考慮分布式電源的弱環配電網潮流計算方法與流程
2023-05-06 04:32:36 1
本發明涉及弱環配電網潮流計算技術領域，尤其涉及考慮分布式電源的弱環配電網潮流計算方法。
背景技術：
配電網是電力系統的重要組成部分，對配電網的分析必不可少。配電網潮流計算是配電網分析的一項基礎內容。目前，已經提出了多種配電網潮流算法，有隱式Zbus高斯法、改進牛頓法、前推回代法和改進快速解耦法。而配電網有時會由於分段開關或聯絡開關閉合而形成弱環網，這些方法對弱環網的處理能力不強。而且隨著分布式電源(DG)的大量加入，使得配電網的結構發生很大改變，需要對配電網潮流算法做進一步的研究。
現有技術中基於迴路分析法，利用道路矩陣和迴路矩陣，對各節點電壓以及注入電流的關係矩陣進行了推導，具有較強的處理迴路的能力，但是沒考慮分布式電源的處理。
現有技術中提出的配電網潮流計算方法將弱環配電網等效為環網和輻射形網絡兩個部分，實現了含光伏電源的配電網潮流計算，然而對其它類型的分布式電源並未加以考慮。
現有技術中對多種分布式電源的運行和控制性能進行詳細分析，採用將PV節點和環網打開的方式，提出了適用於含多種分布式電源的弱環配電網的前推回代三相潮流算法，對傳統前推回代法本身不能處理環網的不足進行了改進。然而前推回代法需要對支路首尾節點進行繁瑣的描述，將PV節點和環網打開又進一步增加了迭代的複雜性。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種考慮分布式電源的弱環配電網潮流計算方法，該方法相比於傳統的前推回代法，該潮流算法簡單清晰，使計算過程大幅簡化，而且不需要對電網進行複雜的搜索；同時，該方法考慮了多種分布式電源在潮流計算中的處理。
為實現上述目的，本發明的具體方案如下：
一種考慮分布式電源的弱環配電網潮流計算方法，包括以下步驟：
(1)讀入弱環配電網絡參數，搜尋環網迴路的連接點，然後將其斷開，得到純輻射狀網絡；在迴路的解環點兩側各形成一個大小相等、極性相反的注入電流來模擬迴路；
(2)進行拓撲分析，分別得到純輻射狀網絡道路矩陣T、環網埠阻抗矩陣ZL、節點-埠關聯矩陣ML以及PV節點的節點電抗矩陣X；
(3)初始化系統參數及各類分布式電源的參數，計算各類分布式電源的注入電流；
(4)計算各節點負荷的注入電流，在分布式電源的接入點處疊加分布式電源的注入電流；
(5)計算各支路電流和節點電壓；
(6)計算環網迴路埠的電壓差，並對環網迴路埠的注入電流進行修正；
(7)計算純輻射狀網絡中各個PI節點的無功功率；
若計算得到的某個PI節點的無功功率發生越限，則將該PI節點處理成PQ節點，然後對該PI節點的注入電流進行修正；
(8)計算純輻射狀網絡中各個PV節點的無功功率注入；
若計算得到的某個PV節點的無功功率注入量發生越限，則將該PV節點按照PQ節點處理，並對該PV節點的注入電流進行修正；
(9)判斷系統中各節點相鄰兩次迭代的電壓的幅值、PV節點的電壓差以及環網迴路埠電壓差的變化量是否滿足收斂規則，如果所有條件同時滿足，轉到下一步，否則跳轉到步驟(4)；
(10)對異步發電機的轉差率進行計算，求解風力發電機所吸收的無功功率；
判斷P恆定、Q＝f(V)類型的分布式電源是否滿足功率因數要求；若滿足，潮流計算結束，並將結果輸出；否則需調整接入的並聯電容器的組數，然後跳轉到步驟(4)。
進一步地，所述步驟(2)中，純輻射狀網絡道路矩陣T的計算方法為：
規定道路的方向為電源點指向各個節點，道路的方向與各條支路的方向相同；如果支路j在道路i上，則T(i,j)＝1，否則T(i,j)＝0。
進一步地，所述步驟(4)中，各節點負荷的注入電流為：
其中，Ij為注入電流矩陣，在三相潮流計算中其階數為解環後節點個數的3倍；ML為純輻射狀網絡的節點-埠關聯矩陣；IL為埠補償電流，其計算方法為：
ZL為環網埠阻抗矩陣；為將環網解開得到的兩個節點之間的電壓差；k表示第k次潮流迭代計算。
進一步地，所述步驟(5)中，計算支路電流的方法為：
設支路電流為Ib，依據KCL定律，支路電流Ib與注入電流Ij有如下關係：
