基于RTDS的有源配电网暂态实时仿真与分析

于力，许爱东，郭晓斌，雷金勇，李鹏，王智颖

（1．南方电网科学研究院有限责任公司，广州510080；2．中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心，广州510080；3．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）

基于RTDS的有源配电网暂态实时仿真与分析

于力1，2，许爱东1，2，郭晓斌1，2，雷金勇1，2，李鹏3，王智颖3

（1．南方电网科学研究院有限责任公司，广州510080；2．中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心，广州510080；3．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）

有源配电网是智能电网中集成、管理分布式发电及储能设备、需求侧响应资源的重要平台，包括各种智能终端、控制及保护装置的研发与测试将对实时仿真提出更高要求。考虑有源配电网实时仿真的建模需求，文中基于实时仿真平台RTDS完成了含光伏、燃料电池等分布式电源的有源配电网暂态实时仿真建模，并给出了电力电子装置、分布式电源及控制器等特殊模型的实时仿真算法。研究了有源配电网在环境条件变化、系统故障及功率指令变化等各种场景下的动态过程，通过与离线仿真软件PSCAD/EMTDC的对比，验证了实时仿真模型的正确性，对系统资源消耗等分析，更为后续硬件在回路仿真（HIL）等研究中奠定了基础。关键词：有源配电网；分布式电源；实时仿真；电磁暂态仿真；实时数字仿真器

随着各种形式分布式电源、储能装置、微网及电动汽车充放电设施等的接入，配电网由传统的无源网络变成有源网络，在推动能源发展转型升级，降低化石燃料使用和碳排放，促进节能减排的同时，对配电网规划设计、运行调度、控制保护、仿真分析等方面带来诸多挑战[1]。与传统配电网相比，有源配电网采用了大量的电力电子装置、控制与保护设备等，其系统结构更加复杂[2]；另一方面，随着大量分布式电源的接入，有源配电网的运行状态会随着外部条件、拓扑结构、负荷需求的变化以及故障或扰动的发生而不断变化，其暂态特性更加复杂[3]。因此，通过仿真手段研究有源配电网的各种暂态行为，进而为配电网规划设计、优化调度、故障自动定位和排除、谐波分析、短路电流计算、保护装置整定、实际物理系统试验与验证等提供支持，具有十分重要的意义和工程价值。

从对仿真计算时间的要求看，有源配电网暂态仿真可分为实时仿真和非实时仿真两类，其中实时仿真可用于实际硬件设备的硬件在回路HIL（hardware-in-the-loop）测试[4]，通过将实时仿真器与实际物理设备连接，模拟光照/风速变化、电压跌落、短路故障、甩负荷等各种特殊运行场景下系统的暂态过程，从而降低各种二次设备的研发测试成本，同时可避免待测设备对实际系统的影响，为分布式发电装置的控制器设计、保护装置整定、智能配电终端的测试提供理论依据。

实时数字仿真器RTDS（real time digitalsimulator）作为成熟的工业级仿真工具，在包括各种控制、保护与智能终端等二次设备的开发、试验、测试等方面得到广泛应用[5]。文献[6]详细介绍了基于RTDS的光伏蓄电池混合发电系统的建模方法；文献[7]完成了基于RTDS的含STATCOM的风电场建模，并对其暂态特性进行分析；文献[8]提出一种含光伏蓄电池的微网协调控制策略，并在RTDS仿真平台上验证了该策略的有效性。本文选择RTDS作为研究有源配电网动态特性的工具，对包括光伏发电系统、固体氧化物燃料电池发电系统在内的有源配电网进行详细的实时仿真建模，分析分布式电源的动态特性以及它们在各种扰动下的暂态特征，并与商业离线软件PSCAD/EMTDC进行对比，以验证本文建模的正确性，为后续硬件在环仿真平台的建设奠定基础。

1 RTDS仿真建模

RTDS的开发最早基于EMTDC的软件基础，提供了电力系统大多数设备的仿真模型，包括输电线模型、同步发电机模型、电力变压器模型、滤波器模型、动态负荷模型、串联电容补偿器、静止无功补偿器等，对含高频开关元件绝缘栅双极型晶体管如IGBT（insulated gate bipolar transistor）的电力电子设备具有较好的建模能力和仿真精度。为保证仿真的实时性，RTDS采用特殊的小步长模块对电力电子装置进行仿真，对电气系统中的其他元件以及控制系统则采用常规步长进行仿真，二者通过接口变压器实现接口[9]。

