【毕业学位论文】分布式光伏发电系统无功控制策略及算法的研究

目录 I 目 录 1 绪论 . 1 题研究背景和意义 . 1 布式光伏发电的发展前景 . 1 外光伏发电的研究现状及其发展 . 2 国光伏发电产业的现状及其发展 . 2 布式发电 . 4 布式发电系统的基本概念 . 4 布式光伏发电系统的国内外发展现状 . 5 布式光伏发电对电网的影响 . 5 布式光伏发电系统无功控制策略 . 7 文主要研究的内容 . 8 2 分布式光伏发电系统对配电网的影响 . 9 于分布式光伏发电系统的配电网的潮流计算 . 10 电网潮流的数学模型 . 10 流计算软件及算法 . 10 布式光伏发电系统对配电网电压的影响 . 13 想模型分析 . 13 布式光伏发电系统对配电网的影响 . 14 布式光伏发电系统对网损的影响 . 20 想模型建立及其分析 . 20 例与分析 . 22 章小结 . 26 3 基于遗传算法的配电网的无功优化 . 27 电网无功控制的基本理论 . 27 电网的无功损耗及其特性 . 27 电网无功控制的基本原则 . 28 布式光伏发电系统无功优化数学模型的建立 . 29 传算法的概述 . 30 传算法的特点及应用 . 30 语介绍 . 31 传操作的设计 . 31 本遗传算法 的流程 . 32 目录 传算法的一些具体操作 . 32 码 . 32 体设定 . 33 应度函数 . 33 择机制 . 35 叉 . 36 异 . 38 止规则 . 39 于遗传算法的无功优化的程序流程 . 39 例结果与分析 . 40 章小结 . 42 4 分布式光伏发电系统并网逆变器的无功控制策略 . 43 相电压 型逆变器数学模型的建立 . 43 网逆变器的控制系统设计 . 45 步 流控制 . 45 压外环控制系统 设计 . 47 流内环控制系统设计 . 48 真与实验分析 . 49 章小结 . 50 5 总结与展望 . 51 结 . 51 望 . 51 致谢 53 参考文献 54 附录 58 1 绪论 1 1 绪论 题研究背景和意义 布式光伏发电的发展前景 能源是人类生产和生活的物质基础，能源的合理利用带动了社会经济的进步及人民生活水平的提高。从原始社会的钻木取火到近代的化石能源、风能、潮汐能、地热能、核能及太阳能等等，这些新能源的应用体现着我们人类的智慧之光。伴随着全球工业化的全面发展，许多发达、发展 中国家的各个行业领域对能源的需求迅速的扩大，对能源需求的多少，已经成衡量一个国家或者地区经济发展状况的标准。 传统的能源结构都是以化石燃料为主。随着各个国家经济的迅猛发展，化石燃料的储量日益的减少，面临着枯竭的危险。有专业报告预测，地球上现有的石油和天然气储量将会在 50 年内消耗殆尽，煤的使用也只能维持 120 年左右。于此同时，化石燃料在开采、运输和使用过程中都会对空气和人类生存环境造成严重的污染，也使得地球表面气温逐年升高；近些年来全球 放量持续增长，如果不加以控制，温室效应将会使南北两极的冰山融化，这 也可能会使海平面上升几米，全球四分之一的人类生活空间将因为这样受到极大威胁，发展新的的清洁可再生能源对未来减少 排放量将发挥重要作用。此外还有就是由于环境恶化造成的 “黑洞 ”，使人类即将面临着太阳紫外线的直接照射 1。 化石能源的逐渐枯竭，发展清洁可再生能源已经成为解决世界能源问题的必经之路。考虑到能源利用中的环境因素和开发潜力，太阳能 、风能成为了诸多可再生能源中最具有发展前景的两种能源。尤其是太阳能发电技术的应用，它表征出优势如下几点： (1)太阳能属于可再生能源； (2)太阳能有着比较广泛的 应用领 域 ； (3)太阳能属于清洁能源，不会产生污染； (4)太阳能发电的维护比较简单，也不容易损坏。 