于力，李鵬，許愛東，董旭柱，孫充勃，宋關(guān)羽

（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）

中低壓微網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)域仿真與分析

于力1，2，李鵬3，許愛東1，2，董旭柱1，2，孫充勃3，宋關(guān)羽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）

暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)分析時(shí)幾乎很少同時(shí)用于解決同一問題，而在微網(wǎng)以及含分布式電源的配電網(wǎng)中二者的應(yīng)用出現(xiàn)了交集，如何合理地選擇這兩種仿真方法成為了亟待解決的問題。為此，詳細(xì)闡述了暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真的一致性和差異性，對(duì)微網(wǎng)中各種分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行建模，采用Matlab/SimPowerSystems作為暫態(tài)仿真工具，DIgSILENT作為穩(wěn)定性仿真工具，在統(tǒng)一的微網(wǎng)算例上進(jìn)行了大量的仿真測(cè)試。通過對(duì)仿真結(jié)果的比較分析，說明了二者的一致性和差異性，同時(shí)也給出了其各自的適用范圍，對(duì)于理解微網(wǎng)內(nèi)部的各種動(dòng)態(tài)過程和選擇合理的仿真方法具有一定的指導(dǎo)意義。

分布式電源；儲(chǔ)能；微網(wǎng)；暫態(tài)仿真；穩(wěn)定性仿真

數(shù)字仿真在電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程中一直起著不可替代的作用，并已緊密融合到包括電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和測(cè)試在內(nèi)的整個(gè)過程[1-2]。電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行或故障條件下其動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間尺度差異極大，包括了各種電場(chǎng)、磁場(chǎng)、機(jī)械傳動(dòng)、熱力學(xué)動(dòng)態(tài)等各種過程及其之間的相互影響。這使得根據(jù)不同時(shí)間尺度特點(diǎn)開發(fā)的暫態(tài)仿真計(jì)算方法也不盡相同，甚至差別很大。面向不同的應(yīng)用場(chǎng)景，電力系統(tǒng)時(shí)域仿真可分為電磁暫態(tài)仿真、機(jī)電暫態(tài)仿真和中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真3種類型。

電磁暫態(tài)仿真在精確的電路層面上對(duì)系統(tǒng)元件進(jìn)行建模，重點(diǎn)捕捉系統(tǒng)中從數(shù)微秒至數(shù)秒之間的電磁暫態(tài)過程，但由于采用詳細(xì)的非線性模型和計(jì)及網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)過程，使得計(jì)算過程耗時(shí)、存取數(shù)據(jù)量大，通常限制在小規(guī)模的系統(tǒng)范圍內(nèi)，一般進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真時(shí)都要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行等值化簡(jiǎn)[3]。而機(jī)電暫態(tài)仿真則基于忽略了快動(dòng)態(tài)過程的簡(jiǎn)化模型，難于模擬系統(tǒng)中快速的暫態(tài)響應(yīng)特性，主要用于研究電力系統(tǒng)受到諸如短路故障，切除線路、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷，發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁或者沖擊性負(fù)荷等大擾動(dòng)作用下，電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為和保持同步穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

近年來，分布式發(fā)電技術(shù)[4-5]因具有靈活、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保等特點(diǎn)在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注，給電力系統(tǒng)的運(yùn)行和控制方式帶來了巨大影響?，F(xiàn)有研究和實(shí)踐表明，將分布式發(fā)電系統(tǒng)以微網(wǎng)的形式接入到大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行是發(fā)揮其效能的最有效方式[6-10]。而分布式發(fā)電技術(shù)的千差萬別使得各種分布式電源具有完全不同的動(dòng)態(tài)過程，再考慮電力電子裝置及其控制器的特性、一次能源的動(dòng)態(tài)特性等因素，使得分布式發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性極為復(fù)雜。同時(shí)，微網(wǎng)中的多種能源輸入、多種能源輸出、多種能量轉(zhuǎn)換單元以及多種運(yùn)行狀態(tài)使得微網(wǎng)系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)過程更加復(fù)雜。相對(duì)于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)而言，微網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間尺度跨度更大，動(dòng)態(tài)過程間的耦合更緊密[11]。