1.1 电气系统建模

传统电力系统实时仿真步长通常为50μs/60 μs，该步长不适于高频的电力电子开关电路仿真。对于有源配电网，大部分分布式电源都通过电力电子装置接入配电网，因此需使用特殊的小步长模型对电力电子开关电路进行建模，小步长有助于抑制步长间开关动作造成的误差。

RTDS小步长开关模型如图1和图2所示，分别用小电感L以及电容电阻串联的RC电路表示开关的开通和关断两个状态[10-11]。图1与图2分别表示开通和关断两个状态下的开关模型及其差分后的诺顿等效电路。

图1 开关导通状态Fig.1 Opening state of sw itch

图2 开关关断状态Fig.2 Closing state of sw itch

L、R、C的计算公式为

式中：u为开关电压；i为开关电流；δ为阻尼系数；Δt为小仿真步长；Gsc与Goc分别为使用梯形法进行差分后，开关在导通和关断状态下的导纳。在RTDS中，导纳Gsc与Goc是保持相等的，此时开关状态改变时整个网络的节点导纳矩阵保持不变，从而可通过直接存储导纳矩阵的逆矩阵的方式，将线性方程组求解转化为简单的矩阵向量乘法，避免了对于导纳矩阵的因子分解，减少了计算量，加快了计算速度。另一方面，L、C、R的取值通过式（1）~式（4）约束，可看出，只有当仿真步长Δt足够小时，才能使L、C的取值尽量小，若L、C取值较大，这种建模方式会引入一定的开关损耗，减小步长或调整参数u、i和δ可有效地缓解该现象。

1.2 控制系统建模

控制系统的建模仿真是实时仿真的重要组成部分。控制系统元件包括传递函数、典型的非线性环节及各种最基本的代数运算、比较运算、逻辑运算环节等。在分布式发电系统实时仿真中，一方面分布式电源中非线性环节较多，过多的插入延时会影响计算精度和数值稳定性；另一方面控制元件数量较多，因而计算矩阵维数较高，进行高维度矩阵运算会消耗较多的计算资源。因此在基于RTDS的有源配电网实时仿真中，RTDS根据每个控制元件的连接顺序，依此对每个控制元件进行求解。

在RTDS中，控制系统采用大步长进行仿真。由于分布式电源具有较强的非线性，例如光伏模型中的光生电流和二极管饱和电流，因此除了分布式发电系统的控制器，分布式电源也在控制系统中进行建模求解。

1.3 接口变压器

虽然使用小步长有利于提升仿真精度，然而RTDS的大步长模型库比小步长模型库提供了更丰富的模型支持，并且如果将整个电气网络使用小步长进行仿真，将会过多地占用有限的计算资源，另外，50μs/60μs的仿真步长足以反映常规电力系统的动态过程，因此在基于RTDS的有源配电网实时仿真中，仅对分布式发电单元中的电气部分，如电力电子装置、滤波器、线路等采用小步长进行仿真，而配电网、分布式电源以及二次控制器等部分采用大步长进行仿真，二者的接口通过多速率接口变压器实现。RTDS中的接口变压器接入系统中时会带来附加阻抗，而对于分布式发电系统来说，通常需要以隔离变压器为接口接入配电网，因此用接口变压器模拟实际网络中的隔离变压器，并使接口变压器的附加损耗等于实际变压器的漏抗是合理的。

RTDS提供了多种接口变压器模型，以实现电气系统解耦的功能，包括单相变压器、三相变压器等[9]。RTDS对于接口变压器的建模借助于传输线模型，当行波在线路中的传输时间超过仿真步长时，该模型具有将两端网络解耦的作用，接口变压器利用这一特性进行网络分割。其中传输线路单位长度电感和电容为L0和C0，输电线路长度为d，则传输线路的电感参数L=dL0，设定为接口变压器的漏感，输电线路的电容参数C=dC0，为非真实的引入量，波传输时间。在RTDS中，模拟解耦变压器的输电线路的传输时间τ固定设置为大步长的1.39倍[10]。具体计算公式为

式中，ΔT为大仿真步长。电容C是非真实存在的引入量，因此必须保证容抗XC不能太小，否则会影响仿真结果，这也是RTDS限制漏抗XL不能小于0.05 p.u.的原因。

2 分布式发电系统建模

有源配电网的实时仿真侧重于对分布式电源、网络中各种快速变化的暂态过程以及较短时间范围内系统响应结果的详细仿真，特别强调仿真的准确性和完整性，因此需要采用详细元件模型对分布式电源进行建模。本文以含光伏、燃料电池的有源配电网为例，说明适于实时仿真的建模方法。

