含分布式电源的配电网潮流计算毕业设计

年4月19日含分布式电源的配电网潮流计算毕业设计文档仅供参考毕业论文设计题目：含分布式电源的配电网潮流计算毕业论文含分布式电源的配电网潮流计算摘要在分布式电源系统当中，主要是它和大电网的供电系统起到了一个相互补充和协调的作用，主要是利用了现有的综合设备以及资源，从而能够给用户提供一个更为良好的而且可靠的电能应用方式。因为分布式电源经过了并网以后，它对于在各个地区的电网运行和在其结构当中都发生很大的变化，有一定的影响，因此，分布式的电源潮流计算就能起到了一定的作用，这也是作为评估的重要方式之一，作为优化电网运行重要的理论基础，经过长期的研究证明，技术已经较为成熟，有利于电网长足的发展。现在，新能源开发利用的分布式发电技术已经成为了电力工业一个新的研究热点。当前，国内外在研究基于分布式电源的潮流计算方法主要围绕在牛顿拉夫逊法（newton-raphsonmethod，NR）、前推回代法、高斯Zbus3种方法。在配电网潮流计算方面，本文分局接口的模型的不同将DG分为PQ,PV,PI和PQ(V)等四种节点类型，并为每种节点类型DG建立了潮流计算模型。在传统潮流计算方法的基础上，结合各点类型DG的潮流计算模型，提出了适用于含不同类型DG的配电网潮流计算方法，并以IEEE33算例验证了算法的可行性。关键词：配电网，分布式电源，潮流计算ABSTRACTInthedistributedpowersystem,mainlyitandlargepowergridpowersupplysystemtoamutualsupplementandcoordinationrole,mainlyistheuseofexistingintegratedequipmentandresources,andcanprovideuserswithamoregoodandreliableelectricitycanbeused.Becauseofthedistributedpowersupplythroughthegridafteritforpowergridoperationinvariousregionsandinthestructurehavetakenplacegreatchanges,certaininfluence,sodistributedpowerflowcalculationwillbeabletoplayacertainrole,itisalsoregardedasoneoftheimportantwaystoevaluatethe,asanimportanttheoreticalbasisforpowergridoperationoptimization,throughlong-termresearchproof,technologyhasbeenmoremature,isconducivetotherapiddevelopmentofthegrid.Now,newenergydevelopmentandutilizationofdistributedgenerationtechnologyhasbecomeanewresearchfocusinthepowerindustry.Atpresent,researchathomeandabroadbasedondistributedpowerflowcalculationmethodmainlyfocusonNewtonRaphson(Newton-Raphson，NR),forwardandbackwardsubstitutionmethod,ZBUSGauss3kindsofmethods.Intermsofpowerflowcalculation,thispaperdividesDGintoPQ,PV,PIandPQ(V)andotherfourkindsofnodetypes,andestablishesthepowerflowcalculationmodelforeachnodetypeDG.Inthetraditionalpowerflowcalculationmethodbasedon,combinedwiththetrendofthetypeofDGcalculationmodel,isproposed,whichcanbeusedwithdifferenttypesofDGdistributionnetworkpowerflowcalculationmethod,andtheIEEE33examplestoverifythefeasibilityofthealgorithm.Keywords:DistributionNetwork,DistributedPowerSupply,PowerFlowCalculation目录TOC\o"1-2"\h\z\t"标题3,3,标题4,4"30006摘要 III25482ABSTRACT IV21172目录 V25012第一章绪论 7159781.1选题背景及意义 7280541.2含分布式电源的配电网研究的现状 8104561.2.1分布式电源的发展及应用概况 847881.2.2分布式电源的潮流算法研究现状 9246831.3本文主要工作 1031445第二章分布式电源的建模 10288232.1太阳能光伏发电 1144192.1.1光伏发电的工作原理 11303622.1.2光伏发电的模型 11186742.2燃料电池 143842.2.1燃料电池的工作原理 14258602.2.2燃料电池的模型 15325452.3风力发电 15241282.3.1风力发电的工作原理 1615812.3.2风力发电的模型 165497第三章配电网潮流计算 1834633.1配电网潮流计算的概述 19168913.1.1配电网潮流计算的基本要求 