外文翻译译文-独立电网的功率流计算方法

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 0 页 共 14 页独立电网的功率流计算方法苏严,韩乃三中国南宁 广西大学 工程系, 孙志远 电力系统部门中国南宁 广西电力测试&研究所有限公司摘要在电力系统的实际操作中，有时，一些原因会导致当地的电力网络的分裂，产生孤立电网的运行。为了确保孤立电网的安全、稳定运行，迫切需要知道的孤立电网的潮流分布。然而，传统的功率流模型不能反映孤立电网的运行的重要特征，潮流分布计算使用传统的功率流模型也与实践不同。因此，根据实际电力系统的运行，建立了孤立电力网络，本文提出了一种新的电力系统潮流计算的数学模型。新模型不仅具有明显的物理意义，并符合实际电力系统运行的闭环调节法，但并不需要设置缓冲母线，所有发电机组调速系统和励磁控制系统进行负荷变化，根据开环时间设定自我发电机参数，并摆脱所造成的传统的功率流模型在计算孤立电力网的功率流使用时的缺点。新模型为解决工程实际问题的孤立电力网的重要应用价值。模拟正常运行状态的潮流分布，切割机组，采用IEEE 30总线系统切负荷和二次调节，结果表明新模型的有效性和实用性。关键词潮流计算；孤立电网；调速器；励磁控制系统；切割机组；二次调节切削载荷；1 引言人们已经认识到传统的功率流模型 1-4 有很多缺点，主要包括：有没有缓冲母线在实际电力系统中，由于选择不同的缓冲母线或不同的缓冲母线电压的大小会导致不同的潮流分布；只有荷缓冲母线的有功功率不匹配，这也不符合实际电力系统的运行；“平等的增量成本”是不能维持的潮流计算，因为缓冲母线的发电量是电力系统潮流计算后确定的。因此，许多研究人员已经提出了一些中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 14 页改进的方法5-8，例如，根据参考文献 7 每个发电机单元的 Pmax 都按比例分配有功功率增量，这一规则假设所有发电机组调速器具有相同的误差特性，而不考虑如何分配功率输出。有时，根据各发电机组的初始输出或部分发电机组输出功率增量的初始比例分配量，调节准则不考虑网损微增率。参考文献 5 将有功功率通过引入一个参数为有功功率方程，但也不考虑如何分配功不平衡量。这些规则要解决如何克服所有增量的有功功率量仅为缓冲母线的负担，但他们无法摆脱传统的功率流模型和多电源系统的分析，这造成的传统的功率流模型缺陷。同时，人们已经认识到发电机励磁及调速系统是一种输出功率单元符合闭环调节法的。参考文献【9】简述了 AGC 功能的两区域系统等效，分析调节有功功率输出的方法，但复杂大系统分成两个区域系统时不能用此方法等效。在电压稳定性分析研究中，参考文献10-12提出了一个扩展潮流模型，考虑原动机调速器和励磁电流极限运动微分方程，该模型摆脱设置 PV 总线，PQ 总线与现实整合缓冲母线的假设，反映动态过程的发电机组的调节。转化为的微分方程的代数方程，最后求解联立方程组。它们比设置缓冲母线的功率流模型更现实。在工程上，孤立的电力系统的运行和电网启动过程，潮流分布符合功率系统的闭环控制。利用孤立电网的主要发电机组静态特性建立了一种新的潮流模型，新模型不需要设置缓冲母线，所有发电机组励磁及调速控制系统进行负荷变化的开环时间设定为自身发电机参数，摆脱传统的功率流模型的缺点。新模型为解决孤立电网的潮流计算的工程问题有重要的应用价值。在正常操作状态的功率流分布的模拟，切割机组，采用 IEEE 30总线系统切负荷和二次调节，结果表明新模型的有效性和实用性。2 对孤立电力系统重要特征的介绍如果系统频率和电压的变动会明显影响调节电网发电机组，同时，有功功率和其他机组功将受到影响，此时的电网被称为孤立电网。对孤岛电网的重要功能包括：发电机组由原动机及调速系统和励磁控制系统自动调节机组输出功率满足随机变化的负载运行状态的基础上，所有的电气变量的相互作用。这些重要的特征描述的是发电的基本物理现象，运输和消耗的过程。 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 14 页3 传统的功率流模型不能解决孤立电力网的潮流计算的原因由于传统的功率流模型忽略了孤立电网的重要特征，其功率流计算的结果只是一个分布的假定，所有的控制系统都有自己的控制法则。然而，突然改变操作的情况下，由于一些原因：如分裂的电力网络，去除或添加一些发电机组，负荷开关等，所有的发电机组，不知道如何规范，不能使开环复位。在这种情况下，电力系统不能适当地指定 PQ 的数量和 PV 的数量，也知道不设置缓冲节点的电压幅值。因此，传统的功率流模型不能解决孤立电网的潮流计算。在这种情况下，系统会自动调节机组输出功率随机变化的负载满足功率平衡，它是由发电机调速系统的有功功率的频率调节特性和励磁控制系统的功电压调节特性的实现。