智能供配电-大作业-----主动配电网中分布式发电机孤岛运行的仿真研究实验

主动配电网中分布式发电机孤岛运行的仿真研究实验ABSTRACT:TheActiveDistributionNetworkwasresearchedinthispaperthatincludestheDG,thecontrolstrategyofActiveDistributionNetworkwasstudiedandthemodeloftheDGwasestablished.Forsynchronousgenerator,itsspeedcontrolsystemandexcitationsystemwasmainlyanalyzed,combinewiththegovernorandexcitationsystemwhichwidelyusedinthecurrent,electronicgovernorandphasecompoundexcitationACbrushlessexcitationsystemwaschoosedasthespeedcontrolsystemandexcitiationsystemofsynchronousgenerator,andthemathematicalmodelofprimemoveranditsspeedcontrolsystemandsynchronousgeneratoranditsexcitationsystemwasestablishedaccordingtoitsstructureandcontrolprinciple.Thus,thesimulationmodelofDGwasestablishedinMATLAB/SimulinkaccordingtotheirmathematicalmodelandthesimulationmodelofActiveDistributionNetworkwasestablishedcoordinatesitsintegralcontrolstrategywithjointhesimplifiedmodelofload.KEYWORDS：DG；islandoperation；AND；simulation摘要：本文以包含有同步发电机形式的分布式电源主动配电网为研究对象，研究了主动配电网的控制策略并对DG进行了建模。对同步发电机，主要对其调速系统和励磁系统进行了分析，根据实际中普遍使用的调速器和励磁系统的类型，选用电子调速器和相复励无刷交流励磁系统作为同步发电机的调速系统和励磁系统，并根据其结构和控制原理建立了同步发电机各部分的数学模型，在MATLAB/Simulink中建立了仿真模型，再加上简化的负载模型，建立了整个主动配电网孤岛运行系统的仿真模型关键词：DG；孤岛运行；主动配电网；仿真0引言随着新能源和可再生能源开发工作的积极展开，基于可再生能源的分布式发电技术(distributedgeneration，DG)得到了广泛的应用。分布式电源的发电规模一般不大，在几十千瓦到几十兆瓦之间，它们一般分布在配电网或安置在用户侧，主要包括利用新能源发电技术的发电机组，如风力发电机、光伏电池、生物能电源以及潮汐能发电机组等，还包括用户自备的小型发电机组，如自备柴油发电机、微型燃气轮机、储能装置以及小型水利发电机组等。分布式电源可以方便的利用周围的可用能源，经济、高效的发电。分布式电源不仅能很好的满足终端用户的需求，还能对所接入的配电网起到一定的支持作用，分布式电源规模小，具有投资少、安装灵活和建设快等优点，由于分布式电源靠近负荷，与传统大电网相比，避免了长距离输电线路的建设，从而节省了大量的投资。DG配置在用户负荷附近，可以有效的保证对用户端的可靠供电，增加电网的稳定性，改善电力系统的电能质量和经济性，还可以满足大部分新增负荷的需求，对目前电力紧缺的状况有很大的帮助。虽然分布式电源在配电网中产生了积极作用，但DG接入系统改变了配电网的结构，传统配电网一般为辐射状无源网络而且只具有分配电能的功能，但接入DG后，配电网中分布有大量电源，其功率传输状态发生了改变，配电网不仅具有分配电能的能力，还要具有接受电能的能力，这对电力系统的保护设计以及潮流计算都有很大的影响，而且由于DG一般受自然环境的影响较大，具有分散、随机变动等特点，配电网与DG之间的协调运行和控制变得更加复杂，配电网自动化和智能电网的建设将面临巨大挑战。然而，随着更大范围的DG渗透，在与主动电网解列（LossofGrid，LOG）的情况下，DG的自动切离大大降低了DG的预期效益。它还会导致电网故障中DG不必要的功率损失，同时也增加了保护系统的复杂性。目前，在系统发生干扰时保持DG连接得理念以及DG孤岛保护问题在全球研究人员中被广泛讨论[1-5]。本文给出了主动配电网中对DG孤岛运行的仿真研究，它验证了DG孤岛运行技术的可行性，并以此来发挥其在提供辅助服务以及提高能源供应的整体质量和可靠性方面的优势。1主动配电网简介1.1主动配电网的概念及意义主动配电网（ActiveDistributionNetwork，ADN），即内部具有分布式或分散式能源且具有控制和运行能力的配电网。电网正处在一个从单向电力传输的稳定被动配电网（PassiveDistributionNetworks）向双向电力传输的主动配电网过渡的时代[12]。当DG机组接入配电网后，配电网中流动的双向潮流使其成为主动配电网。充分利用主动配电网的可控资源，研究可以实现电网侧的主动规划、管理、控制与服务、负荷侧的主动响应和发电侧的主动参与的核心技术（装置系统），变被动接受为主动利用，实现主动配电网的运行目标[13]。1.2理论研究进展主动配电网规划方面，中国电力科学研究院范明天教授在其论文中分析说明了分布式能源（DER）接入对传统配电网的影响和主动配电网的发展必要性，比较了传统配电网与主动配电网的差异，并探讨了主动配电网规划设计的技术经济可行性。