于力,許愛東,郭曉斌,雷金勇,李鵬,王智穎
(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,廣州510080;2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)技術(shù)研究中心,廣州510080;3.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)
基于RTDS的有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真與分析
于力1,2,許愛東1,2,郭曉斌1,2,雷金勇1,2,李鵬3,王智穎3
(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,廣州510080;2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)技術(shù)研究中心,廣州510080;3.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)
有源配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)中集成、管理分布式發(fā)電及儲(chǔ)能設(shè)備、需求側(cè)響應(yīng)資源的重要平臺(tái),包括各種智能終端、控制及保護(hù)裝置的研發(fā)與測(cè)試將對(duì)實(shí)時(shí)仿真提出更高要求??紤]有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真的建模需求,文中基于實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)RTDS完成了含光伏、燃料電池等分布式電源的有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真建模,并給出了電力電子裝置、分布式電源及控制器等特殊模型的實(shí)時(shí)仿真算法。研究了有源配電網(wǎng)在環(huán)境條件變化、系統(tǒng)故障及功率指令變化等各種場(chǎng)景下的動(dòng)態(tài)過(guò)程,通過(guò)與離線仿真軟件PSCAD/EMTDC的對(duì)比,驗(yàn)證了實(shí)時(shí)仿真模型的正確性,對(duì)系統(tǒng)資源消耗等分析,更為后續(xù)硬件在回路仿真(HIL)等研究中奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:有源配電網(wǎng);分布式電源;實(shí)時(shí)仿真;電磁暫態(tài)仿真;實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器
隨著各種形式分布式電源、儲(chǔ)能裝置、微網(wǎng)及電動(dòng)汽車充放電設(shè)施等的接入,配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)變成有源網(wǎng)絡(luò),在推動(dòng)能源發(fā)展轉(zhuǎn)型升級(jí),降低化石燃料使用和碳排放,促進(jìn)節(jié)能減排的同時(shí),對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)度、控制保護(hù)、仿真分析等方面帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)[1]。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比,有源配電網(wǎng)采用了大量的電力電子裝置、控制與保護(hù)設(shè)備等,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜[2];另一方面,隨著大量分布式電源的接入,有源配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)隨著外部條件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)荷需求的變化以及故障或擾動(dòng)的發(fā)生而不斷變化,其暫態(tài)特性更加復(fù)雜[3]。因此,通過(guò)仿真手段研究有源配電網(wǎng)的各種暫態(tài)行為,進(jìn)而為配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、優(yōu)化調(diào)度、故障自動(dòng)定位和排除、諧波分析、短路電流計(jì)算、保護(hù)裝置整定、實(shí)際物理系統(tǒng)試驗(yàn)與驗(yàn)證等提供支持,具有十分重要的意義和工程價(jià)值。
從對(duì)仿真計(jì)算時(shí)間的要求看,有源配電網(wǎng)暫態(tài)仿真可分為實(shí)時(shí)仿真和非實(shí)時(shí)仿真兩類,其中實(shí)時(shí)仿真可用于實(shí)際硬件設(shè)備的硬件在回路HIL(hardware-in-the-loop)測(cè)試[4],通過(guò)將實(shí)時(shí)仿真器與實(shí)際物理設(shè)備連接,模擬光照/風(fēng)速變化、電壓跌落、短路故障、甩負(fù)荷等各種特殊運(yùn)行場(chǎng)景下系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程,從而降低各種二次設(shè)備的研發(fā)測(cè)試成本,同時(shí)可避免待測(cè)設(shè)備對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的影響,為分布式發(fā)電裝置的控制器設(shè)計(jì)、保護(hù)裝置整定、智能配電終端的測(cè)試提供理論依據(jù)。
