微網對電網穩定性影響的仿真與分析

符楊，胡鵬，湯波，賴圣聰

(1.上海電力學院電力與自動化工程學院，上海200090；2.國網上海嘉定供電公司，上海200010；3.國網泰順供電公司，浙江泰順325500)

微網對電網穩定性影響的仿真與分析

符楊1，胡鵬2，湯波1，賴圣聰3

(1.上海電力學院電力與自動化工程學院，上海200090；2.國網上海嘉定供電公司，上海200010；3.國網泰順供電公司，浙江泰順325500)

隨著智能電網的大力發展，有關微網的研究也相繼展開，特別是微網與電網的銜接及其自身的孤網運行問題。為了更加直觀地研究不同功率交換模式下微網對電網穩定性的影響，引入了滲透率的概念，并運用DIgSILENT搭建了微網仿真模型。微網模型中包含了常規類分布式電源：風力發電、光伏發電及微型燃氣輪機，通過觀察不同滲透率下電壓、頻率、功角的變化，分析微網對電網的影響。通過仿真實現了不同模式下微網對電網影響的觀察，探討了造成影響的潛在因素以及抑制不利因素的措施，通過觀察母線電壓的變化驗證了儲能電池維持電壓平衡的功用。

微網；滲透率；DIgSILENT；電壓；頻率；功角

電力工業長期采用集中大容量發電、遠距離輸配電的模式，隨著近年來電網規模不斷擴大，其弊端日益凸顯[1]。隨著分布式電源的應用，電力系統存在的不足逐漸得到了緩解。但是，分布式電源的應用過程中仍然存在著很多問題。分布式電源是一種不可控電源，并網后電網中潮流不易控制，所以往往采取限制、隔離的方式來減小分布式電源對大電網的沖擊和影響[2-3]。微網的優點在于其可以將分布式電源、用戶負荷、儲能裝置及控制裝置等相結合，形成單一可控的單元，并且在電網發生故障時微網可以孤網運行，保證其內部一部分負荷需求，減少停電損失。但是，微網大規模的接入會對大電網的穩態潮流分布、暫態故障特性產生重大影響，亦會給大電網的規劃設計、調度運行和保護控制及緊急控制方案等帶來新的問題[4]，所以有必要對微網接入大電網后的一系列影響及運行策略體系進行研究。

目前有關微網在不同滲透率下并網運行與孤網運行的相關研究比較少，本文就這一問題展開研究。

1 微網對電網的影響及能量交換

微網不但將各種分布式電源優化整合后作為整體通過公共連接點PCC接入電網，并且可以通過開關裝置實現其并網與孤網運行。微網的接入將原來的單一電源單一潮流流向的大電網變成了多電源多潮流分布的復雜性電網。

微網不僅可以作為電網的終端從電網吸收能量，也可以作為電網的電源，將自身多余能量輸送給電網，改變傳統電網能量單一流向的局限性。微網的接入會對電網的電壓、頻率、功角等產生影響，含有微網接入的大電網在受到不同大小的擾動時所受到的影響也不同。

為方便研究不同滲透率下微網對電網的影響，定義微網的滲透率為微網與電網的交換功率占電力系統總功率的比例[5]，即：

微網與電網的交換功率為：

2 仿真框架的搭建

本文的仿真算例采用某機構研究模型[6]優化而來，在DIg-SILENT中搭建此模型，其結構框架如圖1所示。

圖1 仿真算例結構

分布式電源及部分低壓負荷組成本文仿真中的微網，將電壓等級為0.4 kV的微網通過公共節點PCC接入電壓等級為10 kV的電網中。微網中的分布式電源包括風力發電、光伏發電、微型燃氣輪機；光伏發電經過逆變器PWM_PV接入微網，儲能電池經過逆變器PWM_battery接入微網。其中風機采用P-Q控制，儲能電池采用V/f控制(電壓控制*=1.05 kV)。

