（电力系统及其自动化专业论文）分布式发电对配电网电压稳定性影响的研究.pdf

a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ( d g ) ，u s i n gr e n e w a b l ee n e r g ya n dn e we n e r g y , p r o v i d i n gc l e a n a n de f f i c i e n te n e r g y , b e i n gi n t r o d u c e dt od i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i l lb et h ef u t u r et r e n d t h e v o l t a g es t a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k 丽md g si s s t u d i e d f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt o d i f f e r e n tn e t w o r ki n t e r f a c e sa n do p e r a t i n gm o d e s ，d g sa r ed a s f i f i e di n t of o u rd i f f e r e n tn o d e t y p e s t h e i rp r o c e s s i n gm e t h o d si np o w e rf l o wc a l c u l a t i o na r ea n a l y s e d e s p e c i a l l yf o c u s i n g o np vn o d eb e y o n dr e a c t i v ep o w e rl i m i t , o np in o d ec o n v e r s i o nc a l c u l a t i o n , a n do nw i n d t u r b i n er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t h r o u g hp r o g r a m m i n gi nt h en e w t o n - r a p h s o np o w e r f l o wc a l c u l a t i o n ，m e t h o d sa r ei m p l e m e n t e d s e c o n d l y , t h r o u g hf o r m u l ad 耐v a t i o no ft h e d i s t r i b u t i o no f p o w e ra n dv o l t a g eo fas i m p l es y s t e m ，t h en o d ev o l t a g ei se l e v a t e db yp q - t y p e d g s t h em o r eb a c kl o c a t i o na n dt h el a r g e rc a p a c i t y ，t h eh i g h e rv o l t a g e ，a n dt h ee n dn o d e i n c r e a s e st h em o s t n ec o n c l u s i o ni sv 丽f i e db ys i m u l a t i o n f o re s t i m a t i o no fi m p a c to fd g s o ns y s t e mv o l t a g es t a b i l i t y , t w ot y p e so fv o l t a g es t a b i l i t yi n d e xa r ed i s c u s s e da n di m p r o v e d o n et y p ei sb a s e d0 1 1t h ee x i s t e n c eo fp o w ef l o ws o l u t i o n , r e f l e c t i n gs y s t e ma b i l i t yt o w i t h s t a n dl o a dg r o w t h t h eo t h e rt y p ei sb a s e do nt h el o a d v o l t a g ep r o p e r t y , r e f l e c t i n g s y s t e ma b i l i t yt ow i t h s t a n dv o l t a g ed i s t u r b a n c e t h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v i t yi sp r o v e db y j u d g