源较为匾乏，在可再生能源开发和利用上投入较大，已在国内建立了多个微网项目，其微网实验系统的开发亦处于世界领先水平。

而我国对ADN的研究较其他国家相对落后，研究热点主要集中在DG本身的控制以及DG规划和运行等方面，对DG的并网技术标准和并网规程方面尚有欠缺，这极大地限制了分布式发电技术的应用和推广。但是我国大力支持可再生能源的发展，在西部和沿海分别建立了光伏电站和风力发电场等，估计2020年将达到20GW~30GW作为电力行业一个新兴的研究热点，对主动配电网的研究大多集中在电能质量(电压和谐波)、系统稳定性(静态稳定性和动态稳定性)、可靠性以及DG控制方法的改进等方面。1

主动配电网建模ADN一般是指由分布式电源、负荷、储能系统和控制装置构成的配电系统。

配电网是指电力系统中二次降压变电所低压侧直接或经过降压变压器降压后向用户供电的网络。配电网按电压等级可分为高压配电网(35~110kV)、中压配电网(6~10kV)和低压配电网((0.4kV)，而ADN多指含DG的更靠近用户侧的低压配电网。

低压配电网的结构按接线方式大致可分为三种:辐射网、树状网、环状网。如图所示。图中位于低压母线出口处的黑色方块代表断路器，馈线上的黑色圆点代表线路节点，箭头代表负荷。不管是何种结构，都是由高压电网经降压变压器降压后通过单个或者多个馈线向某区域内用户供电，而用户则可以处于馈线上的任意节点。2

低压配电网一般具有如下特点:

1)深入城市中心和居民密集点;

2)传输功

率和传输距离一般不大;

3)供电容量、用户性质、供电质量和可靠性要求不同;

4)中性点不接地运行，单相接地时允许运行一段时间。

变压器模型ADN结构中包含一个连接大电网的降压变压器，其额定容量等级通常在0.1~1MVA之间。额定容量的等级同时也决定了整个配电网中所能承载的负荷容量。变压器通常有一个典型的载荷调节范围为额定容量的士5%。变压器负荷率又称运行率，是影响变压器容量、台数和电网结构的重要参数，其表达式为:

式中，S1为变压器的实际最大负荷，Ssc为变压器的额定短路容量。KP取值大，则称高负荷率;KP取值小，则称低负荷率。

变压器的励磁电流通常占额定负载电流的百分比很小(正常低于3 %)，故励磁支路在谐波分析中经常被忽略，所以变压器一般利用它们的串联漏电抗表示。在谐波作用下，变压器绕组以及绕组匝间的电容将起作用，若谐波次数不太高，此作用可忽略。故变压器等值电路可简化为一个连接变压器原副边节点的阻抗支路，如图所示。1

输电线路模型ADN中的输电线路主要有地下电缆和架空线路。前者主要应用在高负荷密度的城市区域，而后者应用更为普遍，主要材料是绝缘A1芯或Cu芯导体。

在电力系统分析中，用电阻、电抗、电纳和电导参数反映输电线路特性。实际上，这些参数沿线均匀分布，即在线路任一微小长度内都存在电阻、电抗、电纳和电导，因此精确地建模非常复杂。输电线路模型可分为等值的集中参数元件模型和行波模型两大类。在仅需要分析线路端口状况，即两端电压、电流、功率时，通常可不考虑线路的分布特性，用集中参数元件模型模拟输电线路;当线路较长时，则需要用双曲函数研究均匀分布参数的线路。

负荷模型ADN中的负荷按其特性分类大致可分为线性负荷和非线性负荷两类。线性负荷可作为抑制谐波畸变的元件，用接地等值阻抗可以模拟，在谐波频率下，其电抗随着频率变化。非线性负荷主要包括家用电子设备以及换流式开关电源等，这些非线性负荷对配电系统来说相当于离散型谐波源。随着非线性负荷的大量增加，会加重用户电流的畸变率，影响供电电流波形。但是由于不同非线性负荷的谐波电流分量存在相角差经常会发生相互抵消，因而降低了系统对电压畸变水平的有效影响。

