毕业论文- 基于前推回代法无平衡节点微电网的潮流运算

HUNANUNIVERSITY毕业论文论文题目基于前推回代法无平衡节点微电网的潮流计算学生姓名学生学号专业班级学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015年月日页[键入文字]1绪论1.1课题背景及意义进入新世纪以来，石油资源日益紧缺，石油价格不断上涨，能源供应较为紧张，新能源的开发迫在眉睫，绿色能源的开发和合理运用又是其中的重点。从长远解决的能源问题的角度来看，清洁高效的可生能源的开发利用至关重要。从目前最常见的新能源来说有太阳能、风能、潮汐能、生物质能等等，它们均为分布式电源(distributedenergyresourcesDERs)，通过PCC(pointofcommoncoupling)与外界的电网进行一些系列的能量交换，从而向相应的节点负荷供电。分布式发电一般都是因地制宜，通常接在负荷用户附近，合理的将电能和热能的利用相结合，从而使能量的利用率得到大幅度的提升。同时，又因为分布式电源的位置与用电负荷的距离相对较近，因此电能的质量以及供电的可靠性得到大大的提高。灵活的将大电网与分布式电源相结合能有效的降低能源消耗、改善供电可靠性及增强其灵活性，这被国际上众多的专家所认可[1]李峰，李兴源，郝巍.不间断电力变电站中分布式电源接入系统研究[J].继电器，2007,35(10):13-19.。[1]李峰，李兴源，郝巍.不间断电力变电站中分布式电源接入系统研究[J].继电器，2007,35(10):13-19.此外近些年来，在我国发生了一系列的大面积冰冻灾害以及众多的地震灾害，使得广大受灾地区的供电系统遭到严重的破坏，甚至个别局部电网几乎接近于瘫痪，对国民经济、民众的生活造成极大的干扰;还有全球能源的形势日趋严峻，经济的快速增长、对环境相应的保护和社会的告诉发展已经对能源工业产生了巨大的冲击，能源的快速消耗引发的一系列的问题，如气候变暖、生态恶化；这些同样也已引起了人们热切的关注。在此同时，因为电网规模持续的扩张，由此所带来的一系列缺陷也随之浮现出来，比如:管理操作难度大、经济运行成本偏高、对用户不断提高的安全可靠性要求和趋于多样性的供电需求难以满足。这些事情导致了，为了达到提升规模效益的目的，而大力的向这些大规模集中式电厂，如火、水电和核电等；还有高压远距离输电网做出大量的投资的思路已经越来越不适应，新世纪以来人们对于电力输送的效率及其可靠性的不断提高的要求以及在新能源过程中的需求了。这样对于大电网与分布式发电相结合的微电网技术的探究至关关重要。美欧等发达国家在这方面走到了前面，在对能源结构进行的规划和调整过程中，将分布式发电(DistributedGeneration,DG)设定为了微电网发电的核心问题，对于将分布式发电与大电网连接在一起的供电方式，已经被众多的权威专家认为是一种缩小投资、降低能源消耗以及提高电力系统供电稳定性和灵活性的有效措施[2]Puttgen[2]PuttgenHB,MacGregorPR,LambertFC.Distributedgeneration:Semantichypeorthedawnofanewera.PowerandEnergyMagazine,IEEE,2003,1(1):22-29.分布式发电(DistributedGeneration,DG)所代表的含义是：为了使用电客户多样化的需求得到满足和能够有效的使现有配电网在高效益和低损耗的状况下运行，并且其配置的功率是几千瓦到50MW之间的小规模的、与周围环境相适应的小型发电系统，它主要包含有风力发电系统、太阳能发电系统、燃料电池发电系统、燃气轮机/内燃机/微型燃气轮机发电系统等。接入以及切除这些分布式电源以及自身发电量的大小均不受大电网调度的影响，从而使得发电更具有高效性、安全性、稳定性[3]徐青山.分布式发电与微电网技术「M].北京:人民邮电出版社，2011.。分布式电源发电具有一系列的优点，如提高电能质量和保证供电可靠性，还有对资源配置的进一步优化完善以及缩减在输配电建设方面的投资和运行成本；在节约资源和保护环境方面也有其独特的优势。尽管分布式发电具有许多优点，但其本身的许多缺陷也不容忽视，如:发电功率比起常规的发电功率显得太小；单机接入时需要一系列的相应的设备，从而成本偏高；一系列设备的加入的同时也带来了管理运行的难题。此外，相对于大电网来说，分布式发电设备是一个不可以控制的电源，为了减少其对主网的影响，通常采用限制、隔离的方式来处理分布式电源。对于分布式电源的并入大电网的标准，目前国内外还没有相关的标准，目前，IEEE制定了分布式电源（DR)的接入标准《IEEE1547分布式电源与电力系统互联的系列标准》[4]IEEE1547-2003standardforinterconnectingdistributedresourceswithelectricpowersystems[S].2003.:当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行，这就大大限制了分布式发电效能的发挥。为了能充分地利用分布式发电所带来的经济效益和对可靠性的改善，并尽量减少其对主网的冲击，微电网[3]徐青山.分布式发电与微电网技术「M].北京:人民邮电出版社，2011.[4]IEEE1547-2003standardforinterconnectingdistributedresourceswithelectricpowersystems[S].2003.