19254633.2基于回路分析法的配电网潮流计算 20175163.2.1回路分析法基础 2029463.3 基于回路分析法的潮流直接算法 212513第四章含分布式电源的配电网潮流计算 2381664.1分布式电源的模拟 24183184.1.1PQ恒定型分布式电源 24317564.1.2PI恒定型分布式电源 24247364.1.3PQ(V)分布式电源 25244274.1.4PV恒定型分布式电源 2513754.1.5分布式电源的处理方法 26298804.2含DG的潮流计算方法 27272664.2.1配电网拓扑结构的矩阵描述 27182584.2.2潮流算法的实现 2864774.2.3潮流算法的流程 30167114.2.4含DG配电网潮流计算方法的实现 31107594.3算例分析 3224178结论 33800参考文献 3425974附录 3619137致谢 37第一章绪论1.1选题背景及意义随着负荷的快速增长以及电力市场的逐步推行，传统的集中式发电已经不能满足当今社会对电力及能源供应的需求。近些年来，集中式发电受到它自身缺陷的限制，对电力供应的稳定和安全带来了不可忽视的影响。为了解决这类问题，我们找到了一种可靠、灵活、高效、经济的发电方式，即分布式发电技术。分布式发电与集中式发电相结合将是21世纪电力工业的优先发展方向。其不但能够解决集中式发电投资大、建设周期长、调节不灵活及事故范围大等弊端，还能使得日益枯竭的能源危机和环境污染得到了较大的改进。分布式发电技术一般是指发电功率在数千瓦至数百兆瓦的小型模块化且分散布置在用户附近的高效、可靠、清洁、可持续发展的发电技术[1]。分布式电源(DistributedGenerators,DGs)主要包括微型燃气轮机(Micro-turbines)、燃料电池(FuelCell)、光伏发电和风力发电等一些新能源领域。按发电能源是否可再生，可将其分布式发电分为两类：一类是用不可再生能源的分布式发电，主要是采用化石燃料作为能源；另一类是用可再生能源的分布式发电，它不会造成污染，属于绿色电力。比如：风能、太阳能都是取之不尽用之不竭的自然资源，其它分布式发电装置使用的大多数如：天然气、沼气、生物质能等清洁燃料，而传统发电燃料主要是以煤为主；这些装置还应用了现代污染物控制技术，从而控制废水、废渣等的排放量。另外，分布式电源的开发、研究和建设，还有如下重要的意义：（1）因为城市的大规模发展，使得新的配电线路走廊开辟越来越困难，而直接在用户旁安装分布式电源是一种很有效的替代方案。（2）对于偏远地区，能够依靠当地丰富的自然资源，从而选择合理的分布式发电方式能够有效的节约筹建投资大的电网。分布式电源设备，无论是燃气轮机还是内燃机，都能够供电、供热（冷）服务，能够解决边远山区、矿区、旅游区的用电问题。（3）随着电力市场的逐步推行，用户对供电可靠性、电能质量以及电价的关注日益增加，而采用分布式发电则有利于降低用户电价，提高电能的质量和供电的可靠性，同时满足用户多方面的要求，为用户用电提供更多的选择。（4）分布式电源已经成为了一种以电网最大经济为目的调频、调峰的手段，不但能够利用储能设备的储电能力实现补峰填谷和调频，还还能够利用它来控制电网高峰和低谷时的发电功率（除可再生能源外）。（5）随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，从而促进了电力负荷的快速增长，导致了某些地方出现了比较严重的电力缺口。如果采用集中式发电来平稳渡过这一时期是不可能的，但分布式电源具有投资小、建设周期短等优点就能够满足电力负荷增长后的要求。（6）伴随新型发电技术和新型储能技术的发展，分布式电源（除可再生能源外）采用热效率在65%-95%的设备，增加了能源利用率，从而减少了对一次能源的消耗。因为分布式电源的引入，从而电源的节点类型出现了PQ、PI、PV、PQ(V)节点。另外，因为系统中还有PV节点及少量环网的存在，使得基于传统的辐射状网络的前推回代算法已经不再适用。含分布式电源的配电网潮流计算的功能是计算线路中的功率和电压，但有时也用来评估其并网后对配电系统所产生的影响，而且是分析分布式电源对电网静态稳定性影响等其它理论研究工作的基础，因而研究含分布式电源的配电网潮流计算具有一定的理论意义和实用价值。1.2含分布式电源的配电网研究的现状1.2.1分布式电源的发展及应用概况分布式发电方式的发展主要经历了以下三个阶段。（1)早期的电力系统是采用分布式发电方式，在负荷附近建立小型容量发电厂，为用户提供小规模电源。这主要是因为当时技术不发达，用电量低；（2）20世纪初，随着技术的进步和负荷的增加，大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统成为了主流的发电方式。它的大容量、巨型化发电能够满足当时社会的发展和用户的需要。可是，由于近年来屡屡发生的电力危机和大面积停电事故，从而让我们深深地意识到庞大的电力系统存在既“笨拙”又“脆弱”的缺点。（3)到了20世纪中晚期，由于用电需求的大量增加，人们愈加了解灵活、可靠的发电方式的重要性，于是分布式与集中式相结合，不但能够克服集中式单一供电的缺点，而且还能够满足日益增长的能源需求和解决环境污染问题。自从上个世纪90年代以来，可再生能源已经得到了快速发展，世界上有很多国家都将可再生能源作为能源政策的基础，且分布式能源的发展被世界认为是可持续发展的标尺。而在美国，分布式发电的输出功率在20kW到10MW之间的市场已达11亿美元。在美国加利福尼亚州的分布式电站发电量已经达到4GW-5GW，而且在将20%的新建办公、商用建筑都使用“热电冷三联产系统功能模式”，对5%的现有办公、商用建筑进行适当的改造。印度则在可再生能源发电比例将要超过10%。欧盟各国以可再生能源为主体的分布式发电的发展更受到瞩目。