目前电力系统供给着当今世界 90%以上的电力负荷，而它主要类型有集中发电，大电网互联和远距离输电，它的主要方式是电能生产、输送和分配。这些容量越来越大的电网虽然有着自己的优点，但也存在一些缺点，主要表现在以下几个方面： 1 绪论 2 （ 1）不能很好的跟踪负荷的变化； （ 2）局部上的事故在大型互联电力系统中很容易扩散，致使在该电力系统上的用户会出现大面积的停电； （ 3）不能理想的对于偏远地区的负荷进行供电。 基于上面所 涉及 的问题， 直接安置在用户近旁的分布式光伏发电便成为一种替代方案，提高了电力系统运行的灵活性、可靠性、安全性。近些年来，分布式发电技术受到了越来越多的重视。美、日等发达国家十分重视对分布式光伏发电系统的研究，并取得突破性的进展，有希望在电力的生产中占有越来越大的份量。大型电网与分布式光伏发电相结合，被世界上许多的能源及电力专家公认是能够降低能源损耗及提高发电系统可靠性和灵活性的主要方式，是当代电力工业的发展方向。因此在研究分布式光伏发电的项目，对国家的现代化建设和民族工业的振兴具有相当大的战略意义和现实意义。 外光伏发电的研究现状及其发展 近些年来对环境保护压力的逐渐增加，而化石能源资源的有限性问题越来越突出，导致世界上许多国家大力支持可再生能源技术及清洁能源的发展。首先在技术层面上，当今国际上最新研究的热点都主要集中在一些高效稳定性、低成本的光伏逆变器件上。由于欧美发达国家的政府长期鼓励和支持光伏屋顶计划，各色各样的具有高性能的逆变器像雨后春笋那样被一些研究机构和企业成功的研发出。其次在产业化层面，光伏发电发展的初期不仅要有着各个国家政府颁布的政策的依靠，还要有大力支持的资金，这样才能慢慢走向商业化，进入 到一个全新的发展阶段。后面由于一些大公司的参加和投入， 大大的加快该产业化的发展步伐。预计在今后 10 年内光伏组件的生产将以每年增长 20%到 30%甚至会更高的递增速度迅速发展，目前全球内的太阳能光伏电池产业的销售收入已经超过 20亿美元。预计 2050 年左右，太阳能光伏发电量的总和将达到世界总的发电量10%使得它将会成为人类的基本能源之一 2。 而于此同时，全球的光伏市场也发生了巨大的变革，开始转变为气象台站、通信设备、边远农村地区和航标灯等这些特殊应用领域解决供电问题，发展的方向逐渐转向与建筑相结合和 并网发电的常规供电及商业化应用。从十九世纪七十年代开始，欧美一些许多技术发达的国家掀起了热衷太阳能光伏发电产业的狂潮，同时也制定了一系列雄心壮志的长期发展规划，以此来推动光伏技术及其产业的发展，同时也带动了新能源产业的发展。在当今世界全球产业中光伏产业是增长率最高的，正以 平均年增长率高速发展，同时已经成为当前世界幅度增长最快、最受关注的能源产业之一 3。 清洁且可再生能源是二十一世纪世界经济发展中最具有决定力的五大技术 1 绪论 3 领域之一。其中太阳能就是一种高效清洁和永不衰竭的可再生能源。在当代，各国政府 都颁布一些纲要，将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。 国光伏发电产业的现状及其发展 2010 年 全球光伏行业经历了快速的产能扩张。 2012 年随着全球光伏需求增速放缓，急速膨胀的产能需要一定时间消化。 2012 年由新增产能带来的设备需求将有明显的下滑 。 但光伏产业作为新兴产业，其技术进步和升级本来就将比传统兴业迅速很多，而激烈的价格竞争越发迫使多晶硅、硅片、电池片、组件企业重视不断控制成本，赢取利润空间，这给设备企业带来了新的机遇。大容量、高效率、低成本的新一代设备将迅速替 代老化设备，未来升级和换代将逐步成为设备企业的主要收入。 