Ib＝TTIj；
其中，T為純輻射狀網絡的道路矩陣。
進一步地，所述步驟(5)中，計算節點電壓的方法為：
設根節點電壓為U0，各節點電壓為U(n×1階)；
從任一節點開始沿著該節點所在的道路到達根節點所經過的支路電壓之和，即為該節點與根節點之間的電壓差：ΔU＝U0E-U＝TZ bIb；
各節點電壓可以表示為：U＝U0E-ΔU；
其中，E為n×1階全1矩陣；Zb為n×n階支路阻抗矩陣；Ib為支路電流。
進一步地，所述步驟(6)中，環網迴路埠的電壓差根據解環後兩節點第k次潮流計算的電壓值求得；
根據求得埠補償電流IL，即環網迴路埠的注入電流；ZL為環網埠阻抗矩陣。
進一步地，所述步驟(7)中，當計算得到的無功功率越限時，無功功率Qmax保持最大值且恆定；採用Qmax的值為輸出功率，重新計算得到節點的注入電流；並將修正後的量代入下一次迭代過程。
本發明的有益效果：
本發明方法在前推回代法的基礎上，提出了一種基於道路矩陣的潮流算法。對於弱環配電網，將其在合環點處打開，按照輻射型網絡處理。然後根據埠補償法，在迴路解環點兩側各形成一個大小相等、極性相反的注入電流來模擬迴路。由於道路矩陣為稀疏下三角陣，利用稀疏技術可以降低內存需求。相比於傳統的前推回代法，該潮流算法簡單清晰，使計算過程大幅簡化，而且不需要對電網進行複雜的搜索。然後研究了多種分布式電源在潮流計算中的處理方法，得出了含分布式電源的弱環配電網潮流計算方法。利用IEEE 33節點模型，驗證了所提出的算法的有效性。
附圖說明
圖1為簡單網絡示意圖；
圖2為多埠電路示意圖；
圖3為IEEE 33節點弱環網絡圖；
圖4為不同接入方式下各節點的電壓示意圖。
具體實施方式：
下面結合附圖對本發明進行詳細說明：
本發明公開了一種考慮分布式電源的利用道路矩陣來計算弱環配電網潮流計算方法，通過利用疊加原理，將環網迴路進行處理，得到輻射狀網絡以及埠補償電路，解決了弱環配電網的潮流計算問題。給出了風力發電、燃料電池、光伏以及微型燃氣輪機四種分布式電源在潮流計算中的處理方式。最終得出了含分布式電源的弱環配電網的潮流計算方法。通過算例分析對所提算法進行了驗證，具有良好的收斂性。
下面對本發明的實現方法具體介紹如下：
1、基於道路矩陣的潮流算法
道路—支路關聯矩陣，又稱為道路矩陣。節點沿樹到根所經過的路徑上的所有支路集合稱為道路。道路的特點為：節點的道路完全由樹支支路組成；對於某一給定的樹，節點的道路是唯一的。
道路可以用n×n階的道路矩陣T來描述。規定道路的方向為電源點指向各個節點，道路的方向與各條支路的方向相同。如果支路j在道路i上，則T(i,j)＝1，否則T(i,j)＝0。
為了說明道路矩陣的形成過程，下面以圖1所示的簡單網絡圖來描述道路矩陣的建立過程。首先，以根節點為搜索起點，採用深度優先搜索算法進行搜索，並對各個節點和各條支路進行編號，如圖1所示。Ij表示節點j負荷的注入電流(n×1階)。該網絡所建立的道路矩陣如式(1)所示。
式中，矩陣左側縱向的數字表示的是各個節點的編號，上方數字則表示支路編號。可以看出，道路矩陣T是一個下三角陣。設支路電流為Ib(n×1階)，依據KCL定律，支路電流Ib與注入電流Ij的有如下關係：
Ib＝TTIj (2)
對於輻射狀配電網絡，根據歐姆定律可以得到：
Ub＝ZbIb (3)
式中，Zb為n×n階支路阻抗矩陣。設根節點電壓為U0，各節點電壓為U(n×1階)。可知從任一節點開始沿著該節點所在的道路到達電源節點所經過的支路電壓之和，即為該節點與根節點之間的電壓差：
ΔU＝U0E-U＝TZ bIb (4)
其中，E為n×1階全1矩陣。所以，各節點電壓可以表示為：
U＝U0E-ΔU (5)
由於道路矩陣T為稀疏下三角陣，利用稀疏技術可以降低內存需求。而且，只需將矩陣中的元素更新為三相系統參數，就可實現三相潮流的計算。相比於傳統的前推回代法，基於道路矩陣的潮流算法簡單清晰，大大簡化了計算過程。