e m e n ti nd i s t r i b u t i o ns y s t e m w i t hf o u rt y p e so fd g s ，s i m u l a t i o n sa n da n a l y s i so ft h e i m p a c to nt h et w ov o l t a g es t a b i l i t yi n d e x e sa r es t u d i e d r e s u l t ss h o wt h a tt h et w ot y p e so f v o l t a g es t a b i l i t yh a v eb e e nr e d u c e db yp v - t y p ed g s ，w h i c hs h o u l dn o tb ei n s t a l l e dt o om u c h b u tt h es t a b i l i t yh a sb e e ni m p r o v e db yp q - t y p ed g s f i n a l l y ，a f t e rt h es t u d yo nd i f f e r e n t l o c a t i o na n dd i f f e r e n tc a p a c i t y , t h em e t h o do fc h o i c eo fd g sc o n f i g u r a t i o ni sg i v e n p v - t y p e d g s ，w i t hs m a l lc a p a c i t y ，a r en o ts u i t a b l et ob ei n s t a l l e do nt h ee n do ff e e d e r a n dt w ot y p e s o fd g sa r en o ts u i t a b l et ob ei n s t a l l e do nt h eo r i g i n a l l yu n s t a b l en o d e s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d gn o d et y p e ，v o l t a g es t a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o n n e t w o r k ，s t a b i l i t yi n d e x 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容口对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：洲啤朗加日 硕士论文分布式发电对配电网电压稳定性影响的研究 1 绪论 1 1 选题背景和意义 当今世界，环境问题、气候问题和能源问题突出，为适应我国经济快速健康发展的 要求，新能源产业得到了各方支持，而对电力行业的要求就是提供经济、清洁、高效、 稳定的电力。利用可再生能源和新能源发电的分布式发电技术，对环境污染小，投资规 模小，发电方式灵活，运行费用低，可靠性高，相对于大电网集中供电方式有其独特的 优越性，将起到无法忽视的作用【1 3 】。利用大电网与分布式发电相结合，被认为是未来 供电方式的发展方向【4 】。 但随着分布式电源并入配电网，给配电网各方面都带来了广泛而深远的影响【5 8 】。 具体来说主要有：对网损的影响；对稳态电压分布的影响；对系统稳定性的影响；对线 路潮流的影响；对电能质量的影响；对故障电流的影响；对供电可靠性的影响等等。为 此，将会更难以对配电网进行管理和控制。需要重新考虑以下方面：配电网负荷预测、 规划、运行；配电网自动化系统、需求侧管理；分布式电源间协调运行；分布式发电相 关法律法规和行业规范。 目前，在美国、英国、日本等发达国家，由于研究起步较早，电网发展趋于完善， 分布式发电并网运行的发展相对比较成熟，都己制定并网标准【9 】。如自1 9 7 8 年，美国便 开始提倡分布式发电技术，2 0 1 0 年目标使分布式发电系统占到国家新增发电装机容量的 2 0 ，2 0 2 0 年目标最大程度的使用成本效益良好的分布式发电系统，成为世界上最洁净、 最有效、最可靠的电能生产和输送系统。 当前，我国也已初步启动对分布式发电的研究，冷热电联产在众多城市及农村投入 运行，西部地区和沿海地区利用地域和能源优势，大力发展风电、太阳能发电技术，2 0 0 6 年颁布实施的可再生能源法预示着，在我国大规模开展对基于可再生能源的分布式 发电技术的研究已是必然趋势。但不可否认的是，相对国外强大电网来看，我国电网正 处于向“坚强电网 迈进阶段，网架结构承受分布式电源并网能力较弱，进一步研究分 布式发电对电网的影响显得尤为重要，其中重要一环就是对电压稳定性影响的研究。 1 2 分布式发电技术 分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ，又称分布式电源) 是指：直接接入配电 网或分布在用户现场附近的容量规模较小的发电系统，用以满足特定需要，能够经济、 高效、可靠发科1 仉1 4 1 。 