配电网中分布式电源仿真模型的研究

配电网中分布式电源仿真模型的研究

引言：

科学技术的进步对配电系统的要求越来越高。如果出现故障将给生产造成巨

大的经济损失。近几年西方各国逐渐在配电网中发展分布式电源（Distributed Generation，DG）以发挥其独有的环保性、经济性，全球电力工业出现由传统的

集中供电模式向集中和分散相结合的供电模式过渡的趋势。

1背景介绍

智能配电指的是通过配电网高级自动化技术，对先进的测量与传感技术、控

制技术、信息以及通信等技术等进行综合应用与融合，同时，将智能化的开关技术、配电终端技术等应用其中，最终实现配电网在正常工作状态下，能够得到更

加完善的监测、保护与控制和优化，更为重要的是，它还能保证非正常运行状态

下电网的自愈控制。作为电力系统到用户的最后一环，配电系统和用户之间的关

系是最为紧密的，系统效率的高低将会对用户产生直接的影响。运用数学分析工

具与高端的预测技术，基于配电网物理结构与电网运行情况，最终实现配电网的

精确状态估计于实时优化工作，然后预测配电网潜在发生事件，并且为系统运行

工作人员带来更好的辅助决策建议与便捷决策服务，从而达到配电网自愈的目的。

2配电网综合建模方法

配电网综合仿真是需要具有支持所有配电系统稳态分析和支持以满足未来电

网需求的新类型分析功能。为了实现这个目的，配电网综合建模一般将所有元件

分为四大类：功率转换元件（Power Conversion Elements，简称PC元件）、功

率传输元件（Power Delivery Elements，简称PD元件）、控制元件（Controls）、测量元件（Meters）。

功率转换元件包括：电压源、负荷、电流源、发电机、光伏系统（PV System）和储能装置等等；功率传输元件包括：线路、变压器、电抗器和电容器

等等；控制元件包括：发电机有功调度、电压无功控制、调压器、电容组控制、

开关控制、储能装置控制、保护、重合闸与熔断器等等；测量元件包括：传感器、监视器与智能表计等等。利用这些模型元件，可以构建不同的的系统结构，实现

各种各样的控制策略。

2.1 线路

配电网线路长度比输电线路要短，线路分支比较多，电压等级一般较低，而

且配电线的线路直径比输电网的细，这些因素导致了配电网的电阻与电抗的比值

R/X 比较大（一般 R、X 的比值介于 1～3 之间）。由于配电网中线路电阻与电

抗相差不大或大于电抗，在配电网计算中必须计及线路电阻的影响。由于配电线

路一般比较短，在大多数情况下可以忽略配电线路的对地并联导纳，但是对于一

次配电系统中的地下电缆和较长的辐射型线路，对地并联导纳不能忽略。

2.2 变压器

变压器在配电系统中最重要的元件之一，由于配电系统固有的三相不平衡性，传统输电网采用的单相模型已经不再适用于配电系统中。建立详细的变压器三相

模型，对于三相不平衡的潮流计算和短路电流计算是非常关键的，它直接关系到

计算结果的合理性。三角/星接地型降压变压器电压、电流关系图如下：

图 2-1 降压变压器电压关系图

图2-2 降压变压器电流关系图

2.3 负荷

配电负荷可以接成接地星形或不接地角形的三相平衡或不平衡负荷。在稳态仿真中，负荷作为一端口的电能转换元件可化为诺顿等效电路处理，包含具有线

性特性的导纳和一个理想电流源，如图2-3所示。I

inj 与流入导纳的电流I

Y

的差值，

如下面公式所示。针对不同的负荷类型，需要根据负荷的节点电压以及给定功率

等参数计算等效模型中的导纳和理想电流源的注入电流值。

图2-3 负荷等效模型结构图

其他一些常规元件，如电抗器、电容器等，可采用与线路类似的方法进行建模，其等效电路可根据自身参数直接计算得到。

2.4 功率转换元件建模

功率转换元件(power conversion elements．PC元件)包括电压源、负荷、

发电机、分布式电源与储能系统等．实现电能和其他形式能量之间的转换，采用

诺顿等效模型与电网进行接口相建模时，需要考虑元件的连接方式(星接或角接)，模型结构如图2-4所示：

图 2-4 PC元件建模方法

通常情况下．风力发电系统可以采用发电机模型描述．而光伏发电单元和储

能单元需要重新建模．光伏发电单元结构分为光伏电池板、逆变器两大部分．如

图2-5所示：

图2-5 光伏发电单元模型结构

功率传输(DoWer delivery，PD)元件包括线路和变压器等．用于构成配电网

系统架构和电能的传输．可以采用导纳的形式表示。

图2-6 PD元件建模方法

2.5 控制测量元件建模

控制元件的功率包括发电机有功调度．电压无功控制，调压器及电容器控制、开关控制、储能装置控制、保护、重合闸与熔断器控制等，主要用于对系统的PC

和PD元件进行调节和控制．该类元件并不直接参与系统的潮流求解。

测量元件包括传感器、监视器与智能表计等．主要用于对系统运行状况的检

测和系统物理量的测量．不直接参与系统的潮流求解。

2.6 风力发电模型

风力资源来源于太阳辐射不均匀照成地表产生温度差和气压差。风力用之不尽取之不竭，是可再生能源也是国家鼓励发展的新能源之一。

风力发电技术的基本原理是:

图2-7 风力发电技术的基本原理图

由于风速具有明显的随机性和间歇性,风速分布曲线是风能资源计算的基础,风力发电的并网对电力系统潮流的分布影响,根据统计规律分析,风电场风速符合威布尔Weibull分布；

其中，v为风速(m/s)，为威布尔函数，k和c分别为威布尔形状系数和尺度系数。这样,通过得到的风频特性的数学模型,从而可以对风电场风能资源进行分析。风力发电机组的选型及是否并网的理论根据风能的功率与风速大小，叶片受风面积等因素有关，其功率表达式为：

2.7 并网光伏发电系统

光伏发电系统的主流发展趋势是并网光伏发电系统,它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重要方向,该系统在国内已步入大规模发电阶段，是当今光伏发电的发展潮流。并网光伏发电系统是将太阳能电池发出的直流电逆变成交流，通过与电力网并联运行，由于该系统所发电直接进入电网，省掉了储能的蓄电池组，因而可使其成本下降18%左右，意图如图所示。