主動配電網(wǎng)建模

ADN一般是指由分布式電源、負荷、儲能系統(tǒng)和控制裝置構成的配電系統(tǒng)。

配電網(wǎng)是指電力系統(tǒng)中二次降壓變電所低壓側直接或經(jīng)過降壓變壓器降壓后向用戶供電的網(wǎng)絡。配電網(wǎng)按電壓等級可分為高壓配電網(wǎng)(35~110kV)、中壓配電網(wǎng)(6~10kV)和低壓配電網(wǎng)((0.4kV)，而ADN多指含DG的更靠近用戶側的低壓配電網(wǎng)。

低壓配電網(wǎng)的結構按接線方式大致可分為三種:輻射網(wǎng)、樹狀網(wǎng)、環(huán)狀網(wǎng)。如圖1所示。圖1中位于低壓母線出口處的黑色方塊代表斷路器，饋線上的黑色圓點代表線路節(jié)點，箭頭代表負荷。不管是何種結構，都是由高壓電網(wǎng)經(jīng)降壓變壓器降壓后通過單個或者多個饋線向某區(qū)域內用戶供電，而用戶則可以處于饋線上的任意節(jié)點。

低壓配電網(wǎng)一般具有如下特點:

1)深入城市中心和居民密集點;

2)傳輸功

率和傳輸距離一般不大;

3)供電容量、用戶性質、供電質量和可靠性要求不同;

4)中性點不接地運行，單相接地時允許運行一段時間。

主動配電網(wǎng)建模變壓器模型

ADN結構中包含一個連接大電網(wǎng)的降壓變壓器，其額定容量等級通常在0.1~1MVA之間。額定容量的等級同時也決定了整個配電網(wǎng)中所能承載的負荷容量。變壓器通常有一個典型的載荷調節(jié)范圍為額定容量的士5%。變壓器負荷率又稱運行率，是影響變壓器容量、臺數(shù)和電網(wǎng)結構的重要參數(shù)，其表達式為:

式中，S₁為變壓器的實際最大負荷，S_sc為變壓器的額定短路容量。K_P取值大，則稱高負荷率;K_P取值小，則稱低負荷率。

變壓器的勵磁電流通常占額定負載電流的百分比很小(正常低于3 %)，故勵磁支路在諧波分析中經(jīng)常被忽略，所以變壓器一般利用它們的串聯(lián)漏電抗表示。在諧波作用下，變壓器繞組以及繞組匝間的電容將起作用，若諧波次數(shù)不太高，此作用可忽略。故變壓器等值電路可簡化為一個連接變壓器原副邊節(jié)點的阻抗支路，如圖2所示。

主動配電網(wǎng)建模輸電線路模型

ADN中的輸電線路主要有地下電纜和架空線路。前者主要應用在高負荷密度的城市區(qū)域，而后者應用更為普遍，主要材料是絕緣A1芯或Cu芯導體。

在電力系統(tǒng)分析中，用電阻、電抗、電納和電導參數(shù)反映輸電線路特性。實際上，這些參數(shù)沿線均勻分布，即在線路任一微小長度內都存在電阻、電抗、電納和電導，因此精確地建模非常復雜。輸電線路模型可分為等值的集中參數(shù)元件模型和行波模型兩大類。在僅需要分析線路端口狀況，即兩端電壓、電流、功率時，通常可不考慮線路的分布特性，用集中參數(shù)元件模型模擬輸電線路;當線路較長時，則需要用雙曲函數(shù)研究均勻分布參數(shù)的線路。

主動配電網(wǎng)建模負荷模型

ADN中的負荷按其特性分類大致可分為線性負荷和非線性負荷兩類。線性負荷可作為抑制諧波畸變的元件，用接地等值阻抗可以模擬，在諧波頻率下，其電抗隨著頻率變化。非線性負荷主要包括家用電子設備以及換流式開關電源等，這些非線性負荷對配電系統(tǒng)來說相當于離散型諧波源。隨著非線性負荷的大量增加，會加重用戶電流的畸變率，影響供電電流波形。但是由于不同非線性負荷的諧波電流分量存在相角差經(jīng)常會發(fā)生相互抵消，因而降低了系統(tǒng)對電壓畸變水平的有效影響。

