一种含分布式电源的配电网机电暂态仿真算法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种含分布式电源的配电网机电暂态仿真算法，属于配电网时域仿真 领域。
【背景技术】
[0002] 近年来以可再生能源为主的分布式发电技术凭借其投资小、发电灵活、与环境兼 容等优点得到了快速发展，而分布式电源种类、并网方式多样，具有间歇性、随机性，运行方 式有并网、孤岛运行，渗透率也在提升。因而分布式电源大量接入配电网加重了本来就较为 复杂的配网的运行负担，表现为对配网供电可靠性、电能质量、运行方式调度、继电保护等 有很大影响，为此研究配网的仿真计算对于配电系统规划、运行方式校验、电力事故预防等 有重大现实意义，能从定量角度预测、分析配网运行情况。
[0003] 不同于输电网，传统配电网不含同步电机，不存在同步电机带来的功角稳定性问 题、电压稳定性，传统配电网的几乎没有可以研究的暂态问题，故而相比于输电网，配电网 的暂态建模与分析一直没有得到重视。分布式电源的接入，使得配电网存在了更多的惯性 元件（电机和逆变器），也有研究者开始研究分布式电源的暂态问题，研究问题主要有分布 式电源的建模、分布式电源以及微网的并网稳定性等，存在的问题有:分布式电源建模没有 通用的模型;研究的系统较为简单，大部分是单机无穷大系统，仅仅考虑的是单个分布式电 源或微网的并网控制问题，没有研究全配电网的暂态仿真，也没有提及多机问题;相关电气 量的控制稳定性研究较多，但没有研究分布式电源是否存在功角稳定性问题;大多分布式 电源暂态研究都采用了 111&丨1&13、？5040、018511^阶4103等软件仿真，缺少自主编写的仿真 软件。
[0004] 暂态仿真主要有时域仿真法和李雅普诺夫直接法(简称直接法），虽然直接法计算 简单速度较快，不仅能判断是否稳定而且能给出稳定度，但其模型简单、计算结果精度差、 可信度低使得直接法难以得到广泛应用。时域仿真法，又称为逐步积分法，突出优点能够得 到直观、信息丰富的时域曲线，可适应多节点、多种复杂元件模型、不同的故障操作的大规 模电力系统仿真，计算精度较高，不足的是计算速度非常慢、仅仅得出是否稳定不能给出稳 定裕度。时域仿真法是将电力系统各元件模型根据元件间拓扑关系形成全系统模型，形成 一组微分方程组和代数方程组，一般以稳态工况或潮流解为初值，利用微分方程的数值解 法求扰动下的数值解，即按数值积分方法逐步求得系统状态量和代数量随时间的变化曲 线。微分方程主要存在于电源和负荷节点，整个系统网络方程是线性代数方程。求解过程中 要交替求解微分方程、代数方程。当发生故障或操作时，节点导纳矩阵和微分方程组要作相 应修改。
【发明内容】
[0005] 针对当下研究较少的配电网仿真领域，本发明提出了一种含分布式电源的配电网 机电暂态仿真算法，该算法的具体步骤主要包括：
[0006] I)对分布式电源进行建模，构建含分布式电源的配电网三相系统模型；
[0007] 2)对配电网模型中的节点和支路进行编号，将各节点的三相负荷参数和各支路的 三相阻抗参数标幺化；
[0008] 3)构建单相系统，采用前推回代进行潮流计算，作为三相牛顿拉夫逊潮流计算的 初值；
[0009] 4)对配电网进行三相牛顿拉夫逊潮流计算，用于求解时域仿真的初值；
[0010] 5)将分布式电源中的恒阻抗部分并入网络，选择步长与时间，对新网络进行时域 仿真计算。
[0011] 本发明所述步骤1)中，分布式电源并网采用PQ控制策略，由于逆变器的控制是在 dq轴解耦进行的，可采用正交park变换得到dq轴下电路模型，变换阵相角采用和网侧电压 相位一致;将配电网上级变电站出口母线视为无穷大电源，并在潮流计算中作为平衡节点， 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;馈线上所有负荷等效为支路 末节点集中负荷，且为恒功率PQ负荷，考虑功率不对称;馈线支路采用集中参数模型，考虑 三相之间的耦合电抗。
[0012] 本发明所述步骤2)中，将平衡节点编号为0,作为根节点，暂不考虑存在的少量合 环支路，采用树的广度或深度搜索对配网其他节点进行编号，各支路编号采用支路末节点 号，再接着对合环支路编号(顺序无影响）；选取上级变电站母线电压作为基准电压、上级变 电站容量为基准功率，将配网中所有线路阻抗、负荷进行标幺化。
