电力课程综合教程 4

第一章配电系统稳态计算课程设计目录1.配电系统稳态计算课程设计1.1配电系统元件模型与稳态计算方法1.2课程设计软件1.3典型课程设计案例1.1配电系统元件模型与稳态计算方法作为电力系统面向用户的最后环节，配电系统是由多种元件与设施组成的、直接向终端用户分配电能的电力网络。在配电系统稳态计算课程设计中，通过仿真软件开展标准及实际算例分析，夯实理论模型与计算方法。配电系统典型元件包括线路、变压器、负荷及电容器等，考虑到配电系统三相不对称特征，需建立各元件的三相模型。配电系统潮流计算根据给定网络结构及运行条件计算整体电气状态，短路计算则用以分析故障特征并计算短路电流。1.1.1配电系统元件模型

1.1.1配电系统元件模型

1.1.1配电系统元件模型

1.1.1配电系统元件模型配电线路模型二是对称阻抗法，假定配电线路三相完全对称，这样可得到线路的简化模型，结合线路的序参数计算；三是利用线路的几何参数，根据线路类型的不同分为架空线和地下电缆，其中地下电缆又分为同心中性线电缆和屏蔽带电缆，线路类型不同，利用线路几何参数计算线路的串联阻抗矩阵和并联（对地）导纳矩阵。1.1.1配电系统元件模型配电变压器模型

由于配电系统普遍存在三相不平衡现象，传统输电网采用的单相变压器模型已经不再适用于配电系统，建立三相变压器模型用于配电系统分析中，等值电路如左图所示，右图为变压器单相等值电路。1.1.1配电系统元件模型

1.1.1配电系统元件模型配电负荷模型

配电负荷可以接成接地星形或不接地三角形的三相平衡或不平衡负荷，分别如图a、b所示，负荷作为一端口电力转换元件可转化为诺顿等效电路处理，如图c所示。（a）星形连接图（b）三角形连接图（c）诺顿等效电路1.1.1配电系统元件模型配电负荷模型

考虑负荷的连接类型，其三相的等效电路结构如图a、b所示，为了建模和计算方便，两种结构可以采用统一的模型，如图c所示。（a）星形连接（b）三角形连接（c）三相负荷统一模型等效图1.1.1配电系统元件模型配电负荷模型根据负荷的不同类型，通常有恒功率、恒电流和恒阻抗三种基本类型。常见的负荷类型有：恒PQ、恒Z、Motor（P为恒功率类型，Q为恒阻抗类型）、恒I、CVR（负荷功率随电压的下降而减小）、恒P-固定Q、恒P-固定Q（Z）等等。1.1.1配电系统元件模型配电负荷模型以PQ（恒功率）型负荷为例，介绍PQ型负荷的连接方式及不同相数对应的导纳矩阵：星形连接单相两相三相单相两相三相三角形连接1.1.1配电系统元件模型配电负荷模型根据负荷端电压，可以求出流入导纳矩阵的电流：对于PQ型负荷，各相的注入电流如下：当负荷采用星形连接时，电流就是负荷注入电流；当采用三角形连接时，可以根据右图注入电流与各相电流的关系1.1.1配电系统元件模型配电电容器模型配电网中的并联电容器，其一端与线路连接进行无功补偿，当电网的电压过低时，投入电容器来补偿无功；当电网的运行电压过高时，切断电容器来减少无功补偿。其有两种典型接地方式，一种是接地星形接法；另一种是不接地三角形接法，分别如下图所示。1.1.1配电系统元件模型

如果采用三角形连接，则对应的三相导纳矩阵为：1.1.1配电系统元件模型配电电容器模型根据计算过程中给定参数的不同，有以下三种方法求得电容器元件的电容量。利用无功功率来计算电容器的电容量直接给定电容器的电容量直接给定电容器的三相电容矩阵通过星接电容器原始导纳矩阵和角接电容器原始导纳矩阵两种方式可形成电容器的原始导纳矩阵。1.1.1配电系统元件模型光伏系统元件模型