同理，DG作為ADN中的有源非線性負荷，諧波之間也存在相互抵消的現(xiàn)象。有研究表明[[32]，對于同類負荷，低次諧波分量(如3次和5次)只有很少的抵消作用，而高次諧波分量的抵消作用卻很明顯。在對高次諧波需要關注的時候，這類抵消效應是很重要的，諧波之間的相位差、配電網(wǎng)的線路阻抗以及負荷都能消除部分諧波。同時，配電網(wǎng)中固有的單相負荷使得配網(wǎng)具有不對稱的特點。

(1)線性負荷模型

在給定頻率時，線性負荷等值阻抗為常數(shù)，負荷吸收的有功功率和無功功率與負荷的電壓平方成正比。如圖3所示為串聯(lián)和并聯(lián)的恒阻抗負荷模型。

(2)非線性負荷模型

非線性負荷主要包括一些電力電子型設備，比如個人計算機、節(jié)能熒光燈、電視機和熒光照明設備等。這些負荷除了是諧波源之外，還不能用恒定的R, L,C結構來表示，而且其非線性特性不太適合用線性諧波等值模型表示。非線性負荷可以作為諧波注入電流源考慮，對于一些非線性負荷來說，只要實際的電壓畸變低于1%左右，就可以看成是理想的電流源。

主動配電網(wǎng)建模DG模型

由于DG變流器是ADN諧波的主要來源之一，為了對ADN的諧波特性進行研究，有必要通過建立合理的模型研究DG變流器的諧波特性。

1、DG的分類

DG的形式主要包括微型燃氣輪機、燃料電池、太陽能光伏電池、風力發(fā)電以及儲能裝置等，其中以光伏發(fā)電和風力發(fā)電應用最為廣泛。下面簡要介紹一下儲能裝置、光伏發(fā)電和風力發(fā)電的拓撲結構及工作原理。

(1)儲能裝置

在配電網(wǎng)中接入儲能裝置，可以起到良好的移峰填谷的作用。在電量過剩時，儲能裝置可以吸收能量，反之，在電量緊缺時，儲能裝置釋放能量。同時，為支持ADN的離網(wǎng)運行狀態(tài)，ADN中通常安裝能快速調節(jié)頻率和功率平衡的儲能裝置。該儲能裝置可以是蓄電池組，也可以是飛輪儲能等。其安裝位置多在降壓變壓器低壓側出口母線處。典型的蓄電池接入電網(wǎng)的拓撲結構如圖4所示。

(2)光伏發(fā)電(PV)

由于光伏發(fā)電受光照強度和天氣情況等制約，輸出功率具有隨機性和波動性，故在ADN中通常采用電流型控制策略。其典型雙級式并網(wǎng)拓撲結構如圖5所示，太陽能電池組件發(fā)出的直流電經(jīng)過直直變換器升壓，再經(jīng)并網(wǎng)變流器將直流電轉換成工頻交流電，最后經(jīng)濾波裝置、隔離變壓器之后并網(wǎng)。采用這種雙級式拓撲結構能簡化每一級的控制方法，提高各級的控制效率。

(3)風力發(fā)電(WP)

風力發(fā)電(Wind Power)是一種由傳動裝置將風能轉為機械能，再由發(fā)電機將風能轉換為電能的發(fā)電技術。風力發(fā)電因為風速的不確定性，導致其輸出功率與PV系統(tǒng)一樣具有隨機性和波動性。故其在ADN中同樣采用電流型控制策略。以兩大主流機型直驅型和雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)為例，其典型拓撲結構如圖6所示。圖6中(a)為直驅永磁同步發(fā)電系統(tǒng)，同步發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)過交一直一交變流器轉換為工頻交流電，再經(jīng)過濾波裝置、隔離變壓器之后并網(wǎng)。圖6中(b)為雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)，雙饋機的定子側輸出工頻交流電直接與電網(wǎng)相連，轉子側則經(jīng)交一直一交變流器再與電網(wǎng)相連，以提供可控的轉子勵磁電流。與雙饋機組相比，直驅型風力發(fā)電機組由于省去了齒輪箱，具有結構簡單，運行維護成本低，可靠性和效率高等優(yōu)點。