[5]LasseterRH,PaigiP.Microgrid:aconceptualsolution[C].IEEEPowerElectronicSpecialistsConference,Aachen,2004.1.2微电网的定义与特征1.21微电网的概念微电网指的是使用大量的当今世界先进的电力电子技术，将规模较小的分布式电源，如燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电池等等，与储能设备等连接在一起，构成一个独立的系统，最后直接接在用户侧。微电网在大电网中可以被视为一个可控的单元，在短短几秒钟的时间内，它可以迅速的动作从而使得外部输配电网络的需要得到相应的满足[6]盛鸿，孔力，齐智平，等.新型电网—微电网(Microgrid)研究综述[J].继电器，2007，35(12)：75-81.;对于具体的用户来说，他们特定的需求可以被微电网所满足，如提升供电可靠性、降低线路输电损耗、维持电压的相对稳定、将余热合理的运用以期能量利用效率得到提升以及重要负荷的不间断供电等。凭借PCC，微电网与大电网能够进行能量交换，在此过程中互为备用，相应的配电网供电可靠性得到大幅度的提高。图1展示了光伏发电、风能、燃料电池、微型燃气轮机等微电源形式，其中一些接在热力负荷附近，可以为当地用户提供热源，从而提高了能量的利用率[7][6]盛鸿，孔力，齐智平，等.新型电网—微电网(Microgrid)研究综述[J].继电器，2007，35(12)：75-81.[7]李文沉.电力系统风险评估模型、方法和应用[M].北京:科学出版社，2006.图1微电网示意图1.22微电网的特征微电网是分布式发电的高级模式，它是分布式电源、储能装置、负荷、电力面颇有研究。电子装置和能量管理系统的有效集成，兼具分布式发电的优点，具有如下特点:(1)运行方式灵活和响应迅速。通过断路器可以使微电网在并网运行和独立运行之间灵活切换，这种运行方式的切换属于配电网调度的范畴。在并网运行时，根据主网的需求，微电网作为调度灵活的负荷能及时的做出相应的响应，达到电力系统对安全性高要求的标准;而在独立运行时，又能充分利用储能装置以及控制保护装置来达到维持自身平稳运行的要求[8]伍磊，袁越，季侃等.微型电网及其在防震减灾中的应用[J].电网技术2008.32(16):32-36.[8]伍磊，袁越，季侃等.微型电网及其在防震减灾中的应用[J].电网技术2008.32(16):32-36.(2)整合恰当和结构独特。对于微电网来说，其最大的优点就是将原本分散的分布式发电通过一系列的储能装置和控制保护装置整合在一起，并及时调节来平滑系统的波动，使得发电功率和负荷功率之间达到平衡，从而维持了电压和频率相应的稳定。这种别具一格的组网结构能够使得分布式电源随机性和间歇性的缺陷得到有效的解决，从而很好的处理了分布式发电的接入问题。(3)能灵活的满足各个用户的供电需求。各个用户对供电质量会有不同的要求，为解决这个问题，微电网对负荷进行了响应的分级处理。对于重要的负荷，微电网将通过多种电源供电，如在相应的节点上添加分布式电源供电方式;对于可中断负荷，微电网可将这些负荷连接在同一条母线上，当微电网遭受突然的异常情况，可以采取切掉可中断负荷的母线来维持自身平稳的运行。(4)节约资源，节省能耗，提高能效。相对于水力发电和火力发电来说，目前大多数分布式发电都显得效率偏低，作为高度整合的供能系统，微电网在满足用户供电需求的的同时，还需要使得用户的其他能源的需求得以满足，使得能源的利用效率能够得到明显的提高。除此之外，由于储能单元装置的加入，系统内部的能量能够进行有效的调节控制，从而使得能源得到合理、高效的利用。(5)经济效益高。通过一系列的措施，如：能源有效管理、技术创新、有序市场竞争等等；使电网的经济效益得到大大的提高了。尤其在偏远的地区，如果采取大电网供电这必定会增加投资成本和运行费用，此时因地制宜，就地利用可再生能源如风能、潮汐能、太阳能等等自然资源来建设微电网，不但能为当地负荷提供优质的电能，并且能够带来一系列的经济和社会效益。(6)提升电网的抗灾能力和应急能力。微电网的产生将电网整体抗灾能力提升了一个档次，同时也灾后应急供电带来了一种新的方式。在一系列的突然事件下(如暴风雪、地震等)，微电网作为后备电源能迅速及时的做出响应，从而支撑电网。此外，通过不同规模与形式的微电网的组建，在发生突发事件后也能够做出迅速的反应，及时的就地恢复重要负荷的供电。。1.3国内外微电网的研究现状基于微电网对分布式电源的合理运用和多变的、智能的运行管理特点，在电网的未来发展中，微电网具有巨大的发展潜能。对此，国际上一系列国家着眼于自身电力系统的实际情况，制定了一系列研究计划和分别提出了微电网发展的具体方向。作为全新的且具有强大潜力的技术领域，每个国家对微电网的研究各有千秋。美国微电网研究最初,美国威斯康星大学拉斯特等学者提出了微电网概念，将微电源与负载作为一个可控的系统[9]LASSETERRH.Microgrids[C]//2002IEEE[9]LASSETERRH.Microgrids[C]//2002IEEEPowerEngineeringSocietyWinterMeeting.NewYork:IEEE,2002:305-308[10]LASSETERR,AKHILA,MARNAYC,etal.IntegrationofdistributedenergyresourcestheCERTSmicrogridconcept[R].Berkeley:LawrenceBerkeleyNationalLaboratory,2002.