1.1微电网系统仿真模型
本章在PSCAD/EMTDC中建立了微电网模型。其中，大电网用25MVA的电压源代表，变压器变比为10.5kV/0.38kV。微电网共带有4个微电源，包括2台燃气轮机，1座光伏电池组和1台异步风力发电机。
馈线1：额定容量为70kW的燃气轮机一台，阻性负荷为38kW，感性负荷为18kVAR。联网时使用P/Q控制，Pref为40kW，Qref为25kVAR。孤岛模式下采用U/f控制。在下文中称为微型燃气轮机1。
馈线2：额定容量为20kW的异步风机一台，阻性负荷为20kW，带7.32kVAR的电容做无功补偿。
馈线3：额定容量为60kW的燃气轮机一台，阻性负荷为30kW，感性负荷13kVAR。联网和孤岛模式下均采用P/Q控制，Pref=30kW，Qref=15kVAR。在下文中称为微型燃气轮机2。
馈线4：额定容量为16kW的光伏电池组一座，阻性负荷为10kW。联网和孤岛模式下均采用P/Q控制，Pref随着光照强度变化而改变，Qref设置为0。
馈线5：一般负荷，阻性负荷为14kW，感性负荷为3kVAR。
其中，光伏电池组是三个电池串联，采用最大功率跟踪控制策略保证光伏电池利用效率。风力发电机通过无功补偿装置，在恒定风速时刻基本运行在整功率因素。并网运行时，由大电网来对环境变化时微电源的功率余额或缺额进行消纳，平滑微电网母线电压和频率。孤岛运行时，由额定容量为70kW的微型燃气轮机对微电网进电压和频率调节，支持微电网平稳渡过暂态过程。模型可以实现微电网并网孤岛可调度。由于开关器件的阻抗，波形中功率电压等数值会有微小偏差，不影响仿真结果分析。
1.2联网环境改变对微电网运行特性仿真分析
本节将4个微电源一起并网运行，均采取P/Q控制。研究微电网在并网条件下对各种扰动的响应。
1.2.1联网光照变化时微电网运行特性仿真分析
仿真时间为10s，仿真步长取0.00005s。模拟一天中上午十一点至下午两点光照最强时光伏电池特性。假设光照强度在第3s时增大，由800W/m2增加至1000W/m2，在第6s时光照强度回到800W/m2。
微型燃气轮机1输出有功经初期小幅波动后稳定在40kW左右，无功25kVAR。微型燃气轮机2输出有功经初期小幅波动后稳定在30kW，无功15kVAR。风力发电机经第一秒控制模式变换后，稳定在20kW，无功维持在0kVAR。光伏电池P/Q控制性能良好，在光照强度为800W/m2时输出有功为11kW，光照强度变化后，Pref的值随着Vref的改变而改变，输出功率准确追踪了参考值的变化升高至16kW，无功在光照变化时经微小振荡后稳定在0kVAR。电网初期向微电网输出11kW左右的有功，光照强度变化后，输出有功减少为6kW左右，微电网向电网输送5kW的无功，基本维持不变。
由于微电网中有两台以永磁同步机为原动机的微型燃气轮机，由于其良好的无功调节性能，能在一定程度上对电网进行无功补偿。微电源的有功功率均按照给定参考值进行出力。主网在联网模式向微电网输送一定有功进行支持。
可以看出，在联网模式下，电压和频率由大电网支撑，波动非常微小。频率的波动主要是由于风力发电机在并网时刻和模式转换时产生的。电压基本维持不变。有功和无功功率在外界环境条件改变时也会有小幅度的改变，但是微电网与大电网间的整体功率交换平稳，各微电源的P/Q控制取得了很好的效果。
1.2.2联网风速变化时微电网运行特性仿真分析
上一节分析了光照变化对微电网运行的影响。这一节着重于风速变化对于微电网运行的影响，自然条件下的风速是时刻变化的，因此仿真中风能选用随机噪声风，最大限度的模拟现实环境。光照强度维持在1000W/m2，仿真时间为10s，仿真步长取0.00005s。