丹麦将资源消耗、经济发展和环境保护这三方面进行了有机结合，在世界上成为可持续发展国家中的典范。现在，丹麦已经投建了15家大型生物直燃发电厂，提供全国约5%的电力供应，且年消耗农林废弃物近150万吨。近些年来，德国利用风能、太阳能、沼气、地热、水利等可再生能源发电、供热共亿kWh，占据能源供应市场份额的7.7%，能够满足约1000万家庭的日常供电需要。日本不可是亚洲能源利用率最高的国家，而且在全世界也位居前列。日本的分布式发电是以热电联产和太阳能光伏发电为主，总装机容量约为3600万kW，占全国发电总装机容量13.4%。据相关资料显示，日本在全球天然气贸易中所占比例大约为35%，成为了全球第二大液化天然气消费国。在美国、欧洲的一些国家，虽然她们的工业发达，用电负荷大，分布式电源的发展要比中国要早一些，但发展也还在初始阶段。近年来中国政府高度重视可再生能源的利用和开发，将“能源总量控制”的重点集中在煤炭总量的控制上，并纳入“十二五”能源规划，这标志着分布式发电在中国将达到一座新的里程碑。经过多年的发展，中国可再生能源的开发利用已取得了很大进展。从风电资源开发来看，底，全国并网风力发电装机容量为56.9万千瓦，风电装机容量位居世界第10位，已经基本掌握单机容量750千瓦以下大型风力发电设备的制造能力，正在开发兆瓦级的大型风力发电设备。从太阳能技术发展来看，到底，全国太阳能热水器使用量达到5000万平方米，占全球使用量的40%以上。太阳能热水器生产量达1000万平方米，全真空玻璃管热水器在世界市场上占据主导地位。从沼气利用来看，中国的沼气技术开发始于上世纪50年代，70和80年代得到大规模发展，主要用于满足农村居民生活用能。全国有户用沼气池1000多万口，年产沼气约30亿立方米。已建成大中型沼气工程1900多处，年产沼气约12亿立方米。尽管中国可再生能源产业发展取得了很大进展，但与发达国家相比还有很大的差距，还远远不能适应中国能源发展战略的要求。可再生能源发展缓慢客观上是风力发电、太阳能发电的成本难以与化石能源去竞争，但从国外的经验来看，关键是促进可再生能源发展的政策力度不够所至。发展可再生能源利在社会，意在长远，可再生能源很难与常规能源在市场上竞争，因此必须经过辅以特殊的能源政策，反映国家的意志，促进可再生能源的发展。如今中国正在经济高速发展的时期，如何在合理的开发利用可再生能源和新能源提高能源的利用率，同时加强环境保护等是中国能源工业实现健康可持续发展、支持国家现代化建设的关键所在。1.2.2分布式电源的潮流算法研究现状分布式发电作为国际上电力系统的一个前沿研究方向，对其研究的重点集中在其对电力系统的影响上。含分布式电源的配电网潮流计算方法的研究主要是对不同类型的分布式电源建立模型，使之能够模拟到已有的计算方法中去。它的未来研究趋势是：使得算法能够处理含不同的分布式电源在不同运行状态中同时运行的系统，计算过程更高效、通用性更好。在近年国内外的相关文献中，研究主要的问题有：（1）分布式电源模型的建立。因为分布式电源的潮流计算模型和传统发电机组计算模型不同，使得传统的潮流计算方法不能够适用于含分布式电源的配电网。传统的发电机节点在潮流计算中一般取为PQ节点、PV节点或平衡节点。而分布式电源具有特殊性，其节点能否取为这3种类型需要全面考虑。正是因为各种分布式电源的运行方式和控制特性的不确定性，才使得在潮流计算中如何选取分布式电源的节点类型有待研究。现在最常见的方法是经过对不同类型的分布式电源分别建立模型，使得分布式电源能够用通用的形式加入到配电网系统的潮流计算中去。（2）含分布式电源配网潮流计算的算法研究。在直接法的基础上，结合分布式电源本身的特点，文献[14]提出了一种基于灵敏度矩阵的补偿算法，该算法能够处理PV节点，而且还釆用了系统节点阻抗矩阵中的元素组成了灵敏度矩阵，使得求取过程简便。文献把分布式电源的PV、PQ(V)以及PI节点转换为前推回代法可处理的PQ节点。考虑到PV节点难于转化为PQ节点，文献[15]提出了快速网络搜索法，对戴维南等值阻抗矩阵进行改进，经过形成与PV节点相关的节点阻抗矩阵的部分元素来修正PV节点注入的无功功率。文献[16]针对前推回代法对PV节点和环网失效的问题，提出了依据节点电阻矩阵、节点电抗矩阵及电压偏差对PV恒定型分布式电源和环网断点功率修正方法。1.3本文主要工作本文第一章主要叙述了选题背景和分布式电源的配电网的前景和研究意义。第二章介绍了各种分布式电源。第三章介绍了配电网的基本算法，并比较了其中的优劣性。第四章在含分布式电源配电网潮流计算方面，本文分局接口的模型的不同将DG分为PQ,PV,PI和PQ(V)等四种节点类型，并为每种节点类型DG建立了潮流计算模型。在传统潮流计算方法的基础上，结合各点类型DG的潮流计算模型，提出了适用于含不同类型DG的配电网潮流计算方法，并以IEEE33算例验证了算法的可行性。第二章分布式电源的建模2.1太阳能光伏发电太阳能是由太阳中的氢经过聚变而产生的一种能源，它分布广泛，可自由利用，取之不尽，用之不竭，是人类最终能够依赖的可持续的能源之一。太阳能是以辐射的形式每秒向太空发射3.8×l019MW能量，其中有22亿分之一的能量投射到地球的表面上。地球上一年接受到的太阳辐射能高达1.8×l018kW·h，是地球能耗的数万倍，由此可见太阳的能量有多么巨大。现如今由于能源短缺和环境污染，各国都开始迅速大力发展光伏发电技术。美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本，使其达到商业化竞争的水平；日本也提出在2020年达到28GW的光伏发电总量计划；同时中国也大幅增加对光伏发电的投入，并降低光伏发电并网价格，等等显示了发展光伏发电已经成为全世界各国解决能源与经济，环境之间矛盾的最有效的途径之一。2.1.1光伏发电的工作原理在自然界中，根据导电性能和电阻率的大小，能够将物体分为三类：导体、半导体和绝缘体。