雖然對(duì)于微網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)字仿真的研究可以借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的經(jīng)驗(yàn)，即以電磁暫態(tài)仿真方法為基礎(chǔ)研究微網(wǎng)系統(tǒng)中相對(duì)較快的動(dòng)態(tài)過程，稱為“暫態(tài)仿真”，以機(jī)電暫態(tài)仿真方法為基礎(chǔ)研究微網(wǎng)系統(tǒng)中相對(duì)較慢的動(dòng)態(tài)過程，稱為“穩(wěn)定性仿真”。但是，這兩種仿真方法的適用范圍仍需要進(jìn)一步研究。并且，由于微網(wǎng)系統(tǒng)本身就是一個(gè)小型發(fā)配電系統(tǒng)，其系統(tǒng)規(guī)模不會(huì)太大，暫態(tài)仿真方法在仿真規(guī)模上的限制得到了大大的釋放。針對(duì)特定的研究目的和應(yīng)用場(chǎng)景，如何去選擇合適的仿真方法，成為了亟待解決的問題。

由于微網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模相對(duì)較小，暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真經(jīng)常會(huì)考慮用于對(duì)同一實(shí)際系統(tǒng)的仿真計(jì)算，此時(shí)出現(xiàn)了兩個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題：①能否建立既適用于暫態(tài)仿真又適用于穩(wěn)定性仿真的統(tǒng)一的微網(wǎng)算例，該算例中兩種仿真方法采用相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)參數(shù)；②由于是對(duì)同一實(shí)際系統(tǒng)的模擬，暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真的仿真結(jié)果能否保持一致，又存在哪些本質(zhì)區(qū)別。

本文將從上述兩個(gè)問題入手，首先系統(tǒng)地闡述了微網(wǎng)暫態(tài)仿真與穩(wěn)定性仿真的一致性和差異性，然后介紹了各種分布式電源以及儲(chǔ)能裝置的建模方法，并將其接入一個(gè)典型的中低壓微網(wǎng)[12]，在建立統(tǒng)一的微網(wǎng)算例的基礎(chǔ)上，采用DIgSILENT作為穩(wěn)定性仿真工具，Matlab/SimPowerSystems作為暫態(tài)仿真工具，選取4種典型的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行仿真，說明兩種仿真方法的一致性和差異性，同時(shí)給出了各自的適用范圍，為合理選擇合適的仿真方法與工具提供了一定的理論依據(jù)。

1 微網(wǎng)暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真

微網(wǎng)是指由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行。對(duì)一個(gè)實(shí)際微網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真模擬，既可以采用暫態(tài)仿真，也可以采用穩(wěn)定性仿真。無論是哪一種仿真，都是通過建模將實(shí)際系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)微分-代數(shù)方程組DAE（differential-algebraic equations），數(shù)學(xué)本質(zhì)上都是利用數(shù)值積分方法和非線性方程組求解方法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的不斷求解。只是由于側(cè)重點(diǎn)的不同，暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真在建模方法、仿真算法上均有所不同，導(dǎo)致仿真結(jié)果也存在著顯著的差異。

在時(shí)間尺度上，暫態(tài)仿真?zhèn)戎赜谖⒕W(wǎng)系統(tǒng)中快速變化動(dòng)態(tài)過程的詳細(xì)仿真，特別強(qiáng)調(diào)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整性，可以捕捉頻率范圍從幾百kHz到工頻之間系統(tǒng)中的電氣量和非電氣量的動(dòng)態(tài)過程；而穩(wěn)定性仿真?zhèn)戎赜谙到y(tǒng)中各種變化較慢的動(dòng)態(tài)過程的仿真，適當(dāng)忽略了系統(tǒng)中快動(dòng)態(tài)過程的影響，著重研究工頻及以上范圍內(nèi)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程。

在建模方法上，暫態(tài)仿真采用詳細(xì)的元件模型，而穩(wěn)定性仿真采用簡(jiǎn)化的元件模型。對(duì)電網(wǎng)元件來說，暫態(tài)仿真計(jì)及電網(wǎng)動(dòng)態(tài)過程，采用標(biāo)量表示，通過微分方程來描述；穩(wěn)定性仿真忽略其動(dòng)態(tài)過程，采用相量表示，通過代數(shù)方程來描述，系統(tǒng)相當(dāng)于是一個(gè)純基波模型。對(duì)電力電子裝置來說，暫態(tài)仿真采用拓?fù)浣７ǎㄝ^典型的為雙電阻模型），對(duì)每一個(gè)開關(guān)進(jìn)行詳細(xì)建模，考慮開關(guān)動(dòng)作特性；穩(wěn)定性仿真采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，通過簡(jiǎn)單的代數(shù)方程描述電力電子裝置兩側(cè)的電壓和電流關(guān)系[13]。