實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器RTDS(real time digitalsimulator)作為成熟的工業(yè)級(jí)仿真工具,在包括各種控制、保護(hù)與智能終端等二次設(shè)備的開發(fā)、試驗(yàn)、測(cè)試等方面得到廣泛應(yīng)用[5]。文獻(xiàn)[6]詳細(xì)介紹了基于RTDS的光伏蓄電池混合發(fā)電系統(tǒng)的建模方法;文獻(xiàn)[7]完成了基于RTDS的含STATCOM的風(fēng)電場(chǎng)建模,并對(duì)其暫態(tài)特性進(jìn)行分析;文獻(xiàn)[8]提出一種含光伏蓄電池的微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略,并在RTDS仿真平臺(tái)上驗(yàn)證了該策略的有效性。本文選擇RTDS作為研究有源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的工具,對(duì)包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在內(nèi)的有源配電網(wǎng)進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)時(shí)仿真建模,分析分布式電源的動(dòng)態(tài)特性以及它們?cè)诟鞣N擾動(dòng)下的暫態(tài)特征,并與商業(yè)離線軟件PSCAD/EMTDC進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證本文建模的正確性,為后續(xù)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。
RTDS的開發(fā)最早基于EMTDC的軟件基礎(chǔ),提供了電力系統(tǒng)大多數(shù)設(shè)備的仿真模型,包括輸電線模型、同步發(fā)電機(jī)模型、電力變壓器模型、濾波器模型、動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型、串聯(lián)電容補(bǔ)償器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器等,對(duì)含高頻開關(guān)元件絕緣柵雙極型晶體管如IGBT(insulated gate bipolar transistor)的電力電子設(shè)備具有較好的建模能力和仿真精度。為保證仿真的實(shí)時(shí)性,RTDS采用特殊的小步長(zhǎng)模塊對(duì)電力電子裝置進(jìn)行仿真,對(duì)電氣系統(tǒng)中的其他元件以及控制系統(tǒng)則采用常規(guī)步長(zhǎng)進(jìn)行仿真,二者通過(guò)接口變壓器實(shí)現(xiàn)接口[9]。
1.1 電氣系統(tǒng)建模
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真步長(zhǎng)通常為50μs/60 μs,該步長(zhǎng)不適于高頻的電力電子開關(guān)電路仿真。對(duì)于有源配電網(wǎng),大部分分布式電源都通過(guò)電力電子裝置接入配電網(wǎng),因此需使用特殊的小步長(zhǎng)模型對(duì)電力電子開關(guān)電路進(jìn)行建模,小步長(zhǎng)有助于抑制步長(zhǎng)間開關(guān)動(dòng)作造成的誤差。
RTDS小步長(zhǎng)開關(guān)模型如圖1和圖2所示,分別用小電感L以及電容電阻串聯(lián)的RC電路表示開關(guān)的開通和關(guān)斷兩個(gè)狀態(tài)[10-11]。圖1與圖2分別表示開通和關(guān)斷兩個(gè)狀態(tài)下的開關(guān)模型及其差分后的諾頓等效電路。
圖1 開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)Fig.1 Opening state of sw itch
圖2 開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)Fig.2 Closing state of sw itch
L、R、C的計(jì)算公式為
式中:u為開關(guān)電壓;i為開關(guān)電流;δ為阻尼系數(shù);Δt為小仿真步長(zhǎng);Gsc與Goc分別為使用梯形法進(jìn)行差分后,開關(guān)在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下的導(dǎo)納。在RTDS中,導(dǎo)納Gsc與Goc是保持相等的,此時(shí)開關(guān)狀態(tài)改變時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣保持不變,從而可通過(guò)直接存儲(chǔ)導(dǎo)納矩陣的逆矩陣的方式,將線性方程組求解轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的矩陣向量乘法,避免了對(duì)于導(dǎo)納矩陣的因子分解,減少了計(jì)算量,加快了計(jì)算速度。另一方面,L、C、R的取值通過(guò)式(1)~式(4)約束,可看出,只有當(dāng)仿真步長(zhǎng)Δt足夠小時(shí),才能使L、C的取值盡量小,若L、C取值較大,這種建模方式會(huì)引入一定的開關(guān)損耗,減小步長(zhǎng)或調(diào)整參數(shù)u、i和δ可有效地緩解該現(xiàn)象。