关于分布式发电的容量，各国际电气组织尚未取得一致意见，可以有小到几k w 的 i 绪论 硕士论文 微型d g ，也有大到几百l v l w 的大规模风电场。可以根据额定容量将d g 分为：微型d g ( 容量为1 w 。5 k w ) ，小型d g ( 容量为5 k w 一5 m w ) ，中型d g ( 容量为5 肌5 0 m w ) ， 大型d g ( 容量为5 0 m 3 0 0 m w ) 。 也可以根据分布式发电所用的一次能源、发电技术及并网接1 3 技术分类【1 5 】。这里根 据d g 所使用的技术类型分类介绍以下几种。 1 ) 冷热电三联产 冷热电联产系统【1 6 】( t h ec o m b i n e dc o o l i n g ，h e a t i n ga n dp o w e e rs y s t e m ，c c h p ) 建立在能量梯级利用的基础上，有效利用热机排出热量，产生蒸汽、热水，或用于制冷、 通风、除湿及实现其他功能。一般包括动力系统和发电机( 用于供电) 、余热回收装置 ( 用于供热) 和制冷系统( 用于供冷) 等。与传统的集中发电远程送电方式比较，冷热 电联产系统大大提高了能源利用率，能高达9 0 。目前我国工业领域热电联产总装机容 量达到近5 0 0 0 万k w ，城市建筑物大量应用天然气热电联产。 2 ) 微型燃气轮机 微型燃气轮机( m i c r o t u r b i n e ) 指的是功率为几百k w 以下以天然气、甲烷( 沼气) 、 汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机。它由飞机发动机的燃气轮机小型化而来，产生高 温高压气体推动发电机发电。一般由透平、压气机、燃烧室、回热器、发电机、电子控 制等部分组成，利用回热循环，高压气体从压气机出来后，再在回热器里接受透平排气 预热，最后进入燃烧室混合燃料燃烧。多采用燃气轮机直接驱动内置的与压气机、透平 同轴的高速发电机，转速范围在5 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 r m i n 。发出高频交流电经整流成高压直流 电后，再经逆变变成工频交流电。微型燃气轮机可靠性高、发电效率高、体积小、投资 低、污染少，适合企业、医院、学校甚至家庭分散使用，具有很强的商业竞争力，发展 前景广阔【1 7 d 9 1 。 3 ) 燃料电池 燃料电池【2 0 】( f u e lc e l l ，f c ) 在催化剂作用下，将各种碳氢源在压力作用下生成的 氢与空气中的氧结合产生直流电。工作过程不需要燃烧，只产生热、水及少量二氧化碳 等副产品，不污染环境，能源利用率在5 0 , - , 6 0 之剐2 卜2 2 。根据类型不同，单位模块的 燃料电池发电容量从l k w 到5 k w 不等。目前影响燃料电池推广的原因主要是发电成本太 高，氢燃料的生产、运输也不方便。 4 ) 太阳能光伏 太阳能光伏发电( p h o t o v o l t a i c ，p v ) 由半导体材料制成的硅光电池利用光电效应， 直接将太阳能转化为电能。光伏发电优点是不受地域限制、无污染、安全可靠、维护简 单，但有投资大、成本高的问题。以前主要用来解决偏远地区用电问题：但随着近年来 光电池成本下降及对利用可再生能源的重视，太阳能光伏发电也开始并网运行 2 3 】。特别 是安装在建筑物屋顶的光伏发电系统，可直接连到低压电网上，造价降低，发展前景广 2 硕士论文 分布式发电对配电网电压稳定性影响的研究 阔。预计到2 0 1 0 年，全世界安装的光伏发电系统总容量能达n z o o o 万k w ，我国预计能 达到5 0 m w ，且每年以3 0 以上的速度发展。 5 ) 风力发电 风力发电( w 侦dt u r b i n e s ，w t ) 利用风能转化为电能发电。风电机组由风力机、 升速齿轮箱和发电机三部分组成。风力机在风力的驱动下旋转，由变速齿轮箱升速后， 带动发电机发电。由于风力发电不需要燃料，清洁无污染，技术进步很快。我国陆地可 开发利用的风能约有2 0 亿k w ，具有广阔的发展前景【2 4 1 。独立运行的风力发电机组容量 较小，在几百瓦到几十千瓦，而并网运行的单台机组容量在数百千瓦到数兆瓦。绝大部 分的并网风电场装机容量小于5 0 m w 。按照风力发电机组气动功率调节技术，风力发电 可分为定桨距调节和变桨距调节，前者主要应用于兆瓦级以下的风电机组控制，后者用 于兆瓦级以上；按照并网风力发电组的运行方式可分转速基本不变的定速风力发电机和 转速随风速变化的变速风力发电机，变速风电机组效率比较高，年发电量比定速风电机 组高1 0 以上，并且功率输出更均匀，还可以简化桨距调节，延长机组寿命，减少运行 噪声。在目前容量1 m w 以上的大型风电机组多采用变速风力发电机【2 5 1 。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 分布式发电稳态模型及潮流计算 目前，d g 多以接入配电网并网运行为主。