另外，由於輻射狀配電網節點互阻抗具有如下規律：節點i和節點k之間的互阻抗為兩節點到根節點之間所經過的公共支路的阻抗和。因此，當電網結構為輻射狀樹支形網絡時，其節點阻抗矩陣可以等效為將各條樹支的阻抗逐條列寫出來，利用道路矩陣可以得到，即：
Z＝TZbTT (6)
T為道路矩陣，Zb為支路阻抗矩陣。這樣就可以將節點阻抗矩陣直接求出，不需要對電網進行複雜的搜索，充分體現了道路矩陣的優越性。
2、環網迴路的處理方法
在對有環網結構的配電網進行潮流計算時，首先需要在合環點將環網迴路打開，得到輻射狀配電網。然後根據埠補償法，在迴路的解環點兩側各形成一個大小相等、極性相反的注入電流來模擬迴路。首先計算輻射狀電網的潮流，然後對埠迴路進行處理。該埠補償電流IL可由下式計算得到：
其中為將環網解開得到的兩個節點之間的電壓差。該值可以由解環後兩節點第k次潮流計算電壓值求得。ZL為環網埠阻抗矩陣。當進行三相潮流計算時，其階數為變為環網迴路數的3倍。環網埠阻抗的參數可根據以下方法求得。
對於如圖2所示的多埠電路，當從埠ij注入單位電流時，該埠的電壓差即為埠ij的自阻抗，而從埠ij注入單位電流時，在埠pq產生的電壓差即為埠pq的互阻抗，可以表示成：
其中，Zij,ij為埠ij的自阻抗，Zij,pq為埠ij和pq的互阻抗，Mij和Mpq為關聯矢量；Zii，Zjj為節點i，j的自阻抗，Zij，Zip，Zjq，Ziq，Zjp為節點i，j，p，q之間的互阻抗。通過式(6)可知，節點阻抗矩陣Z可以由支路阻抗矩陣Zb和道路矩陣T計算得出，因此利用式(8)和(9)可以求解出多埠阻抗矩陣。
然後將所有解環埠的關聯矢量按列排在一起，組成環網的節點-埠關聯矩陣ML。
以圖2所示電路為例，有：
ML＝[M ij,M pq] (12)
則計及環網迴路補償後的系統注入電流為：
Ij為注入電流矩陣，在三相潮流計算中其階數為解環後節點個數的3倍。
3、DG在潮流計算中的數學模型
3.1風力電源模型
風能作為一種清潔能源被廣泛應用，其中雙饋風力發電機組逐漸成為主流機型。雙饋機一般採用恆功率因數運行方式，即在運行時保持定子側的輸出功率具有恆定的功率因數。根據這一特性，一般可將其處理成PQ節點。然而，現在一般要求雙饋風力機組除了發出有功功率，還要對具有一定的維持系統電壓水平的能力。這就要求在運行中根據系統的電壓水平對雙饋機所發出的無功功率進行調節。因而，處理雙饋機的潮流計算模型時，需要分別考慮恆功率因數和恆電壓兩種控制方式。
首先，當雙饋機採用恆功率因數控制方式時，通過對轉子繞組外接電壓的幅值和相角進行調節，以維持風電機組定子側的功率因數保持不變，因此可以將風機視為PQ模型。弱功率因數為則有而由變流器發出或者吸收的無功則很小，因此將風機的無功功率近似等效為定子繞組的無功功率，即：
而在恆電壓運行方式下，為了維持機端電壓恆定，雙饋發電機可以發出或者吸收無功功率。在風電機組無功調節的範圍之內，風電場可以視為PV節點，其潮流計算模型為：
當所需無功越限時，則可看作無功功率為限值的PQ節點。
3.2燃料電池模型
燃料電池一般通過換流器與電力系統連接。換流器既可看成相角可調的電壓源又能等效為電流源，可以對接口母線的電壓和逆變器的輸出功率進行單獨調節。因此將燃料電池處理成PV結點。當逆變器無功輸出達到上限時，可以將其轉化為PQ結點。同時，當燃料電池的輸出電流增加時，其終端電壓也會下降。燃料電池輸出的功率可以表示為：
式中，X＝XT+Xs，XT和Xs分別為變壓器和系統等效電抗，E為電池電動勢，RFC為燃料電池內阻，IFC為燃料電池輸出的直流，UFC為電池的直流輸出電壓，δFC為功率調節單元的超前角，m為換流器調製度，IT為變壓器輸入電流，UT為接口母線電壓，Us為系統電壓。
3.3光伏電池模型
光伏電池將太陽能直接轉換成直流電能，通過逆變器併網。光伏發電系統逆變器的控制方式為外環電壓控制、內環電流控制的雙環控制結構。通過電壓外環來穩定光伏陣列的直流輸出電壓，並給出電流內環的電流參考值信號。電流內環實現對併網電流的跟蹤控制，並保證電流跟蹤的快速性和準確性。
通常可以將光伏發電系統看作可維持輸出電流恆定的PI節點，其潮流模型可描述為：
3.4微型燃氣輪機模型