观察风速变化与风机出力曲线，风力发电机经第1s控制模式变换后，有功输出和无功输出都受风速变化影响，风速增大时有功输出增多，风机吸收的无功也增多，风速减小时，有功输出减小，风机吸收的无功也减少。因此有功输出在20kW上下随着风速变化而波动，无功补偿不足以将输出无功始终维持在0，因此风机输出无功在0上下波动。大电网与微电网间的功率交换由于风速变化的影响也时刻变化。由于异步风力发电机自身的控制系统性能较好，风机机端输出功率变化相较于风速变化要平滑得多。由于大电网的支持，微电网母线电压虽然受到了风机馈线电压的影响，仍然较为平稳。微电网系统频率虽然受到风机输出馈线频率的影响，但其波动范围为50±0.02Hz能够满足联网运行要求。
随机噪声风对微电网的运行影响远比光照强度变化要大。对于系统频率和有效值均有影响，但由于由大电网的支持，维持在允许范围内。且其余各微电源由于大电网的支持，对风速变化并不敏感，均正常运行。
微型燃气轮机1输出有功经初期小幅波动后稳定在40kW左右，无功25kVAR。微型燃气轮机2输出有功经初期小幅波动后稳定在30kW，无功15kVAR。光伏电池输出有功为16kW，无功恒定为0。风力发电机经第一秒控制模式变换后，有功输出和无功输出都受风速变化影响，风速增大时有功输出增多，风机吸收的无功也增多，风速减小时，有功输出减小，风机吸收的无功也减少。因此有功输出在20kW上下随着风速变化而波动，无功补偿不足以将其维持在0，因此无功在0上下波动，稳定在20kW，无功维持在0kVAR。电网于微电网间的功率交换由于风速变化的影响也时刻变化。
1.2.3联网风机切除时微电网运行特性仿真分析
当风速变化波动较快时，微电网可以将风机切除，来得到较高水平的电网电压和频率质量。本小节在第5s时候将风机切除。
在第5s风机切除以后，电网频率和电压的波动即刻消失，电压质量恢复了较高水平立刻。微电网有功功率的缺额由大电网来弥补，大电网向微电网提供26kW的有功，无功输出基本不变。由于大电网的存在，其余3个微电源在P/Q控制模式下输出功率恒定，不受风机切除的影响。微电源的缺失不会对电网内部造成较明显的波动，暂态过程比较平稳。
1.3运行模式转换时微电网运行特性仿真分析
微电网联网运行时如果主网出现故障，为了保护微型电网内部负荷的稳定运行，有必要断开微型电网和主电网之间的开关，微电网需要脱离大电网进入孤岛运行。
在微电网孤岛运行期间，没有了大电网为其提供频率和电压的支撑，需要微电网内部有1台容量较大，响应速度较快的微电源为整个微电网提供电压频率支撑，即第2章提到的基于微电源U/f控制的主从微电网控制方法SMO，在微电网并网时，所有微电源采用恒P/Q控制策略，一旦主网故障微电网进入孤岛运行，其中一个微电源将切换为U/f控制策略，向微电网提供参考电压和频率，而其他微电源保持恒P/Q控制运行不参与电压和频率调整。传统大电网中，多数以同步发电机为电网电压和频率的支撑。本文建立的微电网模型中有2台微型燃气轮机均以永磁同步发电机作为原动机。微电网孤岛运行时，微型燃气轮机1将立刻转换到U/f控制模式，为微电网提供电压和频率支撑。由于微电网孤岛运行之前，从大电网吸收一定量的有功功率，且向大电网输出一定量的无功功率，因此，进入孤岛运行后，微型燃气轮机1需要提高有功出力弥补大电网缺额，并且降低无功出力适应负荷需求。微电网在第4s进入孤岛运行，第10s恢复并网状态。仿真时间为15s。
由图18-图22可知，微电网在第4s时与大电网断开，失去了大电网的支撑，微电网内有功和无功功率在瞬间会出现不平衡。由于控制系统的延迟，系统频率频率在开关动作的瞬间由于有功功率小于负荷需求有一个较明显下降，幅值在50±0.3Hz范围，微型燃气轮机1在控制系统调节下迅速调整有功输出，经振荡后稳定在46kW附近，弥补了大电网的缺额，微电网内部有功供需重新平衡，频率经振荡后恢复到原有水平。母线电压在开关动作的瞬间由于无功功率大于负荷需求有一个较明显上升，幅值在1±0.01pu内，微型燃气轮机1在控制系统调节下迅速调整无功输出，经振荡后稳定在20kVAR附近，微电网内部无功供需重新平衡，电压经振荡后恢复到原有水平。