設定該系統中10 kV電網總負荷為3.6 MW，微網中總負荷為0.468 MW，該微網的滲透率取值范圍為－9.7%臆臆9.3%。在系統運行0.3 s后設置PCC節點發生三相短路接地故障，依據微網并網標準規定，當電力系統發生故障時，微網應快速切除。所以在系統運行0.38 s時將微網從10 kV電網中切除，并且在系統運行0.5 s時將蓄電池并入微網以維持微網內部電壓的穩定。仿真過程中，保持系統結構不變，通過改變微網的滲透率來觀察在不同滲透率下各母線的靜態電壓、動態電壓、動態頻率、功角的變化。

3 靜態電壓穩定性分析

靜態電壓穩定性分析是為了確定各母線電壓如何隨著滲透率的變化而變化，此次仿真設定微網滲透率變化及各分布式電源功率如表1。

表1 滲透率變化及各分布式電源功率

當＞0時，10 kV電網中各母線電壓標幺值變化如圖2所示。由圖2可知，在＞0的情況下，隨著滲透率的不斷增大，系統穩定狀態下各母線電壓也不斷增大，各母線的電壓標幺值越來越接近1，說明在電力系統中，微網向上級電網倒送的功率對母線電壓起到了支撐作用。

圖2 滲透率大于0時各母線電壓變化

當＜0時，各母線電壓標幺值變化如圖3所示。由圖3可知：當＜0時，隨著滲透率絕對值的增加，母線電壓標幺值在一定范圍(0～1.8%)內越來越接近1，但是當滲透率絕對值大于1.8%后，母線電壓隨著滲透率的增大而降低。這說明并不是微網的滲透率越大對電力系統的穩定性越有利，當滲透率過大時反而會對電力系統造成不利的影響。

圖3 滲透率小于0時各母線電壓變化

4 動態特性分析

動態特性分析的目的在于直觀地觀察電力系統發生故障前后各母線的電壓、頻率及功角的變化，觀察不同滲透率下微網切除后對電網穩定性的影響，并且分析產生影響的潛在因素。

4.1 動態電壓穩定性分析

圖4 滲透率大于0時故障后各母線電壓變化

微網從電網中切除進入孤網運行后，母線L1、L5在發生故障時電壓大幅下降。在故障切除后由于微網內部存在充裕的電源出力，足以滿足孤網狀態下微網內部負荷需求，所以各母線電壓逐漸恢復為正常值。微網內各分布式電源提供的功率支撐在電壓恢復過程中發揮了重要作用，但是隨著滲透率的變化，電壓恢復速度不同，滲透率越大系統電壓恢復速度越快。

母線L8為光伏發電與儲能電池的公共母線，由圖4可知，當微網脫離電網后，系統運行0.5 s時由于儲能電池并網，L5電壓恢復速度加快且接近控制值=1.05。說明在微網系統中，儲能類電源不但可以為網絡內部負荷需求提供電能，也可以為故障系統提供電壓支撐。當=9.3%時，母線L8電壓已經無法控制在正常值范圍內，說明并非滲透率越大，微網脫離故障電網孤島運行后的恢復速度越快，若滲透率過大反而會對微網運行造成負面影響。

圖5 滲透率小于0時故障后各母線電壓變化

微網進入孤網運行后，母線L1、L5、L8電壓亦恢復為正常值，且在儲能電池并入后恢復速度加快。但孤網運行0.1 s后，孤網內母線電壓已呈現超出正常值趨勢，當滲透率增大至9.7%時，電壓發生較大的振蕩且微網內部各母線電壓已不可控。

由以上各母線動態電壓分析可知，在適當的取值范圍內，滲透率越高，故障后系統的電壓恢復效果越好；但是當滲透率過高時，系統故障后各母線電壓呈現不可控狀態，可見滲透率并非越高好，過高的滲透率反而會加劇系統的崩潰。