它们使得配电网从原有的单电源供电系 统变为了一个具有分散电源的多电源系统，改变了潮流传送大小及方向。且分布式发电 与传统发电技术的不同，使得传统发电机稳态模型不再适用，出现了新的节点类型，所 以需要针对不同d g 技术，建立各种类型d g 的稳态模型【2 6 】，这是研究含分布式发电系统 潮流计算和电压稳定性的基础。 在不含d g 的配电网中，多出现p q 节点，即恒功率负荷，传统发电机节点也被考虑 为p v 节点、p q 节点或平衡节点，但对于含d g 的配电网需另外考虑。也因为没有充分对 各种类型d g 的运行方式和控制特性进行研究，可以采用何种类型节点也就并不确定。 文献1 2 7 1 考虑中小容量的分布式发电系统不正面参与电压调节，视为可控的动态负 荷，认为d g 运行在额定工况附近，输出有功、无功基本不变，即认为d g 出力恒定，视 为p q 节点。采用同样看法的还有文献 2 8 】，视d g 为“负 的负荷。但由于d o 的运行复 杂性，显然不能这样简单处理。 文献 2 6 】取部分d g 为p q 或p v 节点，取储能系统为恒电流节点，但没有具体给出d o 形式。文献1 2 9 认为通过逆变器与电网相连的d g ，无功可以控制在一定范围内，所以视 作p v 节点。文献 3 0 1 用p v 节点处理同步电机并网接口的d g ，用p q 节点处理异步电机并 网接口的d g 。文献 3 1 1 将d g 等值为一个内部电源点和一个电源终端节点，前者视为p v 节点，后者视为注入量为0 的p q 节点。文献【3 2 将p v 类型d g 等效为一个负荷和一个注入 3 1 绪论硕士论文 功率，前者大小为( p + j o ) ，后者大小为o + j q 。 文献 3 3 】对典型的d g 运行方式和控制特性研究后，将采用异步发电机接口的d g 和 采用同步发电机接口的d g ，用类似具有电压静特性的负荷节点处理，建立各自的数学 模型。文献 3 4 讨论风力发电机组的稳态模型，视有功出力为风速的函数，无功出力为 有功和节点电压的函数，根据异步发电机等值电路建立了p q ( v ) 模型。文献 3 5 1 针对异 步风电机组建立- j q - v 交替迭代模型，此方法编程简单，易于和潮流程序接口。但多出 一层风电机组端电压的迭代，显著增加了计算量。文献 3 6 1 将风电场视为一个r - x 阻抗 接在母线上，多出一层异步发电机转差s 的迭代，计算量也较大。 建立了各类型d g 的稳态模型后，需要考虑含d g 的配电网潮流计算方法。 文献 3 3 1 在潮流计算直接法的基础上，提出了基于灵敏度矩阵的补偿潮流算法，能 够有效处理p v 节点和电压静特性节点。但在每次处理无功越限，p v 节点转换类型时， 都需要重新修正其无功灵敏度矩阵。文献 3 7 】根据配电网的拓扑结构和单馈线的潮流特 性，基于改进的前推回代潮流计算法，提出新的按一级一级分解多分支或非终端馈线的 潮流计算方法，大量的d g 和并联电容器作为p q 节点处理。但要求馈线电压稳定，否则 出现电压崩溃时计算无法收敛。文献 3 8 1 在前推回代法中引入注入无功功率补偿的方法， 弥补了前推回代法不能有效处理p v 节点的缺陷。文献 3 9 1 提出了改进的牛顿算法，用等 效阻抗矩阵对辐射状母线进行迭代计算，可以有效、快速的计算潮流。 针对配电网三相不平衡的特性，文献【2 6 】提出的潮流算法基于补偿适应性分布式能 量，可以处理三相不平衡馈线、电容器、变压器、负载和分布式电源。文献 4 0 认为接 入配电网的分布式电源可以接在三相，也可以接在单相或两相，用牛顿拉夫逊法进行 计算。文献【4 1 在配电网中引入“参与因子”概念，提出可以包含d g 的三相潮流算法。 1 3 2 含分布式发电配电网电压稳定性 d g 的引入使得在配电网中会出现电压稳定性问题。从辐射状结构变为有源结构后 的配电系统，潮流的大小和方向都发生巨大改变，从而使部分电压也发生变化。但目前 对含d g 的配网电压稳定性分析集中在异步发电机对电压稳定性的影响。例如西欧“1 1 4 停电事故，就有风电不能及时注入或注入后电网结构不能承受，带来的电压稳定问题 4 2 】。再如我国吉林通榆风电场，就曾发生在风电高注入功率运行时，由于风电场母线 电压突然降低，致使全部风电机组退出运行的恶性事故 4 3 】。 文献 4 4 1 n 用时域仿真法对含异步发电机配电网的小干扰电压稳定性进行研究，认 为配电网电压失稳的发生与异步发电机转子的转速无限增大有关，又分析了补偿电容器 的容量对电压稳定极值点的影响。文献 4 5 】采用分岔法对含异步电机风电场进行研究， 以风电场注入功率和无功补偿作为控制参数，进行电压稳定性分岔分析。认为当无功补 偿时，电压和鞍结分岔点的电压有效提升，而在高功率风电注入系统的情况下，会发生 电压崩溃。文献 4 6 】利用异步发电机和感应发电机在负荷增长模式下潮流是否收敛来判 4 硕士论文 分布式发电对配电网电压稳定性影响的研究 断系统是否电压失稳。针对以前文献没有结合电压稳定性指标定量研究的情况，文献 4 7 】 研究了不同类型d g 位置和容量与电压稳定指标的关系，但单用静态电压稳定指标存在 当负荷较大时，不能有效判断的问题，也不能反应电压扰动情况。