程新杨

（ 机构：西门子能源有限公司，上海市 浦东新区  邮编：200126）  

摘  要：本文简要分析了分布式发电和微电网系统的系统控制方法和仿真。传统的电力系统运行和管理模式难以适应分布式发电和微电网的特点，如电力的双向流动、需求侧响应、能量存储等。阐述需要采用更先进的控制措施和运营技术，以确保电力系统和微电网的安全和高效运行。

关键字：分布式发电；电网

 

 

System control methods and simulations for distributed generation and microgrid systems

Cheng Xinyang

Siemens Energy Limited,Pudong New Area Shanghai, 200126

Abstract: System control methods and simulations for distributed generation and microgrid systems. The traditional operation and management mode of the power system is difficult to adapt to the characteristics of distributed generation and microgrids, such as bidirectional power flow, demand side response, energy storage, etc. Elaborate on the need to adopt more advanced control measures and operational technologies to ensure the safe and efficient operation of power systems and microgrids.

Keywords: Distributed generation; Power grid

通过采用分布式发电系统与微型电网，我们能够更加有效地结合和运用各类可再生能源资源。如太阳能、风能等，它能够让人类降低对化石能源的依靠，有助于减少碳的排放，保护人类生态环境。但分布式发电和微电网系统并网后与电力系统之间，有着许多新的挑战，如系统控制与协调、电力质量保障、安全稳定运行等方面的问题。

1、分布式发电系统具体优缺点

优：提高供电可靠性：分布式发电和微电网能够降低传统集中式发电系统的单点故障风险率，提高供电可靠性，尤其是在面对自然灾害、战争等情况下，有利于提供更加稳定的电力供应；降低输电损耗：分布式发电和微电网能够将电力生产更加接近负载需求地点，减少输电损耗，提高电力利用效率；灵活性和可扩展性：微电网系统可以更加灵活地适应不同规模和需求的电力系统，具有较强的可扩展性，适用于不同的应用场景。

弊：技术挑战：分布式发电和微电网系统需要面对诸多技术挑战，如系统控制与协调、电力质量保障、安全稳定运行等方面的问题；经济成本：建设和维护微电网系统的成本较高，需要投入较多的资金和技术支持，同时需要面对不同地区的监管政策和市场机制的挑战；运营管理：分布式发电和微电网系统的运营管理需要更加复杂和灵活，包括供需平衡^[1]、数据管理^[2]、市场交易等方面的挑战。

2、分布式发电和微电网系统

基于分布式光伏发电构成的简单微电网系统，示意如图1所示：

 

图1 简单微电网系统

观察可知，整体的分布式发电是由若干关键部分构成，包括局部发电设施、能源监测与管理系统、储能装置^[3]、电力电子转换系统以及负载和配电线路系统。探究分布式发电与储能装置在控制方略、作业特性以及与传统电网并联时的互动效应，必须构建针对分布式发电系统的稳定性和动态性的数学模型。

2.1 分布式发电系统稳态和暂态数学模型

首先我们要知道分布式发电系统的稳态模型主要由哪些部分组成及在作用。

分布式发电系统的稳态主要模型包括以下部分：

2.1.1 分布式电源模型：

分布式电源（DG）是可再生能源（如太阳能、风能）、燃气轮机、燃料电池、柴油发电机等。电源的稳态模型有：

光伏发电系统：包括光伏阵列模型和逆变器模型，通常使用等效电路模型来表示光伏单元的电压-电流（V-I）特性。

风力发电系统：包括风轮机的力学模型和电气模型，以及将风能转换为电能的发电机模型。

2.1.2 负荷模型

负荷模型通常按照功率特性分为恒功率负荷、恒电流负荷和恒阻抗负荷。在稳态分析中，可以将复杂的负荷简化为这三种基本类型的组合。

2.1.3 网络模型

网络模型描述了电网的传输线路、变压器、电缆等元件的电气特性。通常使用节点导纳矩阵或阻抗矩阵来表示整个电力系统的网络特性。

2.1.4 控制与保护模型

分布式发电系统的控制系统会影响其稳态特性，例如逆变器的控制策略（如PQ控制、V/f控制等）。保护装置如过流保护、短路保护等，虽然是动态特性的一部分，但其设置值也会影响系统的稳态运行。

