（电力系统及其自动化专业论文）微电源模型及微电网潮流与短路计算分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 根据微电网的结构和运行特点，提出了一种基于叠加原理的微电网潮流短路统 一分析方法：明确了微电源在潮流计算中的节点类型：潮流计算采用基于叠加原理 的改进z b u s 算法，对p v 节点采用补偿技术处理；短路计算采用基于叠加原理的a b e 三相模型短路算法，克服了对称分量法用于微电网短路计算所遇到的困难。该方法 无需复杂的节点编号，对初值不敏感，高r x 比值不影响其收敛性。采用m a t l a b 编程实现了微电网潮流短路统一分析程序，并通过算例验证了该方法的有效性。 以“统一 模块化的思想建立了微型燃气轮机发电系统的整体模型；利用厂商 提供的技术参数建立了光伏电池模型；建立了燃料电池的电堆模型。最后，在 p s c a d e m t d c 中对模型进行了仿真验证。 关键词：微电网，微电源模型，潮流计算，短路计算 a b s t r a c t i na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i o n so ft h em i c r o g r i d ，au n i f i e d a n a l y s i sm e t h o do fl o a df l o wa n ds h o r tc i r c u i t c a l c u l a t i o ni s p r e s e n t e db a s e d o n s u p e r p o s i t i o np r i n c i p l e ：t h en o d et y p e sa r ed e t e r m i n e d ；l o a df l o wc a l c u l a t i o na d o p t st h e i m p r o v e dz b u sa l g o r i t h mb a s e d o ns u p e r p o s i t i o np r i n c i p l e ，a n dt h ep v - n o d ei s c a l c u l a t e d b y c o m p e n s a t i o n l a w s h o r tc i r c u i tc a l c u l a t i o n a d o p t s a b e p h a s e r e p r e s e n t a t i o ns h o r tc i r c u i ta l g o r i t h mb a s e do ns u p e r p o s i t i o np r i n c i p l e ，s oi to v e r c o m e s t h ed i f f i c u l t i e sw h e na p p l y i n gt h es y m m e t r i c a lc o m p o n e n t st ot h em i c r o g r i ds h o r tc i r c u i t c a l c u l a t i o n t h em e t h o dn e e d n tc o m p l i c a t e ds e r i a ln u m b e r s ，i sn o ts e n s i t i v et ot h e i n i t i a lv a l u e s ，a n dr xr a t i od o e sn o ta f f e c tt h ec o n v e r g e n c e t h ep r o g r a mi sc o m p l i e d b y m a t l a b ，a n dr e a ld a t a sv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o d t h eo v e r a l lm o d e lo fm i c r o t u r b i n eg e n e r a t i o ns y s t e mw i t ht h em i n do f u n i t m o d u l a ri sb u i l t ；t h ep vp a n e lm o d e li sb u i l tw i t hs p e c i f i c a t i o n s ；t h ef u e lc e l lm o d e li s b u i l t f i n a l l y ，i np s c a d e m t d cs o f t w a r e ，a l lt h em o d e l sa r es i m u l a t e d m us h i x i a ( p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i