4.2 動態頻率分析

圖6 滲透率大于0時故障后各母線頻率變化

圖7 滲透率小于0時故障后各母線頻率變化

微網孤網運行后，微網內母線L1、L5、L8的頻率均在經歷過振蕩后恢復為正常值，由母線L1、L5頻率動態圖可知，滲透率=－4.4%時頻率的恢復水平強于=－1.8%時的恢復水平，但當滲透率過大即|=9.7%時，母線頻率已經完全不可控。母線L8為光伏及儲能電池的公共母線，L8頻率振蕩在光伏電池并網后得到了較大的抑制，但由于母線上逆變器等電子元件會產生諧波，頻率在趨于穩定后仍會有小幅震蕩。

4.3 功角穩定性分析

功角穩定性分析的目的在于觀察電力系統受干擾后發電機轉子之間相互運動的情況，通過觀察功角隨時間變化的特性來作為判斷系統是否穩定的依據。發生故障并切除微網后母線M2功角變化如圖8所示。當＞0時，系統發生故障后，母線M2功角發生同步振蕩，且隨著滲透率的增大，震蕩周期亦增大。

圖8 滲透率大于0時系統故障后母線M2功角變化

圖9 滲透率小于0時系統故障后母線M2功角變化

5 結論

通過本文的仿真可知，不同滲透率下微網對電網的電壓、頻率、功角的影響有著較大的差異。微網對電力系統的電壓提供一定的支撐；對頻率的大幅度波動起到一定的抑制作用；脫離主網運行后會對主網的功角穩定性產生不良的影響；但是，并非交換的功率越多系統越穩定。比如在本文的仿真模型中，當滲透率大于0時可取最優滲透率為9.3%；當滲透率小于0時可取最優滲透率為－9.7%。當電網發生故障時，可以采取切機或者切除部分負荷或者加裝調速器以維持系統的功率平衡。

[1]蘇玲，張建華，王利，等.微電網相關問題及技術研究[J].電力系統保護與控制，2010，38(19):235-239.

[2]REZA M,SCHAVEMAKER P H,SLOOTWEG J G,et al.Impacts of distributed generation penetration levels on power system transient stability[C]//Proceedings of IEEE Power Engineering Society General Meeting.Chicago:IEEE,2002:862-867.

[3]肖宏飛，劉士榮，鄭凌蔚，等.微型電網技術研究初探[J].電力系統保護與控制，2009，37(8):115-119.

[4]撖奧洋，鄧星，文明浩，等.高滲透率下大電網應對微網接入的策略[J].電力系統自動化，2010，34(1):78-83.

[5]吳耀文，馬溪原，孫元章，等.微網高滲透率接入后的綜合經濟效益評估與分析[J].電力系統保護與控制，2012，40(13):49-54.

[6]彭克，王成山，李琰，等.典型中低壓微電網算例系統設計[J].電力系統自動化，2011，24(1):25-30.

Simulation and analysis influence of microgrids on power grid stability

FU Yang1,HU Peng2,TANG Bo1,LAI Sheng-Cong3

The research on microgrid had been started with the rapid developing of smart grids recent years, especially in the field of the connection between microgrid and grid,also in the field of the running of grid-island.The penetration rate and DIgSILENT were imported in order to study the influence of microgrid in different power exchange model.Numerous conventional distributed generators,such as wind power,photovoltaic generation,micro gas turbine,were contained of microgrid.The analysis of impact of microgrids on power grid was made.The impact that caused by microgrid in different sets of patterns was researched and the factors that bring about the influence and measures of inhibiting influence were discussed.One function of battery which was maintaining the voltage was verified.

microgrid;penetration rate;DIgSILENT;voltage;frequency;power angle

TM 727

A

1002-087 X(2015)03-0556-05

2014-08-10

國家自然科學基金項目(51177098)；上海市重點科技攻關計劃項目(11dz1210405)；上海市教委重點學科建設項目(J51303)

符楊(1968—)，男，江蘇省人，教授，主要研究方向為城市電網規劃、電力變壓器故障診斷。