其中在阳光下的半导体p-n结器件光电转换效率最高，即在半导体吸收光能后，在其内部能够传导电流的载流子分布和浓度都将发生改变，由此产生出电流和电动势的效应。当太阳光照在半导体p-n结上形成新的空穴-电子对时，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向P区，电子由P区流向n区，接通电路后就形成电流。光伏电池正是利用了半导体材料的光电特性，把光能直接转换成电能。光伏发电系统可分为两种类型：（1）独立运行的光伏发电系统；（2）并网运行的光伏发电系统。独立运行常见于小容量用户或无电地区，需要提供蓄电池等储能设备；并网运行主要用于大容量用户如公用建筑、住宅等，一般都是自发自用，能够不带储能装置，但必须和商用电网联网，在国家电网允许的情况下将多余的电向电力公司出售电力。其中并网运行的光伏发电系统又分为标准型（不能切换为独立型）和防灾型（可切换为独立型），显而易见的是并网运行的光伏发电系统已经成为光伏发电的发展趋势。一般情况下，配电网是利用并网型光伏发电的有功功率，也就是说把太阳能经过光伏组件转换为直流，然后经过汇流箱和直流配电柜，经过逆变器将直流电转换为交流电输出，再经过变压器将电压升压输入更高电压的配电网中。然而在一些特定的情况下，能够损失一部分输出的有功功率来控制逆变器对配电系统进行无功优化，使得电网运行更加的经济和稳定。2.1.2光伏发电的模型为了更有效的分析光伏电池的发电性能以及计算配电网的潮流数据，建立了一种常见太阳能光伏电池的数学模型。经过这些数学关系表示式，能够反映出太阳能光伏电池各项参数的实际变化规律，图2.1为硅太阳能电池实际的等效电路。图2.1硅太阳能电池实际的等效电路经过电路分析能够得到一个光伏电池的数学模型：(2.1)其中(2.2)(2.3)(2.4)式中参数见表2.1。光伏方阵是由大量的光伏组件串联或者并联组合而形成的。光伏组件串联能够升高系统的最高输出直流电压；而采用光伏电池并联则能够升高系统的最高输出直流电流。因而，若想得到最高输出直流电压或者最高输出直流电流就能够对光伏电池进行串、并联组合。于是就能够获得光伏组件的输出特性方程：(2.5)(2.6)其中：n为串联电池数，m为并联电池数，上述公式参数解析详见表2.1。光伏发电系统一般是自发自用，而多余的电力则经过入网许可之后，能够并入国家电网公司和电力公司，将其多余电力卖给她们。但一般来说，最好是能够自发自用的光伏电站，因为远距离传输电力的技术发展还不是十分成熟。因此需要我们在建造光伏电站之前，需要考虑附近是否有需要其相应规模的用户需求。表2.1光伏电池等效电路参数表参数名称描述 电子的电荷量=1.6×10-19（C） 理想因子（1.5—3）太阳能电池的等效串联电阻太阳能电池的等效并联电阻基准温度=301.18(K)短路电流温度系数=0.0017(A)环境温度(0C)电池温度(K)硅原子频带间隙的能量(l-3eV)太阳能电池的输出电流太阳能电池的输出电压光生电流玻尔兹曼常数=1.38×10-19风速(m/sec)整体日光辐射(Mw/cm2)光伏电池反相饱和电流基准温度下反向饱和电流=19.9693×l0-6(A)电池短路电流=3.3(A)光伏发电需要经过逆变器并网，上述模型是在逆变器的效率假定为恒定时的情况下建立的。而事实上输入功率的变化会引起逆变器的效率随着改变，这就要对逆变器的输入功率进行矫正，公式如下：(2.7)其中：为光伏阵列的输出功率，为输入电网的功率。一般情况下光伏并网发电系统根据控制逆变器的输出电流或输出电压可分为电流控制模式和电压控制模式。（1）若采用电流控制逆变器策略，则为输出的有功和注入的电流均是恒定的PI节点；（2）若采用电压控制型策略，则为输出的有功和电压均恒定的PV节点，当注入的电流达到边界值后转化为电流控制型来处理。图2.2为光伏发电并网示意图。图2.2为光伏发电并网示意图2.2燃料电池燃料电池(fuelcellFC)是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的电化学反应装置[24]。燃料电池的工作方式与常规的化学电源不同，而更类似于汽油、柴油发电机。它的燃料和氧化剂是储存在电池外的储罐中，当燃料电池发电时，要不断的向电池内注入氧化剂和燃料进行反应并排除反应产物，而且还要排出大量的废热来保持燃料电池工作温度的稳定程度。燃料电池只决定输出功率的大小，而其储能量则是由储罐内的燃料与氧化剂的量来决定。适用于分布式电源应用的FC有质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MoltenCarbonateFuelCell,MCFC)和固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell,SOFC)，其中SOFC发电效率最高，适用范围最广。2.2.1燃料电池的工作原理燃料电池由阳极、阴极和电解质隔膜构成。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，从而完成整个电化学反应。以石棉膜型氢氧燃料电池为例，在阳极，氢气与碱中的OH在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子：(2.8)电子经过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应：（2.9）2.2.2燃料电池的模型燃料电池及其它储能系统发出的是直流电，需要经过电压源逆变器并网。并网燃料电池发电站常见等值电路如图2.3所示。图2.3燃料电池发电站并网的等值电路图图2.3中：为电池输出的直流电压；为电池的内阻；为换流器的调节指数；为换流器点燃角（或超前角）；为换流器输出的交流电压；了为变压器等值电抗；为系统母线电压；与为电压的相角，且满足。