光伏系统元件模型如图所示，光伏阵列为一种直流电源，需经电力电子装置将直流转换为交流后接入电网。光伏阵列、电力电子变换装置、最大功率控制器、并网控制器等构成了一个完整的光伏并网发电系统。1.1.1配电系统元件模型光伏系统元件模型光伏系统可转化为诺顿等效电路进行处理，如左边图所示；右图为光伏系统的三相等效图。注入电流的计算与配电负荷类似。1.1.1配电系统元件模型储能装置模型储能装置通过介质存释能量，具备充电、放电和闲置三种工作状态。充电效率为装置吸收的有功与网络提供的有功之比，放电效率为流入网络的有功与装置输出的有功之比，闲置时的自身损耗用并联导纳模拟。装置运行受容量与功率严格约束：当充电达额定容量、放电至最低允许容量，或充放电功率超过设定的最大阈值时，装置均会自动切换至闲置状态。此外，还可设定触发时间，使装置按时自动切换至充电状态。1.1.1配电系统元件模型储能装置模型储能装置的常见工作模式如下：默认模式：按照设定好的状态和充放电功率工作跟踪模式：按照设定好的运行曲线工作。负荷模式：储能装置将根据电网中的负荷水平来改变工作状态及进行充放电功率控制。价格模式：储能装置充放电功率的大小决定了运行费用外部模式：如果有外部控制器进行控制，储能装置完全通过储能控制器来改变其运行状态及充放电功率。1.1.1配电系统元件模型储能装置模型对储能装置进行建模，将其等效为一个理想电流源和一个导纳的并联电路结构，其三相角接等效电路图和三相星接等效电路图如下图所示。储能装置有3种运行状态，不同的运行状态的导纳值不同。1.1.2配电系统稳态计算方法潮流计算配电系统潮流计算是根据给定网络的结构及运行参数来确定整个网络的电气状态，主要是各节点的电压幅值和相角、网络中功率分布及功率损耗等，并进行电压、电流等越界检查，以了解和评价配电系统的运行状况。潮流计算问题本质上是对一组非线性方程组进行求解。目前采用较多的是建立节点电压方程，即1.1.2配电系统稳态计算方法潮流计算高压输电网的潮流计算典型的求解算法有高斯法、牛顿法、PQ分解法等；中低压配电网具有不同于高压输电网的特征，对潮流计算方法提出了一些特殊的要求，包括收敛性问题，多相不对称问题，新能源接入问题，功能扩展问题。1.1.2配电系统稳态计算方法潮流计算对于不对称配电网，采用三相建模技术。系统变量三相对称情况三相不对称情况节点电压：一维变量：3✖1维变量节点注入电流：一维变量：3✖1维变量设备功率：一维变量：3✖1维变量支路导纳：一维变量：3✖1维变量1.1.2配电系统稳态计算方法潮流计算方法配电网潮流常用的算法包括隐式Zbus高斯法、牛顿法、改进快速解耦法、前推回代法、回路阻抗法等。Zbus高斯法：内存量较小，一阶收敛，具有接近牛顿法的收敛速度和收敛特性。牛顿法：收敛速度快，迭代次数与电网规模基本无关。但每次迭代需要重新计算雅克比矩阵，对计算的初始值比较敏感。前推回代法：迭代的计算量与母线数成正比，适于求解大规模辐射型配电系统，但经典的前推回代法不能用于含回路的配电网络。1.1.2配电系统稳态计算方法潮流计算-分布式电源处理方法配电网中分布式电源种类很多，既有类似于同步电机、异步电机等直接并网的分布式电源，又有类似于光伏电池、蓄电池等通过电力电子变换器并网的分布式电源。在进行潮流计算时，必须针对不同的分布式电源，采用不同的节点类型来处理。目前大量研究将分布式电源类型分为以下几种：①P恒定、Q恒定的PQ节点类型；②P恒定、U恒定的PV节点类型；③P恒定、电流幅值I恒定的PI节点类型。1.1.2配电系统稳态计算方法短路计算短路是指电力系统正常运行情况之外的一切相与相之间或相与地之间的短接。引起短路的原因很多，如电力设备的自然老化、机械损伤，雷击引起过电压，自然灾害引起杆塔倒地或断线，鸟兽跨接导线引起短路，电力工作人员误操作等。短路故障会产生非常严重的后果，可能导致电流激增，使设备受损，也可能对人身安全造成危害。1.1.2配电系统稳态计算方法短路计算-短路故障类型（1）三相短路故障（2）单相接地短路故障示意图等效电路图示意图等效电路图1.1.2配电系统稳态计算方法短路计算-短路故障类型（3）两相短路故障（4）两相接地短路故障示意图等效电路图示意图等效电路图1.1.2配电系统稳态计算方法短路计算-短路故障分析方法短路故障分析方法可以分为等效电压源法、等效元件法、叠加法、相-零回路电流法、暂态仿真法等。等效元件法通过模拟短路故障等效电路，改变潮流计算中的网络导纳矩阵元素，利用潮流计算求解故障电流，然后将稳态短路电流折算为最大短路电流瞬时值。1.1.2配电系统稳态计算方法短路计算-短路故障分析方法故障电路的阻抗阵为：故障类型阻抗取值a相接地故障