2、DG的接入形式

DG接入系統(tǒng)有兩種方式:并聯(lián)接入電網(wǎng)或通過開關切換，如圖7所示。

在并聯(lián)接入方式中，當DG供電中斷時，電網(wǎng)能瞬時彌補負荷差值。同樣，當電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，DG也能瞬時承擔起負荷。這種方式可以保證負荷始終不間斷供電。

在開關切換方式中，任一時刻DG與電網(wǎng)中僅有一個電源與負荷相連，而另一個僅在開關切換后工作，但負荷在開關切換過程中處于停電狀態(tài)。

開關切換方式與并聯(lián)接入方式相比有如下優(yōu)點:

1)設備和運行簡單，控制和調節(jié)回路較少；

2)由于DG一般只在需要時運行，因而DG運行成本較低;而并聯(lián)運行時，DG始終保持運行，這不僅會增加燃料和運行維修費用，還會造成機組磨損等。

3、DG變流器模型

不同種類的DG通常需要通過電力電子裝置接口并網(wǎng)，不考慮不同DG的特性，認為中間直流側己控制恒定，只關注并網(wǎng)逆變器側。以應用最廣范的三相電壓源型兩電平PWM變流器作為研究對象，其輸出電流的諧波與電網(wǎng)電壓、PWM調制策略和開關頻率、控制策略和參數(shù)、工作條件和輸出功率等有關系。

三相PWM變流器最基本的工作原理是在維持直流電壓U_dc恒定的基礎上，通過調節(jié)變流器交流側輸出電壓的幅值和相位，改變網(wǎng)側有功和無功功率的大小。

帶PQ控制策略的Average模型框圖，如圖8所示。

圖8中P_ref和Q_ref是逆變器輸出有功和無功的設定值，與q軸電壓的1.5倍相除可以分別得到d、q軸電流的指令值(

等量變換的有功無功計算公式如下:

在Average模型中，忽略了直流側電壓的變化，在電網(wǎng)電壓不變的條件下，只要改變框圖中有功無功的指令就可改變變流器輸出的有功功率和無功功率，這樣就能模擬PV和WP等DG輸出功率的變化。同時，與Detail模型相比，由于沒有開關過程，Average模型的輸出電壓中不含高次諧波，只有受控制性能影響而產(chǎn)生的少量低次諧波。Average模型適用在不考慮SVPWM產(chǎn)生的低次諧波。

近年來，隨著能源短缺和環(huán)境問題的日益突出，新能源發(fā)電技術在國家政策的大力支持下得到了迅猛的發(fā)展，大量的新能源發(fā)電裝置以分布式電源(DistributedGeneration, DG)的形式接入到電網(wǎng)中，在緩解電網(wǎng)壓力的同時也給電網(wǎng)帶來了電能質量和規(guī)劃、運營、控制等方面的挑戰(zhàn)。

DG一般是指接入配電網(wǎng)當中或電網(wǎng)中用戶一側的小容量(一般10MW以下)的發(fā)電系統(tǒng)。DG的類型主要包括微型燃氣輪機、燃料電池、太陽能光伏電池、風力發(fā)電以及儲能裝置等，其中以光伏發(fā)電和風力發(fā)電應用最為廣泛。DG以小規(guī)模、分散式的方式布置在用戶附近，這樣不僅輸電損耗小，還能方便可靠地實現(xiàn)功率補償和電能供應。由于DG在經(jīng)濟環(huán)保、電力安全性和可靠性以及滿足用戶的多樣化需求等方面具有較大優(yōu)勢，得到了極大的重視和廣泛的應用。

傳統(tǒng)電網(wǎng)在接入大量的DG之后，使得電網(wǎng)不再是只有電力負荷的能量單向傳輸?shù)呐潆娋W(wǎng)，而是電源與電力負荷并存，能量雙向甚至多向流動的電網(wǎng)。這樣傳統(tǒng)電網(wǎng)的調度、控制和管理方法需要更新?lián)Q代才能適應這一新形勢。