幅值与有如下关系式：。由图和式能够推出下式：(2.10)（2.11）由公式(2.10)和(2.11)可得出以下结论：并网的燃料电池经过逆变器的控制参量、来控制有功和无功的输出，因而燃料电池可处理成PV节点。但逆变器无功输出是有上限的，当出现无功越限，则转化为PQ节点来处理。图2.4为燃料电池并网示意图。图2.4燃料电池并网示意图2.3风力发电人类把风能作为能源用于碾磨谷物、抽水、船舶等机械设施提供动力已经有千余年的历史。风能是一种重要的自然能源，也是一种巨大的、清洁的、永不枯竭的可再生能源。与传统能源相比，风力发电不需要依赖矿物能源，没有燃料价格的风险，因此其发电成本稳定，没有碳排放等环境成本压力。大气压的高地形成了空气流动，正是因为大气压的不稳定性，使得风能具有随机性并随高度的变化而变化。如今，风能的主要应用是风力发电，风力发电是经过风力发电机组的运行实现风能到机械能，再到电能的转换。因为海上风速一般高于内陆，近几年来，海上风电将会扮演越来越重要的角色，其原因是风速对发电量影响极大，因而它是电量成本的主要决定因素。粗略的说，在风速为8m/s的地点开发风电场，电量成本约为风速为5m/s地点的1/3。下面分别介绍风机和风力发电机的模型。2.3.1风力发电的工作原理风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，其工作原理是：风作用载风力机的叶片上产生转矩，该转矩驱动轮毂转动，经过齿轮箱高速轴、刹车盘和连轴器再与异步发电机转子相连，从而发电运行。2.3.2风力发电的模型1.风机模型风力发电的效能受风速大小、风力机叶片以及叶片受风面积等多个因素的影响。风力发电机输出的机械功率为：(2.12)式(2.12)中，是风力机的扫描面积(m2)；是风速(m/s)；是空气密度(km/m3)；是风力机的风能利用系数，为叶尖率比和叶片桨距角的函数，它表明风轮机从风中获得的有用风能的比例。从公式(2.12)能够看出，理论上风力机产生的电力大小是与受风面积成正比，与风速的三次方成正比，其中和随地理位置、海拔、地形等因素而变化。将风力发电机组的有功出力视为风速的函数，若给出风力发电场所在地的风速，能够近似得到风力发电场输出的有功功率。在某一时刻对配电网进行潮流计算时，能够认为风力发电机组在该时刻的输出功率为一由该时刻风速所决定的定值。在正常运行情况下，理想风力机吸收功率的特性可分为；当风速在启动风速到额定风速范围内为线性段，风功率随风速增长而线性上升；当风速在额定风速到切出风速范围内为水平段，风功率与风速无关，保持为常量。经过对风力发电机的合理控制，能够使发电机在一定的风速范围内保持恒功率运行。2.风力发电机模型风力发电机组按照发电机类型可分为三类：普通异步风机（无电力电子变频器）、双馈感应风机（采用部分功率电力电子变频器）和多级同步风机（采用全功率电力电子变频器）。（1）异步风机并网异步发电机自身没有励磁装置，因而它没有电压调节能力。考虑到异步发电机在输出有功功率的同时还要从系统吸收一定的无功功率，其吸收的无功功率大小与转差率S和节点电压U的大小密切相关，因而在潮流计算中既不能作为PQ节点也不能作为PV节点，需要特殊考虑。图2.5异步发电机的近似等效电路图2.5所示为异步发电机的近似等效电路[30]，为定子电流(A)；为转子电流(A)；为励磁电流(A)；为转差率；为发电机的节点电压幅值；为转子电阻()；为机械负载等效电阻()；为励磁电抗()；为漏电抗()。由近似等效电路能够推出发电机输出电磁功率的计算式和功率因数角正切公式，分别为：(2.13)(2.14)式(2.13)中的为风力发电机发出的有功功率。(2.14)中的转差率可由式(2.13)推出(2.15)当风速给定时，根据风力发电机的有功功率输出特性能够确定出有功功率，由式(2.13)和(2.14)知，无功功率可由式(2.16)求出(2.16)由此公式(2.16)可知，异步发电机节点类型具有如下特点：发出的有功功率是确定值，而无功功率则与机端电压有关。本文在潮流计算中将这种电源节点定义为电压静特性节点，即：P恒定，V不定，Q受P、V限定的PQ(V)型节点。（2）双馈感应风机和多级同步并网双馈感应机因它的发电机定子直接馈入电网，转子经过部分功率变频器馈入电网而得名，它和同步风机均一起属于变速恒频的风电机组，能够经过变频控制系统将发电机有功、无功功率实现解耦控制，从而调节改进风电场的功率因数和电压稳定性。因而，在潮流计算中二者能够作为PQ节点处理。第三章配电网潮流计算3.1配电网潮流计算的概述潮流计算就是采用一定的方法确定系统中各处的电压和功率分布。电力系统的潮流计算和一般交流电路计算的根本差别是：后者已知电压，待求电流，而前者是已知电压，待求功率。而正是这一差距决定了二者本质上的区别：描述交流电路特性的方程，如节点电压方程、回路电流方程，是线性方程，而描述电力系统稳态运行特性的潮流方程却是非线性方程。因为配电网线路中的R/X比值偏大使得快速PQ解耦法潮流计算方法失效，因此人们根据辐射配电网的特点，提出了其它一些计算方法。常规算法主要有基于导纳矩阵或回路阻抗矩阵的算法（牛顿—拉夫逊）算法、电源叠加法和追赶法，基于支路变量的潮流算法如支路电流回代法和支路功率前推回代法等。牛顿—拉夫逊法潮流算法有二阶收敛特性，虽然在配电网潮流中它的收敛速度较快，可是，当导纳矩阵阶数较高的时候，初值敏感性问题会比较突出。电源叠加法每次求解时都要对各个电源逐一进行叠加，求解方式较为繁锁。追赶法则用于导纳矩阵主对角严格占优情况下，无收敛性问题、矩阵存储方便、占内存少、求解快速，可是不能直接求解复杂的环网。前推回代法则具有编程简单、没有复杂的矩阵运算、计算速度快、占用计算机的资源很少、收敛性好等特点，适用于在实际配电网中的实际应用。配电网潮流算法是配电网网络分析的基础。