基于RTDS的有源配電網暫態實時仿真與分析

于力，許愛東，郭曉斌，雷金勇，李鵬，王智穎

（1．南方電網科學研究院有限責任公司，廣州510080；2．中國南方電網有限責任公司電網技術研究中心，廣州510080；3．天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072）

基于RTDS的有源配電網暫態實時仿真與分析

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．南方電網科學研究院有限責任公司，廣州510080；2．中國南方電網有限責任公司電網技術研究中心，廣州510080；3．天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072）

有源配電網是智能電網中集成、管理分布式發電及儲能設備、需求側響應資源的重要平臺，包括各種智能終端、控制及保護裝置的研發與測試將對實時仿真提出更高要求。考慮有源配電網實時仿真的建模需求，文中基于實時仿真平臺RTDS完成了含光伏、燃料電池等分布式電源的有源配電網暫態實時仿真建模，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時仿真算法。研究了有源配電網在環境條件變化、系統故障及功率指令變化等各種場景下的動態過程，通過與離線仿真軟件PSCAD/EMTDC的對比，驗證了實時仿真模型的正確性，對系統資源消耗等分析，更為后續硬件在回路仿真（HIL）等研究中奠定了基礎。關鍵詞：有源配電網；分布式電源；實時仿真；電磁暫態仿真；實時數字仿真器

隨著各種形式分布式電源、儲能裝置、微網及電動汽車充放電設施等的接入，配電網由傳統的無源網絡變成有源網絡，在推動能源發展轉型升級，降低化石燃料使用和碳排放，促進節能減排的同時，對配電網規劃設計、運行調度、控制保護、仿真分析等方面帶來諸多挑戰[1]。與傳統配電網相比，有源配電網采用了大量的電力電子裝置、控制與保護設備等，其系統結構更加復雜[2]；另一方面，隨著大量分布式電源的接入，有源配電網的運行狀態會隨著外部條件、拓撲結構、負荷需求的變化以及故障或擾動的發生而不斷變化，其暫態特性更加復雜[3]。因此，通過仿真手段研究有源配電網的各種暫態行為，進而為配電網規劃設計、優化調度、故障自動定位和排除、諧波分析、短路電流計算、保護裝置整定、實際物理系統試驗與驗證等提供支持，具有十分重要的意義和工程價值。

從對仿真計算時間的要求看，有源配電網暫態仿真可分為實時仿真和非實時仿真兩類，其中實時仿真可用于實際硬件設備的硬件在回路HIL（hardware-in-the-loop）測試[4]，通過將實時仿真器與實際物理設備連接，模擬光照/風速變化、電壓跌落、短路故障、甩負荷等各種特殊運行場景下系統的暫態過程，從而降低各種二次設備的研發測試成本，同時可避免待測設備對實際系統的影響，為分布式發電裝置的控制器設計、保護裝置整定、智能配電終端的測試提供理論依據。

實時數字仿真器RTDS（real time digitalsimulator）作為成熟的工業級仿真工具，在包括各種控制、保護與智能終端等二次設備的開發、試驗、測試等方面得到廣泛應用[5]。文獻[6]詳細介紹了基于RTDS的光伏蓄電池混合發電系統的建模方法；文獻[7]完成了基于RTDS的含STATCOM的風電場建模，并對其暫態特性進行分析；文獻[8]提出一種含光伏蓄電池的微網協調控制策略，并在RTDS仿真平臺上驗證了該策略的有效性。本文選擇RTDS作為研究有源配電網動態特性的工具，對包括光伏發電系統、固體氧化物燃料電池發電系統在內的有源配電網進行詳細的實時仿真建模，分析分布式電源的動態特性以及它們在各種擾動下的暫態特征，并與商業離線軟件PSCAD/EMTDC進行對比，以驗證本文建模的正確性，為后續硬件在環仿真平臺的建設奠定基礎。

1 RTDS仿真建模

RTDS的開發最早基于EMTDC的軟件基礎，提供了電力系統大多數設備的仿真模型，包括輸電線模型、同步發電機模型、電力變壓器模型、濾波器模型、動態負荷模型、串聯電容補償器、靜止無功補償器等，對含高頻開關元件絕緣柵雙極型晶體管如IGBT（insulated gate bipolar transistor）的電力電子設備具有較好的建模能力和仿真精度。為保證仿真的實時性，RTDS采用特殊的小步長模塊對電力電子裝置進行仿真，對電氣系統中的其他元件以及控制系統則采用常規步長進行仿真，二者通過接口變壓器實現接口[9]。