uj u n k e y w o r d s ：m i c r o g r i d ，m o d e lo fm i c r o s o u r c e s ，l o a df l o wc a l c u l a t i o n ，s h o r tc i r c u i t c a l c u l a t i o n 2川8 8m 69 ，iiil岍y 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景与意义1 1 2 微电网的研究现状及存在的问题2 1 3 论文的主要工作3 第二章微电网的概念和结构5 2 1 从分布式发电到微电网的发展5 2 2 微电网的概念和基本结构6 2 3 微电网中的微电源8 本章小结8 第三章微电网潮流计算方法9 3 1 潮流计算概述一9 3 2 微电源在潮流计算中的节点类型9 3 3 基于叠加原理的改进z b u s 潮流算法1 l 3 4p v 节点的补偿技术1 2 3 5 改进算法的计算流程1 3 3 6 算例1 4 本章小结1 9 第四章微电网潮流短路计算统一分析方法2 0 4 1 短路计算概述2 0 4 2 基于叠加原理的短路算法2 0 4 2 1 “故障电压源”的计算2 0 4 2 2 短路故障时各节点电压和支路电流的计算2 2 4 3 潮流短路计算统一分析流程2 2 4 4 算例2 4 i i 华北电力大学硕士学位论文 4 4 1 算法验证2 4 4 4 2 微电网短路计算2 5 本章小结2 6 第五章微电源模型研究2 7 5 1 微型燃气轮机发电系统的建模与仿真2 7 5 1 1 微型燃气轮机发电系统2 7 5 1 2 微型燃气轮机发电系统模型2 7 5 1 2 1 微型燃气轮机模型2 7 5 1 2 2 微型燃气轮机动态仿真分析3 0 5 1 2 3 永磁同步发电机与整流器模型3 1 5 1 2 4 逆变器及发电系统整体模型3 3 5 1 2 5 逆变器v f 控制模型3 4 5 1 2 6 逆变器p q 控制模型3 5 5 1 3 微型燃气轮机发电系统动态仿真分析3 5 5 2 光伏电池的建模与仿真3 8 5 2 1 光伏电池3 8 5 2 2 光伏电池模型4 0 5 2 3 光伏电池仿真分析4 2 5 2 4 光伏电池发电系统的结构模型4 4 5 3 燃料电池的建模与仿真4 6 5 3 1 燃料电池4 6 5 3 2 燃料电池模型4 7 5 3 3 燃料电池仿真分析5 1 5 3 4 燃料电池发电系统的结构模型5 3 本章小结5 4 第六章总结与展望5 5 6 1 总结5 5 6 2 展望5 6 参考文献5 6 i i i ， 一坐= ! ! 皇垄奎兰堡主堂堡堡奎 一 一一一 致谢- 6 3 附录6 4 附录1 算例参数6 4 附录2 微电网短路计算结果6 5 在学期间发表论文和参加科研情况6 9 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景与意义 第一章绪论 过去几十年里，电力系统己发展成为集中发电、远距离输电的大型互联网络系 统。同时，随着社会经济的发展电力需求迅速增长，特高压输电模式也开始建设， “大机组、大电厂、大系统、高电压 成为了电力系统追求的目标。传统的大电网 确实给我们带来了很多益处：大机组投入提高了发电效率；联网运行降低了机组的 存储容量等等。但是随着电网规模的增大，超大规模电力系统的弊端也日益凸显： 成本高，运行难度大，难以满足用户越来越高的安全性和可靠性要求【l 】。近些年世 界范围内接连发生的几次大面积停电事故，将传统大规模电网的脆弱性暴露了出 来。2 0 0 8 年初的冰雪天气导致我国南方地区发生大面积停电，也暴露了我国现有 的网架结构在保障用户供电方面所存在的薄弱环节，这些问题让人们深刻认识到： 除了单一扩大电网规模，建设超高压输电网外，降低负荷对大电网的依赖性才是提 高供电安全性和可靠性的关键。 鉴于上述问题，一些国家开始研究并应用多种结合一次能源，形成高效、经济 的新型电力技术分布式发电技术d g ( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ) ，又称分散式发电 r d i s p e r s e dg e n e r a t i o n ) ，也称嵌入式发电( e m b e d d e dg e n e r a t i o n ) 。d g 指的是通过在配 电网建立单独的发电单元来对重要负荷进行供电，并通过p c c ( p o i n to fc o m m o n c o u p l i n g ) 和外界电网进行能量交换【2 】【3 】【4 】。分布式电源的接入不改变原来配电网结 构，延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资；分布式发电一般靠近负荷用户， 能源供应由单一的供电发展为“热、电”联供，甚至是“冷、热、电”三联供，提 高了能量的利用率；提高了电能质量和供电的可靠性。