配电网的网络重构、故障处理、无功优化和状态估计等都需要用到配网潮流的数据。配电网的潮流计算同时也是研究配电网稳态运行的一项基本运算。根据给定系统的网络结构和运行条件能够确定整个系统的运行状态：主要是各个节点的电压（幅值和相角），网络中功率分布及功率损耗等。它既是对配电网规划设计和运行方式进行定量分析的依据，也是电力系统静态和暂态稳定计算的基础。3.1.1配电网潮流计算的基本要求配电网潮流计算一般要满足下例要求：1．可靠收敛；2．计算速度快；3．使用方便灵活，调整和修改容易，可满足工程上的需求；4．内存占用量少等。由于配电网的收敛问题比较突出，因此对配电网的潮流算法进行评价时，首先看它能否可靠收敛，然后在此基础上可对计算提出进一步要求。3.2基于回路分析法的配电网潮流计算3.2.1回路分析法基础对于一个有N个节点、b条支路、m个独立环路的配电网络来说，其满足b=N－m+1，如果此配电网是全放射性的即不含环路，则m=0，b=N－1。配电网的首节点是电源点，一般作为参考节点，这样独立节点个数为n=N－1。道路在回路分析法中是一个很重要的概念，一个节点的道路是指节点沿树到根所经过的路径上的支路集合，其具有以下特性：对于一个给定的树，节点的道路是唯一的，且节点的道路只有树支支路组成。用道路-树支关联矩阵T（简称道路矩阵）描述道路的，T（I,j）是一个n×b阶矩阵，假定道路的方向都是从电源点指向各节点，各支路方向与道路方向相同，如果支路j在道路i上，则T（I,j）=1，反之T（I,j）=0。把配电网中的联络线路看成连支，并规定连支方向为回路方向，则可形成m×b阶回路矩阵B，如果支路j在回路i上且与回路方向相同B（I,j）=1，如果支路j在回路i上且与回路方向相反B（I,j）=-1如果支路j不在回路i上B（i，j）=0。为了更好说明，基于图1来建立道路和回路矩阵。从根节点（电源点）出发，采用深度优先搜索算法对节点进行编号。图中圈内数字表示节点编号，各支路上的数字为该支路编号，小括号内的为回路编号，虚线表示的支路为联络线路，fg为各节点负荷电流，n×1阶。基于前述的原则建立的道路和回路矩阵见公式（3.1）和（3.2）（左边列数字分别为节点和回路编号）。图3.1选定树支和连支的网络（3.1）（3.2）道路矩阵T可分为两部分，与树支关联的子矩阵Tt，与连支关联的子矩阵Tl。Tt是一个下三角阵，而由于连支不属于任何一条道路，故Tl=0。同样回路矩阵也能够分为与树支关联的矩阵Bt和连支关联的矩阵Bl，由于连支方向与回路方向一致，则Bl=I，即为单位阵。这个结果能够推广到任何一个网络，即针对任何一个网络，其道路矩阵和回路矩阵能够简写为：（3.3）（3.4）设定支路电流为fb（b×1阶），其中树支电流定义为ft（n×1阶），连支电流定义为fl（m×1阶），可知fl也就是回路电流，即：（3.5）支路电流节点注入电流和回路电流之间的KCL公式可表示为（上标T表示矩阵转置）：（3.6）把公式（3.3)到（3.5）代入公式（3.6）中可得：（3.7）公式（3.7）基于回路分析法给出了ft、fg和fl之间的关联。3.3 基于回路分析法的潮流直接算法对任一配电网络，基于欧姆定律有：（3.8）其中：Vb为支路电压（b×1阶），Zb为支路阻抗形成对角阵（b×b阶），同样按树支和连支能够把Vb和Zb分为树支支路电压和阻抗（下标bt）以及连支支路电压和阻抗（下标bl），见下面等式：(3.9)(3.10)把公式（3.5）、（3.9）、（3.10）带入公式（3.8）可得：(3.11)设定电源节点电压为V0（1×1阶），各节点电压为V（n×1阶），则可知任一节点与电源节点的电压差，等于从此节点开始沿着该节点所在道路到达电源节点所经过支路的支路电压之和，即（设定E为n×1阶全1矩阵）：（3.12）而对于回路应用基尔霍夫电压定律有：（3.13）把公式（3.4），（3.11）代入公式（3.13）有：（3.14）联立公式（3.12），（3.14）可得：（3.15）把公式（3.7），（3.11）代入公式（3.15）可得：（3.16）把公式（3.16）展开可得：（3.17）（3.18）实际上就是回路阻抗阵，则由公式（3.18）可得：（3.19）

其中：Yl是Zl的逆矩阵，即回路导纳阵，把公式（3.19）带入公式（3.17）就得到了：（3.20）其中，定义为电压灵敏性矩阵，其具有阻抗性质。公式（3.20）是本文算法计算的核心，总结能够得到本文算法的计算步骤如下（k为迭代次数）。步骤1：步骤2：步骤3：步骤4：

步骤5：判断和之差最大值是否满足要求精度要求，不满足则转步骤2。由于Z在网络拓扑结构不变时是常数，因此能够提前生成。这样在迭代过程中，就使计算过程大大简化了，从而较大的提高计算效率。第四章含分布式电源的配电网潮流计算分布式发电（Distributedgeneration,简称DG）是当前智能电网的重要组成部分。一般来说DG是指功率在几十千瓦到几十兆瓦范围内，模块化的，分布在负荷附近的一种环保高效的发电设备。当前。配电系统常见的DG主要包括，燃料电池，风力发电，太阳能发，微型燃气轮机等。今年来随着电力科学技术的发展，分布式发电技术日趋成熟，越来越多的分布式电源并入电网。然而DG并入电网后对电脑运行和结构上都产生巨大影响，导致传统的配电网潮流计算方法不适用于含DG的配电网，因此需要对分布式电源进行更深入的研究。4.1分布式电源的模拟4.1.1PQ恒定型分布式电源考虑到配套热负荷、环保和经济等方面的要求，将分布式电源作为是可控制的动态负荷，认定分布式电源运行在额定工况附近，在潮流计算中将其作为PQ节点处理，这样能够减少分布式电源输出的有功、无功变化。双馈感应机和同步风机均能够经过变频控制系统将发电机有功、无功功率实现解耦控制，以此调节改进风电场的功率因数及电压稳定性。因而，在潮流计算中将二者作为PQ节点处理。