最初的较为典型的微电网规划结构是由CERTS所提出，见图1。微型电源、分界开关及断路器、公共接入端点、功率调节装置以及电压稳定装置等构成了微电网的主要部分。在这种典型的结构当中，对分布式电源接口所处位置的要求，以及分布式电源相应的控制与保护都包含在其中。由CERTS所提出的一系列关于微电网的概念和结构被国内外大多数的专家认可，是迄今为止最典型的微电网结构。在微电网的发展成为大趋势的时候，我国也适时的加入了这个研究行业，很多科研机构通过借鉴构CERTS所提出的微电网的一系列成熟理论和设计思路，然后结合本国情况发展和研究微电网。图2微电网典型的结构微电网实现智能、灵活控制的重要支撑是当前世界先进的电力电子技术，根据电力电子技术的特点，“即插即用”和“对等控制”这样的先进的控制理论和设计思想得以产生。对于微电网的一些重要概念和观点中及关键技术，美国CERTS对此做出相应的叙述和总结，系统地描述了美国CERTS微电网的具体含义、结构特点、控制方式、保护措施等一系列问题。迄今为止，在实验室微电网平台上，经过一些的实践操作，美国CERTS微电网初步得出的一系列理论研究成果得到了相应的检验并且取得了理想的效果。威斯康星大学麦迪逊分校的实验室中，CERTS微电网所提出的可行性研究，已经取得了较为不错的初步成果。2001年，由于对微电网发展的需求，威斯康星大学麦迪逊分校微电网得以建立，目前其系统的装机容量为200kW，电压的等级为280V/480V。根据所制定的计划，CERTS全面的对微电网的各方面性能进行检测，根据结果显示，微电网的各方面的性能指标基本达到预期水平。CERTS所提出的微电网的设计思路，通过采取及时有效的电气控制、单点并网接近用户负荷侧、提供高质量的电能和稳定高效的供电、以及即插即用的DERs等。这一系列凸显的优点，使它成为世界上所提出的微电网概念中，权威性和受认可度最高的理念。(2)日本微电网研究由于日本国内资源匾乏，在微电网的示范项目的建设中，日本当属佼佼者，日木政府迫切的想要改变本国目前的能源结构，使可再生能源(如风能和光伏发电)在今后的能源结构占据重要地位，但是这些可再生能源的不可持续，不稳定的特性，使得功率不能持续输出，从而使得供电质量和可靠性达不到预期的要求。为了解决这个问题，将储能装置与微电网相结合。通过结合储能装置，可再生能源的接入问题的得到很好的解决，微电网可以看作为整个电网的一个恒定负载，这一理念在日本的许多可再生能源项目中得以应用。微电网通过采用一些方法，如控制原动机平衡负载的波动、可再生能源的输出功率，电网的能量平衡能够达到平衡，具体措施例如装配有储能设备的微电网能弥补分布式电源不能持续供电的缺陷，能连续的向电网供电。从整个电网来看，微电网可以等效于一个恒定的负荷。通过这些较为先进的设计理念以及日木十分注重微电网的应用所带来的高效益和低损耗，微电网在日本得到了突飞猛进的发展。此外，一些日木学者还提出了一系列先进的设计理念，并据此设计出相应的系统，如智能化的灵活多变的能量供给系统(intelligentelectricalandflexiblereliabilityenergydeliverysystem)[11]TsujiK.FRIENDSinthecontextofmicrogridresearch[EB/OL]./newsite/2005microgridsfiles/presentaionpdfs/CERTS-tsuji.pdf,2006-10-17.，利用关键元件FACTS[11]TsujiK.FRIENDSinthecontextofmicrogridresearch[EB/OL]./newsite/2005microgridsfiles/presentaionpdfs/CERTS-tsuji.pdf,2006-10-17.[12]MorozumiS.Micro-griddemonstrationprojectsinJapan}C}.PowerConversionConference,Nagoya,2007.(3)欧洲微电网研究欧洲对于微电网所做的相应研究，主要是考虑能源用户对电能质量的多样化的需求能否得到满足、整体电网的是否足够稳定以及与周围环境是否相兼容等问题。从目前来看，未来电网发展的一个主要方向是微电网，其能很好地解决电网和分布式电源的之间错存在的矛盾，将分布式电源完美的与大电网相结合，将分布式电源的优势淋漓尽致的发挥。微电网的研究在欧中各国受到了空前的重视，近些年来，众多的科研项合作项目和讨论会议在各国之间展开。在2005年，“SmartPowerNetworks"概念[13]ReliabilityTestSystemTaskForceoftheIEEESubcommitteeontheApplicationofProbabilityMethods.IEEEreliabilitytest[J].IEEETransonPowerApparatusandSystems,1979,98(6):2047-2054.被提出来，欧洲微电网项目委员会(EuropeanCommissionOfMicroGridsProject)给出的定义:是使用微型分布式电源，[13]ReliabilityTestSystemTaskForceoftheIEEESubcommitteeontheApplicationofProbabilityMethods.IEEEreliabilitytest[J].IEEETransonPowerApparatusandSystems,1979,98(6):2047-2054.