鉴于以上特点，大电网与分 布式发电相结合，被国内外许多专家学者认为是降低能耗、提高电力系统可靠性和 灵活性的主要方式岭j 。 尽管d g 有投资低、环保好、灵活性高等优点，但是它对大电网的影响却是一 个不容忽视的重要问题。i e e ep 1 5 4 7 对分布式电源的单独并网标准做了规定：当 电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。这样将大大限制新能源的充 分发挥，同时也限制了对新能源的充分利用【5 儿6 1 。为了协调大电网与分布式电源间 的矛盾，进一步提高电力系统运行的灵活性、可控性和经济性，更好地满足电力用 户对电能质量和供电可靠性的更高要求，微电网( m i c r o g r i d ) 的概念被提了出来归j 。 概括来说微电网就是由负荷、分布式电源( 文中称之为微电源) 、储能装置组 成的配电子系统，可同时提供电能和热量；微电源由电力电子器件进行能量转换和 华北电力大学硕士学位论文 必需的控制和接口；相对于外部大电网表现为单一受控单元，并可同时满足用户对 电能质量和供电安全等的要求。微电网的用电方式具有：经济、环保、能源多样化、 安全可靠等特点【4 】【7 】【8 】。 微电网既可并网运行又可孤网运行。正常情况下微电网并网运行，可同时利用 微电网内微电源发电并吸取大电网电能，在自身电力充足时也可以向大电网输送多 余电能。当外界大电网出现故障停电或有电力质量问题时，微电网可以通过能量管 理单元控制主断路器切断与外界联系，必要时同时切除非重要负荷孤网运行，网内 负荷全部由微电源供电【4 】【9 1 。相对于分布式发电，微电网能够更好地实现与大电网 的互补，提高新能源的利用率，提高电力系统的供电可靠性。鉴于微电网的上述特 点，以及研发智能电网、发展低碳经济的需求，近年来世界上许多国家纷纷开展了 微电网的相关研究。 1 2 微电网的研究现状及存在的问题 美国最早提出了微电网概念。美国对微电网的研究着重于利用微电网提高电能 质量和供电可靠性、降低成本和实现智能化等方面。 在欧洲，微电网被认为是未来电网的有效支撑，它能很好地协调电网和分布式 电源之问的矛盾，充分发挥分布式电源的优势。2 0 0 5 年，提出“s m a r tp o w e r n e t w o r k s 概念，并且分两个阶段提出了欧盟第五框架计划和欧盟第六框架计划。 其中第五框架计划项目已基本完成，该项目取得了一些很具启发意义的研究成果。 欧洲所有的微电网研究计划都围绕着可靠性、可接入性、灵活性三个方面来考虑。 电网的智能化、能量利用的多元化等将是欧洲未来电网的重要特点【5 1 。 日本本土资源匮乏，因此可再生能源在本国的能源结构中发挥越来越大的作 用，但很多新能源具有随机性，穿透功率极限限制了新能源的应用。配备有储能设 备的微电网能够补偿可再生能源断续的能量供应，从大电网的角度看，该微电网相 当于一个恒定的负荷，日本的微电网对于储能和控制十分重视【5 1 。 2 0 0 8 年初，南方冰雪天气导致我国发生大面积停电，暴露了我国现有的网架 结构在保障用户供电方面所存在的薄弱环节。微电网既可以联网运行，又可以孤岛 运行，能保证在恶劣天气下对用户供电。微电网在满足多种电能质量要求和提高供 电可靠性等方面有诸多优点，这些使它完全可以作为现有骨干电网的一个有益而又 必要的补偿【6 】【9 1 。在中国微电网的发展尚处在起步阶段，有很多方面值得探索和研 究。 微电网的基础计算和微电源的模型是进行微电网规划及微电源优化配置、继电 保护整定、微电网动态特性分析和协调控制等工作的基础，本文以此作为研究目标。 潮流计算是微电网分析与控制的基础，因此潮流计算是微电网研究工作中必不 2 华北电力大学硕士学位论文 可少的环节。微电网在线路结构上与配电网相似：线径小、辐射状、线路r x 比值 高等等【1 0 】 1 l 】f 1 2 】；但是它又不同于配电网，微电网中含有微电源，传统的配电网潮 流算法不能直接用于微电网的潮流计算。进一步分析表明，当微电网并网运行时， 潮流不定向的从变电站流向各个负荷，其中微电源影响着线路潮流的方向和大小； 当微电网孤网运行时，全部由微电源来支撑负荷，保证用户用电的安全性和可靠性， 微电源完全决定了线路潮流的方向和大小，影响潮流的关键因素是微电源的位置、 与负荷量的相对大小等等。此外，由于微电源的接入，微电网潮流计算首先要确定 微电源在潮流计算中的节点类型。目前该方面的研究较少，这与微电网的运行和控 制方式的不确定性有关j 1 3 j 。 短路计算是微电网分析控制的又一基础计算，为继电保护整定提供依据。目前， 输电网的潮流计算和短路计算基本上是独立的。由于配电网和微电网的结构和运行 特点，在潮流和短路计算中多采用基于叠加原理的算法进行求解。因此，研究一种 适合于微电网潮流和短路计算的统一分析方法是本文在实现了微电网潮流计算后 的初衷。目前有关微电网的潮流短路计算的相关文献较少，文献 1 l 】 1 4 15 1 1 6 17 】 研究了含分布式电源的配电网潮流计算方法；文献 1 3 】【1 8 1 9 研究了配电网中含有 分布式电源时短路计算的求解方法。