对于这种、恒定型分布式电源来说,能够将其考虑为与功率大小相等、方向相反的负荷，因此电源的视在功率为，即能够得到如下公式：(4.1)式中和分别为此分布式电源电压的实部和虚部，经过公式(4-1)将PQ恒定型分布式电源模拟为注入电流。4.1.2PI恒定型分布式电源光伏并网发电系统若采用电流控制逆变器策略，其为输出的有功和注入配电网的电流是恒定的PI节点，针对这种典型的P、I恒定型分布式电源独有的特点，先由式（4.2）求出其注入的无功功率。(4.2)经过公式(4.2)能够将光伏电源转化为配电网能够处理的PQ节点，潮流计算时能够将其考虑为与功率大小相等、方向相反的负荷，因此光伏电源的视在功率为，即能够经过公式(4.1)得到其注入电流。4.1.3PQ(V)分布式电源对于含异步发电机并网的风力发电，发出的有功功率是确定值，而无功功率则与机端电压有关，也就是说恒定，不定，受、限定的PQ(V)型节点。处理此类节点时，潮流计算每次迭代后都会对电压进行修正，并根据修正后的电压幅值计算出异步发电机吸收的无功功率。因而，第一次迭代，经过公式(2.16)可把PQ(V)节点暂时转换成传统潮流算法能处理的PQ节点，再利用公式(4.1)将PQ(V)型的分布式电源模拟成注入电流，进行潮流计算。第二次迭代，根据修正后的电压计算无功功率，此时又转换为PQ节点，重复以上过程直至迭代收敛。4.1.4PV恒定型分布式电源燃料电池、微型燃气轮机和采用电压控制型策略的光伏发电并网都能够认为是、恒定型的分布式电源。这种分布式电源处理起来比较复杂，但需要指出的是，实际中、恒定型分布式电源，一般给定无功上、下限，而经过该方程修正后的无功有可能超出无功要求的范围，若出现无功功率越界，将PV节点转化为PQ节点。在处理PV节点时，为了保证PV节点迭代电压幅值不变和PV节点的有功功率不变性，需要采用增加一个电压源向PV节点注入一定电流，来使得PV节点的电压幅值等于设定的电压幅值图3.3为计算的等值电路图，在第个节点处加入一个PV节点，假定PV节点设定的电压和PV节点初始电压同相，即能够得到PV节点叠加的电压(4.3)经过正确判定来决定是否对PV节点经过注入无功电流进行补偿。若（为收敛精度），那么PV节点的电压将收敛于设定的电压幅值若，则需要对PV节点注入一定的电流使得PV节点收敛于设定的电压值，PV节点注入补偿电流的计算公式如下：(4.4)式中，为PV节点注入补偿电流相量；为PV节点电压幅值改变量；为设定的PV节点电压幅值；为潮流计算中PV节点的电压相量；为PV节点的自阻抗，当有多个PV节点时为端口的入端阻抗矩阵，其对角线上元素为PV节点的自阻抗（即PV节点到根节点所有阻抗之和），非对角线上元素为PV节点之间的互阻抗（即PV节点与PV节点到根节点的公共路径上所有阻抗之和）。图4.1计算等值电路图4.1.5分布式电源的处理方法综上所述，对于PQ、PI、PQ(V)这3类分布式电源，经过其自身的特点利用公式模拟为注入电流，而PV节点有其特殊性，根据PV节点迭代电压幅值不变和PV节点的有功功率不变性，求解PV节点的注入电流，具体出来方法如表3.1所示。表4.1分布式电源的模拟方法分布式电源节点类型模拟方法（注入电流）PQ恒定型分布式电源PI恒定型分布式电源经过上式将PI节点转化为PQ节点，再利用PQ型公式计算PV恒定型分布式电源PQ(V)恒定型分布式电源经过上式将PQ(V)节点转化为PQ节点，再利用PQ型公式计算4.2含DG的潮流计算方法在前节已经介绍了能够将分布式电源分为PQ,PV,PQ(V)和PI四种节点类型，可是传统的潮流计算方法并不适用这四种节点模型因此需要一种能够适用于含多种类型DG配电网的潮流计算方法。当前对于含分布式的潮流计算方法主要是基于改进传统潮流计算，结合对DG潮流计算模型的处理得到的，关于此方面的研究和文献已有很多。本节将介绍一种以以功率为潮流变量的含DG配网潮流计算方法，该方法是进行改进后得到的。4.2.1配电网拓扑结构的矩阵描述(1)节点-支路关联矩阵配电网的拓扑结构能够用一个有向连通图G来表示，设配电网有N+1个节点，b条支路，则节点支路关联矩阵Ã的阶次为（N+1）xb,矩阵各元素的定义如下：（4.5）矩阵Ã有（N+1）个行向量，每一行与一个节点对应，表示该节点与哪些支路关联。矩阵Ã有b各列向量，每一列与一条支路对应，表示该支路与哪两个节点关联，因此每列只有1和-1两个非零元素，其余元素为0，非零元素的正负表示该支路的方向。将参考节点对应的行从矩阵中剔除，就得到NXb的降阶节点-支路关联矩阵A。选定一棵树，对支路的排列顺序做适当调整，把N条树枝排在前面，L=b-N条连支排在后面则有：(4.6)（2）回-支关联矩阵对于连通图中一颗选定的树，每个基本回路中只包含一条连支，因此基本回路数等于连支数，则回-支关联矩阵B的阶次为LXb，矩阵各元素的定义如下：（4.7）若把树支放在前面，连支放在后面，则B的结构可用下式表示：（4.8）B的行向量表示其对应的回路与哪些支路的关联，支路方向与回路方向相同为1，不同为-1，其元素为0，是表示树支与回路关联关系的关联子矩阵，是表示连支与回路关联关系的关联子矩阵。每条连支对应一个回路，且连支为回路的正方向，则为单位矩阵，故有：(4.9)(3)道路-支关联矩阵节点的道路指节点沿树到根所经过的路径上的树支支路集合，道路具有如下特性：对于一个给定的树，节点的道路是唯一的。道路关联矩阵T的阶次是，T中的元素定义如下：（4.10）由于连支支路不在任何一条道路上，可知：(4.11)(4)各关联矩阵间的关系A,B,T三者之间存在如下关系：（4.12）4.2.2潮流算法的实现为了更好地说明以功率为变量的潮流计算方法的实现，以下图的配电网络为例进行说明图4.2节点配电系统定义始端输入功率为支入功率，配电网在功率传输过程中起损耗主要集中在支路阻抗上，因此在计算配电网网损时只需要考虑支路阻抗上的损耗，则从图2.1得到下面的功率平衡方式：（4.13）式中dp为支路上的有功损耗，为支路功率，等式右边为节点消耗功率。