但并非所有设备企业都能享受这一新的市场空间。前瞻的产品布局和雄厚的研发实力是决定设备企业都能享受这一新的市场空间。前瞻的产品布局和雄厚的研发实力是决定设备企业能否在一波波升级中存活的关键因素。 2012 年光伏设备行业不至于惨淡，但企业间分化将逐渐拉大。 在技术方面，我国同其他发达国家相比，还是有一定的差距；在产业方面，我国在整体发展水平还是落后与发达国家，在国际上的竞争相当有一定的难度，但是在国内光伏产业有着很大的发展潜力。 我国 国家能源科技 “ 十二五 ” 规划 中明确指出 ， 未来我国能源发展将向绿色多元低碳化转变，向生态环境保护和能源协调发展转变，风电光伏生物质能等可再生能源是未来调整能源结构的关键。 在这规划中对太阳能专业的规划内容有两点。一是提高太阳能电池的效率，发展 100具有知识产权的多种太阳能集成与并网运行技术等。二是选择并确定重大能源试点示范项目，发展以光伏发电为代表的分布式、间歇式能源系统，光伏发电成本降低到与常规电力相当；开展多塔超临界太阳能热发电技术的研究，实现 300临界太阳能热发电机组的商业应用。 总的来说，我国在光伏发电产业的发 展是一片光明的。其一，在我国还有许多人生活在缺电、无电的一些边远西部地区，而解决这样类似地区的用电问题，在很大程度上依靠于太阳能及其它一些新能源的大规模应用；另一个方面，在比较发达的东部沿海经济地区，充分利用太阳能发电作为补充或者替代现有的能源，将给我国光伏产业的发展提供到一个新的发展空间 4 1 绪论 4 布式发电 布式发电系统的基本概念 分布式发电作为电力行业的第二次物质革命 的产物，到 目前 为止 国内 外 对分布式发电的具体 概念 仍 然 没有 十分 准确的定义， 每个 国 家对分布式发电 的 命名都不相同： 比如说 在北美，称 作 分散式发电；在英国，称 作 嵌入式发电；在欧洲和亚洲的 一些 部分国家， 称作 非集中式发电。 一般来说，分布式发电指的是发电功率在数千瓦至几十兆瓦的接入配电网或者在用户附近的发电系统，具有经济、可靠和高效的特点。分布式发电可以根据用户和电力系统的特定要求来满足，比如说高峰时段、为边远用户或居民区和商业区供电，它的特征是电力就地产生及使用，也可以与大型电网进行并网运行，具备有容易实现电网高效、安全、优质、经济运行和节省输变电的投资等一些优点。 分布式发电系统具有的分散、灵活、特点能够很好地适应了分散的资源分 布和电力需求，推迟了输、配电网升级还贷所需的巨额投资，同时它与大电网互为备用，也使供电可靠性得以改善。目前，欧美等发达国家已开始广泛研究能源多样化的、高效的和经济的分布式发电系统。毫无疑问，分布式发电系统将成为未来大型电网的有力的补充和有效支撑。 分布式发电系统与电力系统间可存在如下几种方式： （ 1）分布式发电系统可以独立运行，而且向附近的用户供电； （ 2）分布式发电系统可以独立运行，但是在分布式发电系统与当地电网间有着自动转换装置； （ 3）分布式发电系统并入电网运行，但它没有供给电能给当地电网； （ 4）分 布式发电系统并入电网运行，且它供给电能给了当地电网。 分布式发电系统与电网系统并联运行，而且向当地电网供给电能。 分布式发电从系统观点看问题，将发电机、负载、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能。分布式发电方式中的电源多为微电源，即含有电力电子接口的小型发电设备，包括燃料电池、微型燃气轮、机风力发电机、光伏电池（也称太阳能）以及飞轮、超级电容、蓄电池等储能装置。他们接在用户侧，具备着低污染、低成本、低电压等特点。