基于DIgSILENT和Matlab的微电网系统联合仿真

袁 瑞，张兴都，代彦波，张子夏，黄 艳

(华北水利水电大学 电力学院，郑州 450000)

0 引言

DIgSILENT是一款专门用于电力系统规划和运行优化为主要目标的先进的集成式、交互式软件包，可以进行潮流分析、短路分析、谐波分析、可靠性分析、发电充裕度分析、最优潮流计算等[1-2]。DIgSILENT良好的开放性接口，可以与Matlab，PSASP等仿真软件实现接口通信。

微电网具有能源分布散乱、能源间歇性特征明显以及供电能源复杂等特征。使用DIgSILENT在对微电网进行建模仿真时，存在设计节点多、数据计算量大、控制系统复杂、能源出力协调困难等缺点。随着模型节点的增加以及计算量的增大，DIgSILENT在多节点数据更新时不能满足实时性要求[3]。

Matlab强大的数据处理能力、Matlab/simulink可视化的交互式编程设计理念以及开放的接口环境，使其可以实现和不同软件的联合仿真[4-6]。

本文以微电网为案例，结合DIgSILENT和Matlab/simulink接口对接技术，实现在这两种软件下的联合仿真。首先，在DIgSILENT中使用软件自带的发电机内置仿真模型进行潮流计算；其次，使用DIgSILENT和Matlab搭建联合仿真模型，并进行潮流计算；最后，对比两种仿真结果，验证联合仿真的优越性。

1 仿真模型及接口原理

1.1 仿真模型

微电网仿真模型主要包括四部分：发电机单元、蓄电池单元、整流逆变控制单元、负荷单元。在DIgSILENT中建立的仿真模型如图1所示。其中，T1，T2，T3分别代表发电机G1，发电机G2，蓄电池的母线。设定负载大小为5 MW，G1额定有功功率为3 MW，G2额定有功功率为4 MW，蓄电池额定有功功率为0.2 MW。在内置模型中，电压控制器模型用内置模型VCO type 16(ElmVco_16)表示，内置VCO type 16是包含简化励磁机的励磁控制系统；在联合仿真模型中，Matlab运行的mdl文件是自己搭建的与内置模型一样的简化励磁机的励磁控制系统，如图2所示，其中u，usetp，upss为输入；Uerrs为输出。

图1 微电网仿真模型

图2 Matlab励磁控制系统

1.2 DIgSILENT和Matlab接口原理

DIgSILENT作为一款专业的电力系统仿真软件，既可以内置仿真模块，也可以通过接口模型调用Matlab和PSASP中的仿真模块。当DIgSILENT-Matlab接口连接到Matlab模型时，DSL模型(对象类为BldDef)在DIgSILENT中定义并设置了一个指向Matlab.m文件的链接。DSL模型必须至少有一个输出变量和一个状态变量。Matlab的m文件返回时间矢量t，状态矩阵x。DIgSILENT在时间步长的开始，调用Matlab，Matlab并不与DIgSILENT并行仿真，它只是模拟一个时间步长。在式(1)的例子中，起始时间为0 s，结束时间为0.01 s，式中有两个状态变量和两个输出变量。矩阵x的列数和状态变量数量相同，而y列数则和输出变量数量相同。

(1)

x矩阵是Matlab在一个时间步长里返回给DIgSILENT的数据值。DIgSILENT通过返回的x矩阵计算时间步长的导数以及状态变量的初始值和最终值，即y矩阵值，如式(2)所示。

(2)

要使用Matlab接口，必须把Matlab和DIgSILENT安装在同一台计算机上，当DIgSILENT的时域仿真初始化时，它会启动一个与上次使用版本相同的Matlab的实例。

2 接口模型的实现

要在DIgSILENT的当前项目中实施Matlab模型，必须将其连接到一个DSL模型定义的框架上。首先，需在DIgSILENT中创建一个插槽，并将Matlab模型定义到插槽里，这与实现内置模型或通用模型的做法完全一致；然后，在库中创建一个功能块定义BlkDef，导入Matlab代码编写的m文件，定义输入变量、输出变量、参数、状态变量和限制信号，这一步是连接Matlab模型，其中Matlab模型中的参数必须和功能块定义BlkDef中的参数以及m文件中的参数一致，如图3所示。功能块定义BlkDef是一个内瓤，将它定义到一个DSL模型中，就完成了模型的制作，然后可对参数进行设置，如图4所示。

图3 功能块定义BlkDef

图4 DSL参数设置

3 仿真实验结果

分别选用DIgSILENT内置发电机模型以及基于DIgSILENT和Matlab的联合模型对微电网进行仿真，两种仿真方式结果见图5，在图5中分别用虚线和实线表示。

图5 仿真结果

在0.5 s时将电压负荷无功功率突然增加20%，用plot绘制出发电机G1在0.5 s时的暂态响应标幺值电压(图5中上图)，和发电机G2在0.5s时的暂态响应励磁电压(图5中下图)。图5中M和N分别表示DIgSILENT内置发电机模型仿真和联合仿真暂态响应的电压超调量，T2和T1分别表示相应的调节时间。从图5可知，在微电网暂态调节时调节到稳定状态，所用时间T1相比T2缩短了28.1%，系统电压超调量N相比M降低了13.3%。对比两种仿真结果，不难得出在微电网多节点暂态调节时联合仿真要优越于DIgSILENT内置发电机模型仿真。，并且两种仿真结果在最终数据趋势上保持了一致，这也证明了联合仿真的可行性。因此联合仿真为微电网的仿真提供了另外一种途径。

参考文献：

[1] 袁天清，武小梅，刘国祥，等.DIgSILENT与Matlab接口的仿真建模[J].广东电力，2014，27(3)：49-52.

[2] 王莉丽，刘崇茹.DIgSILENT在电力系统稳定计算中的应用[J].中国科技论文，2016，11(11)：1283-1287.

[3] 吕涛，韩祯祥.电力系统仿真软件DIgSILENT介绍[J].华东电力，2004，32(12)：37-41.

[4] 何慧，田卫华.基于LabVIEW和Matlab的电力电子技术虚拟实验平台的设计开发[J].沈阳工程学院学报(自然科学版)，2018，14(1)：35-40.

[5] 田汝冰，朱时雨，吉炫颖，等.基于PSCAD调用Matlab的电力系统电磁暂态仿真[J].东北电力技术，2017，38(10)：1-4.

[6] 刘生建，马桂芳，邱晓芬.基于PSIM和Matlab/Simulink的Buck电路的联合仿真[J].淮阴师范学院学报(自然科学版)，2017，16(3)：218-221.