而有关微电网潮流和短路的统一分析计算方法 还未见文献报导。 当微电网中含有多个微电源时，微电源之间的协调控制是一个需要重点考虑的 问题。微电源的模型是微电网中相关分析和控制的基础，也是微电网研究的难点之 一。目前，对于微电源的模型，很多国内外专家进行了相关的研究【2 0 1 。在微型燃气 轮机发电系统的建模中，多数文献都采用了分开建模或者是等效处理的方法【2 l 】1 2 5 j ， 但是分开建模或等效处理会割裂燃气轮机动力系统与发电系统之间的内在耦合联 系，不利于实现二者之间的协调控制设计。同样，其它微电源如光伏电池模型和燃 料电池模型等也存在类似问题。在微电源的建模中，如何在不影响本身特性，不改 变内部装置之间相互联系的情况下，同时考虑环境的影响( 如光伏电池) ，建立简 单可行的模型，无疑是微电源建模的一个方向。 1 3 论文的主要工作 本文以微电网的基础计算和微电源的建模为研究目标，为微电网的相关分析及 协调控制的研究奠定基础。论文对微电网的发展、微电网相关问题的国内外研究现 状进行了概括和总结，在此基础上，论文完成了以下主要工作： ( 1 ) 根据微电网的运行方式和微电源的控制方式，明确了各微电源在潮流计算 时的节点类型。 ( 2 ) 针对微电网的结构和运行特点，提出了一种基于叠加原理的微电网潮流短 华北电力大学硕士学位论文 路统一分析方法。 潮流计算采用基于叠加原理的改进z b u s 算法，并对p v 节点采用补偿技术处 理；短路计算采用以叠加原理为基础的a b e - - 相模型短路算法，其中故障电压源由三 相潮流计算结果和边界条件得到。该算法方法简单、实用、效率高，适用于配电网 及微电网。 ( 3 ) 采用m a t l a b 编制了微电网潮流短路统一计算程序。并通过算例验证了所提 算法的实用性和有效性。 以一个2 7 节点2 6 条支路的微电网为例，与p s a s p 软件中的五种潮流算法的计算 结果进行了比较；以一配电网为例，与文献中的短路计算结果进行了比较，同时对 并网方式下，该算例在增加微电源前后短路时的各节点电压幅值进行了比较分析。 通过对比分析验证了本文所提出并实现的微电网潮流短路统一分析方法的有效性 和正确性。仿真结果还表明，本文所提算法具有对初值不敏感，高r x l t 值不影响 其收敛性，不需要复杂的节点编号等特点。分析方法既统一又独立，既可同时进行 潮流短路计算分析，又可单独进行潮流计算，在进行微电网分析的基础计算时更方 便、简洁。 ( 4 ) 研究并建立了微型燃气轮机发电系统、光伏电池、燃料电池的模型，并进 行了仿真分析。 在p s c a d e m t d c 环境下，结合基本的p q 和v f 控制策略，用“统一 模块化 的思想建立了微型燃气轮机发电系统的整体模型并进行了仿真分析；结合厂商提供 数据，建立了光伏电池的模型并进行了仿真分析；根据一系列假设条件，建立了燃 料电池的电堆模型并进行了仿真分析。上述微电源模型的研究为进一步分析微电网 的动态特性并进行有效的协调控制奠定了基础。 4 华= l 匕电力大学硕士学位论文 第二章微电网的概念和结构 2 1 从分布式发电到微电网的发展 集中发电、远距离输电的电力系统自身存在着一些弊端：不能灵活跟踪负荷 的变化。大型互联电力系统中，局部事故极易扩散，导致大面积的停电。为了 解决此类问题大力改造和新建配电网络在技术、资金和效益上都是不可取的。因此， 一些专家提出了投资省、发电方式灵活、与环境兼容的分布式发电方式，从而来提 高电力系统运行的灵活性、可靠性和安全性【2 7 】【2 引。 随着全球环境的不断恶化，世界各国都竞相开展清洁可再生能源的利用和开发 工作，分布式发电系统发展迅速。分布式发电技术指的是通过在配电网建立单独的 发电单元来对重要负荷进行供电，并通过p c c ( p o i n to f c o m m o nc o u p l i n g ) 和外界电 网进行能量交换。分布式电源( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ) ，指分散独立的小型电源。分 布式发电一般靠近负荷用户，通过将电能和热能的利用相结合来提高能量的利用 率。同时，由于发电的位置离负荷距离较近，故还可以提高电能质量和供电的可靠 性。大电网与分布式发电相结合，被国内外许多专家学者认为是降低能耗、提高电 力系统可靠性和灵活性的主要方式。 在现有“大机组、大电厂、大系统、高电压 电力系统弊端不断暴露，世界范 围内的能源供应持续紧张，环境污染日趋严重的情况下，有效使用能源，节约能源， 保护环境，发展节能技术和可再生能源分布式发电技术成为重要课题。分布式发电 有以下优点1 1 3 1 ： ( 1 ) 经济性。部分分布式电源( 如燃料电池和微型燃气轮机) 发电产生余热， 利用该余热可以供热，实现“热、电”联供，甚至也可以同时制冷、制热实现“冷、 热、电 三联供，将能源合理的梯级利用，从而可提高能源的利用效率。例如：微 型燃气轮机纯发电的效率并不是很高，大约只有2 0 ，当实现“热、电联供时效 率可以达到8 0 。 ( 2 ) 环保性。分布式发电通常采用天然气或氢气做燃料或以太阳能、风能等 能源为动力，减少了有害物的排放总量，减轻了环保的压力。 ( 3 ) 能源利用的多样性。分布式发电可利用多种能源，如清洁能源天然气、 氢，可再生能源风能和太阳能等，并同时为用户提供冷、热、电等多种能源应用方 式，是解决能源危机、提高能源利用效率的一种很好的途径。 ( 4 ) 调峰作用。夏季和冬季往往是负荷的高峰时期，如果采用以天然气为燃 料的微型燃气轮机等构成冷、热、电三联供系统，不但可以解决夏季的供冷与冬季 的供热需求，同时也向用户提供了电能。 华北电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 安全性和可靠性。当大电网出现大面积停电事故时，用户附近的分布式 发电系统仍能保持正常运行，由此提高了供电的安全性和可靠性。 分布式发电技术正是基于以上原因成为电力系统新的研究热点，并将在未来电 力系统中发挥重大作用。但由于分布式电源多数依靠新能源及可再生能源发电，面 临着分布式电源单机接入成本高，某些分布式电源( 例如光伏发电、风力发电) 的 功率输出具有随机性和波动性等问题。因此，大系统往往采取限制、隔离的方式来 处理分布式电源，以期减小其对大电网的冲击。为了协调大电网与分布式电源问 的矛盾，并且充分发掘分布式电源给电网和用户所带来的价值和效益，更好地满足 用户对电能质量和供电可靠性的更高要求，微电网的概念被提了出来。 2 2 微电网的概念和基本结构 目前，国内外对微电网的定义不同【4 】【6 】 【8 1 。美国电气可靠性技术解决方案联合 会( c e r t s ) 给出的定义为：微电网是一种由负荷和微型电源共同组成系统，它可同 时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提 供必需的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用 户对电能质量和供电安全等的要求。欧盟微电网项目( e u r o p e a nc o m m i s s i o np r o j e c t m i c r o g r i d s ) 给出的定义是：利用一次能源：使用微型电源，分为不可控、部分可 控和全控三种，并可冷、热、电三联供，配有储能装置，使用电力电子装置进行能 量调节。美国威斯康辛麦迪逊分校( u n i v e r s i t y o f w i s c o n s i n m a d i s o n ) 的r h l a s s e t e r 给出的概念是：微电网是一个由负载和微型电源组成的独立可控系统，对当地提供 电能和热能。 综合以上，微电网的定义可以总结为：微电网是为负荷、微电源( 也就是用于 分布式发电的分布式电源d g ) 、储能装置，结合相应控制组成的配电子系统。它 采用了大量的现代电力技术，将微电源包括燃气轮机、风电、光伏发电、燃料电池， 以及储能设备并在一起，直接接在用户侧。对于大电网来说，微电网被视为一个可 控单元，它可以在数秒钟内动作以满足外部输配电网络的需求；对用户来说，微电 网可以看成一个自治的电力系统，可以满足用户的特定需求，如增加本地可靠性、 降低馈线损耗、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用率及提供不问断供 电等。微电网和大电网通过p c c 进行能量交换，双方互为备用，从而提高了供电 的可靠性【5 1 。其基本结构如图所示图2 1 。该微电网的主要结构包括：负荷、微电源、 储能装置、能量管理系统、p c c 接口、每个微电源的保护装置、功率电压控制器等 竺 7 1 1 8 1 口o 6 华北电力大学硕士学位论文 一电力传缱 ” 信息漉线一保护信息传输线 图2 - 1 微电网的结构 微电网有两种运行方式：并网运行和脱离主电网孤立运行。正常情况下微电网 采取并网运行方式，此时和传统配电网类似，微电网服从系统调度，可同时利用微 电源供电和从大电网吸取电能，并且在自身电力充足时能够向大电网输送多余电 能。当外界大电网出现故障停电或有电力质量问题时，微电网可以通过能量管理系 统控制主断路器切断与外界联系采取孤网运行方式，此时网内负荷全部由微电源供 电。当故障解除后，主断路器重新合上，微电网重新恢复和主电网同步运行，以保 证系统平稳恢复到并网运行状态。同时，微电网必须有平滑地从一种运行状态过渡 到另一种运行状态的能力。 图2 1 的微电网结构中，微电网是由辐射状的三条馈线a 、b 、c 以及相连负荷组 成。微电源可以是微型燃气轮机、光伏电池、燃料电池等等，通过电力电子装置与 系统相连。p c c 在变压器的低压侧，用来分离大电网与微电网。在馈线侧根据负荷 的重要程度使用不同的供电方式。对于敏感负荷、重要负荷等，如馈线a 、c ，一 般考虑采用单独的微电源供电。同时可以在馈线上加入储能装置以提供高质量的电 能供应。对于相对不重要的负荷，一般不需要进行单独供电并在必要的情况下可以 切除，如馈线b 。