1.2 控制系統(tǒng)建模
控制系統(tǒng)的建模仿真是實(shí)時(shí)仿真的重要組成部分??刂葡到y(tǒng)元件包括傳遞函數(shù)、典型的非線性環(huán)節(jié)及各種最基本的代數(shù)運(yùn)算、比較運(yùn)算、邏輯運(yùn)算環(huán)節(jié)等。在分布式發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真中,一方面分布式電源中非線性環(huán)節(jié)較多,過(guò)多的插入延時(shí)會(huì)影響計(jì)算精度和數(shù)值穩(wěn)定性;另一方面控制元件數(shù)量較多,因而計(jì)算矩陣維數(shù)較高,進(jìn)行高維度矩陣運(yùn)算會(huì)消耗較多的計(jì)算資源。因此在基于RTDS的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真中,RTDS根據(jù)每個(gè)控制元件的連接順序,依此對(duì)每個(gè)控制元件進(jìn)行求解。
在RTDS中,控制系統(tǒng)采用大步長(zhǎng)進(jìn)行仿真。由于分布式電源具有較強(qiáng)的非線性,例如光伏模型中的光生電流和二極管飽和電流,因此除了分布式發(fā)電系統(tǒng)的控制器,分布式電源也在控制系統(tǒng)中進(jìn)行建模求解。
1.3 接口變壓器
雖然使用小步長(zhǎng)有利于提升仿真精度,然而RTDS的大步長(zhǎng)模型庫(kù)比小步長(zhǎng)模型庫(kù)提供了更豐富的模型支持,并且如果將整個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)使用小步長(zhǎng)進(jìn)行仿真,將會(huì)過(guò)多地占用有限的計(jì)算資源,另外,50μs/60μs的仿真步長(zhǎng)足以反映常規(guī)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,因此在基于RTDS的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真中,僅對(duì)分布式發(fā)電單元中的電氣部分,如電力電子裝置、濾波器、線路等采用小步長(zhǎng)進(jìn)行仿真,而配電網(wǎng)、分布式電源以及二次控制器等部分采用大步長(zhǎng)進(jìn)行仿真,二者的接口通過(guò)多速率接口變壓器實(shí)現(xiàn)。RTDS中的接口變壓器接入系統(tǒng)中時(shí)會(huì)帶來(lái)附加阻抗,而對(duì)于分布式發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),通常需要以隔離變壓器為接口接入配電網(wǎng),因此用接口變壓器模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的隔離變壓器,并使接口變壓器的附加損耗等于實(shí)際變壓器的漏抗是合理的。
RTDS提供了多種接口變壓器模型,以實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)解耦的功能,包括單相變壓器、三相變壓器等[9]。RTDS對(duì)于接口變壓器的建模借助于傳輸線模型,當(dāng)行波在線路中的傳輸時(shí)間超過(guò)仿真步長(zhǎng)時(shí),該模型具有將兩端網(wǎng)絡(luò)解耦的作用,接口變壓器利用這一特性進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分割。其中傳輸線路單位長(zhǎng)度電感和電容為L(zhǎng)0和C0,輸電線路長(zhǎng)度為d,則傳輸線路的電感參數(shù)L=dL0,設(shè)定為接口變壓器的漏感,輸電線路的電容參數(shù)C=dC0,為非真實(shí)的引入量,波傳輸時(shí)間。在RTDS中,模擬解耦變壓器的輸電線路的傳輸時(shí)間τ固定設(shè)置為大步長(zhǎng)的1.39倍[10]。具體計(jì)算公式為
式中,ΔT為大仿真步長(zhǎng)。電容C是非真實(shí)存在的引入量,因此必須保證容抗XC不能太小,否則會(huì)影響仿真結(jié)果,這也是RTDS限制漏抗XL不能小于0.05 p.u.的原因。
有源配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)仿真?zhèn)戎赜趯?duì)分布式電源、網(wǎng)絡(luò)中各種快速變化的暫態(tài)過(guò)程以及較短時(shí)間范圍內(nèi)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果的詳細(xì)仿真,特別強(qiáng)調(diào)仿真的準(zhǔn)確性和完整性,因此需要采用詳細(xì)元件模型對(duì)分布式電源進(jìn)行建模。本文以含光伏、燃料電池的有源配電網(wǎng)為例,說(shuō)明適于實(shí)時(shí)仿真的建模方法。
2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模
光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、濾波器、線路、負(fù)荷等構(gòu)成。本文以并網(wǎng)單級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)[12]為例,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structureof PV generation system