2.1.5 逆变器和变流器模型

对于接入交流电网的分布式发电系统，通常需要通过逆变器或变流器将直流电转换为交流电。这些设备的稳态模型会考虑其电压、电流、频率转换特性及控制策略。

电力微电网详细系统图如图2所示。

 

图2 电力微电网详细系统图

在此系统图中我们使用了由分布式发电光伏、储能单元、本地负荷、电网和能量管理装置构成的微电网。我们采用Matlab软件构建了微电网的仿真模型，旨在评估分布式发电系统的发电效率和储能组件的最佳控制方法，同时分析这些系统并入电网后对整体电力网络的作用及其运作表现。通过稳态模型，我们可以评估系统在不同负载和发电条件下的电压、频率和功率流等关键参数。帮助优化系统配置，比如发电单元容量、储能系统规模和电网连接方式，确保顺利并网。

在simulink中搭建微电网系统图如图3所示。

 

图3 在simulink中搭建微电网系统图

2.2分布式发电系统的暂态模型

分布式发电系统的暂态数学模型，包括发电机、电力电子接口、负载和电网的相互作用。以下是分布式发电系统暂态数学模型的详细构成：

2.2.1 同步发电机模型

在分布式发电系统内，同步发电机作为一种经典的发电装置，其动态建模涉及到描绘转子动力学和电磁过渡过程的数学方程，其暂态模型包括转子运动方程和电磁暂态方程。

转子运动方程,是描述发电机转子的机械动态行为：

 

其中：

- H 是发电机的惯性常数；

- w是转子角速度；

-是机械功率输入；

- 是电磁功率输出；

- D 是阻尼系数；

- 是同步角速度。

电磁暂态方程

电磁暂态方程是描述发电机内部的电磁过程，通常采用Park变换将三相变量转换为d-q轴分量如公式2所示。

 

 

2.2.2逆变器模型

逆变器的动态行为是可以通过状态空间方程描述如公式3所示。

 

其中：

- x是状态变量向量（如电容电压、电感电流等）；

- u是输入向量（如开关信号）；

- A 和 B 是系统矩阵。

控制策略

逆变器的控制策略通常包括电流控制环和电压控制环，其动态方程表示如公式4所示。

 

 

其中：

- 和是d轴和q轴的参考电压；

-  L 是滤波电感；

-  R 是滤波电阻。

2.2.3负载模型

负载的动态行为对分布式发电系统的暂态响应有重要影响。在分布式发电系统内，同步发电机作为一种经典的发电装置，其动态建模涉及到描绘转子动力学和电磁过渡过程的数学方程。

①恒阻抗负载

恒阻抗负载的电压-电流关系如公式5所示。

 

其中：

- V 是负载电压向量；

- Z 是负载阻抗矩阵；

- I 是负载电流向量。

②恒功率负载

恒功率负载的功率平衡方程如公式6所示。

 

 

其中：

- P 是有功功率；

- Q 是无功功率；

- 是负载电流的共轭向量。

2.2.4 电网模型

电网的动态行为通过节点电压方程如公式7所示。

 

其中：

- Y 是电网导纳矩阵；

- V 是节点电压向量；

- I 是节点电流向量。

2.2.5 综合模型

分布式发电系统的综合暂态模型需要将发电机、电力电子接口、负载和电网的模型结合起来，形成一个统一的动态系统模型。通常采用微分-代数方程组（DAE）来描述如公式8所示。

 

其中：

- f{x} 是状态变量向量；

- f{y} 是代数变量向量（如节点电压、电流等）；

- f{u} 是输入向量；

- f和 g是非线性函数。

仿真与分析

通过选型后，配置相关模型的参数，如惯性时间常数H=5s,阻尼系数D=0.1pu*s/rad，机械转矩=1.0pu，电磁转矩=0.9pu等，求解上述微分或代数方程组，得出需要得数据后，可以对分布式发电系统的暂态行为进行仿真和分析，评估系统的稳定性、动态响应和故障恢复能力。