[14]SanchezM.OverviewofmicrogridresearchanddevelopmentactivitiesintheEU[C].Montreal2006-SymposiumonMicrogrids,2006.[15]」NakaS，GengiT，FukuyamuY.Practicalequipmentmodelsforfastdistributionpowerflowconsideringinterconnectionofdistributedgenerators[C]//IEEEPowerEngineeringSocietySummerMeeting，Vancouver，Canada，Panelon“ChallengesonDistributionSystemAnalysis”，2001:1-6[16]李新，彭怡，赵晶晶，等.分布式电源并网的潮流计算[J].电力系统保护与控制，2009,37(17):78-82[17]王建勋，吕群芳，刘会金，等.含分布式电源的配电网潮流快速直接算法[J].电力自动化设备，2011,31(2):17-21[18]罗雯清，张焰.含风光储发电的配电网潮流计算方法[J].华东电力，2013,41(2)，“欧洲智能能源”计划被欧盟委员会提出，主要分为两个阶段，第一个是欧盟第五框架计划，“微电网:微型电源大规模接入低压电网的尝试”这个项目，获得了450万欧元资助专款。雅典国家技术大学(NationalTechnicalUniversityofAthens,NTUA)担任了这个项目的总负责，项目成员包括十四个成员，他们来自欧盟的七个国家，这些成员中不但有企业，还有许多高校，如INESCPorto(葡萄牙)、曼切斯特大学、希腊电力公司等等。该项目已经取得的一系列有发展意义和较为重要的研究成果，如各种分布式电源的建模；在发生多重故障时，微电网能够迅速有效在并网和孤网这两种模式中及时有效的转换；研发了相关的通信设备并制定了统一的通信协议标准；非对称微电网的静态和动态仿真工具平台；电网安全、故障检测和孤岛运行的保护和接地策略；实验室条件下，微电网系统的仿真模拟和理论验证。第二个是欧盟第六框架计划，这个项目在这个计划当中获得了850万欧元的资金资助，西门子等知名的电力设备企业加盟，并且又取得了一系列实质性的进展：明确的制定了微电网并网时运行标准；微电网接入位置对系统运行的影响，进一步明确了微电网合适的接入位置能够有效的提高输电效益、供电稳靠性以及与环境的兼容性等等。(4)中国的微电网研究中国的微电网技术跟随着国外研究的脚步，自2004年左右开始逐渐兴起，目前已经成为智能电网技术中最活跃的分支之一。中国的微电网技术发展受智能电网的深化和能源需求发展的激励，与分布式发电技术的发展紧密联系，存在科研院所主导的微电网技术研究和企业主导的微电网技术应用两个主要方向。目前各省都已经有了微电网技术研究和应用的典型代表。以天津大学、合肥工业大学、西安交通大学、中科院电工所为代表的科研院所建立了自己的微电网实验系统，在微电网技术研究方面处于国内领先地位。而以国家电网、南方电网为代表的企业纷纷建立了自己的微电网示范工程，不断加快微电网技术应用的步伐。。目前，研究人员不断的展开研究，开拓思路，创新理念，研究工作已经涉及了几乎所有技术方向，包括:①研究微电网的合理规划和合适的接入位置，从而微电网能够更优的发挥其优势，在与配电网并往后，能有效的提升电能的质量和供电可靠性；②研究微电源的运行特性，从而能够有效的根据现实情况对分布式电源进行选择；③研究微电网控制运行和资源优化配置以及稳定输出(包含储能技术)，来使含有了微电网之后的配电网的运行效率得以提升；④研究微电网并网与孤岛运行特性，为微电网在并网和孤岛两种运行模式下能够灵活转换打下理论基础；⑤研究微电网保护策略等。从各个国家对于未来电网的前进方向的展望以及从微电网技术的研究与应用中可清楚看出，对于传统的集中式分布的、大规模的电网，微电网的发展与研究不是对其进行冲击与毁灭，而是意味传统电网向着智能化、高效化，灵活化方向前进，与人们对电力供电多样化的需求日益增长的情况相适应，这种发展是顺应潮流的。1.4微电网潮流计算的目的及其意义电力系统合理优化的运行在当今追求高效率的社会形势下已经凸显重要。潮流计算是电力系统合理运行优化方案中的一项基本工具，基于所给定的一系列运行的条件和系统接线方式，它能够得出整个电力系统各个部分的运行参数，这是电力系统进行合理规划和分析优化其安全可靠性的基础。在通常情况下，分布式电源大多接入低压配电网(一般低于66kV电压等级)，这样传统的配电网，从原来的单一电源的结构转变成为多电源的结构，配电网的一系列状态将受到影响，如：线路潮流分布、节点电压和网络损耗分布等等，此外配电网自身的结构和管理操作控制方式也将随之产生一系列变化。在当今世界，微电网的研究与应用正在如火如荼的进行着，对于微电网的潮流计算至关重要。根据所能知道的一系列网络的结构参数及运行条件，它能够给出整个配电网络的电气状态，从而可以方便的了解和评价配电系统的实时的运行情况，在配电系统设计规划建设当中起到关键性作用，此外由它得出电气状态同样能对电力系统运行方式的合理性、可靠胜及经济性做出正确的判断。除此之外，在接入微电网后，配电网的短路的时候，网络中的短路电流的分布及其大小也将因为为微电网的并入而产生改变，于此也会对保护整定产生不小的影响。因此，含微电网的配电网的潮流计算是十分重要的，它能为之后的分布式电源接入配网的研究，如：微电网的设计、资源优化配置、保护整定等等，奠定坚实基础。