4 孤立电力网潮流计算的数学模型对电力系统的基本物理现象，其运行状态可由微分方程和代数方程组的表达（1） （2 ）如下：其中X 是状态变量，包括电压幅值和角度Y 是节点功率U 是开放的电路频率 f0和开路电压 vg0(对调速器和励磁控制系统的控制特性的二次调节误差)其中方程（1）是发电机调节动态方程，是同步发电机组的动态过程。方程（2）是网络方程，是电网运行约束。完成后的调节，系统将运行在静态工作点，这是调速器的有功功率频率静态特性曲线的发电机中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 14 页组和有源电力负荷特性的交叉点和交叉点，励磁控制系统的功电压静态特性曲线和功率负载特性。同时，微分方程（1）转化为代数方程（3）如下：4.1 静态特性的发电机组如果基于同步发电机的电流对有功功率频率静特性等级为 KGi ，然后从图1，同步发电机的调速器有功功率频率静特性可以写成如下：或者图 1 调速器的静态调节特性图 2 励磁系统的静态调节特性中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 14 页fol 和 pgl 分别表示开放电路的频率和发电机的主动发电功率。由于系统的频率在静态工作点是一样的，我们有其中 fog ,PGg,KGg 分别发电机 G 为开路频率，发电功率，速率等级的有功功率频率静态特性如果功电压静态特性的发电机是 ，然后从图2可得同步发电机的励磁控制系统的功电压静态特性可以写成如下：其中可得其中 VGOi ,Vi ,QGi ,Ki 分别表示开路电压，端子电压，电流，发电机所发的无功功率和修正值。4.2 孤立电网的潮流计算的数学模型考虑负载的电源电压的负载特性，可以表示如下：中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 14 页网络方程（2）可以写成如下系统的频率是在静态工作点相同。所以，调速器在机组应满足的方程（13）如下：励磁控制系统应满足的方程（14）如下：考虑到方程（9）-（12） ，根据有功功率平衡关系，我们有根据功率平衡关系，我们有一个 n-bus，g-generator 系统，我们有：g 为 和 的可变因素， 为 的可变因素（ 是是相位角的参考总线）n 为 的可变因素。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 14 页在方程（13） ， 在方程（14） ， 在方程（15）和方程（16）如果给出的是开路电压和频率，新的模型是求解一组非线性代数方程组。完成潮流计算后，我们可以通过方程（5）得到系统的频率。4.3 解决新模型的方法新模型为非线性代数方程组。目前，牛顿-拉夫逊法是求解一组非线性代数方程组的一种有效的技术，所以新模型可以用牛顿迭代法求解。5 实例分析本文模拟正常运行状态的潮流分布，切割机组，采用 IEEE 30总线系统切负荷和二次调节。发电机的参数表1显示。参数和负荷静态特性类型表2显示。表 1. 发电机的参数设置表 2. 参数和负荷静态特性类型中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 14 页总线的负荷静态特性的类型2，5，8，12,16,19,20,24和30型为 TYP.1。典型的负荷特性的类型总线4,10,15,23和29为 TYP.2。负荷特性型 3,7,14,17,18,21和26总线为TYP.3。5.1 在正常操作状态下孤立电力网的潮流计算正常运行时，系统频率为额定频率。初始值设定 V = 1，= 0，PG = 0 ，QG= 0时，QG 潮流分布是通过使用新的模型计算。在正常操作状态的 IEEE 30总线系统的潮流分布显示为表3。表3. 在正常工作状态下的功率流分布中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 14 页5.2 切断发电机组切除一个发电机会导致系统频率下降，这是传统的功率流模型不能反映的重要特征。IEEE 30总线系统使用新的模型计算的功率流切削 gen.11后会导致系统频率下降0.1233% 。因此，新的模型能够体现切除电机的重要特征。图 3 显示进行切割 gen.11 后所有的发电机有功功率不匹配。图 4 显示，在所有的发电机无功功率不匹配的重新分配。如果使用传统的功率流模型，缓冲的平衡将卸载所有的有功功率不匹配，这并不符合切割机组后实际电力系统的运行。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 14 页5.3 切削载荷切削负荷会导致系统频率的增加，这也是传统的功率流模型也是不能反映的重要特征。