[0013] 本发明所述步骤3)中，将配网中存在的极少量合环在合环支路处解环，配网呈辐 射状，将各辐射支路已经标么化的a、b、c各相的自阻抗求和再除以3作为单相系统的对应支 路阻抗，所有互阻抗不考虑;将各负荷点已经标么化的a、b、c各相功率求和再除以3作为单 相系统的对应节点负荷;各节点电压初值选lpu、相角选0,以此方法从全耦合三相系统构建 出简化的单相系统;单相系统采用前推回代进行潮流计算，由于仅仅是计算牛拉法迭代初 值而且前推回代计算效率高、收敛性好，前推回代收敛精度的选择对于最终牛拉法计算精 度、运行时间影响甚微，选择范围较宽。
[0014] 本发明所述步骤4)中，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，恒电流负荷节点只需存 储该节点各相电压初始幅值，在时域仿真过程中通过各时步电压幅值修改恒电流负荷功 率，再利用（1)得到注入电流，恒功率负荷在各时步都利用(2)求解注入电流：
[0017] 需要特别处理的节点初值是动态负荷和分布式电源节点，动态节点模型是微分方 程和代数方程组成，除给定参数外，存在较多的状态量和代数量初值求解问题，其策略是利 用稳态时各变量是恒值，故所有微分项为零。
[0018] 将分布式电源源侧看作恒定直流源，考虑电感滤波，其电路模型为：
>
[0020] 其中Ugd、Ugq是dq轴网侧节点电压，其中id、iq是微分量也是分布式电源的注入电 流，K是变比，δ是逆变器输出电压超前网侧电压相角。
[0021] 记控制器中第i个PI环节的输入和积分器输出变量为PIi_x、PIi_y，其对应微分方 程为式(4)，则一个分布式电源元件存在的状态量有电路模型中的id、iq以及4个PI的积分环 节输出 PIi_y(i = l，2,3,4)，总 6 个。
[0023]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UgabcJ和三相对称电流iabc进行变换，得到UgdQ(UgqQ = O)、idQ、iqO。
[0026]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、ΡΙ环节的 输入PIi_x = 0(否者PIi_y不是稳定值），带入微分方程求解。由式(3)有：
[0028]解得：
[0032]以上是电路方程中的状态量、代数量求解，关于控制器中的代数量、状态量求解， 这里仅给出PI2环节的处理方法，其他PI环节类似处理：
[0035] P12_y ο = Udref ο (13)
[0036] 本发明所述步骤5)中，设置扰动参数，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，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。
[0037]其中，状态量的求解如下：
[0038]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，本文采用 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id和iq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。
[0039]记式(7)id、iq的微分方程为：
[0041 ] 其中：Xdq表示id、iq、Ugd、Ugd、Ud、Uq变量组，当已知第η步状态量、代数量时，也即已 矢口 idn、iqn、Ugdn、Ugqn、Udn、Uqn〇
[0042] 预测环节：
[0044] 其中：hn是第η步求解第n+1步时的步长。
[0045]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Xdqn+1,o， 再进行校正环节：
[0047]代数量的求解如下：
[0048]代数量的求解主要指网络方程的求解，也是式(17)的求解：
[0050] 假设已知第η步/"、仏，求么,+1、&+1，.按4.2.2节的接口处理方法，求解动态元件和 平衡节点的注入电流i +1，再按式（17)求解出&"+1，部分接口电路在求时，需要用到该 节点的?,Η ,先用(>,,代替，再迭代消除电压误差，需要说明的是分布式电源节