为了提高微电网系统的能源利用率，负荷侧常采用冷热电联产方 式，以提高能源的利用率。多种微电源接入辐射状的馈线，采用即插即用的方式。 馈线的电压一般是4 8 0 v 或者更低。每条馈线都装有断路器和功率电压控制器。 微电网采用分级控制的方式，以确保控制的稳定性。整个微电网系统的协调运 行主要通过能量管理系统和功率电压控制器来实现。第一级是能量管理系统，安装 在变压器的低压侧，实现对整个微电网系统的综合分析与控制；第二级是功率电压 控制器，安装在微电源的附近，依照能量管理系统所给信号，调节馈线的功率和母 线电压使之满足要求，实现对微电源的就地控制。当负荷变化时，相应增加或减少 7 华北电力大学硕士学位论文 各微电源出力以保持功率平衡。通信线路参与两级之间的信息传输。 图2 1 只是微电网结构的一种，微电网具体结构随负荷等的不同而不同。微电 网的出现将从根本上改变传统的应对负荷增长的方式，其各种结构都能充分利用分 布式电源分散性、位置灵活的优点，都具有较强的能源使用效率。同时从系统的角 度看，微电网都可以作为一个单一的可控单元，具有即插即用的特点。 2 3 微电网中的微电源 在微电网中，分布式电源称之为微电源，微电源是微电网中重要的组成部分。 微电源因燃料来源而各不相同，按照发电能源是否可再生将其分为两类：一类称为 利用可再生能源的微电源，主要包括太阳能光伏电池、风力发电机组等发电形式； 另一类称为利用不可再生能源的微电源，主要包括内燃机、热电联产、燃动机、微 型燃气轮机、燃料电池等等发电形式。不同微电源有着各自的特点【l 】： ( 1 ) 微型燃气轮机是指以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮 机。发电效率可达3 0 ，若实行热电联产，效率可提高达7 5 。微型燃气轮机的优 点是质量轻、体积小、污染小、发电效率高、运行维护简单。 ( 2 ) 燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能直接转变为直流电能的电化 学装置。燃料电池工作时，不需要燃烧，是直接将燃料( 煤制气、天然气、石油等) 中的氢气借助于电解质与空气中的氧气发生化学反应，在生成水的同时进行发电。 在获得电能的过程的同时，副产品仅为水和少量二氧化碳等。 ( 3 ) 光伏电池是光电转换装置。利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转 换为电能。光伏发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可 靠、维护简单等优点。 ( 4 ) 风力发电机组将风能转化为电能。风力发电的优势体现在：环保性好， 可再生，不耗燃料，不污染环境，经济性好，成本比较低。 本章小结 本章对微电网概念的提出及发展过程、微电网的基本结构以及各种典型微电源 的特点进行了概述和总结。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 潮流计算概述 第三章微电网潮流计算方法 潮流计算是微电网分析与控制的基础。微电网的网架结构和配电网相似：辐射 状、r x 比值大、分支多、线径小。因此微电网的潮流计算可在配电网潮流计算的 基础上加以改进。 配网潮流计算方法大致可以分为三类：牛顿类法，母线类法，支路类法【10 1 。其 中牛顿拉夫逊法，快速分解法都属于牛顿类法，但是牛顿拉夫逊法对初值很敏感， 并且由于配网呈辐射状，彤彳值较高，导致网络的雅可比矩阵的条件数变大，出现 不同程度的病态特征】【1 2 】。面向回路的回路法，前推回代法等属于支路类方法。支 路类方法编号复杂，其中前推回代法用于单电源辐射型的配电网时具有易编程、计 算效率高等优点。母线类法包括z b u s 和y b u s 方法，该方法收敛性稳定，具有较强 的处理弱环网的能力，但是对于含p v 节点的网络则不能有效地处理。 微电网潮流计算又与传统配电网不相同。传统配电网中一般仅包含v o 节点和p q 节点，变电站出口母线通常视为v o 节点，而负荷节点和中间节点则视为p q 节点。而 微电网包含微电源，不再是单电源辐射型的网络，针对微电网不同的运行方式，微 电源的控制方式不同，则微电源的节点类型也不同，因而传统潮流计算方法无法直 接在微电网中使用。本文考虑了微电网的基本结构和运行方式，明确了典型微电源 在潮流计算中的节点类型；提出了基于叠加原理的改进z b u s 算法计算微电网潮流， 并用补偿技术解决了传统z b u s 算法无法处理p v 节点的问题。该算法将微电网作为一 个整体，形成导纳矩阵，无需采用复杂的节点编号方法来描述网络结构。 3 2 微电源在潮流计算中的节点类型 微电源包括风力发电机组、微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池等。为了便于 分析，将以上微电源按照可控和不可控的方式分为两类。 ( 1 ) 不可控微电源 风力发电机组属于不可控微电源。