光伏陣列中的光伏電池采用單二極管等效電路模型[13-14],如圖4所示,其中V為光伏陣列輸出電壓;I為光伏陣列輸出電流;Iph為光生電流源電流;Is為二極管飽和電流;Rs為光伏電池串聯(lián)電阻;Rsh為光伏電池并聯(lián)電阻。
圖4 光伏電池等效電路模型Fig.4 Equivalent circuitmodelof PV
本文中,光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器采用VdcQ控制[16],其中,直流電壓控制的參考電壓值由基于擾動(dòng)觀測(cè)法的最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT(maximumpower point tracking)控制算法[16]給出。
2.2 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)建模
燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括燃料電池堆、直流電容、三相逆變器、濾波器、線路以及電網(wǎng)等,其中燃料電池堆的種類較多,且時(shí)間尺度較大,考慮到建模仿真的難易程度以及實(shí)際應(yīng)用范圍,本文采用燃料電池的中期動(dòng)態(tài)模型[15]。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)電力電子裝置的不同分為單級(jí)式和雙級(jí)式兩種類型,本文采用雙級(jí)式結(jié)構(gòu),如圖5所示。
圖5 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of fuelcellsgeneration system
燃料電池堆模型由量測(cè)環(huán)節(jié)、燃料平衡控制系統(tǒng)、電化學(xué)動(dòng)態(tài)部分及電氣部分等組成,如圖6所示。Nf為天然氣進(jìn)氣量的流速率,mol/s;分別代表氫氣進(jìn)氣量和反應(yīng)量的流速率,mol/s;KH2、KH2O和KO2分別為相應(yīng)氣體的閥門摩爾常數(shù),mol(/s·Pa);τH2,τH2O和τO2是相應(yīng)氣體的反應(yīng)時(shí)間常數(shù),s。
與單級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,雙級(jí)式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)增加了升壓斬波(Boost)電路。控制方式與光伏系統(tǒng)類似,仍然采用雙環(huán)控制。通過(guò)控制Boost電路中IGBT的占空比,控制逆變器直流側(cè)的電容電壓,燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器采用直接PQ控制,功率參考值預(yù)先給定。
2.3 含分布式電源的有源配電網(wǎng)建模
陳橋驛先生還主編《杭州市地名志》。宋代詞人柳永《望海潮》:“東南形勝,三吳都會(huì),錢塘自古繁華。煙柳畫橋,風(fēng)簾翠幕,參差十萬(wàn)人家?!焙贾輾v來(lái)是浙江省政治、經(jīng)濟(jì)、文化、交通中心,又是全國(guó)八大古都之一,歷史文化名城和著名風(fēng)景名勝城市,由于地位顯要,《杭州市地名志》亦備受各界人士的青睞和關(guān)注。杭州市地名辦公室深知該志的重要,故特邀陳橋驛先生擔(dān)任主編,陳欣然受命。由于本人亦參加該志自然地理實(shí)體的撰寫,故深知他和以往主編詞典和其他書籍一樣,自肩負(fù)主編起,兢兢業(yè)業(yè),勤勤懇懇,恪守盡職。
本文采用歐盟低壓配網(wǎng)[17-18]的算例,該算例為含有多種分布式電源及儲(chǔ)能裝置的配電網(wǎng)電源配置、控制策略、保護(hù)整定及與大電網(wǎng)相互作用機(jī)理等相關(guān)研究提供了平臺(tái)。其中光伏發(fā)電單元、燃料電池發(fā)電單元的接入位置如圖7所示,系統(tǒng)參數(shù)見附錄A。
圖6 燃料電池中期動(dòng)態(tài)模型Fig.6 Mid-term dynam icmodelof fuelcells
圖7 歐盟低壓配網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structure of low voltage distributed network in EU
為研究含分布式電源的有源配電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性,考慮3個(gè)常見的應(yīng)用場(chǎng)景,并將仿真結(jié)果與離線軟件PSCAD/EMTDC進(jìn)行比較,以驗(yàn)證本文建模工作的正確性。
針對(duì)該有源配電網(wǎng)的規(guī)模,RTDS硬件平臺(tái)配置1個(gè)RACK,包含4個(gè)GPC,每個(gè)GPC包含A、B兩個(gè)處理器。針對(duì)該算例,GPC 1A用于網(wǎng)絡(luò)求解,GPC 2B和3A用于小步長(zhǎng)子系統(tǒng)求解,GPC 1B和2A用于控制系統(tǒng)仿真,GPC 3B和4A用于線路、變壓器以及三相電壓源的解算。該算例采用50μs的大仿真步長(zhǎng),小步長(zhǎng)由RTDS自動(dòng)設(shè)置為1.8519μs。
3.1 場(chǎng)景1:?jiǎn)蜗嘟拥毓收?/p>