2.1 光伏发电系统建模

光伏发电系统由光伏阵列、并网逆变器、滤波器、线路、负荷等构成。本文以并网单级式光伏发电系统[12]为例，其结构如图3所示。

图3 光伏发电系统结构Fig.3 Structureof PV generation system

光伏阵列中的光伏电池采用单二极管等效电路模型[13-14]，如图4所示，其中V为光伏阵列输出电压；I为光伏阵列输出电流；Iph为光生电流源电流；Is为二极管饱和电流；Rs为光伏电池串联电阻；Rsh为光伏电池并联电阻。

图4 光伏电池等效电路模型Fig.4 Equivalent circuitmodelof PV

本文中，光伏发电系统的并网逆变器采用VdcQ控制[16]，其中，直流电压控制的参考电压值由基于扰动观测法的最大功率点跟踪MPPT（maximumpower point tracking）控制算法[16]给出。

2.2 燃料电池发电系统建模

燃料电池发电系统包括燃料电池堆、直流电容、三相逆变器、滤波器、线路以及电网等，其中燃料电池堆的种类较多，且时间尺度较大，考虑到建模仿真的难易程度以及实际应用范围，本文采用燃料电池的中期动态模型[15]。燃料电池发电系统可根据电力电子装置的不同分为单级式和双级式两种类型，本文采用双级式结构，如图5所示。

图5 燃料电池发电系统结构Fig.5 Structure of fuelcellsgeneration system

燃料电池堆模型由量测环节、燃料平衡控制系统、电化学动态部分及电气部分等组成，如图6所示。Nf为天然气进气量的流速率，mol/s；分别代表氢气进气量和反应量的流速率，mol/s；KH2、KH2O和KO2分别为相应气体的阀门摩尔常数，mol（/s·Pa）；τH2，τH2O和τO2是相应气体的反应时间常数，s。

与单级式光伏发电系统结构相比，双级式燃料电池发电系统增加了升压斩波（Boost）电路。控制方式与光伏系统类似，仍然采用双环控制。通过控制Boost电路中IGBT的占空比，控制逆变器直流侧的电容电压，燃料电池发电系统的并网逆变器采用直接PQ控制，功率参考值预先给定。

2.3 含分布式电源的有源配电网建模

陈桥驿先生还主编《杭州市地名志》。宋代词人柳永《望海潮》：“东南形胜，三吴都会，钱塘自古繁华。烟柳画桥，风帘翠幕，参差十万人家。”杭州历来是浙江省政治、经济、文化、交通中心，又是全国八大古都之一，历史文化名城和著名风景名胜城市，由于地位显要，《杭州市地名志》亦备受各界人士的青睐和关注。杭州市地名办公室深知该志的重要，故特邀陈桥驿先生担任主编，陈欣然受命。由于本人亦参加该志自然地理实体的撰写，故深知他和以往主编词典和其他书籍一样，自肩负主编起，兢兢业业，勤勤恳恳，恪守尽职。

本文采用欧盟低压配网[17-18]的算例，该算例为含有多种分布式电源及储能装置的配电网电源配置、控制策略、保护整定及与大电网相互作用机理等相关研究提供了平台。其中光伏发电单元、燃料电池发电单元的接入位置如图7所示，系统参数见附录A。

图6 燃料电池中期动态模型Fig.6 Mid-term dynam icmodelof fuelcells

图7 欧盟低压配网的结构示意Fig.7 Structure of low voltage distributed network in EU

3 RTDS仿真测试结果

为研究含分布式电源的有源配电网的动态特性，考虑3个常见的应用场景，并将仿真结果与离线软件PSCAD/EMTDC进行比较，以验证本文建模工作的正确性。

针对该有源配电网的规模，RTDS硬件平台配置1个RACK，包含4个GPC，每个GPC包含A、B两个处理器。针对该算例，GPC 1A用于网络求解，GPC 2B和3A用于小步长子系统求解，GPC 1B和2A用于控制系统仿真，GPC 3B和4A用于线路、变压器以及三相电压源的解算。该算例采用50μs的大仿真步长，小步长由RTDS自动设置为1.8519μs。

3.1 场景1：单相接地故障

对故障的详细动态仿真，以便对接入系统的实际保护装置进行测试是实时仿真的一项重要应用。在该场景中，设置稳态时光伏发电系统内部变压器前端发生a相接地故障，0.1 s后切除故障，图8给出了光伏发电系统滤波器出口a相电压、a相电流、光伏输出直流电压以及三相瞬时有功功率和无功功率。