主動配電網(wǎng)(ADN)是近幾年來才提出的新名詞。最早美國電力可靠性技術解決方案協(xié)會((CERTS)提出了“微網(wǎng)”的概念，微網(wǎng)是由微電源和負荷共同組成的系統(tǒng)，可同時提供電能和熱量，其組成結構較ADN簡單，也可以說是ADN的一種特殊形式。

對ADN的研究處于領先地位的主要有北美、歐盟和日本等。美國CERTS已在美國電力公司W(wǎng)alnut的微網(wǎng)測試基地成功驗證了微網(wǎng)的初步理論;歐盟推出了“Microgrids”和“More Microgrids" 2個主要項目，德國太陽能研究所建成的微網(wǎng)實驗室規(guī)模最大，容量達到200kVA，該研究所還在其實驗平臺設計安裝了簡單的能量管理系統(tǒng);日本常規(guī)能源較為匾乏，在可再生能源開發(fā)和利用上投入較大，已在國內建立了多個微網(wǎng)項目，其微網(wǎng)實驗系統(tǒng)的開發(fā)亦處于世界領先水平。

而我國對ADN的研究較其他國家相對落后，研究熱點主要集中在DG本身的控制以及DG規(guī)劃和運行等方面，對DG的并網(wǎng)技術標準和并網(wǎng)規(guī)程方面尚有欠缺，這極大地限制了分布式發(fā)電技術的應用和推廣。但是我國大力支持可再生能源的發(fā)展，在西部和沿海分別建立了光伏電站和風力發(fā)電場等，估計2020年將達到20GW~30GW作為電力行業(yè)一個新興的研究熱點，對主動配電網(wǎng)的研究大多集中在電能質量(電壓和諧波)、系統(tǒng)穩(wěn)定性(靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性)、可靠性以及DG控制方法的改進等方面。

未來的研究方向可概括如下:

(1)DG模型只考慮了并網(wǎng)變流器側，如果考慮到風力發(fā)電、光伏發(fā)電和儲能裝置各自的特點，DG輸出的諧波特性可能會有差別。

(2)對離網(wǎng)情況下的諧波分析可以從負荷多樣性、DG波動性以及再并網(wǎng)等方面繼續(xù)深入。

隨著DG越來越多的引入配電網(wǎng)，其自身的問題也日漸顯現(xiàn)。比如，可再生能源的間歇性，發(fā)電量的不確定性等，再者，可再生能源以DG形式并網(wǎng)通常需要通過電力電子裝置轉換成標準的工頻交流電供給負荷或并網(wǎng)。電力電子裝置大多采用PWM控制，其產(chǎn)生的諧波電流若不經(jīng)過有效抑制會使電網(wǎng)的諧波問題更為嚴重，同時，由于工業(yè)中非線性負荷的大量增加，比如靜態(tài)功率變流器的廣泛應用，引起了電網(wǎng)電壓、電流波形發(fā)生畸變，造成電網(wǎng)諧波污染。這些都給電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運行帶來了很大的挑戰(zhàn)，其中對配電網(wǎng)諧波分析的影響近年來逐漸成為電力行業(yè)所關注的主要問題之一。因此正確合理地分析DG的諧波特性、DG諧波對電網(wǎng)諧波分布的影響以及DG與電網(wǎng)諧波之間的相互影響有利于DG的進一步發(fā)展和應用，對于研究和發(fā)展主動配電網(wǎng)具有十分重要的指導意義。

主動配電網(wǎng)的特點主要有:

1)是含有大量中小容量的DG；

2)主動配電網(wǎng)中的功率是雙向流動的；

3)主動配電網(wǎng)能夠實現(xiàn)自我控制、保護和管理等功能。被廣泛研究的微網(wǎng)(Microgrid )可以說是ADN的一種特殊形式。

學術界和工業(yè)界都己逐步將研究方向從單純的新能源發(fā)電技術轉向到新能源發(fā)電接入主動配電網(wǎng)和微網(wǎng)方面，并建立示范工程和實驗系統(tǒng)，以證明新型配電系統(tǒng)的可行性和可帶來的效益。

隨著配電側售電市場的不斷放開，主動配電網(wǎng)將在未來的電能交易中充當重要的角色。 通常根據(jù)種類不同將需求分為兩類：第一類是不會受電價的波動而改變的需求!稱為剛性需求；另一類是隨著電價的波動用電需求量隨之發(fā)生改變的需求，稱為彈性需求。