在仿真算法上，穩(wěn)定性仿真中由于電網(wǎng)元件采用代數(shù)方程描述，整個(gè)電網(wǎng)模型可以用節(jié)點(diǎn)電壓方程來表示，系統(tǒng)中還存在發(fā)電機(jī)、電力電子裝置以及控制系統(tǒng)等，整個(gè)電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可表示為一組微分-代數(shù)方程組，通過對(duì)其進(jìn)行數(shù)值積分即可求解。數(shù)值積分方法主要有隱式梯形積分法、改進(jìn)尤拉法、龍格-庫塔法等，其中隱式梯形積分法由于數(shù)值穩(wěn)定性好而得到越來越多的應(yīng)用。而暫態(tài)仿真中電網(wǎng)元件采用微分方程描述，首先需要差分化形成含歷史量的代數(shù)方程組，再與描述控制系統(tǒng)的方程組聯(lián)立求解，采用的數(shù)值積分方法一般為隱式積分法。

為了保證仿真結(jié)果的精度及算法的數(shù)值穩(wěn)定性，通常依據(jù)系統(tǒng)中快動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間常數(shù)選取仿真步長(zhǎng)。因此，暫態(tài)仿真的仿真步長(zhǎng)一般在微秒級(jí)，而穩(wěn)定性仿真忽略快動(dòng)態(tài)過程后，使得其仿真步長(zhǎng)可以在毫秒級(jí)?？梢哉f，穩(wěn)定性仿真以犧牲仿真精確度為代價(jià)，在降低計(jì)算規(guī)模的同時(shí)采用較大的仿真步長(zhǎng)，從而大大提高了仿真計(jì)算速度。

綜上所述，穩(wěn)定性仿真和暫態(tài)仿真對(duì)同一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行模擬時(shí)，其仿真結(jié)果既需要保持一致性，又存在差異性。在理解一致性和差異性的基礎(chǔ)上，綜合考慮仿真精度和計(jì)算速度后，才能在進(jìn)行微網(wǎng)的仿真研究時(shí)對(duì)仿真方法進(jìn)行合理地選擇。

2 分布式電源及儲(chǔ)能系統(tǒng)的建模

2.1 燃料電池/光伏發(fā)電系統(tǒng)

燃料電池[14-15]FC（fuel cell）和光伏電池[16-17]PV（photovoltaic cell）均為直流型分布式電源，其并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其電氣系統(tǒng)主要包括直流型分布式電源、直流電容器、逆變器、濾波器、線路及交流電網(wǎng)等幾部分。

圖1 直流型分布式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of dc type distributed generation system

光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最基本的能量轉(zhuǎn)換單元，不同種類的光伏電池可采用不同模型加以描述，本文采用單二極管等效電路模型，最大功率跟蹤MPPT（maximum power point tracking）算法采用擾動(dòng)觀測(cè)法，光伏逆變器采用雙環(huán)控制策略，外環(huán)包括基于MPPT算法的直流電壓控制和無功功率控制兩部分，內(nèi)環(huán)采用電流控制。

本文燃料電池選取固體氧化物燃料電池作為物理模型，采用計(jì)及內(nèi)部氣體分壓力變化的暫態(tài)模型，其并網(wǎng)逆變器采用雙環(huán)控制策略，外環(huán)采用恒功率控制。

2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速將其分為恒頻/恒速和恒頻/變速兩種。恒頻/恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以異步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[18]ASM（asynchronous motor）為例，一般通過異步電機(jī)直接與電網(wǎng)相連，采用定槳距控制或者失速控制維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由異步發(fā)電機(jī)模塊、槳距控制模塊、空氣動(dòng)力系統(tǒng)模塊和軸系模塊構(gòu)成。

圖2 異步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.2Wind system driven by asynchronous motor

在恒頻/變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，根據(jù)風(fēng)速的狀況可實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，優(yōu)化風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。本文以永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[19]PMSM（permanent magnet synchronous machine）為例，其并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過兩個(gè)全功率PWM變頻器與電網(wǎng)相連，可以控制有功功率和無功功率，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)功率因數(shù)為1.0。風(fēng)機(jī)原動(dòng)機(jī)模型與異步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相同。