图8 有源配电网单相接地故障仿真结果Fig.8 Simulation resultsof ADNw ith single-phase grounding fault

从仿真结果可看出，故障点电流几乎为零，这是由于在光伏并网发电系统中，为防止零序电流和3倍数次谐波传入配电网，光伏发电系统通常经隔离变压器并网运行，该变压器一般采用DY11接法，在光伏发电系统内部发生接地故障时，零序电流通路阻抗很大，因此零序电流几乎为零，而单向接地短路的特点是故障电流的正序、负序和零序相等，因此故障电流几乎为零，对整个光伏发电系统的输出电流和输出功率并没有明显的影响。

从图中可知，RTDS的仿真结果与PSCAD离线仿真的结果基本一致。RTDS仿真结果中的有功功率比PSCAD的仿真结果略小，这是由于RTDS使用的小步长电力电子模型本身会造成一定的开关损耗，减小步长能缓解这一问题。鉴于PSCAD的仿真步长仅为1μs，而RTDS的大步长为50μs，因此波形在细节方面并不能完全重合。

3.2 场景2：光照强度变化

光伏的输出受光照强度影响较大，为研究光照强度变化时整个系统的动态响应过程，设置稳态时光照强度由1000W/m2变为800W/m2，图9给出了光伏发电系统滤波器出口a相电压、a相电流、光伏输出直流电压、电流以及三相瞬时有功功率值。

从仿真结果可看出，在光照强度从1000W/m2变为800W/m2时，光伏发电系统输出的有功功率快速从10 kW降到8 kW，光伏阵列输出电流和滤波器输出电流均有一定程度的减小；另外在MPPT控制下，光伏阵列能够快速跟踪到最大功率点输出，体现了扰动观测法的有效性。从图9的仿真结果中可以看出，PSCAD离线仿真的结果与RTDS仿真结果基本一致，不过RTDS的输出功率比PSCAD相对较低，原因与之前相同，这里不再赘述。

图9 有源配电网光照强度变化仿真结果Fig.9 Simulation resultsof ADN during the step scenario

3.3 场景3：功率指令变化

为测试燃料电池发电系统功率控制的效果，假设燃料电池发电系统与电网相连的母线上负荷需求发生变化，令系统初始有功功率指令为10kW，系统达到稳态后，有功指令由10 kW变为20 kW，此过程中，Boost电路的电压指令一直为480 V。图10给出了滤波器出口A相电流和A相电压值、Boost输出电压值以及系统输出的有功功率、无功功率。

从仿真结果看，当功率指令从10 kW增加到20 kW时，燃料电池的输出功率较快地做出了反应，滤波器输出电流同样有所增加；而在有功功率指令突增的情况下，燃料电池反应较慢，Boost电路的电容进行了放电，在短时间内补充了有功功率输出，在燃料电池输出功率增加后，Boost电路的电容重新充电至480 V。从图中可知，RTDS的仿真结果与PSCAD离线仿真的结果基本一致，验证了本文建模的正确性。

图10 有源配电网功率指令变化仿真结果Fig.10 Simulation resultsof ADN during the step scenario

4 结语

本文首先详细介绍了实时数字仿真器RTDS仿真建模及仿真算法的特点，包括基于接口变压器的多速率接口方法以及基于小步长的电力电子变流器仿真方法，这些方法对于保证仿真的实时性是至关重要的。进而研究了含分布式电源光伏、固体氧化物燃料电池的有源配电网的暂态实时仿真建模方法，完成了基于实时仿真器RTDS的有源配电网的实时仿真，在此基础上分析了分布式电源并网运行时出现环境条件变化、系统外部故障及功率指令变化等各种扰动时系统的暂态特性。本文工作为含多种分布式电源的有源配电网的实时仿真提供了指导思想，同时为后续硬件在回路（HIL）测试研究奠定了基础。

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附录A欧盟低压配网详细参数

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欧盟低压配网详细参数（阻抗单位：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，助理研究员，研究方向为智能配电网自愈控制与仿真分析技术。Email：yuli@csg.cn

许爱东（1977—），男，硕士，高级工程师，研究方向为智能配电网与微电网控制。Email：xuad@csg.cn

郭晓斌（1975—），男，硕士，高级工程师，研究方向为用电及计量技术管理。Email：xuad@csg.cn

2014-09-04；

2014-10-31

南方电网公司2013年科技项目“含分布式电源的智能配网试验与检测关键技术研究”（K-KY2013-109）；国家高技术研究发展计划项目（863项目）（2011AA05A114）