3、simulink模型参数设置

在 MATLAB 中搭建分布式发电系统模型时，参数设置是重要步骤之一。分布式发电系统通常包括同步发电机、电力电子接口（如逆变器）、负载和电网等组件。以下是搭建分布式发电系统 MATLAB 模型时的参数设置

3.1 同步发电机参数设置

同步发电机的参数包括电气参数和机械参数。

同步发电机参数

Generator.Ra = 0.01;          % 电枢电阻 (pu)

Generator.Ld = 1.8;           % d轴电感 (pu)

Generator.Lq = 1.7;           % q轴电感 (pu)

Generator.Lf = 1.6;           % 励磁电感 (pu)

Generator.H = 3.0;            % 惯性常数 (s)

Generator.D = 0.1;            % 阻尼系数 (pu)

Generator.omega0 = 1.0;       % 同步角速度 (pu)

Generator.Pm = 0.8;           % 机械功率输入 (pu)

Generator.Vf = 1.0;           % 励磁电压 (pu)

3.2电力电子接口（逆变器）参数设置

逆变器是分布式发电系统与电网之间的接口，其参数包括滤波器参数和控制参数。

逆变器参数

Inverter.Lf = 0.01;           % 滤波电感 (pu)

Inverter.Cf = 0.01;           % 滤波电容 (pu)

Inverter.Rf = 0.01;           % 滤波电阻 (pu)

Inverter.fsw = 5000;          % 开关频率 (Hz)

Inverter.Vdc = 800;           % 直流母线电压 (V)

Inverter.Kp = 0.5;            % 电流环比例增益

Inverter.Ki = 100;            % 电流环积分增益

3.3负载参数设置

负载可以是恒阻抗、恒功率或恒电流负载。以下是恒阻抗负载的参数设置：

负载参数

Load.R = 1.0;                 % 负载电阻 (pu)

Load.L = 0.1;                 % 负载电感 (pu)

Load.C = 0.01;                % 负载电容 (pu)

3.4电网参数设置

电网参数包括电网电压、频率和等效阻抗。

电网参数

Grid.Vg = 1.0;                % 电网电压 (pu)

Grid.fg = 50;                 % 电网频率 (Hz)

Grid.Lg = 0.01;               % 电网等效电感 (pu)

Grid.Rg = 0.01;               % 电网等效电阻 (pu)

3.5控制参数设置

分布式发电系统的控制策略通常包括电流控制、电压控制和功率控制。以下是电流控制环的参数

电流控制参数

Control.Kp_i = 0.5;           % 电流环比例增益

Control.Ki_i = 100;           % 电流环积分增益

Control.Kp_v = 0.1;           % 电压环比例增益

Control.Ki_v = 50;            % 电压环积分增益

3.6仿真参数设置

仿真参数

Simulation.Ts = 1e-5;          % 仿真步长 (s)

Simulation.Tend = 1.0;         % 仿真结束时间 (s)

Simulation.Solver = ‘ode45';  % 求解器类型

以上等相关参数设置好后，仿真结果如图4/5/6。

 

图4 仿真结果1

 

图5 仿真结果2

 

图6 仿真结果3

4、分布式发电和微电网系统的系统控制与协调

通过对分布式发电和微电网系统的模拟和仿真，采用不同的控制算法和技术来解决系统控制与协调的问题。分布式发电系统（DG）通过多个小型发电和储能单元实现电力供应，其控制策略、运行特性及并网后的存在相互影响^[4]。