所以，需要结合各类 型节点电压稳定指标对含d g 的配电网进行研究。 1 4 本文的主要工作 论文就分布式发电接入配电网后对电压稳定性的影响，研究了以下几个方面的内 容： 1 ) 介绍了分布式发电的概念和几种常见的分布式发电技术，分析了含分布式发电 的潮流计算及电压稳定性在国内外的研究现状。 2 ) 分析了配电网潮流计算的各种方法，比较后选用牛顿拉夫逊算法。根据不同类 型分布式发电并网接口，给出了四种潮流模型，并实现编程计算。着重研究了风力发电 机组及其并联电容器无功补偿的算法处理。 3 ) 根据不同d g 类型节点的不同模型，计算了简单系统接入d g 后，不同接入位置、 接入容量，对配电网节点电压的影响。并用算例进行仿真，验证了推导结论。 4 ) 针对配电网电压稳定性分析方法，讨论了两类判断方法和稳定性指标，给出两 种方法的分析步骤，并结合算例，验证了两类指标的判断方法是有效的。 5 ) 针对不同类型d g ，分别对两类配电网电压稳定性的影响进行研究，经过对各种 情况的仿真，对比不同类型、位置、容量的仿真结果，给出影响效果的分析，并提出为 提高电压稳定性配置d g 的方法。 5 2 分布式发电模型及潮流计算 硕士论文 2 分布式发电模型及潮流计算 配电网潮流计算是配电网分析的基础，加入分布式发电后，对配电网潮流计算提出 了新的要求，需要选择合适的节点类型来处理不同类型的分布式发电，形成有效的潮流 计算方法。 2 1 配电网潮流计算 配电网的潮流计算根据给定的网络结构及运行条件，确定整个网络的电气状态，如 各母线上的电压、网络中的功率分布及线路损耗等，用以评判配电网规划设计和运行方 式的合理性、可靠性及经济性郴】。 传统潮流算法是针对高压输电网提出的，而配电网有其独特的特征：配电网电压等 级较输电网低，传输功率不大，传输距离也较短；网络结构成辐射状，线路上功率单向 流动；线路参数电阻与电抗比值( 刚x ) 较大，可以忽略充电电容。因此，一些原有方 法不再适用。如由于不能忽略线路电阻，使得快速解耦法不再有效，所以收敛性问题是 评价配电网潮流计算的重要标准。 传统的配电网潮流计算方法主要有三种类型：母线类方法、支路类方法和牛顿拉 夫逊方法。 母线类方法主要有z b u s 法和y b u s 法，由等值注入电流根据叠加原理求得母线上电压 【4 9 】，可以处理弱环网，收敛速度快，性能稳定，但不能有效处理p v 节点。支路类方法 有回路法、前推回代法和支路电流法 5 0 - 5 ，算法编程简单，当电网不太复杂时，收敛速 度快，数值稳定好，其中前推回代法不需进行矩阵运算，占用存储空间少。但若配电网 较复杂，迭代次数就会大幅增长。多数前推回代法不能求解电压角度，也不方便处理弱 环网和p v 节点，需要对节点和支路按规则分层和编号，不利于配电网改变运行方式的计 算。牛顿拉夫逊算法有很好的收敛能力，不仅可以直接处理各常规节点类型，而且可 以方便的对不同形式的d g 处理方法进行编程，还可以很好的处理环刚5 2 】。因此，非常 适合含分布式发电的配电网潮流计算。综上所述，本文选择牛顿拉夫逊潮流计算方法。 2 2 基于极坐标系下的牛顿拉夫逊法潮流计算 牛顿拉夫逊法是解非线性方程式的有效方法。这种方法把非线性方程式的求解过 程变成反复对相应的线性方程式的求解过程，核心实质上就是一种逐步线性化的切线 法。牛顿法不仅适用于求解单变量方程，也适用于求解多变量非线性代数方程。 本文采用m a t l a b 软件编写牛顿法程序进行潮流计算，并编写了适用于含有分布式 发电的潮流程序，基本原理如下。 6 硕士论文 分布式发电对配电网电压稳定性影响的研究 配电网潮流计算的基本模型可以描述为，对一个含有甩个节点的配电网，已知网络 的拓扑结构和各支路阻抗，平衡节点( 一般为电源点或根结点) 的电压，艘节点的负 荷和p v 节点的有功负荷、电压幅值，求各节点的电压，各支路上流过的功率、电流和 系统的功率损耗等。 对一个含有r 1 个节点( 其中第1 一m 号为p q 节点，第m + 1 。以一1 号为个p v 节点， 第r l 号为平衡节点) 的电力系统的潮流方程一般形式为 + j q ，= 哆巧巧( f - 1 2 一，n ) ( 2 1 ) ，= l 其中e = 一和q = 如一如分别表示节点注入有功功率和节点注入无功功率； 毛表示节点导纳矩阵元素；节点电压用极坐标表示为 此时可将节点功率方程写成 形= k 么暝= v , ( c o s s , + j s i n s , ) + b 镕s i n 6 # 、 一b ；c o s 6 f ) 其中岛= 瞑一嘭，是两节点电压相角差；g 扩和岛分别电导、电纳。 对每一个均节点和每一个p v 节点都有一个有功功率不平衡量方程式 ( 2 2 ) 鹋= 兄一只= 兄一k 巧( 岛c o s 如+ 岛s t a s h ) = o ( f = 1 ，2 ，n - 1 ) ( 2 3 ) j = t 对每一个尸q 节点还有一个无功功率不平衡量方程式 q = q 扭一q f = 瓯- v , y v ，( g # s i n s 驴- b c o s 8 ) = o g = 1 ，2 ，m )( 2 4 ) j = l 上两式一共有刀一1 + m 个方程，用来求解各类型节点的未知量。 