在 IEEE30 30 总线系统切割一半负荷后使用新的模型计算的功率流会导致系统频率提高 0.0271%。因此，新的模型能够体现负荷的重要特征。图 3. 正常状态和切割 gen.11 后发电机的有功功率输出正常状态和切割后 gen.11发电机的有功功率输出在图 4. 正常状态和切割 gen.11 后发电机功率输出中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 14 页图 5 显示所有的发电机有功功率不匹配，原因为切削载荷。图 6 表明，无功功率不匹配的重新分配在所有的发电机的状态。如果使用传统的功率流模型，缓冲的平衡将卸载所有的有功功率不匹配，这并不符合实际电力系统切负荷后的运行。5.4 二次调节如果系统频率超出允许的范围内，电力系统将进行二次调节。例如，在 IEEE30 30图5. 在正常状态和切割后负荷发电机的有功功率输出图6. 在正常状态和切割后负荷发电机功率输出中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 14 页总线系统所有的总线负载增加 15%，根据新模型，系统频率将降低 0.2669%，同时，系统频率超出允许的范围内，如果代管是第一频率调节发电厂，我们可以实现二次调节系统频率恢复到额定值（代管的开放电路的频率是 1.0485） 。图 7 和图 8 分别显示经过初步的调节和后二次调节输出的有功功率在正常状态功输出。当然，建立开放的电路的频率和发电机的开路电压可以调节功率流分布。图7. 在正常状态经过二次调节主要调节后，发电机的有功功率输出图8. 在正常状态经过二次调节主要调节后，发电机功率输出中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 14 页6 结论利用孤立电力网的发电机静态特性建立了一个新的电力系统潮流计算的数学模型。(1)新的模型符合实际电力系统运行的闭环调节规律，具有明显的物理意义，克服的缺点，传统的功率流模型。(2)在正常操作状态的功率流分布的模拟，切割机组，切削载荷，并利用 IEEE 30总线系统的二次调节，结果表明新模型的有效性和实用性。(3)新的模型可以广泛应用于电力系统稳态分析，包括检查以前的操作的情况下，当前的操作案例分析，计划将来的运行情况等。参考文献1 W. F. Tinney, C. E. Hart, “Power flow solution by newtons method,”IEEE Trans. on PAS, vol. 86, pp. 1449- 1460, 19672 B. Stott, O. Alsac, ”Fast decoupled load flow,” IEEE Trans. on PAS,vol.93, pp. 859- 869, 19743 S. Iwamoto, Y. Tamura , “A fast load flow method retaining nonlinearity,” IEEE Trans. on PAS, vol.97, pp. 1586- 1599, 19784 G. S. Jang, D. Hur, et al., “A modified power flow analysis to remove a slack bus with a sense of economic load dispatch,” Electric Power Systems Research, vol. 73, pp. 137-142, 20055 A. Dimitrovsk, K. Tomsovic, “Slack bus treatment in load flow solutions with uncertain nodal powers,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 14 页27, pp. 614-619, 20056 S. Tong, K. N. Miu, “A network-based distributed slack bus model for DGs in unbalanced power flow studies,” IEEE Trans. on PWRS, vol. 20, pp. 835-842, 20057 C. W. Taylor, “Power System Voltage Stability,” New York: Mc Graw Hikk, 19948 L. Z. Zhu, S. X. 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