1.5课题研究方法利用先进的电力电子装置，发挥微电网的特性，将其与大电网灵活的，智能化的连接在一起，多样化的为用户提供稳定可靠的优质电能资源。微电网并入大电网后，局部电网的结构、运行状况等等方面将发生一系列的变化，要对改变后的电网各个方面进行评估，微电网的潮流计算显得尤为重要，此外潮流计算的结果也为后面的电网优化运行以及整定保护奠定基础。传统的配电网中只有一个电源节点，其他节点均为负荷节点(PQ节点)，在潮流计算时可以采用前推回代法。前推回代法充分利用了配电网络呈辐射状的结构特点，数据处理简单，计算效率高，不需要矩阵运算，是一种较为常用的辐射型网络潮流计算方法阶习。由于传统的前推回代法只能处理根节点(平衡节点)和负荷节点(PQ节点)，无法处理加入配电网中的分布式电源的节点类型，因此在采用前推回代法计算时，首先要将分布式电源节点进行预处理。文献[15」在迭代过程中将光伏电源近似处理成PQ节点;文献[16」根据光伏电源逆变器的控制类型，将光伏电源等效为PV或PQ节点;文献[17」将分布式电源等效为PQ或PV节点;文献[18」将电流控制的逆变器作为PI节点，电压控制型逆变器作为PV节点，在潮流计算时将PI节点和PV节点都等效为PQ节点。本文根据各种分布式电源的特点，建立了其潮流计算模型，改进了前推回代法，该方法能够处理含多种分布式电源的配电网潮流计算问题，算例结果表明该算法能可靠收敛，且能满足精度要求。1.5本文的主要研究工作具体工作如下：(1)第1章阐述微电网的定义、特征、国内外研究现状，提出论文研究的目标和意义及其方法。(2)介绍前推回代法的基本原理,和分布式电源的稳态模型及讨论了在微电网的潮流计算中分布式电源节点的处理方法,最后介绍微电网潮流计算的过程。(3)进行相关系列的仿真得出结果并进行分析。(4)总结。第二章基于前推回代法微电网的潮流计算2.1前推回代潮流算法的基本原理前推回代计算方法是一种特别适用于辐射状配电网络的潮流计算算法，其充分利用辐射型网络所具有的特性，即任意母线节点与根节点之间的路径有且只有一条，从而这个特性，沿着路径先计算出节点注入电流，然后推出节点电压。前推回代算法迭代的次数与母线的数量成正比。假如迭代的次数恒定，其运算的复杂性与网络的规模呈线性增长关系，所以，大规模的辐射状的配电网络的潮流计算，使用前推回代算法将显得较为简单方便。在回代的过程中，先初始化各个节点的电压，然后根据已知的末端支路功率为基础，算出线路功率损耗，这样就得出支路的始端功率了，再将计算出的始端功率作为上级支路的末端功率，依次循环，直到得出网络根节点的注入功率为止。在前推的过程中，根据已知的网络根节点电压得出根节点所在支路的末端节点电压，将此结果作为下一级支路的始端节点电压，直到网络中的所有节点的电压得出，至此计算完毕。如图2-1所示，该图所表示是简单的辐射状的配电线路，定义∁为节点i的子节点构成的集合(图中节点j的子节点集合就包含了节点K和节点L。Pjk+jQjkP图2-1典型的辐射状配电线路图节点LPji+jQjiPjj+jQjjPij+jQij 节点K图2-1典型的辐射状配电线路图节点LPPP就i节点为例，该节点的回代计算公式:

PQij任意支路的始端功率与支路末端的电压幅值有关，已知网络末端电压可以轻易求出网络各线路段的功率损耗。电压向量以极坐标的形式表示，即以Ui=Ui∠θi;Ujθj在辐射型的配电网络中，只有一个电源节点，并且该节点的电压的幅值和相角都是知道的，也就是平常所说的Vθ节点，在潮流计算当中，此节点一般被作为其它的节点电压的参考节点。在配电网的潮流计算中，已知节点的注入有功功率和无功功率、电压的幅值及其相角未知的节点被称之为PQ节点;此外还有PV节点，即注入的有功功率和节点电压已知，而注入的无功功率和相角未知的节点。2.1.1具体计算步骤（1）将已知的平衡节点(Vθ节点)的电压初始化;将赋予其余的PQ节点初始值电压值，该电压的幅值一般为额定电压，相角设为0。（2）从网络的末端开始计算，利用公式(2-1)、公式(2-2)进行回代，由节点电压U(k（3）从始端出发，通过已知的根节点电压，利用公式(2-3)、公式(2-4)进行前推，由支路功率求取各节点电压U(k(4)根据所给定的收敛条件来判定计算结果是否收敛。如果根据节点电压幅值来判断，则需要满足以下要求:Vi(k)-Vi(k-1)即所有节点的第k次迭代计算出的电压幅值与第k-1次迭代计算出的电压幅值之差都小于给定的数值(一般取值)。如果根据节点注入功率来判断，须满足以下要求:ΔPi即所有节点的第k次迭代后的注入功率不平衡量都小于给定的数值(一般取值)ΔPiΔQin表示与节点i相连的节点个数，Gij为节点i与节点j之间的支路电导，Bij为节点i和节点j之间的支路电纳，θij为节点i(5)如果不满足收敛条件，将计算出的各节点电压值作为新的初值从第二步开始进入下一次迭代。初始化，输入原始数据初始化，输入原始数据前推回代法潮流计算流程图2-2如示。初始化，输入原始数初始化，输入原始数据迭代次数，k=0回代支路始端功率回代支路始端功率前推末路末端电压是是结束程序是否收敛？结束程序是否收敛？K=K+1否否是否达到最大迭代次数是否达到最大迭代次数否是是潮流不收敛图2-2前推回代潮流算法的流程图2.2微电网中分布式电源的稳态模型目前，微电网的运行控制是微电网的主要研究的工作重心，而对于微电网中分布式电源所具有的特点以及分布式电源与储能装置相结合的这些因素对微电网的优化配置、供电可靠性带来的影响却很少做出考虑，要处理这些问题，需首先进行微电网的潮流计，但是，因为微电网中存在大量分布式电源，相对于传统配电网的潮流计算方法，微电网的潮流计算出现了新的问题:与一般的负荷节点比较，分布式电源的节点显得较为复杂，即使引入了新的节点类型，也可能出现环网情况，基于这样的情况，潮流计算方法应该具有有效处理各种类型的节点和环网的能力。