分布式发电方式中的运用的微电源不仅可以与大电网联网运行，还可以在 电网故障或需要与主网断开单独运行。在接入问题上，入网标准只是针对其他大电网的公共连接点（ 而不是针对各个具体的微电源。这不仅解决了分散电源的大规模接入问题，充分发挥了分散电源的各项优势，还为用户带来了其他多方面的效益 8。 1 绪论 5 布式光伏发电系统的国内外发展现状 太阳能光伏发电技术是一项基于可再生能源的分布式发电技术，它是通过半导体材料具有的光电效应特点可以直接将太阳能转化为电能。光伏发电具有不消耗燃料、不受安全可靠、地域限制、无污染、规模灵活、维护简单等优点。 在我国西北地区，那里人烟稀 少，交通不方便，土地辽阔，燃料供应的问题比较紧张，而且价格倾向偏高，普通的电网很难覆盖到那里，但是那里的太阳能资源十分丰富。从技术经济层面来看，当输出电功率与配送电的距离之比小于100W/公里的情况下，相比普通的电网供电，使用太阳能光伏发电供电比较划算，就因为太阳能的优势，我国在 2002度推出了一系列的西部光伏照明工程，在西北地区大力推广和发展太阳能光伏发电系统，通过这些方式来提高西北地区人民的生活水平，同时这些措施对于贯彻西部大开发战略具有重要的经济意义和政治意义； 2012 年 2 月，财政部、科技 部、国家能源局联合下发关于做好 2012 年金太阳示范工作的通知，加上去年年底由财政部和住建部联合下发的关于组织实施 2012 年度太阳能光电建筑应用示范的通知，两大支持分布式光伏发电示范项目的政策相继出台。同时， 国家能源局公布最新了一系列可再生能源 “ 十二五”规划目标，其中，至 2015 年，我国 太阳能 光伏 发电装机容量将达到 1500 万千瓦。而为达成此项目标，国家能源局副局长刘琦表示，“十二五”期间，我国将完善光伏发电补贴政策，支持分布式光伏发电的应用。 根据世界各国的发展目标，预计到 2030 年，世界各国的光伏发电量将占到总发电量的 5%也就是意味着应用化石能源所造成的环境污染将会得到极大改善。分布式发电系统中的可再生能源太阳能光伏电池等都是解决我国偏远地区缺电的良好方法。在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电方式技术不可缺少的重 要补充，将成为我国未来能源领域的一个重要发展方向。 全世界范围来看，能源利用率效率越高、环境保护越好的国家，对于发展分布式光伏发电技术的推广应用就越热衷，鼓励支持政策越明确。全球范围内，已安装的兆瓦级分布式光伏发电装置超过 300 万台，并且每年以超过 80000速度递增。美国电力科学家研究院研究表明，至 2010 年，全球 25%的电能由小于2 分布式光伏发电 装置提供，并且 分布式光伏发电 所占市场份额将达到 20%。我国是太阳能资源丰富的国家，因此分布式光伏发电技术在我国有着广阔的市场前景 9。 布 式光伏发电对电网的影响 分布式光伏发电不仅可以节约常规能源，还可以改善能源结构、减少环境污 1 绪论 6 染，可带来直接的经济效益、社会效益和环境效益。但是分布式光伏发电的接入，使得配电网不再单向地由电源流向用户侧，潮流方式的改变会对配电网产生重要的影响，主要表现在以下几个方面： （ 1）对配电网规划的影响 分布式光伏发电的出现使电力系统的负荷预测、配电网规划的运行与过去相比有更大的不确定性。分布式光伏发电给配电网规划带来的影响主要表现在两个方面： 加难以准确预测配电网负荷的变化趋势， 从而影响配电网的规划； 是如果分布式光伏发电的建厂位置和装机容量不够合理时，有可能导致电能耗损的增加，或使配电网建设投资费用增加，降低配电网的运行的经济性和可靠性。 （ 2）对配电网网损、潮流的影响 在配电网中的负荷处接入分布式光伏发电系统后，使得整个网络的线路潮流分布和负荷分布有以下三种情况： 系统的总负荷量大于所有分布式光伏发电的输出总量； 负荷量都大于该节点处分布式光伏发电的输出量； 系统的总负荷量小于所有分布式光伏发电的输出总量。 （ 3）对电能质量的影响 分布式光伏发电 接入配电网后对电能质量的影响主要体现在两方面： 布式光伏发电引起电压闪变的因素主要有：某些大型分布式光伏发电单元的启动、输出功率的突然变化以及分布式光伏发电单元和反馈环节的电压反馈控制设备相互作用的影响等等。解决方法的是要求分布式光伏发电拥有者减少它对单元的启动次数。 波。由于分布式光伏发电本身就是一个谐波源，并且分布式光伏发电是通过基于电力电子技术的逆变器这种方式接入配电网，因此不可避免的是带来大量的谐波。 （ 4）对继电保护的影响 分布式光伏发电引入配电网后，配电网将成为一个多电源的系统，配电网络不再是纯粹的单种电源以及辐射状的供电网络。倘若线路发生某些故障，短路电流的大小、流向以及重合闸的动作行为都会受到分布式光伏发电的影响，可以使我们现有的保护的判据不能对系统运行现状 做出 正确的判断，可能出现断路器的误动、拒动、降低保护的灵敏度、重合闸不成功、继电器失去保护的选择 性等等 1 绪论 7 状况。 （ 5）其他方面的影响 分布式光伏发电接入配电网后，除了上述几种因数产生影响外，还会对配电网的稳定性产生一定的影 响 10 布式光伏发电系统无功控制策略 鉴于以上分布式光伏发电对配电网的影响，国际上相关部门针对分布式并网发电系统制定出一系列的技术尺度和并网要求。现阶段对分布式光伏发电系统无功控制的方法主要有两种方法，就是二级电压控制和无功优化控制。 （ 1）二级电压控制，它是来自电压的触发，使得该系统的电压水平控制在设备的运行极限内，实现电力系统安全、经济、稳定地运行。二级电 压控制是一种分区式的控制，每一个控制的区域都有它相应的二级电压控制器。 二级电压控制主要经历了几个阶段，最初为分散二级电压控制，每个控制区域的二级电压控制器采用经典的 制，输入为区域唯一的主导节点的电压偏差，输出为发送给各控制发电机的控制信号。其次是协调二级电压控制。它是在传统二级电压控制的基础上，综合考虑一组主导节点、区域内重要节点电压和无功设备处理等其他运行信息，能够更加地维持区域电压水平和无功储备，减少了区域之间控制作用的相互影响。最后是基于多代理的协调二级电压控制，它是分布式人工智能的一门新技 术，研究的是如何在一群自助的多代理之间进行智能行为的协调。它能使逻辑上和物理上分散的系统的并行、协调地实现问题求解 13 （ 2）其次就是无功优化控制。含有分布式光伏发电的配电网在优化目标函数、不等式约束、等式约束方面同传统电网有着相似之处，不同的是在控制手段上，所以在优化算法方面可以借鉴传统电网的方法。在现有的学术中对无功优化算法大概分传统数学优化算法和人工智能优化算法这两大类。 传统的数学优化算法包括混合整数规划法、非线性规划、线性规划等等。 混合整数规划法的原理是首先确定整数变量参数，再通过与 线性规划法协调来处理一些连续变量，优化计算中的变量的离散性问题能够有效的解决，其数学模型也较准确的体现了无功优化的实际情况。 非线性规划法的优点是物理概念清晰容易理解，计算精度高，缺点是计算量特别大，内存量需求也比较大。 线性规划法的原理是把约束条件和目标函数全部用泰勒公式进行展开，通过忽略高次项，在初始点处把非线性规划问题转化成为线性规划问题，用逐次逼近的方法来进行寻空间的最优解。 传统的无功优化算法研究比较成熟，并取得了较好的效果，但这些方法中都有明显的局限性。近些年来，人工智能方法作为一种新兴的方法， 越来越广泛的 1 绪论 8 应用到一些电力系统无功控制中。