對(duì)故障的詳細(xì)動(dòng)態(tài)仿真,以便對(duì)接入系統(tǒng)的實(shí)際保護(hù)裝置進(jìn)行測(cè)試是實(shí)時(shí)仿真的一項(xiàng)重要應(yīng)用。在該場(chǎng)景中,設(shè)置穩(wěn)態(tài)時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部變壓器前端發(fā)生a相接地故障,0.1 s后切除故障,圖8給出了光伏發(fā)電系統(tǒng)濾波器出口a相電壓、a相電流、光伏輸出直流電壓以及三相瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率。
圖8 有源配電網(wǎng)單相接地故障仿真結(jié)果Fig.8 Simulation resultsof ADNw ith single-phase grounding fault
從仿真結(jié)果可看出,故障點(diǎn)電流幾乎為零,這是由于在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中,為防止零序電流和3倍數(shù)次諧波傳入配電網(wǎng),光伏發(fā)電系統(tǒng)通常經(jīng)隔離變壓器并網(wǎng)運(yùn)行,該變壓器一般采用DY11接法,在光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生接地故障時(shí),零序電流通路阻抗很大,因此零序電流幾乎為零,而單向接地短路的特點(diǎn)是故障電流的正序、負(fù)序和零序相等,因此故障電流幾乎為零,對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流和輸出功率并沒(méi)有明顯的影響。
從圖中可知,RTDS的仿真結(jié)果與PSCAD離線仿真的結(jié)果基本一致。RTDS仿真結(jié)果中的有功功率比PSCAD的仿真結(jié)果略小,這是由于RTDS使用的小步長(zhǎng)電力電子模型本身會(huì)造成一定的開關(guān)損耗,減小步長(zhǎng)能緩解這一問(wèn)題。鑒于PSCAD的仿真步長(zhǎng)僅為1μs,而RTDS的大步長(zhǎng)為50μs,因此波形在細(xì)節(jié)方面并不能完全重合。
3.2 場(chǎng)景2:光照強(qiáng)度變化
光伏的輸出受光照強(qiáng)度影響較大,為研究光照強(qiáng)度變化時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程,設(shè)置穩(wěn)態(tài)時(shí)光照強(qiáng)度由1000W/m2變?yōu)?00W/m2,圖9給出了光伏發(fā)電系統(tǒng)濾波器出口a相電壓、a相電流、光伏輸出直流電壓、電流以及三相瞬時(shí)有功功率值。
從仿真結(jié)果可看出,在光照強(qiáng)度從1000W/m2變?yōu)?00W/m2時(shí),光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率快速?gòu)?0 kW降到8 kW,光伏陣列輸出電流和濾波器輸出電流均有一定程度的減??;另外在MPPT控制下,光伏陣列能夠快速跟蹤到最大功率點(diǎn)輸出,體現(xiàn)了擾動(dòng)觀測(cè)法的有效性。從圖9的仿真結(jié)果中可以看出,PSCAD離線仿真的結(jié)果與RTDS仿真結(jié)果基本一致,不過(guò)RTDS的輸出功率比PSCAD相對(duì)較低,原因與之前相同,這里不再贅述。
圖9 有源配電網(wǎng)光照強(qiáng)度變化仿真結(jié)果Fig.9 Simulation resultsof ADN during the step scenario
3.3 場(chǎng)景3:功率指令變化
為測(cè)試燃料電池發(fā)電系統(tǒng)功率控制的效果,假設(shè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)相連的母線上負(fù)荷需求發(fā)生變化,令系統(tǒng)初始有功功率指令為10kW,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,有功指令由10 kW變?yōu)?0 kW,此過(guò)程中,Boost電路的電壓指令一直為480 V。圖10給出了濾波器出口A相電流和A相電壓值、Boost輸出電壓值以及系統(tǒng)輸出的有功功率、無(wú)功功率。
從仿真結(jié)果看,當(dāng)功率指令從10 kW增加到20 kW時(shí),燃料電池的輸出功率較快地做出了反應(yīng),濾波器輸出電流同樣有所增加;而在有功功率指令突增的情況下,燃料電池反應(yīng)較慢,Boost電路的電容進(jìn)行了放電,在短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充了有功功率輸出,在燃料電池輸出功率增加后,Boost電路的電容重新充電至480 V。從圖中可知,RTDS的仿真結(jié)果與PSCAD離線仿真的結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了本文建模的正確性。
圖10 有源配電網(wǎng)功率指令變化仿真結(jié)果Fig.10 Simulation resultsof ADN during the step scenario