4.1并网后的分布式发电和微电网对电网的影响

分布式发电的间歇性会导致电压和频率波动，从而并网后会导致电网电压波动和频率不稳定,影响电网稳定性。分布式发电设备也会给电网引入谐波，影响电能质量^[5]。根据国际电工委员会（IEC）的研究表明，分布式发电系统中谐波含量可能超过传统电网的2-3倍，分布式光伏渗透率越高，变压器和配电线路的过载问题就会越高。分布式发电的出力很大程度受自然天气影响^[6] [7]，增加了电网负荷预测和调度的难度。

4.2 并网后电网对分布式发电和微电网对的影响

电网中的电压暂降和中断或者电网故障，也会对分布式发电产生影响，如电网频率波动可能触发分布式发电系统的保护机制，使其退出运行。根据IEEE的研究表明，电网频率波动超过±0.5 Hz时，分布式发电系统的脱网概率增加40%。还有谐波污染，电网中的谐波可能通过连接点传入分布式发电系统，影响逆变器的运行效率和使用寿命。

并网后电压波动措施：

①增强电网的无功功率调节能力：通过安装电容器、电抗器、同步调相机（STATCOM）、静态无功补偿器（SVC）等来调节无功功率，维持电压稳定。

②使用动态电压恢复器（DVR）：DVR能够快速响应电压波动，提供必要的电压支持，减少波动影响。

③电压和频率控制：通过高级控制策略，如恒压/恒频控制，来确保电网的电压和频率在规定范围内波动。

并网后频率稳定性措施：

①使用电池储能系统快速注入或吸收功率，以对抗瞬时的频率波动。

②飞轮通过其旋转质量提供瞬时的能量存储和释放，对频率波动进行缓冲。

③超级电容器因其快速充放电能力而被用于短时的频率支持。

④采用低电压穿越（LVRT）技术，确保分布式发电在电网故障时不脱网。

⑤实施频率调节和自动发电控制（AGC），维持频率稳定。

并网后电能质量引入谐波和闪变措施：

①使用电容器和电抗器来调节无功功率，改善功率因数，减少系统损耗，并提高电压水平。

②采用被动滤波器（如LC滤波器）或主动滤波器（如有源滤波器，Active Power Filters, APFs）来减少电网中的谐波污染。

③静态无功补偿器（Static VAR Compensators, SVCs）和静态同步补偿器（STATCOMs）可以动态调节无功功率，以维持电网电压稳定。

并网后保护装置误动作及孤岛效应措施：

①使用自适应保护技术，动态调整保护参数。

②反孤岛保护装置，检测孤岛并迅速切断分布式发电。

③主动频率偏移（AFD）等检测方法，及时发现孤岛。

5、结束语

分布式发电系统的控制策略和运行特性复杂，并网后与电力系统之间有多方面的相互影响。越来多的分布式发电和微电网的确会给本地负载带来方便，但是分布式发电的随机性和波动性增加电网规划和调度难度。当前迫切的需要更先进负荷预测、控制技术和发电预测技术,才能确保分布式发电系统和电力系统之间的稳定运行。

 

参考文献

[1]吴青峰,孙孝峰,才玮琪,等.考虑SOC平衡的并网微电网能量供需平衡方案[J].太阳能学报,2020,41(11):17-25.

[2]崔金栋,王胜文,辛业春.区块联盟链视角下智能电网数据管理技术框架研究[J].中国电机工程学报,2020,40(03):836-848. 1.

[3]栗赛男,马建伟,孙芊,等.考虑不确定出力的微网内分布式发电和储能的容量配置[J].电工电能新技术,2016,35(08):21-28.

[4]王帅.电气工程中智能电网技术的发展与应用[J].模具制造,2024,24(04):219-221.

[5]覃志毅.分析分布式光伏发电并网对配电网安全的影响[J].大科技, 2023:58-60.

[6]金迪,王元凯.分布式光伏发电并网对配电网运行安全的影响分析[J].科技创新导报,2018,15(32):23+25.

[7]任浩锋.风光互补分布式发电能量管理研究[D].南通大学,2023.

 

作者简介：程新杨（出生年月：1994 01）；性别：男；民族：汉；籍贯：安徽寿县；职称：无；学位：学士学位；研究方向：电力电子应用方向