定义：,则有：（4.14）定义：，同理可得：（4.15）由式（4.14）和式（4.15）能够看出，树支支路功率是由两部分组成的，一部分为连支断开，即配电网辐射状运行时，经过节点消耗功率计算得到的；另一部分是接入连支后，即配电网环网运行时，经过连支支路功率计算得到的。节点消耗功率是由节点负荷和支路功率损耗组成，其中节点负荷是已知的，而在数据初始化时，支路的功率损耗设为0，因此第一次迭代计算时节点消耗功率仅包含节点负荷，此时可认为节点消耗功率已知。第一次迭代后计算得到支路功率，则支路有功功率耗损dP和无功功率dQ可经过以下公式计算得到：（4.16）假定连支支路电流为，则有：（4.17）其中，为各支路阻抗组成的对角阵，而是断开连支做纯辐射状潮流分析时求路电压，参考图2.1，以回路（2-4-7-3-2）为例来说明回路电压的计算方法：（4.18）式中，为做辐射潮流计算后得到的节点电压。计算得到回路电压后，经过式（4.17）求解得到连支支路电流，则连支支路7的功率为：（4.19）设定电源节点电压幅值，各个节点电压幅值向量为，可知任一节点与电源节点的电压幅值差等于从此节点开始沿着该节点的道路到达电源节点所经支路的电压损失之和。定义：，令中节点i对应的行向量（道路向量）为则有：（4.20）式中支路电压损失的计算公式为:（4.21）其中，为第i条树支支路的有功功率和无功功率。4.2.3潮流算法的流程Step1初始化：各节点电压幅值设定为电源电压，各支路功率损耗为0；Step2计算有功功率损耗P和无功功率Q；计算树支支路有功功率和无功功率；Step3判断是否存在连支支路，若不存在连支支路则，转Step8，否则转Step4根据式（4.16）计算支路有功功率损耗dP和无功功率dQ，结果代入（4.11）计算得到支路电压损失Du;Step5根据式（4.8）计算出各连支端点的节点电压，并计算出回路电压Step6根据式（4.7）计算连支支路电流，并代入式（4.19）计算连支支路功率和。Step7计算，进而求得Step8根据式（4.10）计算各节点电压，判断两次迭代计算得到的电压幅值之差是否满足精度要求，不满足则转Step2；否则算法结束。4.2.4含DG配电网潮流计算方法的实现前面介绍了以功率为潮流变量的潮流计算方法，该算法没有复数运算，计算速度快，并具有回路分析法收敛性好的特点。可是对于含DG的配电网，并不能直接运用此方法，需要对DG进行处理和算法的调整。含DG配电网潮流计算方法的具体步骤如下:Step1系统数据输入，设定初值：各节点电压幅值设定为电源电压，各支路损耗功率为0。Step2各分布式电源的初值设定：（1）PQ节点型DG（模型1)：;（2）PV节点型DG（模型2）：（3）PQ(V)节点型DG（模型3）：（4）PI节点型DG（模型4）：Step3计算节点有功功率损耗P和无功损耗Q；计算树支支路有功功率和无功功率；Step4判断是否存在连支支路，若存在连支支路则，转Step5；否则转Step9；Step5根据式（4.6）计算支路有功功率损耗dP和无功功率dQ，结果代入式（4.11）计算得到支路电压损失dU；Step6根据式（4.8）计算出各连支端点的节点电压，并计算出回路电压；Step7根据式（4.7）计算连支支路电流，并代入式（4.9）计算连支支路功率和；Step8计算，进而求得；Step9支路功率代入式（4.10）计算得到各节点电压；Step10判断各DG是否越限：（1）PI节点型DG:基于式（4.9）计算DG无功功率，若越限则转化为PQ点。（2）PQ(V)节点型DG：基于式（4.5）计算DG无功功率，若越限则转化为PQ节点。（3）PI节点型DG：基于式（4.8）计算DG无功功率，若越限则转化为PQ节点；Step11根据计算得到各节点电压，判断两次迭代计算得到的电压幅值之差是否满足精度要求，不满足则转step3;否则算法结束。4.3算例分析图4.3图4.333节点母线测试系统为了验证算法的有效性，以IEEE33母线系统为例，具体参数见附录表1，并在此算例的基础上加入分布式电源。根据与根节点距离远近，与DG相连节点的负荷大小选择点6，17，24，32作为DG接入位置。系统三相功率的基准值，线电压的基准值，收敛精度为。选定PQ,PV,PI节点型DG分别接入系统，其中PQ节点型DG的额定值为：P=100KW,Q=90kvar;PI节点型DG额定值：P=100KW,I=10A,=0,=90kvar;PV节点型DG的额定值：P=100KW,U=,=0,=90kvar.潮流计算结果如表4.2表示。表4.2含分布式电源的配电网潮流计算结果从表4.2的计算结果来看，接入分布式电源前后的潮流计算时间都很短，在毫秒级别，虽然在接入分布式电源后潮流计算时间有所增加，可是并不明显，符合潮流计算快速性的要求：在接入PQ,PV,PI三种不同类型的DG后，潮流计算的迭代次数任然为5次，验证了算法的有效性；从母线最低电压，系统有功功率损耗的结果来看，在接入PQ,PV,PI三种不同类型的DG后，提高了系统电压，降低了系统的有功损耗。结论面对能源短缺、环境污染两重压力，以可再生能源或清洁能源为原料的分布式发电得到越来越多的应用。分布式电源不但能够改进环境污染问题，而且解决了能源危机带来的困扰。可是随着大量的分布式电源接入电网，一系列的问题也随之而来。分布式电源并入电网后，会对配电系统造成一定的影响，潮流计算成为分析和研究这些影响的一个重要手段。研究结果表明，不同的容量分布式电源若接入系统的相同节点，容量较大的分布式电源对系统中各节点的电压与有功功率影响较大。如果同种容量的分布式电源接入系统的不同节点，对系统中各节点电压与有功功率的影响各不相同。分布式电源的接入不但影响到电网的潮流分布，还可能使得配电网短路电流增大，加之整个配电网