1.1 電氣系統建模

傳統電力系統實時仿真步長通常為50μs/60 μs，該步長不適于高頻的電力電子開關電路仿真。對于有源配電網，大部分分布式電源都通過電力電子裝置接入配電網，因此需使用特殊的小步長模型對電力電子開關電路進行建模，小步長有助于抑制步長間開關動作造成的誤差。

RTDS小步長開關模型如圖1和圖2所示，分別用小電感L以及電容電阻串聯的RC電路表示開關的開通和關斷兩個狀態[10-11]。圖1與圖2分別表示開通和關斷兩個狀態下的開關模型及其差分后的諾頓等效電路。

圖1 開關導通狀態Fig.1 Opening state of sw itch

圖2 開關關斷狀態Fig.2 Closing state of sw itch

L、R、C的計算公式為

式中：u為開關電壓；i為開關電流；δ為阻尼系數；Δt為小仿真步長；Gsc與Goc分別為使用梯形法進行差分后，開關在導通和關斷狀態下的導納。在RTDS中，導納Gsc與Goc是保持相等的，此時開關狀態改變時整個網絡的節點導納矩陣保持不變，從而可通過直接存儲導納矩陣的逆矩陣的方式，將線性方程組求解轉化為簡單的矩陣向量乘法，避免了對于導納矩陣的因子分解，減少了計算量，加快了計算速度。另一方面，L、C、R的取值通過式（1）~式（4）約束，可看出，只有當仿真步長Δt足夠小時，才能使L、C的取值盡量小，若L、C取值較大，這種建模方式會引入一定的開關損耗，減小步長或調整參數u、i和δ可有效地緩解該現象。

1.2 控制系統建模

控制系統的建模仿真是實時仿真的重要組成部分。控制系統元件包括傳遞函數、典型的非線性環節及各種最基本的代數運算、比較運算、邏輯運算環節等。在分布式發電系統實時仿真中，一方面分布式電源中非線性環節較多，過多的插入延時會影響計算精度和數值穩定性；另一方面控制元件數量較多，因而計算矩陣維數較高，進行高維度矩陣運算會消耗較多的計算資源。因此在基于RTDS的有源配電網實時仿真中，RTDS根據每個控制元件的連接順序，依此對每個控制元件進行求解。

在RTDS中，控制系統采用大步長進行仿真。由于分布式電源具有較強的非線性，例如光伏模型中的光生電流和二極管飽和電流，因此除了分布式發電系統的控制器，分布式電源也在控制系統中進行建模求解。

1.3 接口變壓器

雖然使用小步長有利于提升仿真精度，然而RTDS的大步長模型庫比小步長模型庫提供了更豐富的模型支持，并且如果將整個電氣網絡使用小步長進行仿真，將會過多地占用有限的計算資源，另外，50μs/60μs的仿真步長足以反映常規電力系統的動態過程，因此在基于RTDS的有源配電網實時仿真中，僅對分布式發電單元中的電氣部分，如電力電子裝置、濾波器、線路等采用小步長進行仿真，而配電網、分布式電源以及二次控制器等部分采用大步長進行仿真，二者的接口通過多速率接口變壓器實現。RTDS中的接口變壓器接入系統中時會帶來附加阻抗，而對于分布式發電系統來說，通常需要以隔離變壓器為接口接入配電網，因此用接口變壓器模擬實際網絡中的隔離變壓器，并使接口變壓器的附加損耗等于實際變壓器的漏抗是合理的。

RTDS提供了多種接口變壓器模型，以實現電氣系統解耦的功能，包括單相變壓器、三相變壓器等[9]。RTDS對于接口變壓器的建模借助于傳輸線模型，當行波在線路中的傳輸時間超過仿真步長時，該模型具有將兩端網絡解耦的作用，接口變壓器利用這一特性進行網絡分割。其中傳輸線路單位長度電感和電容為L0和C0，輸電線路長度為d，則傳輸線路的電感參數L=dL0，設定為接口變壓器的漏感，輸電線路的電容參數C=dC0，為非真實的引入量，波傳輸時間。在RTDS中，模擬解耦變壓器的輸電線路的傳輸時間τ固定設置為大步長的1.39倍[10]。具體計算公式為