本节基于微电网潮流计算的相对较为复杂的情况，首先建立了分布式电源的稳态数学模型，将各种分布式电源归类为各类型的节点，并结合前推回推潮流计算方法对各种节点类型进行处理，最后完成微电网的三相潮流方程的建立。2.21风力发电机风力发电机是带并联电容器的异步发电机，可以通过投切电容器组来保证功率因素符合要求.图2-3是风力发电机的结构示意图[19]AndresE[19]AndresEFeijoo,JoseCidras.Modelingofwindfarmintheloadflowanalysis.IEEETransactionsonpowersystem,2000;15(1):110-115.图2-3风力发电机的结构示意图(风力发电机的有功输出Ps与风速v相关，根据Ps=0v≤v式子(2-9)中，vci、vr、vco分别是切入方向的风速风力、额定风速、切除风速；系数k1=pr在风力发电系统，发电机是一个十分重要的装置，它能有效地将机械能专化为电能，目前在风力发电中，最为普遍的发电机有:异步发电机、同步发电机和双反馈电机。在风力发电中，应用的最为广泛的当属异步发电机，其次为同步发电机。这一小节将对异步发电机的模型进行相关介绍[20][20]WangChengshan,flowanalysiswithMalikiGuindo.Three-phaseunbalancedradialdistributionwindfarmconsidered.电力系统自动化.2006.30(16):power21-26.图2-4异步电动机的等效模型对于异步电机来说，其自身是没有励磁装置的，它需要依靠电网所提供的无功功率来建立其所需要的磁场的，所以它自身是没有调节电压的能力，不能够将他视为一个电压幅值不变的PV节点。分析图2-4所给出的异步发电机的等效模型，利用相关电路知识，可以得出将无功功率Q与有功功率P以及电压V相联系起来的关系式：Q=V2X式中Xc、Xm系分别是并联在机器端口的电容和激磁电抗，X1、X2于是可以知道有功功率P、无功功率Q与输入的机械功率关系曲线得出PQ（V）分因为风力发电机一般都是异步电机，其需要吸收网络的无功功率，为了降低损耗，通常采用就地补偿无功功率的方法，最常用的做法是在风力发电机组中并联数目相当的电容器。利用自动投切适量的电容器的方法，能确保风力发电的功率因素在预期的范围内变化，带有相应数量并联电容的风力发电系统的功率因素为：cosθ=pp2式(2-11)中，QC是并联电容所输出的无功补偿功率，p是风力发电机所输出的有功功率，Q 要将风力发电机的功率因素从本来的cosθ1提升到cosQC=P1cosθ12-12.2.2太阳能电池仅仅从导电性能方面进行分析，固体材料可以分成为三种类型，即导体、半导体与绝缘体。硅是一种生活中最为常见的半导体材料，将一定量的磷元素加入半导体硅中，的因为磷是五价的元素，它的最外面的电子层拥有五个电子，而硅原子的最外层只有四个电子，所以磷原子与硅原子形成共价键后，将会溢出一个自由电子。因此将大量的磷元素掺入在半导体硅中，能产生许多的自由电子，这种形式的半导体被称为N型半导体。这种形式的半导体被称为N型半导体。同样的将硼元素掺入到半导体硅中，中因为硼为三价的元素，最外层电子数只有三个，因此与半导体形成共价键的同时会产生一个空穴，当大量的硼原子掺入时，会有产生大量的空穴，这种半导体被称为P型半导体。P型材料和N型材料相结合在一起，在两者的交界处会形成PN结，当PN结受到阳光照射时，根据光电效应可以知道硅原子的核外电子将会被激活，而跃变为自由电子，在PN结内部电场的作用下，自由电子有序运动，形成电流。为了能更好的分析太阳能光伏电池的功率特性，用一个等效的电路模型来模拟电池与负载，如图2-5。从图中可知，该等效的电路中包括一个电流大小为Iph的恒流源与正向的二极管相并联的结构，电流Id流过二极管，负载所流过电流的大小为Ι。Rsh是一个并联电阻，等效于电池表面的玷污，其流过的电流为漏电流，图2-5太阳能电池的等效电路由图3-4可以得到太阳能光伏电池的I-I=Iph-Io{exp⁡[q(U+I式中，Iph，是由光照产生的电流，Io是二极管的反向饱和电流，q是单位电荷量，U是电池的端口电压，A是P-N结的理想因子，当温度T=300K时由于太阳能光伏电池所输出的电流时直流电，所以需要通过逆变器将滞留电转化为交流电才能接入电网，上述等效模型的构造离不开逆变器效率恒定这一基本假设，而逆变器的效率是会随着输入功率的变化而变化的，因此有必要矫正逆变器的输入功率，对逆变器的输入功率进行矫正的计算公式为：Pin=-0.015+0.98Ppv,n-0.09Ppv,n2式(2-14)中Ppv,n是太阳能光伏阵列所发出的功率，Pin是太阳能光伏阵列的输入功率。通常情况下，光伏电池向电网输入有功率，因此通过追寻最大功率点的办法，来输出可能的最大功率。