圖3 永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.3Wind system driven by permanent magnet synchronous machine

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)

本文采用應(yīng)用較為廣泛的鉛酸電池[20]作為儲(chǔ)能裝置，其并網(wǎng)結(jié)構(gòu)與燃料電池相同，不再贅述?？紤]到微網(wǎng)系統(tǒng)的多種運(yùn)行模式，本文蓄電池控制系統(tǒng)采用下垂控制，多個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)之間采用對(duì)等控制模式，使得所有的儲(chǔ)能裝置都參與微電網(wǎng)電壓和頻率的調(diào)節(jié)。在微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)起到對(duì)微網(wǎng)內(nèi)部電壓和頻率的支撐作用。

3 微網(wǎng)仿真驗(yàn)證

本文采用一個(gè)適合我國(guó)實(shí)際的典型的中低壓微網(wǎng)[12]，如圖4所示。該網(wǎng)絡(luò)分為中壓微網(wǎng)和低壓微網(wǎng)兩部分，低壓微網(wǎng)通過變壓器接在中壓微網(wǎng)M5節(jié)點(diǎn)處。中壓微網(wǎng)以模塊化形式設(shè)計(jì)，包含3個(gè)結(jié)構(gòu)和參數(shù)一致的子網(wǎng)。低壓微網(wǎng)主饋線設(shè)置了S1和S2兩個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，既可以作為一個(gè)完整的微網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)和孤島多種運(yùn)行模式，又可以解列成兩個(gè)小的微網(wǎng)運(yùn)行。

圖4 典型微網(wǎng)算例結(jié)構(gòu)Fig.4Typical microgrid case structure

將上述分布式電源以及儲(chǔ)能系統(tǒng)按圖4所示位置分別接入微網(wǎng)中，各個(gè)分布式電源的接入容量見表1，元件參數(shù)以及控制系統(tǒng)參數(shù)見文獻(xiàn)[12]。

表1 分布式電源接入容量及個(gè)數(shù)Tab.1Numbers and capacities of DG

分別采用MATLAB/SimPowerSystems和DIgSILENT進(jìn)行暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的比較。其中，暫態(tài)仿真步長(zhǎng)為5 μs，穩(wěn)定性仿真步長(zhǎng)為1 ms。仿真考慮以下4種場(chǎng)景：

（1）低壓微網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島切換（場(chǎng)景1）；

（2）低壓微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)切負(fù)荷（場(chǎng)景2）；（3）低壓微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)中壓網(wǎng)絡(luò)發(fā)生短路故障（場(chǎng)景3）；

（4）低壓微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)內(nèi)部發(fā)生短路故障（場(chǎng)景4）。

3.1 低壓微網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島切換

孤島運(yùn)行是典型的微網(wǎng)運(yùn)行模式，文獻(xiàn)[12]將低壓微網(wǎng)分成了兩個(gè)獨(dú)立的部分運(yùn)行，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真測(cè)試。在此，本文考慮將其作為整體進(jìn)行測(cè)試，以充實(shí)該算例系統(tǒng)。在微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行后，3 s時(shí)刻聯(lián)絡(luò)開關(guān)S1打開，整個(gè)低壓微網(wǎng)形成孤島。微網(wǎng)內(nèi)各分布式電源運(yùn)行情況如圖5～8所示。

圖5 燃料電池各物理量變化曲線（場(chǎng)景1）Fig.5Simulation results of SOFC in scene 1

圖6 異步風(fēng)機(jī)各物理量變化曲線（場(chǎng)景1）Fig.6Simulation results of ASM in scene 1

圖7 光伏系統(tǒng)各物理量變化曲線（場(chǎng)景1）Fig.7Simulation results of PV in scene 1

微網(wǎng)由兩個(gè)蓄電池系統(tǒng)作為主電源，采用對(duì)等控制模式，由于系統(tǒng)功率的缺失，蓄電池發(fā)出一定的有功功率和無功功率，系統(tǒng)頻率有所降低。燃料電池和光伏系統(tǒng)在經(jīng)過小的擾動(dòng)后恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)，而異步風(fēng)機(jī)采用失速控制，各物理量也逐漸運(yùn)行到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真的結(jié)果整體上保持一致。