微型燃氣輪機發電系統主要有兩種結構：單軸結構和分軸結構。其中，單軸結構的微型燃氣輪機，通過電壓型控制逆變器併網的微型燃氣輪機可以處理為PV節點，而通過電流型控制逆變器併網的微型燃氣輪機可以處理成PI節點。分軸結構微型燃氣輪的動力渦輪和燃氣渦輪採用不同的轉軸，動力渦輪通過同步發電機直接併網。一般要求同步發電機具有勵磁調節能力。採用電壓控制的微型燃氣輪機在潮流計算中可處理成PV節點，採用功率因數控制的微型燃氣輪機可處理成PQ節點。
4、含DG弱環配電網的潮流計算方法
含DG的弱環配電網潮流計算的具體步驟可以表示為：
(1)首先，讀入弱環配電網絡參數，搜尋環網迴路的連接點，然後將其斷開，得到純輻射狀網絡；
(2)進行拓撲分析，得到道路矩陣T、環網埠阻抗矩陣ZL、節點-埠關聯矩陣ML以及PV節點的節點電抗矩陣X；
(3)初始化系統參數及各類DG的參數，計算各類DG的注入電流；
(4)計算各節點負荷的注入電流，在DG的接入點處疊加DG的注入電流；
(5)計算各支路電流和節點電壓；
(6)計算環網迴路埠的電壓差，並對環網迴路埠的注入電流進行修正；
(7)計算PI節點的無功功率。若計算得到的無功功率發生越限，則將PI節點處理成PQ節點，然後將PI節點的注入電流進行修正。
當計算得到的無功功率越限時，無功功率Qmax保持最大值且恆定。電流的修正是指的，採用Qmax的值為輸出功率，此時重新計算得到節點的注入電流。由於採用迭代計算的方法，將修正後的量代入下一次迭代即可。
(8)計算PV節點的無功功率注入。若計算得到的無功功率注入量發生越限，則將按照PQ節點處理，並對PV節點的注入電流進行修正。
(9)判斷系統中各節點相鄰兩次迭代的電壓的幅值、PV節點的電壓差以及環網迴路埠電壓差的變化量是否滿足收斂規則，如果所有條件同時滿足，轉到下一步，否則跳轉到步驟(4)；
收斂規則是指迭代計算停止迭代的條件，即兩次計算所得結果的差值小於某一定值，則表示計算的精度符合要求，迭代結束。比如，對於電壓量，判斷相鄰兩次迭代的電壓幅值差的最大值是否滿足預先給定的精度要求，即：max|U(k+1)-U(k)|＜ε，若滿足，則停止計算，否則跳轉到步驟(4)。
(10)對異步發電機的轉差率進行計算，求解風力發電機所吸收的無功功率。判斷P恆定、Q＝f(V)類型的DG是否滿足功率因數要求。若滿足，潮流計算結束，並將結果輸出。否則需調整接入的並聯電容器的組數，然後跳轉到步驟(4)。
5、算例分析
以圖3所示IEEE 33節點網絡為例，對風力發電、燃料電池、光伏以及微型燃氣輪機四種分布式電源接入配網進行測試分析。該系統的三相參數見文獻：一種少環配電網三相潮流計算新方法。變壓器的變比為12.66/0.38，為Y0/Y0接線，歸算到低壓側的阻抗為0.01+j0.04Ω。用於無功補償的電容器QN-Unit＝40Kvar，UN＝12.66kV。
本發明對不含分布式電源以及兩種分布式電源的接入方式進行潮流計算分析，結果如表1所示。
表1分布式電源多種接入方式下的分析測試結果
不同接入方式下各節點的電壓如圖4所示。為了簡便，圖中只展示了A相電壓。
由表1可以看出，迭代次數並沒有因為分布式電源的接入而增多，說明本文提出的潮流算法能夠有效應用於含有多種DG的配電網潮流計算。另外，根據分析，當不含分布式電源時，採用傳統的前推回代算法，迭代次數也為7次。這是因為本質上本文所提出的基於道路矩陣的方法仍是面向支路的前推回代法，因此本算法迭代次數與傳統前推回代法無異，都具有良好的收斂性。然而由於採用了道路矩陣，省去了繁瑣的支路首尾節點描述，計算程序清晰簡單，大大簡化了迭代過程，提高了算法計算的效率。
由圖4可以看出，接入DG的節點處，電壓升高明顯。由此可以看出，DG的接入對於支撐電網電壓具有一定作用。但是不同類型的DG對電壓的支撐能力是不一樣的，一般與DG的類型、運行和控制方式有關。因此，需要綜合考慮多種因素，合理的選擇DG的容量和接入點。
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。