该类型的方法不再像传统的方法那样完全依赖于精确的数学模型，该智能方法是对自然界和人类本身活动的进行有效类比，才获得的启示。具有代表性的有禁忌算法、模拟退火法、遗传算法等等。 禁忌搜索算法是一种限制性搜索技术，能利用一种灵活的记忆技术，对已经进行的优化过程进行记录和选择，指导下一步搜索方向。这种算法在跳出局部最优解方面有很大的优势，收敛特性好。 模拟退火算法是通过赋予搜索过程一种时变且最终趋于零的概率突跳性，从而可以有效避免陷入局部极小于最终趋于全局最优的串行结构的优 化算法。该算法的优点就是即使落入局部最优的陷阱当中，经过充分的时间后也可跳出来进而收敛到全局最优解 17。 遗传算法 是 是受达尔文的进化论的启发，借鉴生物进化过程而提出的一种启发式搜索算法 。遗传算法是一种模拟自然遗传过程中发生的选择、交叉和变异现象，在每一次迭代中都保留一组候选解，并且根据某种指标从候选解群中选取适应度高的个体，对这些最优的个体进行组合以遗传算子（选择、交叉和变异）的方式进行，从而产生新一代的候选解群，如此循环此过程，达到某种收敛指标才结束。 文主要研究的内容 （ 1）研究了分布式光 伏发电系统对配电网影响。首先建立了分布式光伏发电系统的理想模型，其次从理论方面来进行说明对配电网网损和电压产生影响的一些因素，再通过对含有单个及多个分布式光伏发电的配电网实际模型进行潮流计算及仿真，进一步对分布式光伏发电对配电网网损和电压产生影响一些因素进行分析，最后得出相应的结论。 （ 2）研究了在遗传算法基础上的配电网的无功优化，也就是在对电压约束的条件下，得到分布式光伏发电系统的最优无功功率，达到提高电压质量和减少网络的功率损耗的作用。首当其冲建立了分布式光伏发电系统无功优化的数字模型，其次是无功优化算 法程序的编写，再次通过对单支路馈线系统和网状系统配电网的算例进行仿真分析，来验证本文对优化算法的设计准确性及其有效性。 （ 3）以三相电压型并网逆变器的数学模型研究了分布式光伏发电系统并网逆变器的无功控制策略，然后针对无功、有功独立调节的要求，提出了采用同步流控制的控制方案，最后基于这个方案进行了实验仿真及分析。 2 分布式光伏发电系统对配电网的影响 9 2 分布式光伏发电系统对配电网的影响 对于配电系统来说，无论是辐射型还是环网结构，接有分布式光伏发电系统都将会对电网中的潮流和电压产生一定的影响。而一般传统的供电系统，供给的功率都是从 高电压等级流向低电压等级，然后分配到每个用户通过配电变压器，如图 示。 图 统的供电系统 当在配电网中接许多分布式光伏发电系统时，配电网络上线路的潮流也许会反方向，而此时的配电系统是集发电、配电功能于一体，而不是单一的配送电能的功能，其潮流分布、电压不再仅取决于负荷，同时也取决于分布式光伏发电系统。如图 示。 图 于分布式光伏发电系统的配电网 图 示为接有分布式光伏发电系统的配电网，从此图中看出在这里的光 2 分布式光伏发电系统对配电网的影响 10 伏电池阵列是该系统发电装置，它作为一个稳定的电压源，向 系统输送有功功率时，它以某个特定的功率因数吸收或发出无功功率，伴随着产生大量的谐波。因此在这样的配电系统中潮流分布可任务是没有固定方向，这都由分布式光伏发电系统的发电功率与负荷功率来决定。 所以在配电网上接入分布式光伏发电系统后，电网的潮流分布一定会发生变化，从而会影响到网络损耗产生及节点电压，而能够影响量化的主要手段就是潮流计算。所以在本章节研究了含有分布式光伏发电的配电网的无功优化，而配电网的潮流计算是首要解决的问题，其次就是在配电网接入分布式光伏发电系统后，建立数学模型对配电网的影响进行更好的分析。 