将上面两个方程式的左边在某个值附近展成泰勒级数，并将二次及以上阶次的各项 略去，可写出修正方程式 阱 ：芸_ 亿5 ， 7 岛 岛 s a 啷 要 扩 h 矿 q 九：， ( 巧 巧 。一。一 i y = = 只 g 2 分布式发电模型及潮流计算硕士论文 其中 p = 媚 必 必一l k a v = l a 圪一l j q 1 l 幺 q ：i ； = 瓯j 巧 圪 4 幽2 万= i 瓯一l ( 2 6 ) 司得雅耵】比矩阵 厂m ” 扣ikll 仁7 ) li 、7 元素表达式如下 = 参= 仨甏鼍如铲岛c o s 叫“舅力 牛嚆= - - r , v j ( g vc o 嗡椰 s 峨。髫 亿9 ， 舻参= 旧r y 嘭j ( g v ；略们i f s 峨。掣 仁 岛= 副叫r ? s 以；- 嘭q , 咖铲岛c o s 。掣 则牛顿法潮流计算的步骤如下： 1 ) 输入网络原始数据及节点给定值，形成节点导纳矩阵，置迭代计数k = 0 。 2 ) 给定各节点电压的初值形、茸。按式( 2 3 ) 、式( 2 4 ) 计算各类节点不平衡量。 3 ) 判断迭代是否收敛。若收敛，迭代结束，转入计算各线路潮流和平衡节点功率， 若不收敛，则进行下一次迭代。 4 ) 解修正方程式( 2 5 ) 求节点电压的修正量k 蚣、影。 5 ) 修正各节点电压k 七+ 1 = 圪+ k n ，辞七+ 1 = 科+ 辞。 8 硕士论文分布式发电对配电网电压稳定性影响的研究 6 ) 迭代计数加1 ，返回第一步继续迭代。 7 ) 计算平衡节点的功率和网络中功率分布。 迭代结束后，还要算出平衡节点的功率和网络中的功率分布。输电线路功率的计算 公式如式( 2 1 2 ) ，支路功率如图2 1 。 = 弓+ _ 岛= 巧2 y ；o + 哆( 砟一巧) y ： ( 2 1 2 ) s砖( 巧+ 一哆) 巧 + - 2 3 分布式电源的并网接口 图2 1 支路功率 分布式发电有风力、太阳能光伏、燃料电池等多种发电形式，每种分布式电源与配 电网的接e l 形式也有多种，常见的有三种形式【5 3 】：同步发电机( 励磁电压恒定型和励磁 电压可调型) 、异步发电机、电力电子装置( d c a c 整流器、a c d c 逆变器等交流器) 。 每种具体发电形式的分布式电源的典型容量范围及其常见的并网接口如表2 1 所示。 表2 1 常见分布式电源容量及并网接口 一些分布式电源输出为直流电、非工频交流电，需通过电力电子装置变换为工频交。 流电后才能并网运行，如燃料电池、太阳能光伏和储能系统发出直流电，需电压源逆变 器接口；微型燃气轮机发出高频交流电，需变频器接口；采用双馈电机的变速恒频风电 机组，需要一套交交变频器或者交直交变频器。 风力发电系统中，由于风速和风向有随机性，功率输出会产生高次谐波、无功补偿 等问题。为了向电网提供高效率、高质量的电力，对机组进行转速和转向的实时控制就 尤为关键。如前介绍，风电机组可以按转速变化情况区分为恒速和变速，又要求并网风 o 2 分布式发电模型及潮流计算 硕士论文 力发电机的频率与电网频率保持一致，即恒频。恒速恒频指保持发电机的转速不变，从 而得到恒定的频率：变速恒频是指在风力发电过程中发电机的转速可随风速变化，通过 风速信号作为控制系统输入变量方式来得到恒定的频率。恒速恒频风电机组由于只能固 定在某一转速上，而风速会经常变化，会将导致风力资源浪费，发电效率大大下降。 进入上世纪九十年代末期，基于变速恒频技术的各种变速风力发电机组大量进入风 电场，研究较多的变速恒频风力发电技术主要有5 种：笼型异步发电机系统、双馈发电 机变速恒频系统、无刷双馈型变速恒频系统、永磁同步发电系统、开关磁阻发电机系统。 笼型变速风电机组，采用鼠笼式异步电机；同步变速风电机组，采用同步发电机，它们 的定子侧通过电力电子变换器连接到电网；无刷双馈变速风电机组，采用无刷双馈发电 机；双馈型变速恒频风电机组，采用双馈绕线式感应发电机，发出低频交流电，因为采 用电力电子变频器的容量小，技术相对成熟而成为主流机型。由控制方式的不同，变速 恒频风电机组还可以分为恒功率因数控制和恒电压控制。 2 4 不同类型分布式发电的潮流计算模型 含分布式发电的配电网潮流计算需注意，分布式发电的计算模型与常规发电机组模 型不一致，必须对现有的配电网潮流计算进行改造和调整。在传统的潮流计算中，网络 节点一般只分为三种类型：平衡节点、p q 节点和p v 节点，它们基本就可以表示系统中 的全部节点类型。在配电网中甚至一般只包含前两种节点：变电站出口母线通常视为平 衡节点，而其他节点包括负荷节点和中间节点都视为p q 节点。 但当系统中接入分布式电源，因其各种不同于传统发电机的发电形式、并网接口、 运行方式，不能再简单的将它们处理成上述三种节点类型，而是应该考虑新的节点类型。 潮流计算中究竟如何选取分布式电源的节点类型直至目前还没有得到充分研究，这与各 种分布式发电的运行方式和控制特性不确定有关。但为了能够使用传统的潮流算法进行 加入分布式发电的配电网潮流计算，需要针对不同节点类型，根据其运行特点，在潮流 计算的迭代过程中转化为能被传统算法处理的三种节点类型。 