式中，ΔT為大仿真步長。電容C是非真實存在的引入量，因此必須保證容抗XC不能太小，否則會影響仿真結果，這也是RTDS限制漏抗XL不能小于0.05 p.u.的原因。

2 分布式發電系統建模

有源配電網的實時仿真側重于對分布式電源、網絡中各種快速變化的暫態過程以及較短時間范圍內系統響應結果的詳細仿真，特別強調仿真的準確性和完整性，因此需要采用詳細元件模型對分布式電源進行建模。本文以含光伏、燃料電池的有源配電網為例，說明適于實時仿真的建模方法。

2.1 光伏發電系統建模

光伏發電系統由光伏陣列、并網逆變器、濾波器、線路、負荷等構成。本文以并網單級式光伏發電系統[12]為例，其結構如圖3所示。

圖3 光伏發電系統結構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為光伏電池串聯電阻；Rsh為光伏電池并聯電阻。

圖4 光伏電池等效電路模型Fig.4 Equivalent circuitmodelof PV

本文中，光伏發電系統的并網逆變器采用VdcQ控制[16]，其中，直流電壓控制的參考電壓值由基于擾動觀測法的最大功率點跟蹤MPPT（maximumpower point tracking）控制算法[16]給出。

2.2 燃料電池發電系統建模

燃料電池發電系統包括燃料電池堆、直流電容、三相逆變器、濾波器、線路以及電網等，其中燃料電池堆的種類較多，且時間尺度較大，考慮到建模仿真的難易程度以及實際應用范圍，本文采用燃料電池的中期動態模型[15]。燃料電池發電系統可根據電力電子裝置的不同分為單級式和雙級式兩種類型，本文采用雙級式結構，如圖5所示。

圖5 燃料電池發電系統結構Fig.5 Structure of fuelcellsgeneration system

燃料電池堆模型由量測環節、燃料平衡控制系統、電化學動態部分及電氣部分等組成，如圖6所示。Nf為天然氣進氣量的流速率，mol/s；分別代表氫氣進氣量和反應量的流速率，mol/s；KH2、KH2O和KO2分別為相應氣體的閥門摩爾常數，mol（/s·Pa）；τH2，τH2O和τO2是相應氣體的反應時間常數，s。

與單級式光伏發電系統結構相比，雙級式燃料電池發電系統增加了升壓斬波（Boost）電路。控制方式與光伏系統類似，仍然采用雙環控制。通過控制Boost電路中IGBT的占空比，控制逆變器直流側的電容電壓，燃料電池發電系統的并網逆變器采用直接PQ控制，功率參考值預先給定。

2.3 含分布式電源的有源配電網建模

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，錢塘自古繁華。煙柳畫橋，風簾翠幕，參差十萬人家。”杭州歷來是浙江省政治、經濟、文化、交通中心，又是全國八大古都之一，歷史文化名城和著名風景名勝城市，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任主編，陳欣然受命。由于本人亦參加該志自然地理實體的撰寫，故深知他和以往主編詞典和其他書籍一樣，自肩負主編起，兢兢業業，勤勤懇懇，恪守盡職。

本文采用歐盟低壓配網[17-18]的算例，該算例為含有多種分布式電源及儲能裝置的配電網電源配置、控制策略、保護整定及與大電網相互作用機理等相關研究提供了平臺。其中光伏發電單元、燃料電池發電單元的接入位置如圖7所示，系統參數見附錄A。

圖6 燃料電池中期動態模型Fig.6 Mid-term dynam icmodelof fuelcells

圖7 歐盟低壓配網的結構示意Fig.7 Structure of low voltage distributed network in EU

3 RTDS仿真測試結果

為研究含分布式電源的有源配電網的動態特性，考慮3個常見的應用場景，并將仿真結果與離線軟件PSCAD/EMTDC進行比較，以驗證本文建模工作的正確性。

針對該有源配電網的規模，RTDS硬件平臺配置1個RACK，包含4個GPC，每個GPC包含A、B兩個處理器。針對該算例，GPC 1A用于網絡求解，GPC 2B和3A用于小步長子系統求解，GPC 1B和2A用于控制系統仿真，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，小步長由RTDS自動設置為1.8519μs。