于分布式光伏发电系统的配电网的潮流计算 电网潮流的数学模型 潮流计算是电力系统非常重要的分析计算，用以研究系统规划和运行提出的各种问题。在这里配电网的潮流计算是研究在稳定状态运行情况下配电网的一些通常电气计算，其目地就是依据已知的潮流运行及网络结构条件，通过计算求解出整个配电网的运行情况。 通常的配电网网络结构如下图 示： 图 般的配电网网络结构 流计算软件及算法 在一般使用的潮流计算的软件中有 在本文里使用 件，它是基于 电力系统潮流和最优潮流代码的需要编写的，用它来解决一些优化潮流和电力潮流的问题， 广泛应用于电力系统的仿真分析， 有较好的扩展和衍生性能。牛顿法在 件中进行潮流计算的原理如下： 电力网络的功率平衡方程： 2 分布式光伏发电系统对配电网的影响 11 式 （ 中为 节点 i 的注入有功功率， 点 i 的复注入功率， 节点 i 的注入无功功率， iI 为节点 i 的注入电流向量的共轭向量， Y 为系统的导纳矩阵， i 的电压向量。 将上式 （ 的电力网络的功率平衡方程转化成为极坐标的形式，可得到在极坐标形式下的牛顿潮流方程 ）（s o s 式 (）（ s o s 将功率的极坐标形式的牛顿潮流方程可以转换成参差形式为 ）（s i nc o 式（ ）（s i nc o 上式中 节点 i 的电压幅值， 节点 j 的电压幅值， 节点 i 给定的有功功率， 节点 i 的无功功率， 、 别为 之间的电压相角差、电纳和电纳， 为节点有功功率偏差， 为节点无功功率偏差， H 表示所有与节点 i 直接相连的节点集合。 通 过上面的方程式使用泰勒级数在某一个近似解的附近进行展开，并且将二阶及二阶以上的高阶项免去掉，这样可以得到矩阵形式的修正方程式为： 式 （ 上式中 为相角偏差， V 为电压偏差。 雅可比矩阵的各元素的表达式如下： ）（ ）（ji o ss i ）（ ）（ji i nc o 2 分布式光伏发电系统对配电网的影响 12 ）（ ）（ji i nc o 式（ ）（ ）（ji o ss i 基于以上原理，用牛顿潮流计算的步骤为： （ 1）输入初始的数据：将所有节点进行编号和分类，通常将配电网的母线端点作为平衡节点，该节点的电压幅值和相位是已知的，无功功率和有功功率是未知的，这个节点既可为计算其他各节点电压相位的作为参考，也可为系统有功功率的平衡，其他节点选为节点，而这类节点的无功功率和有功功率是已知的，节点电压是未知的。 （ 2）形成节点导纳矩阵：线路首端到 末端的电压，和电流，通过线路导纳矩阵通过以下公式进行相互关联 ： 式（ 其中21上式中 B 为线路首端 i 到末端 j 对地的充电电容， X 为线路首端 i 到末端 j 的电抗， R 分别为线路首端 i 到末端 j 的电阻。 （ 3）由于节点电压初始值 0V 已知的，将电压初始值代入到上述的公式（ 计算得出 ， ，来对是否满足收敛条件进行判定。假设满足收敛条件，计算就 会停止下来。反过来，继续下面的几个步骤来进行计算。 （ 4）将电压初始值代入上面的公式（ 求得出雅可比矩阵。 （ 5）解式子（ 的潮流差方程，求出节点电压的修正量 0V 。 （ 6）修正节点电压向量： 001 。 （ 7）返回步骤（ 3）重复执行。 （ 8）对是否满足收敛条件进行判定，假设满足收敛条件，计算就会停止下来，反过来，再以节点电压 1V 为初始值，返回第（ 3）步进行下一次迭代 18 2 分布式光伏发电系统对配电网的影响 13 布式光伏发电系统对配电网电压的影响 想模型分析 首先，建立的理性模型如下图 示： 图 想模型 可以将电压降落的纵分量来替换各段电路的电压损耗，这样使得计算变得简单一些，则各个电路的电压损耗为 式 (上式中 额定电压。 