從仿真結(jié)果中可以明顯看到，暫態(tài)仿真曲線為波紋狀，且以穩(wěn)定性仿真曲線為中心，上下波動(dòng)。這些小的波動(dòng)主要反映了微網(wǎng)內(nèi)大量電力電子裝置的開關(guān)動(dòng)作的快動(dòng)態(tài)過程，頻率在幾kHz左右。而由于穩(wěn)定性仿真忽略了開關(guān)動(dòng)作特性，采用基于基波相量的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，不能反映出這種波動(dòng)現(xiàn)象。因此，在要求對(duì)電力電子裝置內(nèi)部特性進(jìn)行分析的情況下，如諧波分析、濾波器設(shè)計(jì)等，穩(wěn)定性仿真將不再適用。而在進(jìn)行控制策略驗(yàn)證和穩(wěn)定性分析等只需要考慮電力電子裝置整體特性的情況下，二者均可以采用，考慮計(jì)算速度的因素，穩(wěn)定性仿真更好一些。

另外，由于穩(wěn)定性仿真采用代數(shù)方程描述網(wǎng)絡(luò)模型，忽略了網(wǎng)絡(luò)的快動(dòng)態(tài)過程，在開關(guān)S1打開的瞬間，導(dǎo)致了各分布式電源的功率以及系統(tǒng)頻率發(fā)生了瞬時(shí)的突變，以燃料電池有功輸出和系統(tǒng)頻率為例，在開關(guān)打開后的約0.1 s時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定性仿真結(jié)果是不準(zhǔn)確的。因此在需要考慮網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)過程時(shí)，穩(wěn)定性仿真將不再適用。

3.2 低壓微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)切負(fù)荷

在微網(wǎng)孤島運(yùn)行情況下，設(shè)置5 s時(shí)切除L18節(jié)點(diǎn)上的負(fù)荷5。負(fù)荷切除后，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的功率平衡，其有功和無功輸出均減小，系統(tǒng)頻率增加，而異步風(fēng)機(jī)采用失速控制，各物理量也逐漸運(yùn)行到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。燃料電池和光伏系統(tǒng)受切負(fù)荷影響較小，變化不明顯。該仿真測(cè)試同樣驗(yàn)證了暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真的一致性和差異性。異步風(fēng)機(jī)和蓄電池系統(tǒng)的變化情況如圖9～10所示。

圖10 蓄電池各物理量變化曲線（場(chǎng)景2）Fig.10Simulation results of battery in scene 2

3.3 低壓微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)中壓網(wǎng)絡(luò)發(fā)生短路故障

在微網(wǎng)并網(wǎng)穩(wěn)定情況下，3 s時(shí)刻M5母線發(fā)生三相短路故障，3.1 s時(shí)刻故障消除。微網(wǎng)內(nèi)各分布式電源運(yùn)行情況如圖11～15所示。

在故障發(fā)生瞬間，各個(gè)分布式電源的有功輸出均因出口電壓跌落而減少，系統(tǒng)頻率降低，由于蓄電池采用下垂控制，其有功輸出增加，故障消除后系統(tǒng)又恢復(fù)原來狀態(tài)。在故障情況下暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真的分析結(jié)果基本上保持一致。

而由于短路故障對(duì)微網(wǎng)的擾動(dòng)較大，在故障發(fā)生和消除的瞬間，穩(wěn)定性仿真由于簡(jiǎn)化建模和忽略快動(dòng)態(tài)過程造成的誤差更加明顯。以燃料電池的有功輸出為例，穩(wěn)定性仿真的突變有了明顯的增大。此時(shí)，穩(wěn)定性仿真的系統(tǒng)頻率已經(jīng)不能準(zhǔn)確反映出系統(tǒng)的頻率變化。

