1.1 题目背景和意义
近年来，随着世界人口不断增长和传统资源、化石燃料持续枯竭，由此产生的资源问题正威胁着人类发展，迫使人们去寻找并开发可再生能源作为新的发电方式。分布式电源的优点在于环保和良好的经济性，研究人员开始对 DG 进行广泛的研发与应用[1,2]。 目前，我国电网模式的特点体现在各大电力网络互相联接、集中形式供电和电能远距离输送。这种输电方式有诸多优点，如降低机组数量，提高发电机工作效率，进而在一定程度上增加电网可靠性，但缺点也较为明显，比如电力负荷对地区配电网的依靠增多，在配电网中某一位置发生故障的时候，造成的系统震荡将会引起大区域断电甚至网络电压崩塌，造成不可想象的后果[3]。如在2003 年发生在美国北部和 1987 年日本东京的大停电事故，起因均是大型电网工作在集中供电操作方式，这样不仅引起了地方大规模混乱，并且带来不可估计的经济损失。另外，这种集中输电模式产生的利益不明显，无法准确预测用电量变化，在此背景下就要求电力部门去探求可再生或者可持续发展的能源。在电网中各用户端建设分布性的供电电源，以达到切实保障用户用电安全性的要求。 分布式电源为电能转换和供电形式提供了大量的实现可能，并具有发电方式灵活，节约投资和环保等优点而广泛被我国采用[4]。DG 可有效补偿我国电网系统中的不足，并且能修复和弥补一些存在于大电网运行中的缺陷。它不仅能够迎合配电网客户端的特殊需求，比如削峰，而且能够发挥出旧模式电网不可相比的经济和稳定性。另外，从降低污染和可持续发展的角度来看，我国将越来越重视环保和污染治理，尤其是风能和太阳能这两大清洁能源是取之不尽用之不竭的，因此大力发展分布式电源将毫无疑问成为我国未来电力系统的发展方式，发展分布式电源技术一方面能有效实现自然资源的优化配置，落实电力产业科学发展观和重要举措，另一方面也是我国对资源进行宏观调整的重要方式。因此，探索 DG 在配电网中的应用具有深刻的理论价值和实际意义。
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1.2 分布式发电简介
通常来说，分布式电源的规模不大，主要散布于配电网中，其容量多在几十 k W 至几十 MW 之间，是一种相比之下微型的、分散式而且高效稳定的发电设备。可将其使用的能源能否再生分为 2 种：一种是使用可再生能源的分布式电源，其中包含光伏电池、风力机、地热电站和潮汐发电等形式；第 2 种是使用不可再生能源的分布式电源，比如燃料电池、内燃发电机、微型燃气轮机和热线联合生产等形式。 DG 在实际生活中应用广泛，其领域囊括了写字楼、酒店、商场、小区、教育部门、体育馆、医疗机构等各类场合。至今为止，此类发电模式的利用率在整个电网中比重较轻，但是在今后的发展趋势中能够看到，DG 不但能够成为配电网的有效增补单位，而且必会在未来新能源的开发上发挥强大作用。是以，无论是在处理都市供电环节的可持续发展角度来看，还是着眼于农村和用电困难的边远地区的角度，分布式电源将带来庞大的经济效益。 分布式电源一旦经过合理的调度和规划便能很大程度上提高配电网的电能质量和运行可靠性并，且加大资源利用效率，有助于环保。与以往集中长距离输电的电力系统相比，分布式电源特有的几点优势如下：大多数分布式电源的容量不大，因此重量轻，体积小，十分适合应用在电力缺乏的地区。同样，分布式电源的操作模式多样，方便装配，当地居民可按照现实的地理环境和资源配置采取当场发电的方式。另一方面，分布式电源可以给地区内新增加的负荷提供电源，因其输电损耗、土建和安装成本较低，因此在这些地区无需建变电所，在节约资源的同时提高了经济性。
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2 分布式电源模型
2.1 分布式电源并网方式
按照IEEE1547 标准，在描述分布式电源并网的定义时分为以下三个方面： （1）并网：是指将分布式电源加入电力网络运行的操作或行为。 （2）并网设备：单个或者多个用于并网运行的设备。 （3）并网系统：是指所有并网的设备及其能够实现功能的整合，用于将 DG接入配电网运行。如图 2.1 所示。尽管 DG 技术的种类多，实现范围广，当 DG 在电网中发电并与之相互作用的时候，其工作特性和输出表现主要受 DG 使用的电能变换器类型的影响。到目前为止共有三种电能变换器被人们所广泛采用：同步发电机、异步发电机（感应电机）和静止（电子）逆变器。前两种旋转型电机可由多种多样的内燃机、涡轮机或者电动装置驱动。在这一方面本文则重点分析以风能为能源的风力涡轮机来向电网提供电能。静止逆变器可通过直流储能（如光伏电池）、直流发电（如燃料电池）或者是交流发电与逆变器的组合来向配电网提供电力。同步发电机正常运行时的转速是按照同步速率工作，其同步速率必须与极对数和与其相连的配电网频率对应，其产生的无功功率由磁场的励磁水平控制。 跟异步发电机一样，同步发电机同样需要控制系统来控制与配电网的并网和调节其励磁等级，但同步电机需要设计更加复杂的控制系统。所以同步电机有着其独特的优点：具有在供电出现中断的情况下持续输出功率，并且能够允许分布式电源的用户或操作人员在设备上直接调整直流励磁电流，从而达到控制功率因数的目的。