在通常情况下逆变器可分为电流控制机型和电源控制两类，采用电流控制逆变器并入电网，光伏电池能够等效为输出有功功率和电流均为恒定的PI节点；采用电压控制性逆变器时，则可将光伏电池等效为2.2.3微型燃气轮机和普通同步电机的工作原理相似，燃气轮机自身带有调速系统以及励磁系统，依据负荷的状况，调速系统所调整的有功功率输出为：Pe=η×[1.3(式中η是汽轮机机械功率转化为电功功率的效率；在维持汽轮机正常运行的状况下，燃料流量比为0.23Q=Vit[Xf.it-Pmin-Pmout=1-1Rgϖ-ϖ式子中，Vit是原动机功率；Xf,it燃汽轮机输出端口电压能够稳定，是因为其自身的励磁和所配备的电力电子装置，所以，在微电网潮流计算当中，燃气轮机可以被等效为一个PV节点。在迭代的过程中，如果出现无功功率或者计算电压超出界限的情况，燃气轮机所接入节点可在PV与PQ节点之间转换。2.2.4燃料电池燃料电池是一种将化学能直接转换成电能的电化学反应装置。燃料电池的十分的高效，其理论上的能力转换效率高达百分九十，容量为100KW-2MW的燃料电池的发电效率跟先进火电机组的100-200MW的效率相当。与柴油机发电原理相似，作为化学反应的还原剂，燃料储存特定的存储罐中，在燃料电池工作的时候，储存罐中的燃料会持续的被注入电池中。氢气等是燃料电池的燃料，但它驱动电机不是释放能量实现的，而是借助催化剂来实现的，故其是一种化学性质的发电，燃料电池要想并入电网，其发电特性要合理。其电压方程表现如下：Ucell=N×Eo式子(2-18)中，N是所串联的电池的数目；Eo标准电池电势；T是温度；X气体的标准摩尔浓度值；E图2-6燃料电池的等效电路因为燃料电池输出的是直流电流，所以其在接入配电网的时候，需要先转换为交流，根据燃料电池电路等效模型，燃料电池的输出的有功以及无功可以表示如下：P=mUcellVsX式子中X为燃料电池和电网之间的线路阻抗，Vs为配电网侧的电压值，可以利用改变参数m、δ来改变所输出的有功功率和无功功率，与常规发电机的调节原理相似，所以可以把燃料电池等效为PV2.3在潮流计算中各类型分布式电源的处理方法由上节内容可以知道，分布式电源节点具有多种类型，可以用各种等效电路来模拟，这些节点在潮流计算中可以按类型处理为PQ、PV、PI和PQ(V)这四种节点，如同表格2-1。在潮流计算中，通常需要将各个节点的参数作为初始的变量，从而这就需要处理各种类型的节点。假设各分布式电源的发出功率恒定，在微电网前推回推潮流计算法中，作为PV节点考虑的分布式电源，由于可调的无功功功率是表3-1各种分布式电源模型节点类型分布式电源类型转换形式发电容量节点类型风力发电电力电子装置或异步电机0.5-50MWPQ或PQ(V)太阳能光伏电池电力电子装置5W-5MWPV微型燃气轮机同步发电机10KW-10MWPQ燃料电池电力电子装置1KW-10MWPI或PV（1）PQ节点鉴于多方面的要求，分布式电源在额定的工况附近运行，这种情况下可以将其处理成PQ节点。处理为PQ节点的分布式电源节点可以等效为恒功率负荷模型。分布式电源若向电网同时输入有功功率和无功功率，可以表示为S=-P-jQ;若输出有功而吸收无功，则可表示为S=-P+jQ。从而可知接入节点的注入电流是：Iinjt_PQ=SV*(2-19)式(2-19)中，V是电源所接入节点的电压(2)PI节点 通过电流控制逆变器来接入配电网的分布式电源可以等效为PI节点来处理，因为其岁输出的有功功率是恒定的，电流的幅值也是个定值，所以可以使用迭代所得的电压以及稳定不变的电流幅值电流和有功功率来推算出该节点的无功功率。对PI节点来说有：V将左右两边同时取模后，再平方：VI*可以得到：V从而：Qk最后，可以得到PI节点的注入电流：Iinjt_PIk=-P-j式子(2-20)中，Qk是第K次迭代所得到的PI节点的无功功率；Vk-1是第K-1次潮流迭代所得出的电压。因为在每次迭代前，PI节点的无功功率注入量可以求出来，因此在第K次迭代的时候，可以将PI节点成为有功功率输出为P和无功功率输出为（3）PV节点可以将带有AVR装置和通过电压控制逆变器接入电网的分布式电源处理为PV节点，PV节点的有功功率和电压幅值是不变的，在潮流计算过程中，若PV节点的电压幅值没有达到设定的电压幅值，则应该调节节点的无功功率，来使其达到预期值，通常采用向PV节点注入补偿电流的方式。具体的做法如下：先将PV节点中，与地相连接的支路断开，这样就将网络转换为普通电网，然后将地处理为一个节点，则这样网络就转换成为一个多端口网络，多端口网络方程：Z∆I=∆V(2-21)Z是多端口网络阻抗矩阵，z=R+jX,∆I是端口的增加电流；∆V是端口增加电压。由于Vi*∆I=Λ=Vi*Vi这样，上式转换为：R∆P+X∆QX∆P+R∆Q=(V∆V由式(2-22)第一行可以得：R∆P+X∆Q=V对于PV节点来说∆P=0，可以得到：X∆Q=这样，可得PV节点的注入电流：IIin_PVk是PV节点在第Qvk=ImVkQloadk是（4）PQ（V）节点异步发电机通常都是直接接入电网的，但是异步发电机在输出有功功率的时候，需要从电网中吸收无功功率，其吸收的无功功率的量与转差和节点电压相关，此外，风力发电机端口所并联的电容器组所输出的无功功率也是与节点电压相关的，这种类型的节点可以采用PQ（V）模型来处理。根据每次迭代电压的修正值，由此而计算出异步发电机转差S，根据式(2-24)求得异步发电机所从电网所吸收的无功功率，再由式（3-17）可得风力机的功率因素大小，由功率因素来确定出电容器投入电网的组数，最后得出电容器组的无功补偿量大小，而PQ（V）节点的无功总吸收量，由风力机吸收的无功及电容器补偿的无功量之和确定，PQ（V）节点迭代第K次时的注入电流和视在功率如下所示：Sk=-PDGIin_PQVk=SkVk*式子中，QDGk和3.4基于前推回代法的微电网的三相潮流计算配电网潮流计算过程：(1)计算支路末端节点的注入电流由母线k的三相电压向量计算接在该母线上的负荷、并联电容和分布式电源等的注入电流。