笔者提出了基于供蓄能力指标的主动配电网储能优化配置方法。主动配电网运行控制与优化方面，湖南大学曹一家教授对含分布式能源的辐射状配电网最优潮流问题进行了研究，建立了一种在负荷不平衡配电网短期运行中考虑分布式能源预测误差的基于机会约束优化的多目标最优潮流模型。笔者提出了基于馈线控制误差（FCE）的主动配电网协调控制方法以及多时间尺度的主动配电网分层协调控制方法[6-8]。主动配电网故障处理方面，陕西电力科学研究院刘健教授、东南大学陆于平教授以及山东理工大学的徐丙垠教授等研究团队研究了含分布式电源配电网的保护问题以及故障定位、隔离与恢复供电问题。对分布式电源的故障电流特性和含分布式电源配电网的短路电流进行了分析，探讨了根据故障电流信息和传统故障定位规则，对含分布式电源配电网进行故障定位的可行性分析，取得进展[9-11]。1.3主动配电网愿景展望在主动配电网中，随着分布式发电的发展和电力市场的建立，将出现一批售电公司，分为：负荷、发电和发电聚合体，组织起来参与电力市场，提供电能和辅助服务。作为联接用户与输电网的重要配电基础设施，不仅承担确保配电网安全运行的配电调度员的职责；还将肩负使得用户可以方便参与电力市场买卖电能、协调控制分布式发电的重任[14]，即是市场的经营者。主动配电网的目标是在确保电网安全运行可靠性和电能质量的前提下，增加对现有配电网对可再生能源发电的容纳能力[15]。2同步发电机模型2.1原动机及其速度控制系统当下，分布式电源中的同步发电机多为用户自备柴油发电机组，采用柴油机作为同步发电机的原动机，调速器多采用响应速度和调节精度高的电子调速器，产生工频交流电，可以直接并网运行。因此本文针对柴油机和电子调速器进行建模研究，但实际应用中其种类繁多，结构原理和工作过程也有一定差异，为使所建模型具有一定代表性和广泛性，本文只考虑主要因素，根据其工作原理建立简化的数学模型[16]。2.1.1电子调速器的数学模型柴油机的转速是通过改变循环喷油量来调节的，其调速系统主要由转速反馈单元、转速控制单元和执行机构几部分组成，结构框图如图1所示。图1柴油机调速系统结构图Fig.1Thestructurediagramofdieselenginespeedregulationsystem(1)转速反馈单元的数学模型转速反馈单元一般采用脉冲式转速传感器，将测得的转速n转化为一个频率与n成正比的脉冲信号，然后将这个脉冲信号转化为一个与n成正比的电压信号Uf，其传递函数可以用一个比例函数表示为:1f1sKsnUsG(1)式中：K1为比例函数的增益。(2)转速控制单元的数学模型转速控制单元实际上是一个PID控制器，输入的是给定的转速和柴油机的实际转速之差，经过PID调节输出电压信号通过执行机构控制柴油机的供油。转速控制单元决定了调速系统的性能，其数学模型如下所示：sTsTKsUPWdin11ss2（2）式中：Un为给定转速电压与实际转速电压之差；P为油门位置电压信号；K2为比例增益；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。(3)执行机构的数学模型执行器是调速系统的机械动作单元，该单元将前一环节输出的油门电压信号转化为实际的机械位移信号，控制柴油机的喷油量，其本质是对输入的电压信号经过比例放大和一定时间延迟，可用一阶惯性环节等效，传递函数如下所示：11sst3sTKsPFW(3)式中：F为油泵刻度齿条所在实际位置的电压信号；P为油门所在实际位置的电压信号；K3为比例增益；Tt为惯性时间常数。2.1.2柴油机的数学模型当前关于柴油机的文献中，其模型基本都是根据达朗贝尔原理由[17-18]柴油机在某一平衡状态点的推导，把其等效为一阶惯性环节和一个延迟环节，当柴油机的平衡状态改变时，其在两个新旧平衡状态之间的动态方程如下所示：dtdJICCTT12r0（4）式中：T0为柴油机在新旧两个平衡状态下输出的扭矩之差；Tr为前后两个状态下柴油机的阻力矩之差；(C2–C1)为前后两个状态下柴油机的速度特性曲线斜率之差；w为柴油机曲轴角速度；J为机组转动惯量；I为机组阻尼系数。柴油机喷油量的多少决定了其输出扭矩的大小，因此喷油泵刻度齿条的位置与输出扭矩可以看作一个比例环节，传递函数为：40sKsFsTW(5)式中：K4为比例系数。2.1.3原动机及其速度控制系统的仿真模型根据以上各节建立的柴油机及其电子调速系统的数学模型，将各部分模型根据图1所示的结构组合，在Simulink软件中搭建的原动机及其调速系统的仿真模型如图2所示所示。图2原动机及其速度控制系统仿真模型Fig.2Thesimulationmodelofprimemoverandspeedcontrolsystem其中，w*是柴油机的转速参考值(pu值)，一般取为1，w(pu值)是柴油机的实际转速值，Pmec(pu值)是柴油机的输出功率。2.2同步发电机及其励磁控制系统2.2.1同步发电机的模型同步发电机是电力系统重要的元件，其输出特性决定着整个电力系统的动态性能，同步发电机的电磁暂态和机电互动现象十分复杂，其在三相静止坐标系下的数学模型中有一些参数随着转子的旋转而变化，使得对其数学方程的求解十分困难，为便于求解，目前普遍采用坐标变换的方法将同步发电机在三相静止坐标系下的数学模型转化到dq0旋转坐标系中。在dq0系统下，同步发电机的基本方程为：QQHHDDFFqddqQHDFqdfqdiriririrririPUUU0000000(6)式中：Ui为各绕组端电压；ii为各绕组电流；Ψi为各绕组磁链；ri为各绕组电阻,p为微分算子（i可取d、q、F、D、Q）。电磁力矩的计算公式为qddqiiTe(7)在MATLAB/Simulink的器件库中有软件厂