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2.2 风力发电建模
风力机主要是利用叶面上所接受到的动能，由这部分能量驱动轮毂来将风能转化为机械能，然后机械能制造转动力矩作为原动机的动力再制造电能。针对各式各样的应用场合，电力行业中出现了多种类型的风力发电机，其核心部件就是吸收风能产生驱动力的风轮，那么根据此部件和空气通过风轮表面积的位置可归为两类风机：水平轴风力机和垂直轴风力机[40]。 （1）水平轴风力机 这种风力机是一种驱动链能量沿水平方向，并且在正常工作时风轮的转动面与风向垂直的风力机。在当前全球的应用中，投入最多和经济效益最大化的就是这种大规模的水平轴风力机。它主要包括水平轴、三叶片和上风向三部分，这些都被集中在机舱内的杆塔上面。经此结构风能便从风轮转移到变速箱，接着作为发电机动力来提供电力。 （2）垂直轴风力机 此类风力机的驱动链能量是沿水平方向的，其风机叶片的旋转方向与大地或者空气的流动方向垂直，即使遇到风向变动也无需进行调整，省去了偏航装置，这对于前一种风力机来说是一大优点，而且结构简洁，安装和维修方便。但同时存在明显的缺点，如空气能转化效率低，因而在风电应用市场的主流设计中消失。
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3 含分布式电源的配电网电压质量分析 ..... 28
3.1 电压质量概述 .... 28
3.1.1 电压质量定义 ........... 28
3.1.2 电压质量指标 ........... 29
3.2 分布式发电技术 .......... 31
3.3 本章小结 ............ 34
4 含分布式电源的配电网电压暂降评估 ..... 35
4.1 引言 .......... 35
4.2 电压暂降随机预估分析 ........ 36
4.3 故障特征随机模型 ...... 38
4.4 电能质量指标 .... 40
4.5 本章小结 ............ 41
5 基于 PSCAD/EMTDC 软件仿真 ..... 42
5.1 分布式电源仿真模型及控制策略 ............ 42
5.2 仿真算例 ............ 45
5.2.1 系统模型及参数 ....... 45
5.2.2 电压暂降评估流程 ............. 47
5.3 仿真结果分析 .... 48
5 基于 PSCAD/EMTDC 软件仿真
5.1 分布式电源仿真模型及控制策略
第二章已经研究分析了 DG 并网问题，包括接口的种类和并网方式。为进一步讨论 DG 对系统电压质量的影响，在此基础上本节将研究如何在仿真模拟软件中搭建分布式电源的模型，并且对其应用相应的控制策略。 在风电场中，通常使用异步机型的 DG 向电力系统发电，但是采用这种电机会在接入电网时对其造成较强的冲击效果，并且加重系统中的无功损耗，所以在未来的风电行业建设中会逐渐淘汰这种机型。目前另一种经同步电机并网的DG 在风电场中的使用同样广泛。逆变器型 DG 是要经过逆变器的逆变作用再通过变压器接入配电网运行的，这种类型的 DG 包括太阳能发电、微型燃气轮机以及燃料电池等。综上所述，本文主要考虑同步机型和逆变器型的 DG。 在分布式的供电网络中，电压暂降将引起各种暂态行为，例如过电压、过电流或转子速率提高等，将给 DG 本身以及它的并网控制设备造成难以估量的后果。一般情况下，要实现在最大程度上保证分布式电源的正常安全运行，在制定有关 DG 的并网行为准则时要求 DG 不能在调整电压的操作中起到干预作用，并且在配电网中出现短路事件时应立刻将分布式电源脱离电网运行。 在以下仿真中，对同步机型 DG，维持其机械转矩和励磁电压为一常数就可以到达定 PQ（即定功率因数）控制的目标，如图 5.1 所示；在其基础上加入励磁控制系统，通过调整电压参考值来达成定PV控制，如图 5.2 所示。对于逆变器型 DG ，如果采用三相电压型逆变电路来接入配电网，其直流侧为幅值