风力发电机组一般采用异步电机模式并网， 等值简化电路如图3 1 所示【1 4 1 【1 5 】。 9 华北电力大学硕士学位论文 根据图3 1 可以得到： 图3 - 1 异步电机等值电路 u = ( 3 1 ) q ：一( 里+ i p x j ) ( 3 2 ) 讳 也 其中，x = 五+ 屯，= ：凸l 芦为转差率。 工c 一 风机从风能中得到的有功功率为 1 p = i c ：s z 3 ( 3 - 3 ) 其中，c p 是风能利用系数，p 表示空气密度，s 表示风力机扫掠面积，y 表示 风速。 由式( 3 3 ) 可知，有功功率p 与风速有关，在潮流计算中p 可以当作给定值。 利用( 3 1 ) ，( 3 2 ) 式可以得到异步电机吸收无功与端电压u 的关系： q ：一里+ - u 2 + 、j u - 4 - - 4 p 2 x 2 ( 3 4 ) x 9 z x 因此，在潮流计算中，异步风力发电机组可以按照静电压特性节点处理【1 1 】。 ( 2 ) 可控微电源 光伏电池、燃料电池、微型燃气轮机属于可控微电源。光伏电池、燃料电池采 用逆变作为接口，将直流电压逆变为工频交流电压并网：而微型燃气轮机必须通过 整流器+ 逆变器电力电子装置将高频电压转换为工频交流电压。这些微电源有一些 共同特点：没有励磁系统；主要通过逆变器对其进行相应控制。因此，逆变器的控 制策略决定了潮流计算中该微电源的节点类型。微电网有两种运行方式：并网运行 和孤网运行。在不同的运行方式下，微电源的控制策略不同。 正常情况下，微电网通过公共连接点( p c c ) 与大电网相连，并网运行。为了减 少微电网对大电网的冲击，对微电源采用p q 控制，即按照给定的有功功率和无功 功率控制。因此，在并网运行的微电网潮流计算中微电源可以作为p q 节点来处理， p c c 处当作平衡节点。 当大电网发生故障或有大的扰动时，微电网迅速与大电网解列，必要时切除非 重要负荷孤网运行，微电源独立为内部重要负荷供电【1 】【9 】【2 0 1 。此时，对微型燃气轮 1 0 华j 匕电力大学硕士学位论文 机和燃料电池这些能稳定输出功率的微电源一般采用v f 控制，以提供微电网的电 压和频率的支撑；光伏电池由于输出的功率受环境的影响较大，一般要保证可再生 能源的最大利用率，因此采用p q 控制【2 0 1 。在潮流计算中，将带有储能装置的大容 量的采用v f 控制的微型燃气轮机作为平衡节点，其他v f 控制的微电源作为p v 节 点，采用p q 控制的光伏电池作为p q 节点。 3 3 基于叠加原理的改进z b u s 潮流算法 根据叠加原理，节点i 的电压可以通过根节点( 即为平衡节点) 在节点i 上产生 的电压与其他各节点的等值注入电流产生的电压迭加求得。若只有根节点作用时， 各节点注入电流为0 ，可得节点电压u n ；若只有负荷和微电源节点作用时，根节点 接地，求得节点电压u 。2 ；因此节点f 的实际的节点电压为u ，= u j l + u 。2 。 只有平衡节点作用时，该节点相当于一个“恒定电源”，根据节点电压方程可 以得到： 似+ y 。o ) u 玉= 一y 二u ， ( 3 - 5 ) 其中，u 。是n x l 维列向量，每个元素表示平衡节点作用下的各节点电压； u 。 是一维元素，表示平衡节点电压：y n 表示n x n 维不包含对地支路的节点导纳阵；y 神 表示刀拧维只含有对地支路的导纳对角阵；y n 。是刀x l 维列向量，每个元素表示各 节点与平衡节点的互导纳，若节点与平衡节点直接相连则相应元素为负的支路导纳 - j ，矿否则为0 。 只有负荷节点和微电源节点作用时，根节点( 平衡节点) 相当于接地，根据节 点电压方程可以得到： 似+ y 。o ) u 。2 = i 。 ( 3 6 ) 其中，i 。是nx l 维列向量，每个元素表示除平衡节点外各节点( 包括负荷节点、 微电源节点) 的注入电流；u 。：是刀x 1 维列向量，每个元素表示负荷节点和微电源 节点作用下各节点电压。 根据叠加原理： u 。= u 。l + u 。2 ( 3 - 7 ) 得 以+ y 。o ) u 。= i 。一x ，u ， ( 3 - 8 ) 对于不含对地支路的节点导纳阵，各列各行所有元素之和为0 【3 4 】 y n e + x ，= 0 ( 3 - 9 ) 其中，e 代表甩l 维列向量，各元素为l ；0 代表n x l 维列向量，各元素为0 。 将式( 3 - 9 ) 式( 3 - 8 ) 得： 0 乙+ yn 0 ) u 。= i 。+ y ：e u ， ( 3 - 1 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 整理得： y _ u = i 。一y 神u 。+ y i e u ， ( 3 1 1 ) 得到迭代公式： u ? = y - _ 1 ( i ? 一y 曲u ? ) + e u ， ( 3 1 2 ) 其中令 u 譬d = k - 1 ( i ，一y 砷u ? ) ( 3 1 3 ) u 。