本文首先詳細(xì)介紹了實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器RTDS仿真建模及仿真算法的特點(diǎn),包括基于接口變壓器的多速率接口方法以及基于小步長(zhǎng)的電力電子變流器仿真方法,這些方法對(duì)于保證仿真的實(shí)時(shí)性是至關(guān)重要的。進(jìn)而研究了含分布式電源光伏、固體氧化物燃料電池的有源配電網(wǎng)的暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真建模方法,完成了基于實(shí)時(shí)仿真器RTDS的有源配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)仿真,在此基礎(chǔ)上分析了分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)環(huán)境條件變化、系統(tǒng)外部故障及功率指令變化等各種擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的暫態(tài)特性。本文工作為含多種分布式電源的有源配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)仿真提供了指導(dǎo)思想,同時(shí)為后續(xù)硬件在回路(HIL)測(cè)試研究奠定了基礎(chǔ)。
[1]D’Adamo C,Jupe S,Abbey C.Global survey on planning and operation ofactive distribution networks-updateofCIGREC6.11 working group activities[C]//20th International Conference on Electricity Distribution.Prague,Czech Republic:2009.
[2]孔祥玉,趙帥,賈宏杰,等(Kong Xiangyu,Zhao Shuai,Jia Hongjie,etal).智能電網(wǎng)中電力設(shè)備及其技術(shù)發(fā)展分析(Analysisofequipmentand technology in smartgrid development)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSU-EPSA),2012,24(2):21-26.
[3]尤毅,劉東,于文鵬,等(You Yi,Liu Dong,YuWenpeng,etal).主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)及其進(jìn)展(Technology and its trendsofactive distribution network)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems),2012,36(18):10-16.
[4]Haskew TA,NelmsRM.Real-time simulation ofa 20 kHz parallel-loaded resonant converter using an IBMRISC System/6000Model350[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,1994,41(1):86-90.
[5]梁志成,馬獻(xiàn)東,王力科,等(Liang Zhicheng,Ma Xiandong,Wang Like,etal).實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器RTDS及其應(yīng)用(Real-time digital simulator(RTDS)and its applications)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems),1997,21(10):61-64.
[6]Zhou Yan,Liu Liming,LiHui,etal.Real time digital simulation(RTDS)ofa novelbattery-integrated PV system for high penetration application[C]//2nd IEEE International Symposiun on Power Electronics for Distributed Generation Systems.Hefei,China:2010.
[7]Sattar A,Al-Durra A,Muyeen SM.Dynamic characteristics analysisofwind farm integrated with STATCOMusing RTDS[C]//11th International Conference on Electrical PowerQuality and Utilisation.Lisbon,Portugal:2011.
[8]Han Junbiao,Prigmore Jay,Wang Zhenyuan,etal.Modeling and coordinated controller design of amicrogrid system in RTDS[C]//IEEEPower and Energy Society GeneralMeeting.Vancouver,Canada:2013.
[9]魏明,崔桂梅(WeiMing,CuiGuimei).電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器RTDS簡(jiǎn)介(Introduction of real time digital simulator-RTDS in power system)[J].裝備制造技術(shù)(EquipmentManufacturing Technology),2008,(6):128-130. [10]Matar M,Iravani R.FPGA implementation of the power electronic convertermodel for real-time simulation ofelectromagnetic transients[J].IEEETranson Power Delivery,2010,25(2):852-860.