同理，DG作为ADN中的有源非线性负荷，谐波之间也存在相互抵消的现象。有研究表明[[32]，对于同类负荷，低次谐波分量(如3次和5次)只有很少的抵消作用，而高次谐波分量的抵消作用却很明显。在对高次谐波需要关注的时候，这类抵消效应是很重要的，谐波之间的相位差、配电网的线路阻抗以及负荷都能消除部分谐波。同时，配电网中固有的单相负荷使得配网具有不对称的特点。

(1)线性负荷模型

在给定频率时，线性负荷等值阻抗为常数，负荷吸收的有功功率和无功功率与负荷的电压平方成正比。如图所示为串联和并联的恒阻抗负荷模型。

(2)非线性负荷模型

非线性负荷主要包括一些电力电子型设备，比如个人计算机、节能荧光灯、电视机和荧光照明设备等。这些负荷除了是谐波源之外，还不能用恒定的R, L,C结构来表示，而且其非线性特性不太适合用线性谐波等值模型表示。非线性负荷可以作为谐波注入电流源考虑，对于一些非线性负荷来说，只要实际的电压畸变低于1%左右，就可以看成是理想的电流源。1

DG模型由于DG变流器是ADN谐波的主要来源之一，为了对ADN的谐波特性进行研究，有必要通过建立合理的模型研究DG变流器的谐波特性。

1、DG的分类

DG的形式主要包括微型燃气轮机、燃料电池、太阳能光伏电池、风力发电以及储能装置等，其中以光伏发电和风力发电应用最为广泛。下面简要介绍一下储能装置、光伏发电和风力发电的拓扑结构及工作原理。3

(1)储能装置

在配电网中接入储能装置，可以起到良好的移峰填谷的作用。在电量过剩时，储能装置可以吸收能量，反之，在电量紧缺时，储能装置释放能量。同时，为支持ADN的离网运行状态，ADN中通常安装能快速调节频率和功率平衡的储能装置。该储能装置可以是蓄电池组，也可以是飞轮储能等。其安装位置多在降压变压器低压侧出口母线处。典型的蓄电池接入电网的拓扑结构如图所示。

(2)光伏发电(PV)

由于光伏发电受光照强度和天气情况等制约，输出功率具有随机性和波动性，故在ADN中通常采用电流型控制策略。其典型双级式并网拓扑结构如图所示，太阳能电池组件发出的直流电经过直直变换器升压，再经并网变流器将直流电转换成工频交流电，最后经滤波装置、隔离变压器之后并网。采用这种双级式拓扑结构能简化每一级的控制方法，提高各级的控制效率。

(3)风力发电(WP)

风力发电(Wind Power)是一种由传动装置将风能转为机械能，再由发电机将风能转换为电能的发电技术。风力发电因为风速的不确定性，导致其输出功率与PV系统一样具有随机性和波动性。故其在ADN中同样采用电流型控制策略。以目前两大主流机型直驱型和双馈型风力发电系统为例，其典型拓扑结构如图所示。图 (a)为直驱永磁同步发电系统，同步发电机发出的电能经过交一直一交变流器转换为工频交流电，再经过滤波装置、隔离变压器之后并网。图(b)为双馈异步风力发电系统，双馈机的定子侧输出工频交流电直接与电网相连，转子侧则经交一直一交变流器再与电网相连，以提供可控的转子励磁电流。与双馈机组相比，直驱型风力发电机组由于省去了齿轮箱，具有结构简单，运行维护成本低，可靠性和效率高等优点。1

2、DG的接入形式

DG接入系统有两种方式:并联接入电网或通过开关切换，如图所示。

在并联接入方式中，当DG供电中断时，电网能瞬时弥补负荷差值。同样，当电网出现故障时，DG也能瞬时承担起负荷。这种方式可以保证负荷始终不间断供电。

在开关切换方式中，任一时刻DG与电网中仅有一个电源与负荷相连，而另一个仅在开关切换后工作，但负荷在开关切换过程中处于停电状态。

开关切换方式与并联接入方式相比有如下优点:

1)设备和运行简单，控制和调节回路较少；

2)由于DG一般只在需要时运行，因而DG运行成本较低;而并联运行时，DG始终保持运行，这不仅会增加燃料和运行维修费用，还会造成机组磨损等。1

3、DG变流器模型

不同种类的DG通常需要通过电力电子装置接口并网，不考虑不同DG的特性，认为中间直流侧己控制恒定，只关注并网逆变器侧。以目前应用最广范的三相电压源型两电平PWM变流器作为研究对象，其输出电流的谐波与电网电压、PWM调制策略和开关频率、控制策略和参数、工作条件和输出功率等有关系。

三相PWM变流器最基本的工作原理是在维持直流电压Udc恒定的基础上，通过调节变流器交流侧输出电压的幅值和相位，改变网侧有功和无功功率的大小。

带PQ控制策略的Average模型框图，如图所示。

图中Pref和Qref是逆变器输出有功和无功的设定值，与q轴电压的1.5倍相除可以分别得到d、q轴电流的指令值( 和 也可以直接给定)。d、q轴电流的指令值与实际电流的误差通过PI调节环节后，经过解耦得到的ud、uq重新转换到abc三相静止坐标系，直接给可控电压源，通过电感并入电网。通过PQ控制，使得逆变器的输出功率总是跟踪给定的有功和无功功率。

等量变换的有功无功计算公式如下:

在Average模型中，忽略了直流侧电压的变化，在电网电压不变的条件下，只要改变框图中有功无功的指令就可改变变流器输出的有功功率和无功功率，这样就能模拟PV和WP等DG输出功率的变化。同时，与Detail模型相比，由于没有开关过程，Average模型的输出电压中不含高次谐波，只有受控制性能影响而产生的少量低次谐波。Average模型适用在不考虑SVPWM产生的低次谐波。

需求响应随着配电侧售电市场的不断放开，主动配电网将在未来的电能交易中充当重要的角色。 通常根据种类不同将需求分为两类：第一类是不会受电价的波动而改变的需求!称为刚性需求；另一类是随着电价的波动用电需求量随之发生改变的需求，称为弹性需求。

以弹性需求函数表征弹性需求与价格之间的关系，如下式所示：

式中

d 表示用电需求;

p表示单位售电价格;

α、σ为弹性需求系数。

由上式可以看出!随着电价下调，用电量显著提升，然而当配网运营商参与到交易市场!实际负荷超过协议购买的电量时，会存在相应的价格惩罚系数μ，即配网的购电成本将显著上升，并且当负荷过重时还会影响到配网的稳定运行。

右图展示了用电量与单位用电价格和购电成本之间的关系。图中 、 分别表示t时段用户电能的刚性需求量和最大需求量。显然 ≤ ≤ ，可以看到在2条曲线的交点处用户可以获得优惠的电价并且配电网运营在一个经济环境下。 当超过 时，配网的购电价格将大于向用户侧的售电价格。

意义随着DG越来越多的引入配电网，其自身的问题也日渐显现。比如，可再生能源的间歇性，发电量的不确定性等，再者，可再生能源以DG形式并网通常需要通过电力电子装置转换成标准的工频交流电供给负荷或并网。电力电子装置大多采用PWM控制，其产生的谐波电流若不经过有效抑制会使电网的谐波问题更为严重，同时，由于工业中非线性负荷的大量增加，比如静态功率变流器的广泛应用，引起了电网电压、电流波形发生畸变，造成电网谐波污染。这些都给电力系统的规划和运行带来了很大的挑战，其中对配电网谐波分析的影响近年来逐渐成为电力行业所关注的主要问题之一。因此正确合理地分析DG的谐波特性、DG谐波对电网谐波分布的影响以及DG与电网谐波之间的相互影响有利于DG的进一步发展和应用，对于研究和发展主动配电网具有十分重要的指导意义。

展望未来的研究方向可概括如下:

(1)DG模型只考虑了并网变流器侧，如果考虑到风力发电、光伏发电和储能装置各自的特点，DG输出的谐波特性可能会有差别。

(2)对离网情况下的谐波分析可以从负荷多样性、DG波动性以及再并网等方面继续深入。1