r n + 1 = e u ， ( 3 1 4 ) u 印是只与负荷、微电源节点及接地支路作用有关的各节点电压；u 肋是只与根 节点作用相关的各节点电压。 节点电流矢量l ? 的某元素为 i f “= s u 1 4 ( 3 1 5 ) 在方程( 3 1 3 ) 中可以利用l u d 分解法求解u 一印r n + n 。然后代入( 3 1 2 ) 式，即 可求得节点电压u ? + 1 1 。式( 3 1 5 ) 中节点注入功率墨= 霉+ - q ，对于p q 节点、静 电压特性节点可以直接得到s 。但对于p v 节点，必须应用补偿技术，借助电压不 匹配量来修正无功量。若在修正中过程中p v 节点无功量越界，要将p v 节点自动 转换为p q 节点处理，q 取界限值。 3 4p v 节点的补偿技术 设网络中存在一个p v 节点i ，恒定幅值为圪。要补偿该点电压使其达到满足值， 那么相应的该节点的电流i f ( 厅要变化a i i ( n ) ( 其他p q 节点的电流值不变) ，则 a u f ( 一) = z i i a i f ( “) ( 3 16 ) 其中，电流变化的实质是节点注入功率s ，( ”的变化 研帕= u i ( n ) a i 伽f ( 3 1 7 ) 由于节点电压幅值近似等于l ，相角很小c o s 口l ，所以 g 帕= a i 枷j ( 3 1 8 ) 将式( 3 1 8 ) 代入式( 3 1 7 ) 得 a u f 帕z j f as i 4 ( 3 1 9 ) 其中 ， i 筋j 扣) - p 帕+ 弘剑町 乙= r 盯+ j x i i ( 3 - 2 0 ) 【a u j 伽= q o + ，劬伽 将式( 3 - 2 0 ) 代入式( 3 1 9 ) 得 1 2 华北电力大学硕士学位论文 陶臣娣 2 ， 其中，对于p v 节点趔帕= o ，所以 毯：，兹：，(3-22)-r 【 打q ( 帕馘加 将式( 3 - 2 2 ) 变形整理可得 吃“+ 馘伽x i i a 斜”一，r 甜剑帕 ( 3 - 2 3 ) 将式( 3 - 2 3 ) 的等号两边取模值得 i a u ，”l | 乙i i a q , “i ( 3 - 2 4 ) p v 节点要求保证电压幅值不变，因此补偿时只需改变电压幅值而不改变相角， 那么i a u ，“删u ，“l _ 圪i ，结合实际的物理意义， 可以得到 u i 伽i - v , 一 乙l q o ( 3 - 2 5 ) 由此引申，若存在，z 个p v 节点，则 a u ”= 一l z i q “ ( 3 - 2 6 ) 其中，a u ( 刀) 是nx1 维列向量，每个元素表示第n 次迭代计算时p v 节点电压幅值 不匹配量；l z l 是咒甩维矩阵，每个元素表示p v 节点对应节点阻抗阵元素的模值； q 帕是r 1 维列向量，每个元素表示第n 次迭代后p v 节点无功补偿量。 3 5 改进算法的计算流程 通过上述的推导，可以得到改进算法的计算流程如图3 2 所示。具体步骤如下： 输入网络的原始数据，形成微电网的导纳矩阵，得y _ ，y n 。 给定节点电压初值，设p q 节点、静电压特性节点电压初值u ( o ) = l ，p v 节点电 压幅值v = i ，无功q o = ( q m i 。+ 红) 2 。设迭代次数s = l 。 由式( 3 1 5 ) 求出相应的节点电流，利用线性方程组的三角分解法求出u 坤， 进而求得各节点电压u 。 判断收敛性。若p q 节点、静电压特性节点满足m a x i u o ) 一u “。1 i 孝，p v 节点 满足m a x i 【，( ”一v i x 的情况。同时，往往会出现单相负 荷，或者是不相等的三相负荷，从而导致系统不对称【3 5 h 3 6 1 。因此，对称分量法不 适用于微电网和配电网，研究适用于微电网和配电网的短路计算方法是非常有必要 的。 本文采用一种以叠加原理为基础的a b c = n 模型的短路算法，将短路故障分解为 正常情况附加一“故障电压源的情况，其中故障电压源由三相潮流计算结果和边 界条件得到。该算法克服了对称分量法处理微电网和配电网短路计算时遇到的困 难，同时还能够与第三章所实现的基于叠加原理的改进z b u s 潮流计算方法相结合， 提高计算效率。 4 2 基于叠加原理的短路算法 根据叠加原理，将短路故障分解为正常运行方式和故障点附加一“故障电压 源 的情况。正常运行下的各节点电压由三相潮流计算获得；根据基尔霍夫定律 ( y u - - i ) ，可以求解出只有“故障电压源作用下各节点的电压，两者叠加即为短 路故障时各节点的电压，进而得到各支路的短路电流【7 4 1 。 由于微电网属于中性点不接地系统，因此这里只考虑两相短路和三相短路故障 的计算。 4 2 1“故障电压源 的计算 “故障电压源 可以通过三相潮流计算结果和故障边界条件求得，如式( 4 1 ) 所示。 u ，出= 1 l t ，幽+ u o 。6 c ( 4 1 ) 其中u ，咖为故障情况下，故障点附加的“故障电压源 ；u 。6 c 为故障发生前， 故障点的电压( 由潮流计算得到) ；i j