2 4 1 p q 节点类型 在配电网潮流计算中，常常认为分布式电源发出的有功功率和无功功率为定值，在 分布式电源并网节点处，将电源功率视为负值的负荷，和此节点原有的正值的负荷加和， 得出的功率即为此节点定值的p 和q 。 例如，对采用异步风力发电发电机简化处理如下。在给定风速情况下，根据风力发 电机的风速功率曲线，由式( 2 1 3 ) 得到从风场中每台风力发电机获得的机械功率 己= 0 5 p a y 3 c p ( 2 1 3 ) 此式为风电机组功率特性经典公式，与风电机组相关的功率计算大多根据此式进行计 1 0 硕士论文分布式发电对配电网电压稳定性影响的研究 算。其中，p 表示空气密度3 ) ，彳表示风力发电机扫掠面积( m 2 ) ，y 表示风速( m s ) ， c ，表示风力发电机利用风能能力的风能利用系数，是风轮从风中捕获到并利用的有用 风能与风轮扫过面积上实际流过的风能之比，可由试验取得。再求得整个风电场的有功 功率，根据给定功率因数得到消耗无功。采用恒功率因数控制的变速风电机组，如基于 双馈感应电机的变速风电机组在实际运行中发出的有功和无功可由解耦控制为定值，可 以控制功率因数恒定，根据线性关系可以计算出风电机消耗的无功功率，可以看做p q 节点。 由式( 2 1 3 ) 也可以看出，理论上由风力发电机产生的有功功率正比于风速的三次方， 这样就可以近似认为有功为风速的函数，若已知风场风速，可得输出的有功功率。在某 一时刻进行潮流计算时，可以认为风力发电机输出功率处于由该时刻风速决定的一个定 值。这种计算方法简单，但理论值与实际值的偏差比较大。 2 4 2p v 节点类型 有类分布式发电有功功率和电压幅值是给定的，一般具有足够的可调无功容量来维 持电压，可以看做p v 节点。 不同于上节中恒功率因数控制模式，在恒电压控制模式下，采用电力电子装置作并 网接口的基于双馈感应电机的变速风电机组，其无功功率可以根据机端电压与设定电压 之间的偏差在一定的范围内调节，可以看做p v 节点。其他采用电压控制模式逆变器接口 的分布式发电，如太阳能光伏发电、燃气轮机和燃料电池等，接入电网时也可以这样处 理。 采用具有励磁电压调节能力的同步发电机作并网接口的分布式电源也可以看做p v 节点。如内燃机、传统的燃气轮机都可以采用同步发电机接口。 2 4 3p i 节点类型 逆变器有两种控制方式，分别为电流控制和电压控制，其中电流控制型逆变器意味 着输出电流为限定值，因此就可以建模成有功输出和电流输出恒定的p i 节点。采用经过 逆变器并网接口接入电网的分布式发电有太阳能光伏发电，同步变速风电机组、双馈型 变速恒频风电机组等风电机组，燃料电池，微型燃气轮机等，它们可以在潮流计算中用 输出限定的逆变器模型来代替，当采用电流控制模式时就可以处理成p i 节点。 2 4 4p - q ( v ) 节点类型 对于采用有励磁系统的同步发电机接口的分布式发电，可分为励磁电压恒定型和励 磁电压可调型。前者可以处理为p v 节点，而后者和无励磁系统的同步发电机一样，它们 发出的无功与机端电压有关。以隐极机为接口的分布式发电为例，发出的有功户、无功 2 分布式发电模型及潮流计算 硕士论文 彰刀 p ：望s i n 万 (214，x = ! 一s i n 万( 2 1 4 ) d 、 q = 等刚一笔 仁均 其中，b 为分布式发电隐极机的空载电势，取为定值，矿为机端电压，毛为机组同步 电抗，万为功角。 当发出有功为定信时，由l 式f 2 1 4 i 、式f 2 1 5 、推出发出无功与机端电压的关系 q = y 2 x d ( 2 1 6 ) 即在有功输出为定值时，无功输出可由机端电压根据一定的函数关系式算出。在潮 流计算中，可以表示为一类p q ( v ) 节点模型。 采用异步发电机并网发电的风电机组，没有励磁系统，主要靠电网提供的无功功率 建立磁场，异步发电机吸收的无功与机端电压，潮流计算中也不能简单处理。其r 型简 化等效电路如图2 2 所示。 1 一s s 图2 2 异步发电机i 。型简化等效电路 其中，矿为风电机组机端电压，丘为定子电流，j ，为转子电流，l 为励磁电流，s 为转 差率，、分别为励磁支路电阻、电抗，t 、分别为定子电阻、电抗，、，分别 为转子电阻、电抗，上! 为模拟电阻。令z = t + x ，。由异步发电机r 型简化等效电 j 路可以推出 1 2 v = q ：一e + 一p x s ) x 。 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 硕士论文分布式发电对配电网电压稳定性影响的研究 在风速给定时，风电机组有功输出为定值，由式( 2 1 8 ) 此时吸收的无功与机端电压、 转差率有关，而由式( 2 1 7 ) 推出机端电压和转差率的关系，所以推出吸收的无功与有功、 机端电压的关系为 q ：兰+ 匕二监= 垡兰：( 2 1 9 ) 。 2 x 在潮流计算中也可以表示为一类p q 节点。 比较式( 2 1 6 ) 和式( 2 1 9 ) ，两种分布式发电的无功功率都可以表示成有功功率和机端 电压的函数，但同步发电机发出无功，而异步发电机从电网吸收无功，式( 2 1 9 ) 表示的 是吸收的无功大小。 