3.1 場景1：單相接地故障

對故障的詳細動態仿真，以便對接入系統的實際保護裝置進行測試是實時仿真的一項重要應用。在該場景中，設置穩態時光伏發電系統內部變壓器前端發生a相接地故障，0.1 s后切除故障，圖8給出了光伏發電系統濾波器出口a相電壓、a相電流、光伏輸出直流電壓以及三相瞬時有功功率和無功功率。

圖8 有源配電網單相接地故障仿真結果Fig.8 Simulation resultsof ADNw ith single-phase grounding fault

從仿真結果可看出，故障點電流幾乎為零，這是由于在光伏并網發電系統中，為防止零序電流和3倍數次諧波傳入配電網，光伏發電系統通常經隔離變壓器并網運行，該變壓器一般采用DY11接法，在光伏發電系統內部發生接地故障時，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是故障電流的正序、負序和零序相等，因此故障電流幾乎為零，對整個光伏發電系統的輸出電流和輸出功率并沒有明顯的影響。

從圖中可知，RTDS的仿真結果與PSCAD離線仿真的結果基本一致。RTDS仿真結果中的有功功率比PSCAD的仿真結果略小，這是由于RTDS使用的小步長電力電子模型本身會造成一定的開關損耗，減小步長能緩解這一問題。鑒于PSCAD的仿真步長僅為1μs，而RTDS的大步長為50μs，因此波形在細節方面并不能完全重合。

3.2 場景2：光照強度變化

光伏的輸出受光照強度影響較大，為研究光照強度變化時整個系統的動態響應過程，設置穩態時光照強度由1000W/m2變為800W/m2，圖9給出了光伏發電系統濾波器出口a相電壓、a相電流、光伏輸出直流電壓、電流以及三相瞬時有功功率值。

從仿真結果可看出，在光照強度從1000W/m2變為800W/m2時，光伏發電系統輸出的有功功率快速從10 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小；另外在MPPT控制下，光伏陣列能夠快速跟蹤到最大功率點輸出，體現了擾動觀測法的有效性。從圖9的仿真結果中可以看出，PSCAD離線仿真的結果與RTDS仿真結果基本一致，不過RTDS的輸出功率比PSCAD相對較低，原因與之前相同，這里不再贅述。

圖9 有源配電網光照強度變化仿真結果Fig.9 Simulation resultsof ADN during the step scenario

3.3 場景3：功率指令變化

為測試燃料電池發電系統功率控制的效果，假設燃料電池發電系統與電網相連的母線上負荷需求發生變化，令系統初始有功功率指令為10kW，系統達到穩態后，有功指令由10 kW變為20 kW，此過程中，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輸出的有功功率、無功功率。

從仿真結果看，當功率指令從10 kW增加到20 kW時，燃料電池的輸出功率較快地做出了反應，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，燃料電池反應較慢，Boost電路的電容進行了放電，在短時間內補充了有功功率輸出，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的仿真結果與PSCAD離線仿真的結果基本一致，驗證了本文建模的正確性。

圖10 有源配電網功率指令變化仿真結果Fig.10 Simulation resultsof ADN during the step scenario

4 結語

本文首先詳細介紹了實時數字仿真器RTDS仿真建模及仿真算法的特點，包括基于接口變壓器的多速率接口方法以及基于小步長的電力電子變流器仿真方法，這些方法對于保證仿真的實時性是至關重要的。進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的暫態實時仿真建模方法，完成了基于實時仿真器RTDS的有源配電網的實時仿真，在此基礎上分析了分布式電源并網運行時出現環境條件變化、系統外部故障及功率指令變化等各種擾動時系統的暫態特性。本文工作為含多種分布式電源的有源配電網的實時仿真提供了指導思想，同時為后續硬件在回路（HIL）測試研究奠定了基礎。

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附錄A歐盟低壓配網詳細參數

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歐盟低壓配網詳細參數（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，研究方向為智能配電網自愈控制與仿真分析技術。Email：yuli@csg.cn

許愛東（1977—），男，碩士，高級工程師，研究方向為智能配電網與微電網控制。Email：xuad@csg.cn

郭曉斌（1975—），男，碩士，高級工程師，研究方向為用電及計量技術管理。Email：xuad@csg.cn

2014-09-04；

2014-10-31

南方電網公司2013年科技項目“含分布式電源的智能配網試驗與檢測關鍵技術研究”（K-KY2013-109）；國家高技術研究發展計劃項目（863項目）（2011AA05A114）