该模型线路上总的电压损耗为 222111121 式 (图 节点 2 的电压为 221111002 式 (假设在节点 1 接入分布式光伏发电，则节点 2 的电压变为 221 式（ 式中的 接入的分布式光伏发电系统的有功功率， 接入的分布式光伏发电系 统的无功功率。 假定在配电网上节点 2 处接入分布式光伏发电系统，则节点 2 的电压变为 式（ 2 分布式光伏发电系统对配电网的影响 14 通过对公式（ 公式（ 较可以得到，配电网接入分布式光伏发电系统后，提高了节点电压值，同时也得出配电网节点电压幅值是随着分布式光伏发电系统的容量不同而变化着。通过对公式（ 公式（ 较可以得到，分布式发电系统接入配电网的位置不同也会影响到配电网的电压，线路总的电压损耗随着分布式光伏发电接入配电网位置不同而 不同，同时配电网各个节点电压也会相应的变化 23 布式光伏发电系统对配电网的影响 （ 1）接入单个分布式光伏发电的情况 26图 设在这条线路上有 N 个用 户，线路上的第 n 个用户视在功率为 ,2,1j ，其中 W，假定线路最初始端电压为 0U 且不变，第 n 户所在位置电压为 ,2,1n ，第 1n 个用户和第 n 个用户间线路阻抗为 ）（ rj 其中用户 p 接入的建筑光伏容量为 r 和 x 分别为单位长度线路的电阻和电抗， 第 1n 和 n 个用户之间线路的长度。 图 入单个分布式光伏发电的低压线路负荷分布 定无功功率和有功功率向负载方向流动为正值，反过来就为负值，对线路上的损耗忽略不计，则接入单个分布式光伏发电 前，第 m 与第 1m 个用户间的压降为 2 分布式光伏发电系统对配电网的影响 15 1mn 因为用户消耗的无功功率 有功功率 大于 0 ，所以1m ,0 也就是线路上所有压降都大于 0，随着与初始点距离的增大而线路上的电压降低。线路上第 m 个用户处的电压 kn 式中 0U 为线路初始端电压。 于光伏接入点前的用户（ 0 ）电压为 式 （ 因为居民用电功率因数很高，且线路电抗比较小，可以忽略不计无功功率的作用，简化后 m 点电压为 mk 0 从式（ 看到，接入分布式光伏发电后对线路电压有了一定的提升作用，而且提升幅度与分布式光伏发电出力、用户负荷大小、线路参数及其接入位置密切相关联。 第 m 户和第 1之间的电压差为 1 式（ 当 是第 m 户与后面所有用户有功功率之和大于分布式光伏 分布式光伏发电系统对配电网的影响 16 发电容量 则 01电压会降低；当 就是第 01电压会升高。 位于分布式光伏发电接入点后 的用户电压为 011 111 11 从上式（ 以得到， m 点电压始终小于 1m 点电压，电压降低。 综上所述，设定线路最初始端电压不变，接入单个分布式光伏发电到电网后，随着光伏发电的功率的逐渐增加，线路电压变化趋势如下三种情况： a先升高后降低； b先降低后升高，再降低； c逐渐降低。 在前面两种情况下，接入单个分布式光伏发电的配电网点 电压为局部电压的最高点，电压为 pk 0 当接入单个分布式光伏的配电网点电压 于电压偏差要求的最大电压，才能满足整条线路上电压的要求，由此可以确定线路最大接入光伏容量。 下面我们对单个分布式光伏发电接入时线路电压的变化进行分析。 以图 知线路电压等级为 380V，线路型号为 路上总共有 8个用户接入，每 0 ，每 2 个用户间距离为 线 路 单 位 长 度 阻 抗 中用户 4接在有分布式建筑光伏的线路上。 图 别为光伏发电出力、接入位置、线路长 2 分布式光伏发电系统对配电网的影响 17 度、线路截面面积和负荷不同时，分布式光伏发电接入后线路电压的变化曲线。 图 号接入不同容量分布式光伏发电后线路各点电压 图 图 路长度不同时 式光伏发电接入后的线路各点电压 图 路截面不同时