2 5p v 节点类型潮流算法处理 一般p v 节点类型d g 都存在无功输出的上、下限，所以在潮流计算中会出现无功越 限问题，需要进行越限处理。在迭代中，通过节点功率方程计算出修正后的p v 节点无功 和d g 无功出力，若d g 无功越限，则将输出无功恒定控制为极限值( 上限或下限) ，此 时相当于将p v 节点转化成t p q 节点来处理；若在之后的迭代中，又出现p v 节点电压高 于( 相当于无功越上限) 或低于( 相当于无功越下限) 指定电压值的允许范围，则转化 回原p v 节点处理。 带p v 节点类型d g 的潮流计算流程如图2 3 所示。 其中，原配网潮流前期工作包括根据原始配网数据形成节点导纳矩阵、给定节点电 压初值等工作；传统潮流迭代计算包括计算雅克比矩阵各元素、解修正方程等；含分布 式电源的配电网潮流后期计算包括计算节点功率、线路功率等。 需要注意的是，因为存在p v 至u p q 或p q 至r j p v 节点类型的转化，迭代过程中各节点类 型数目也可能改变，雅可比矩阵阶数也会变化。所以每次循环中都必须重新统计各节点 类型的数目，来形成新的雅可比矩阵。 1 3 2 分布式发电模型及潮流计算 硕士论文 图2 3p v 节点类型d g 的潮流计算流程 2 6p i 节点类型潮流算法处理 p i 节点已知量是恒定的有功输出和恒定的注入电网电流。由电压、电流和有功、无 功的关系 q ：打而( 2 2 0 ) 可以用如下方法处理p i 节点。 在潮流计算迭代过程中，可以由上一次迭代计算出的电压幅值，已知的电流幅值， 和有功功率尸求得 1 4 幺+ l - 扩i 7 ( 2 2 1 ) 硕士论文分布式发电对配电网电压稳定性影响的研究 其中，幺+ 。表示第k + 1 次迭代时分布式电源的无功输出；圪表示上一次即第k 次迭代计 算出的节点电压幅值。 这样就可以在每次迭代前把p i 类型的分布式电源的无功输出求得，相当于在迭代过 程中将此类节点转化为已知量为有功功率和无功功率的p q 类型节点，只不过其无功输出 g + 。每次都会变化。 带p i 节点类型d g 的潮流计算流程如图2 4 所示。 图2 4p i 节点类型d g 的潮流计算流程 2 7p q m 节点类型异步风力发电机组的潮流算法处理 2 7 1 风电机组所需并联电容器组无功补偿 由于在输出有功的同时，采用异步发电机的分布式风力发电机要从电网吸收无功， 为了减少网络网损，避免电压降低，般在风力发电机组机端配套安装无功补偿设备， 如并联电容器组，使其自动分组投切从而保证整个风电机组功率因数保持在允许范围 内，一般要求在0 9 以上。 由功率因数公式，带有n 台并联电容器的风电机组的功率因数为 1 5 2 分布式发电模型及潮流计算 硕士论文 p s 仍= 4 p 2 + ( q 。_ q ) 2 ( 2 2 2 ) 其中，q c 为已有靠台投切的并联电容器组输出的补偿无功，p 、q 分别为风电机组输出 的有功和吸收的无功。可以由上式推出整个机组吸收无功为 q q = p ( 2 2 3 ) 为使整个风电机组由原来的功率因数c o s 仍提高到要求的c o s 缈：，则需要在已有的无 功补偿基础上再补充无功容量q ，使得风电机组上共接入的并联电容器组补偿无功为 g = q + q c 此时，补偿后的功率因数满足 p c o s 够，= 7 = = = = = = = = = 2 尸2 + ( 残一q ) 2 可以推出此时再一次补偿后整个机组吸收无功为 q 一鳞= p 由式( 2 2 3 ) 和式( 2 2 6 ) 推出q c 的计算公式 ( 2 。2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 岈g p c i1 一1 矛， 仁2 7 ， 2 7 2 并联电容器组实际投入台数 由于电容器组输出无功只能是单位无功容量的倍数，不能完全满足式( 2 2 7 ) 1 拘要求， 需要按大于等于需要容量的补偿容量来投切台数。设额定电压下并联电容器组每台容量 为q 一油豇，则并联电容器组实际需再投入的台数 血= 对是 其中，i n t - 表示取邻近的稍大整数。 1 6 此时，投入的并联电容器台数共有台数 力= 以+ 以 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 硕士论文 分布式发电对配电网电压稳定性影响的研究 若玎大于并联电容器组最大台数，l 麟，则取n = ，l 恤。 若在迭代过程中，风电机组的功率因数大于给定值e o s 缈2 ，说明并联电容器组补偿 过多，即出现q 0 ，a n 0 和力 2 ) 的变化大，上升较多。 结论l ：当d g 分别接入不同节点，接入位置越靠近馈线末端，各节点电压值上升越 大。当接入位置越靠近馈线首端，节点电压变化越小。 下面分析表3 1 中横向情况，比较d g 接入某一位置时，不同节点电压变化幅度。 横向比较情况2 中两个节点电压变化量。 为区别表示，给情况2 中各变量x 表示方法加上标为x 。巧、聪表示相较于情 况l 节点电压变化。