以彈性需求函數(shù)表征彈性需求與價格之間的關系，如下式所示：

式中

d 表示用電需求;

p表示單位售電價格;

α、σ為彈性需求系數(shù)。

由上式可以看出!隨著電價下調，用電量顯著提升，然而當配網(wǎng)運營商參與到交易市場!實際負荷超過協(xié)議購買的電量時，會存在相應的價格懲罰系數(shù)μ，即配網(wǎng)的購電成本將顯著上升，并且當負荷過重時還會影響到配網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

圖9展示了用電量與單位用電價格和購電成本之間的關系。圖9中

常用于磨削和珩磨加工中，主要有測軸、測孔和配磨主動測量。

① 測軸主動測量有兩種。圖1為利用三點式主動量儀測軸，常用于普通外圓磨床上。測量時，用手把懸掛在外圓磨床砂輪罩上的三點式主動量儀的測量卡規(guī)卡在工件上，工件在磨削過程中的尺寸變化通過中繼測桿由長度傳感器轉換為電信號，操作者根據(jù)指示表（圖1中未表示）所示量值控制進給量(見切削用量),直至達到預定尺寸。圖2中測軸部分為兩點式主動測量的工作原理。測量裝置由液壓系統(tǒng)或伺服電機操縱自動進入測量位置，把磨削過程中工件尺寸變化通過安裝在其中的長度傳感器轉換為電信號，輸入控制指示儀控制進給量直至達到預定尺寸，并控制測量裝置自動退出測量位置。

② 測孔主動測量有兩點式和塞規(guī)式兩種。兩點式常用于內圓磨床上，測量過程與測軸的相同。塞規(guī)式常用于珩磨和小孔磨削中。它的測量過程基本上與用塞規(guī)(見量規(guī))、氣動塞規(guī)（見氣動量儀）的測孔過程相同,但它具有將被測尺寸信號自動顯示和輸出的功能。

③ 配磨主動測量,用于控制軸孔配對工件的配合間隙,例如柴油機油泵的噴油嘴偶件等。它的測量方法(圖2)是先用具有氣電轉換功能的氣動量儀或其他能輸出電信號的孔徑量儀測出配對工件的孔的尺寸，轉換為電信號后輸入和差演算控制儀中。正在機床上加工的與該孔相配合的軸的尺寸，由兩點式測軸裝置測出，也轉換為電信號后輸入和差演算控制儀中。當達到預定配合間隙時，和差演算控制儀即發(fā)出停止加工信號。

此外，還有數(shù)字控制和適應控制主動測量。前者主要用于數(shù)字控制外圓磨床上測量階梯軸各外徑尺寸，采用絕對測量方法（見長度計量技術），測量過程由數(shù)字控制系統(tǒng)控制自動進行。后者常用于自動測量工件的錐度、圓度和表面粗糙度等,并按測量結果發(fā)出的信號,通過控制系統(tǒng)等使機床處于最佳工作狀態(tài)。

主動測量分為加工中主動測量和加工后主動測量兩種。前者是指在加工的同時測量工件的尺寸和表面粗糙度等，并立即按測量所得信息調整加工條件，以保證不斷加工出合格工件；加工后主動測量是指緊接在加工工序完畢后，在（或不在）加工設備上全部或抽樣測量有關幾何參數(shù)，并立即按測量所得信息調整加工條件，以不斷加工出合格工件。主動測量把測量和加工過程結合在一起，能保證工件的精度和提高生產(chǎn)效率，預防廢品，是一種積極的測量方法，故也稱積極測量。

20世紀30年代起，首先在汽車和軸承制造中應用主動測量。初期使用的是單點式和三點式主動量儀，采用百分表作為指示部分。40年代起，由于電感式長度傳感器和氣動量儀的發(fā)展，開始應用兩點式主動量儀。自60年代至70年代初期，磨床主動測量在大量生產(chǎn)中得到較廣泛應用。70年代以后，由于數(shù)字控制機床等的發(fā)展，出現(xiàn)了采用光柵、感應同步器等測量系統(tǒng)的大量程主動測量。同時，激光測長技術也開始在主動測量中應用。