在主网突然缺失时，光伏电池由于逆变控制环节功率参考值保持不变，有功出力微小下降后很快回复至原有水平，微型燃气轮机2由于容量较大，有功经过先下将再回升的振荡后平稳至孤岛前水平，振荡幅度略高于另两台微电源。风力发电机的有功出力在开关动作时变化非常微小，基本维持孤岛前水平，其有功出力在孤岛运行期间有微小的波动过程，燃气轮机对其进行了弥补。
第10s时，开关闭合，微电网重新与大电网连接，燃气轮机的控制模式变换至P/Q控制，其有功出力迅速下降回复到初始的运行状态，稳定在40kW。光伏电池的有功出力微小波动后迅速平稳。风力发电机有功在开关闭合时有较明显的波动，然后迅速平稳。各微电源的无功也经历了一定振荡，均在大电网支持下迅速回到孤岛运行前的状态。
虽然在脱离电网支持时，微电网出现了较明显的暂态过程，但是恰当的控制模式及微电源自身控制环节的优良性能使得暂态过程的振荡时间和幅值都在合适的范围内，控制系统基本实现了无差调节，系统电压和频率在微电网运行模式切换时均能迅速恢复到稳态设定值。完全能满足微电网运行的要求。
1.4孤岛负荷变化时微电网运行特性仿真分析
本小节接着上一小节微电网孤岛状态继续分析微电网在孤岛情况下负荷变化的运行特性。在第4s微电网进入孤岛运行后，第10s微电网内部负荷减少，第16s负荷恢复。仿真时间为20s。
微电网在第4s时与大电网断开。第10s时，微电网馈线5上丢失5kW阻性负荷，微电网内部有功在负荷变化的瞬间再次出现不平衡。由于控制系统的延迟，系统频率在负荷变化的瞬间由于有功大于负荷需求有一个较明显上升，幅值在50±0.1Hz范围，微型燃气轮机1对于负荷变化做出反应迅速调整有功输出，经振荡后稳定在41kW附近，微电网内部有功供需重新平衡，频率经振荡后恢复到原有水平。微电网内的无功虽然平衡，但是由于实际中难以将有功和无功完全解耦，因此，在有功振荡时，无功功率也有一定的波动，但是在控制系统的作用下迅速恢复平稳，母线电压波动幅值在1±0.005pu内。
在负荷变化时，光伏电池由于逆变控制环节的迅速响应，有功出力微小上升后很快回复至原有水平，微型燃气轮机2由于容量较大，有功经过先上升再下降的振荡后平稳至负荷变化前，振荡幅度略高于另两台微电源。风力发电机的有功出力在负荷变化时波动较小，其有功出力在孤岛运行期间有轻微波动，燃气轮机对其进行了弥补。各微电源的无功也经历了一定振荡。
第16s负荷恢复，微型燃气轮机1恢复了负荷丢失前的状态，其有功出力迅速上升稳定在46kW。光伏电池和风力发电机的有功出力微小波动后迅速平稳。各微电源的无功也经历了一定振荡。控制系统基本实现了无差调节，系统电压和频率在经历负荷波动时均能迅速渡过暂态过程恢复到稳态设定值，显示了微电网控制模式与微电源控制环节的良好动态性能。
1.5本章小结
本章结合第3章研究的微电源模型，在PSCAD/EMTDC中建立了带有4个微电源的微电网模型，其中，2台微型燃气轮机，1座光伏电池组，1台异步风力发电机。并有1条负荷馈线。
首先进行了联网模式下，环境变化（风速、光照）时微电网的运行特性分析，以及切除1台异步风力发电机后微电网的动态特性，证明了在联网模式下由于大电网的电压频率支持，在不同的扰动下微电网均能保持稳定运行，电压波动微小，频率波动在标准范围内。
然后，对微电网由并网运行转为孤岛运行再回到并网运行的过程进行了仿真分析，取微型燃气轮机1对微电网进行电压频率调节。仿真结果证明了由于U/f控制及P/Q控制系统的良好性能，虽然失去了大电网的支撑，微电网仍然能在微型燃气轮机1的调节下正常运行，暂态过程短暂且衰减迅速。
最后，接着以上仿真，对微电网在孤岛运行时负荷改变条件下的运行特性进行了仿真分析。仍然取微型燃气轮机1对微电网进行电压频率调节，证明了由于控制系统的良好性能及控制模式的恰当选取，每个微电源都能稳定渡过暂态过程。仿真结果证明本章建立的微电网具有良好的动态性能，在外界环境变化、微电源缺失、运行模式转换及负荷变化等情况下维持稳定运行。
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