IjaIjbIjc=式(2-26)中，k是迭代次数;Ija、Ijb、Ijc是节点j上的注入电流.Sja、Sjb、Sjc是节点j上的注入功率;Uja、Ujb(2)从末端节点沿着路径，向前推出计算各支路电流从网络的末端节点开始，沿着路径，算出各条支路的电流，最后得到根节点的注入电流。IlaI式（2-27）中Ila、Ilb、Ilc当在前推计算电流的过程中遇到含变压器Δ-Y的支路时，可以根据公式（2-28）IABC=CtVL其中IABC是高压侧三相电流，Ct,dt是不同类型的变压器参数，VLGabc(3)回代求解各节点电压从系统的根节点出发，逐步的向末节点推进求解。节点n的电压为:Una在回代求解节点电压的时候遇到含变压器的支路，利用式(2-29)得到低压侧三相电压。VLGABC=At式（2-30）中VLGABC为低压侧的三相相电压，VLNabc为高压侧三相相电压，At(4)收敛判定通过计算，分别得出各个节点上ABC三相的相电压不平衡量，然后把它作为判断潮流计算是否收敛的依据，如式(2-31,32,33):ΔUja(k)=ΔUjb(k)=UΔUjc(k)若节点的电压偏差都满足收敛判据的要求，则迭代结束，否则继续迭代下去直至达到收敛要求。上文给出了配电网的潮流计算步骤，接下来将给出含有微电网的配电网的潮流计算步骤，如下：（1）先将各个节点的电压幅值与相角进行初始化；（2）根据风力发电机的参数，求出风力发电机从电网中吸收的无功功率与并联电容器组所发出来的无功功率，然后得到风力发电机节点的注入电流；（3）接着可以得到末端负荷节点的注入电流；（4）将PQ、（5）开始向前求出各支路的注入电流，从末节点所连的支路开始向根节点推进，遇到有变压器的支路的时候，根据式(2-28)求出高压侧电流；（6）得到根节点的注入电流，后推求解各个节点的电压。从根节点开始推，当遇到存有变压器的支路的时候，根据式(2-29)得带低压侧的三相电压；（7）计算PI节点注入的无功功率，如果无功功率越限，则把PI转换成为PQ（8）计算PV节点注入的无功功率，如果无功功率越限，则需要将PV节点转换成PQ节点来处理，且需要同时修正PV（9）结合式(2-31)、(2-32)、(2-33)来判定各个节点的电压是否满足收敛，如果满足则金鑫下一步的运算，若不满足则需要转到第（3）步；（10）最后需要计算异步发电机的转差，依此得出风力发电机从电网中吸收的无功功率，判断是否达到要求，若没有，需要根据功率因数的实际情况，通过调整并联电容器组来调整，转入第（3）步；若风力发电机的功率因素达到要求，则计算结束；（11）输出结果：如各节点三相电压的值、各支路三相电流值。。综上所述，微电网三相潮流计算程序流程图如图3-14所示。初始网络参数初始网络参数计算负荷节点注人电流电流计算负荷节点注人电流电流向解环节点叠加注入电流是否存在环网回路向解环节点叠加注入电流是否存在环网回路否是否满足收敛条件修正PQ,PI和PV接入节点的注入电流回推计算各支路电流叠加各节点分布式电源的注入电流是否满足收敛条件修正PQ,PI和PV接入节点的注入电流回推计算各支路电流叠加各节点分布式电源的注入电流 否输出结果功率因素是否满足要求是输出结果功率因素是否满足要求修正P-Q(V)节点注入电流修正P-Q(V)节点注入电流是微电网潮流计算程序流程图第三章算法仿真本章将以33节点的简单辐射状微电网为例，如图3-1，通过上一章节的研究分析，按照各种分布式电源接入电网时，所等效的节点类型来进行微电网的潮流计算。不考虑配电网三相不平衡情况，采用MATLAB仿真测试对含有各类型分布式电源的配电网进行潮流计算，分析分布式电源的接入对网络电压，线路损耗所带来的影响。根节点作为网络的平衡节点，网络的基准功率设为10MW,根节点电压的基准值为12.66KV，负荷是恒定的负荷，潮流算法的收敛精度取为0.0001。图3-133节点简单辐射状网络如表1所示表133节点微电网的节点参数节点编号基准电压节点类型有功功率（KW）无功功率（KVAR）01.0平衡节点//1/PQ0.01000.00602/PQ0.00900.00403/PQ0.01200.00804/PQ0.00600.00305/PQ0.00600.00206/PQ0.02000.01007/PQ0.02000.01008/PQ0.00600.00209/PQ0.00600.002010/PQ0.00450.003011/PQ0.00600.003512/PQ0.00600.003513/PQ0.01200.008014/PQ0.00600.001015/PQ0.00600.002016/PQ0.00600.004017/PQ0.00900.004018/PQ0.00900.004019/PQ0.00900.004020/PQ0.00900.004021/PQ0.00900.004022/PQ0.00900.005023/PQ0.04200.020024/PQ0.04200.020025/PQ0.00600.002526/PQ0.00600.002527/PQ0.00600.002028/PQ0.01200.007029/PQ0.02000.060030/PQ0.01500.007031/PQ0.02100.010032/PQ0.00600.0040为了测试不同类型分布式电源接入网络后，对节点电压以及网络损耗的影响，本章节设计四种方案进行相关仿真方案（1）没有分布式电源接入电网，节点都为PQ型节点。方案（2）风力放电机接入节