[11]Pejovic P,Maksimovic D.A method for fast time-domain simulationofnetworkswith switches[J].IEEETranson Power Electronics,1994,9(4):449-456.
[12]Huang Bibin,Li Peng,Wang Dan,et al.Modeling and analysis of PEMFC in distributed generation system[C]// International Conference on Sustainable Power Generation and Supply.Nanjing,China:2009.
[13]Kim Seul-Ki,Jeon Jin-Hong,Cho Chang-Hee,etal.Modeling and simulation of a grid-connected PV generation system for electromagnetic transientanalysis[J].Solar Energy,2009,83(5):664-678.
[14]Park Minwon,Yu In-Keun.A novel real-time simulation technique of photovoltaic generation systems using RTDS [J].IEEE Trans on Energy Conversion,2004,19(1):164-169.
[15]丁菲(Ding Fei).含多種分布式電源和儲(chǔ)能的低壓微網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)建模與仿真(TransientModeling and Simulation of the LV Micro-grid with Multiple Distributed Energy Sources and Energy Storage Elements)[D].天津:天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院(Tianjin:Schoolof Electrical Engineering and Automation,Tianjin University),2010.
[16]趙爭(zhēng)鳴,劉政建,孫曉瑛,等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.
[17]Papathanassiou S,Hatziargyriou N,Strunzk.A benchmark low voltagemicrogrid network[C]//CIGRE Symposium.A-thens,Greece:2005.
[18]Rudion K,Styczynski Z A,Hatziargyriou N,et al.Developmentof benchmarks for low andmedium voltage distribution networkswith high penetration ofdispersed generation[C]//International Symposium on Modern Electric Power Systems.Wroclaw,Poland:2006.
附錄A歐盟低壓配網(wǎng)詳細(xì)參數(shù)
Real-time Transient Simulation and Analysisof Active Distribution Network Based on RTDS
YU Li1,2,XUAidong1,2,GUOXiaobin1,2,LEIJinyong1,2,LIPeng3,WANGZhiying3
(1.Electric Power Research InstituteofChina Southern PowerGrid,Guangzhou 510080,China;2.PowerGrid Technology Research Center ofChina Southern PowerGrid,Guangzhou 510080,China;3.Key Laboratory ofSmartGrid ofMinistry of Education,Tianjin University,Tianjin 300072,China)
Active distribution network(ADN)providesan importantplatform for integrating andmanaging distributed generators,energy storage equipmentand the demand side response resources in smartgrid.However,the R&D and testing of intelligent terminals,controland protection devices give rise to higher requirements for real-time simulation. Considering the demandsof ADN demands in real-time simulation,this paper completes real-timemodeling and simulation of active distribution system with PV and fuel cells based on RTDS.Real-time simulation algorithms for power electronic devices,DGs,controllersare introduced respectively.The transientcharacteristicsofa benchmark case are analyzed under the condition of fault and environmental variation.The simulation results are compared with PSCAD/ EMTDC to validate the correctness and effectiveness of themodel.Thework lays a foundation for the futurework on hardware-in-loop(HIL)simulation.
active distribution network;distributed generation;real-time simulation;electromagnetic transientsimulation;real-time digitalsimulator(RTDS)
表A1歐盟低壓配網(wǎng)詳細(xì)參數(shù)(阻抗單位:Ω/km)Tab.A1 Detailed parametersof benchmark low voltage distributed network
TM74
A
1003-8930(2015)04-0018-08
10.3969/j.issn.1003-8930.2015.04.004
于力(1983—),男,博士,助理研究員,研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)自愈控制與仿真分析技術(shù)。Email:yuli@csg.cn
許愛東(1977—),男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)與微電網(wǎng)控制。Email:xuad@csg.cn
郭曉斌(1975—),男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)橛秒娂坝?jì)量技術(shù)管理。Email:xuad@csg.cn
2014-09-04;
2014-10-31
南方電網(wǎng)公司2013年科技項(xiàng)目“含分布式電源的智能配網(wǎng)試驗(yàn)與檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究”(K-KY2013-109);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863項(xiàng)目)(2011AA05A114)