圖11 燃料電池各物理量變化曲線（場(chǎng)景3）Fig.11Simulation results of SOFC in scene 3

圖12 異步風(fēng)機(jī)各物理量變化曲線（場(chǎng)景3）Fig.12Simulation results of ASM in scene 3

圖13 光伏系統(tǒng)各物理量變化曲線（場(chǎng)景3）Fig.13Simulation results of PV in scene 3

而且在故障消除后，在一些分布式電源的動(dòng)態(tài)過程較為復(fù)雜的情況下，暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真的結(jié)果出現(xiàn)明顯的差別，例如異步風(fēng)機(jī)有功的有功功率、永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和機(jī)械功率等。以直驅(qū)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械功率變化為例，暫態(tài)仿真結(jié)果仍然圍繞穩(wěn)定性仿真結(jié)果波動(dòng)，但是其波動(dòng)范圍明顯變大，這是由電力電子裝置模型的不同、網(wǎng)絡(luò)模型的不同以及仿真步長(zhǎng)的差異等多方面因素造成的?？梢姡谙到y(tǒng)較為復(fù)雜的情況下進(jìn)行短路故障等大的擾動(dòng)分析，穩(wěn)定性仿真的精確度會(huì)有所降低。因此，在進(jìn)行暫態(tài)短路電流計(jì)算、故障穿越特性、保護(hù)裝置整定等對(duì)仿真精確度要求較高的研究分析時(shí)，采用暫態(tài)仿真方法更為合適。

圖14 蓄電池各物理量變化曲線（場(chǎng)景3）Fig.14Simulation results of battery in scene 3

圖15 直驅(qū)風(fēng)機(jī)各物理量變化曲線（場(chǎng)景3）Fig.15Simulation results of PMSM in scene 3

3.4 低壓微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)內(nèi)部發(fā)生短路故障

在微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，在2.5 s時(shí)開關(guān)S1打開，微網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行，設(shè)置4 s時(shí)刻L5母線發(fā)生三相短路故障，4.1 s時(shí)刻故障消除。微網(wǎng)內(nèi)各分布式電源運(yùn)行情況如圖16所示。同樣，在故障發(fā)生瞬間，各個(gè)分布式電源的有功輸出均因出口電壓跌落而減少，系統(tǒng)頻率降低，由于蓄電池有功輸出增加，故障消除后系統(tǒng)恢復(fù)到原來狀態(tài)。從圖中可以看出，在系統(tǒng)發(fā)生大的擾動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定性仿真與電磁暫態(tài)仿真的結(jié)果稍有差別，尤其是頻率的變化。但是這并沒有影響到后續(xù)仿真結(jié)果的正確性。整體來說，暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真的結(jié)果基本上保持一致。

圖16 各分布式電源運(yùn)行情況（場(chǎng)景4）Fig.16Simulation results of DGs in scene 4

4 結(jié)語

本文首先詳細(xì)說明了微網(wǎng)暫態(tài)仿真與穩(wěn)定性仿真的一致性和差異性，然后在統(tǒng)一的微網(wǎng)算例上實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島切換、微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)切負(fù)荷、中壓微網(wǎng)發(fā)生短路故障以及低壓微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)內(nèi)部故障等4種典型應(yīng)用場(chǎng)景的仿真，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了微網(wǎng)暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真的一致性，明確了二者的差異性，同時(shí)也給出了二者的適用范圍。希望本文的工作可以幫助系統(tǒng)運(yùn)行與研究人員更好地理解暫態(tài)仿真和穩(wěn)定性仿真的特點(diǎn)，在微網(wǎng)的仿真分析時(shí)選擇合適仿真計(jì)算方法與工具。

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Dynamic Time-domain Simulation and Analysis of Medium-low Voltage Microgrid

YU Li1，2，LI Peng3，XU Ai-dong1，2，DONG Xu-zhu1，2，SUN Chong-bo3，SONG Guan-yu3
（1.Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid，Guangzhou 510080，China；2.Power Grid Technology Research Center of China Southern Power Grid，Guangzhou 510080，China；3.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The electromagnetic transient simulation and transient stability simulation are rarely performed simultaneously for the calculation of traditional bulk power system，which is not true for the analysis and calculation of microgrid and distribution system with distributed generation．It is a common question for the user to choose a proper simulation tool．In this paper，the consistency and difference of the two type simulations is set forth in detail，and the dynamic models of distributed generation and energy storage system in microgrid are built．They are applied to a typical microgrid test case，simulated respectively using DIgSILENT and Matlab/SimPowerSystems．The detailed comparisons are provided to verify their consistency and difference．At the same time，the application guidance for the two type simulations is given．It is helpful to understand the various transient processes and make a more reasonable choice for the related research．

distributed generation；storage；microgrid；transient simulation；stability simulation

TM74

A

1003-8930（2014）12-0028-08

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

2013-05-24；

2013-08-29

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-KY-2012-2-009）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2011AA05A114）

李鵬（1981—），男，博士，講師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)電磁暫態(tài)仿真與分布式發(fā)電技術(shù)。Email：lip@tju.edu.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