ab相间短路故障ab两相接地故障

三相短路故障三相接地故障

故障电路示意图1.1.2配电系统稳态计算方法短路计算-分布式电源故障处理方式

分布式电源的短路特性差异性很大，当系统发生短路故障时，由于节点电压偏低，分布式电源可能不满足并网运行的条件，分布式电源将退出运行。规定风电机组在电网电压跌落时能够保持不脱网运行，甚至能够向电网提供适当的无功功率，下图为德国E.ON低压标准。1.1.2配电系统稳态计算方法短路计算-分布式电源短路计算模型分布式电源按照并网形式分为同步电机并网、异步电机并网和电力电子装置并网三大类。针对不同的并网装置建立相应的短路计算模型，实现含分布式电源的配电系统短路计算。1.2课程设计软件采用“智能配电网分析仿真系统”为软件工具，开展电力系统稳态计算课程设计。该仿真系统是应用于配电网分析、计算的工具软件，该软件可支撑配电网规划设计、分布式电源与多元化负荷接入等。智能配电网分析仿真系统软件不仅具有完备的配电系统元件模型库及典型参数库，可实现多时间尺度下的配电系统稳态仿真计算，还具备配电系统运行优化、分布式电源与储能优化配置等功能。1.2.1操作界面软件主要功能区如下：智能配电网分析仿真系统主界面算例绘制界面主界面标题栏绘图区菜单栏属性栏右图为智能配电网分析仿真系统的主界面和算例绘制界面1.2.2算例搭建单击【开始】按钮，可以开始配电网图形的绘制，绘图模块在电网结构模块下才可正常使用，如图所示。

【电网建模工具】组包含电网设备模型。通过单击【电网建模工具】组中的按钮，可在绘图区绘制电网模型。1.2.2算例搭建典型模型包括：母线、线路、开关、负荷、电源、变压器、电容器组、电力电子装置、储能系统。其中，电源包含了外部电网、交流发电机、直流电流源、光伏发电系统和风机发电系统；变压器包含了两绕组变压器、三绕组变压器和电压调节器；电容器组包含了静止无功补偿器和换流器。1.2.3参数设置电气参数设置界面可以浏览已有的元件参数表，用户可自定义设置这些数据，供系统或用户调用。（1）单击系统左上角的箭头，弹出当前激活算例的参数表。（2）设备型号参数包括两卷变压器参数、三卷变压器参数、线路参数、开关参数等激活算例的参数表设备型号参数1.2.3参数设置（3）设备曲线参数包括温度参数、风速参数、电价参数等，可自主设定（4）分布式电源参数包括风机出力参数、光伏出力参数等，可自主设定设备曲线参数分布式电源参数1.2.4计算功能单击【计算】菜单，出现拓扑分析、潮流计算、时序潮流、短路计算4项仿真计算功能，如下图所示。（1）拓扑分析：单击【拓扑分析】，对当前选中的方案进行拓扑分析。单击【分析结果】按钮，可以以表格的形式查看拓扑分析结果1.2.4计算功能（2）潮流计算：单击【潮流计算】按钮，对当前选中的方案进行潮流计算，计算结果直接显示到图形上，如图所示。单击【计算结果】按钮，可以以表格的形式查看潮流计算结果，如右图所示。1.2.4计算功能（3）时序潮流计算：单击【时序潮流】按钮，对当前选中的方案进行时序潮流计算，单击【计算结果】按钮，可以以表格或曲线的形式查看时序潮流计算结果。时序潮流列表展示时序潮流曲线展示1.2.4计算功能（4）短路计算：单击【短路点】按钮，然后单击母线或者线路的图标，即可设置短路点的位置，选中短路点，通过【设备属性】对话窗，可设置短路点的属性。单击【短路计算】按钮，通过弹出的菜单选择【执行计算】选项，即可进行当前方案的短路计算。短路计算图形化展示短路计算列表展示1.3典型课程设计案例典型案例搭建与运行测试是课程设计的重点，也是检验课程所学内容（包括元件建模与计算方法、软件使用操作情况）的关键环节。本节选取了不同规模的IEEE典型算例和我国实际配电网算例，具有较强的代表性。通过不同算例搭建与运行测试，验证不同配电元件模型与计算方法的应用效果，进一步提升课程内容的理解和认知水平。1.3.1案例一：IEEE33节点测试算例算例基本结构IEEE33节点测试算例结构如下图所示。算例电压等级为12.66kV，共有32条支路和5条联络开关支路，算例的有功负荷为3715kW和无功负荷为2300kVar。1.3.1案例一：IEEE33节点测试算例课程设计内容与要求（1）搭建IEEE33节点算例系统，进行潮流计算，给出系统网络损耗与各节点电压水平，用对比文献验证正确性。（2）改变单一节点有功功率与无功功率，观察网络损耗与节点电压变化情况，并分析原因。（3）改变多节点有功功率与无功功率，观察网络损耗与节点电压变化情况，并分析节点位置对网络损耗和节点电压的影响。（4）探索并实现其他降低网络损耗的措施，如分布式电源、智能软开关、静止无功补偿器等，并给出策略应用后的降损效果。1.3.2案例二：IEEE123节点测试算例算例基本结构