含分布式电源的配电网动态相量建模方法研究

作     者：高甲蒙 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许寅

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 

主      题：动态相量 配电网 分布式电源 电磁暂态仿真 

摘      要：随着全球“双碳目标以及经济结构的转型升级,电力在全部能源负荷中占比将越来越高。在电力能源中,可再生能源成为“碳达峰碳中和的主力军。分布式电源由于其高度的灵活性,广泛应用于配电网,正在逐渐改变传统配电网的潮流分布、电能质量和运行模式。对于电力电子化配电网的时域仿真分析,机电暂态仿真已无法满足其准确性要求,而基于变流器详细模型的电磁暂态仿真则难以满足其计算效率和网络规模的需求。其中,电力电子变流器的暂态模型和规模庞大且日益复杂的电力网络模型是影响时域仿真准确性与计算效率的两个关键因素。因此,建立一种兼具准确性和效率的配电网模型,并充分考虑分布式电源对配电网的影响,对于配电网的规划、运行以及故障分析至关重要。动态相量模型具有良好的工程精度和快速的分析能力,为电力电子化配电网快速建模与仿真(Fast Simulation and Modeling,FSM)提供了一种新的建模技术手段适用于现代配电网时域仿真分析。本文着重研究交流电网和分布式电源的动态相量(Dynamic Phasor,DP)建模方法,其主要内容如下:(1)分析了动态相量模型的构建思路,阐述了动态相量模型在电力系统建模中的特点和优势,介绍了动态相量和瞬时值的转换过程,并对基本电路的动态相量建模和仿真算法进行了分析,从理论角度证明建模方法的可行性,为后续研究配电网络及分布式电源建模及仿真技术奠定了基础。(2)研究适用于交流配电网的动态相量建模方法。首先,基于定步长仿真原理,对配电网元件进行建模,并提出了适用于配电网络的动态相量仿真框架;其次,基于变步长仿真原理,推导了实数形式的动态相量状态方程,提出了适用于较大规模网络仿真暂态分析的建模方法;最后,对两种方法分别进行测试分析,论证两种方法在进行故障仿真时的特点。(3)提出了三种变流器类型的动态相量建模方法。首先,详细推导了电压源型变流器的动态相量建模过程;其次,对储能及其变流器模型、光伏发电系统及其升压电路和微型燃气轮及其背靠背变流器系统进行动态相量建模;最后,通过仿真分析,验证了这三类分布式电源在各种扰动情况下的准确性,并进行效率分析。(4)提出了含分布式电源配电网的动态相量模型。首先,设计了分布式电源与配电网络动态相量模型的交直流接口方法,以保证网络仿真的数值稳定性;然后,提出了含分布式电源的配电网动态相量模型仿真框架;最后,通过仿真分析,进一步验证了动态相量模型在保证仿真准确性前提下的仿真效率方面的优势。结果表明,此方法在提升仿真效率方面具有明显的优势,并且能够通过变换仿真步长尺度来获得准确的暂态过程结果,适用于含大规模电力电子分布式电源的有源配电网进行建模。