含分布式電源的三相不平衡配電網(wǎng)潮流計算

1、第33卷第3期電網(wǎng)技術(shù)V ol. 33 No. 3 2009年2月Power System Technology Feb. 2009文章編號:1000-3673(200903-0094-05 中圖分類號:TM744;TM91 文獻標志碼:A 學科代碼:470·4051含分布式電源的三相不平衡配電網(wǎng)潮流計算趙晶晶,李新,許中(輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學,重慶市沙坪壩區(qū) 400044Calculation of Three-Phase Unbalanced Power Flow in Distribution NetworkContaining Distribu

2、ted GenerationZHAO Jing-jing,LI Xin,XU Zhong(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology(Chongqing University,Shapingba District,Chongqing 400044,ChinaABSTRACT: According to actual conditions of three-phase unbalance in distribution network, to accur

3、ately calculate the power flow of distribution network connected with various distributed generations (DG a three-phase unbalanced power flow algorithm based on forward and backward substitutions, that can cope with DG modeled as PV or PQ nodes, is proposed. In accordance with topological structure

4、of distribution network and by use of laterals delaminating technology the calculation of power flow is speeded up. During the coping with DG modeled as a PV node, taking the amplitude of positive sequence voltage as voltage regulating parameter the amplitude difference between positive sequence vol

5、tage and rated voltage is calculated, then the amount of reactive power compensation for PV node is obtained and then the DG represented by PV node operation model is changed into that represented by PQ node operation model. The correctness of the proposed algorithm is verified by the calculation re

6、sults of IEEE 34-bus test system. Finally, by means of analyzing the ability of voltage regulation and reactive power compensation of DG, the impacts of various types of DGs on distribution network voltage are researched.KEY WORDS: distributed generation (DG;distribution network;three-phase unbalanc

7、ed power flow;power system摘要:根據(jù)配電網(wǎng)三相不平衡的實際情況,為準確計算各種分布式電源(distributed generation,DG并入配電網(wǎng)后的潮流問題,文章基于前推回代法,提出了可處理PV和PQ節(jié)點模型DG的三相不平衡潮流算法。按照配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu),利用支路分層技術(shù),加快了潮流計算速度。在處理PV節(jié)點模型DG時,將電壓正序分量幅值作為電壓調(diào)節(jié)參數(shù),計算電壓正序分量幅值和額定電壓幅值差,得到PV節(jié)點的無功補償量,將DG由PV節(jié)點運行模型轉(zhuǎn)換為PQ節(jié)點運行模型。IEEE 34節(jié)點系統(tǒng)算例結(jié)果驗證了該算法的正確性。最后,通過分析DG對電壓的調(diào)節(jié)和無功補償能力,研究

8、了不同類型DG對配電網(wǎng)電壓的影響。關(guān)鍵詞:分布式電源;配電網(wǎng);三相不平衡潮流;電力系統(tǒng)0 引言近年來,風能、太陽能、燃料電池、熱電聯(lián)產(chǎn)等形式的分布式電源(distributed generation,DG作為綜合利用現(xiàn)有資源的理想方式1-8,日益受到電能部門和研究人員的關(guān)注。DG通過在負荷端附近建立小規(guī)模電源,采用與大電網(wǎng)相結(jié)合的供電模式,可緩解傳統(tǒng)發(fā)電模式產(chǎn)生的電能質(zhì)量、可靠性、環(huán)境保護等諸多問題。隨著DG并入配電網(wǎng)數(shù)量逐漸增多,配電網(wǎng)由單電源模式變?yōu)槎嚯娫茨Ｊ?。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)潮流算法因未考慮各種形式的DG并網(wǎng)而不再滿足要求,研究涉及DG影響的潮流算法尤為重要。通常,配電網(wǎng)存在三相支路參數(shù)不對

9、稱和三相負荷不平衡結(jié)構(gòu)特性。配電網(wǎng)中的負荷可按三相和單相方式連接,三相連接可分為星形和三角形方式,單相連接可分為線到地和線間方式等,所以配電網(wǎng)的潮流計算應考慮三相不平衡情況。根據(jù)DG接入配電網(wǎng)的方式,DG在潮流計算中可作為PQ或PV節(jié)點處理。目前三相不平衡配電網(wǎng)潮流計算中都未考慮處理PV節(jié)點類型DG的方法,DG 并網(wǎng)后對配電網(wǎng)電壓、網(wǎng)損等影響的分析也建立在潮流計算的基礎(chǔ)上9-10,因此,提出一種可處理多個PQ和PV節(jié)點類型DG同時接入配電網(wǎng)的三相不平衡潮流計算方法十分必要。目前關(guān)于含DG的配電網(wǎng)潮流計算的研究并不多11-15:文獻13介紹了DG與電網(wǎng)互聯(lián)的3種常見接口類型,提出了基于第33卷第

10、3期電網(wǎng)技術(shù) 95靈敏度補償?shù)呐潆娋W(wǎng)潮流中PV節(jié)點的計算方法,但未計及配電網(wǎng)的三相不平衡潮流計算問題;文獻14提出了基于牛頓法能處理各種DG的配電網(wǎng)三相潮流計算方法,但由于配電網(wǎng)輻射狀結(jié)構(gòu)導致R/X值較大,配電網(wǎng)為病態(tài),因此牛頓法在配電網(wǎng)中存在收斂困難的問題;文獻15提出了一種基于疊加原理求解少環(huán)配電網(wǎng)三相潮流的方法,但不能解決各種DG接入配電網(wǎng)后的潮流計算問題;文獻10研究了DG接入放射式配電網(wǎng)絡前后負荷節(jié)點電壓的變化,但只分析了接入PQ類型DG的情況,對PV類型DG未加以考慮。本文首先根據(jù)配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)對支路進行分層,無需對節(jié)點和支路重新編號排序即可實現(xiàn)前推回代計算,該方法避免了在潮流計

11、算中當節(jié)點數(shù)量過多時反復對節(jié)點編號,加快了潮流計算速度;然后,根據(jù)配電網(wǎng)三相不平衡的結(jié)構(gòu)特性,分別對架空線路、三相變壓器、并聯(lián)電容器、負荷、DG 等組件建立數(shù)學模型。DG作為PV節(jié)點處理時,將電壓正序分量幅值作為電壓調(diào)節(jié)參數(shù),計算電壓正序分量幅值和額定電壓幅值差,得到PV節(jié)點無功補償量,將DG由PV節(jié)點運行模型轉(zhuǎn)換為PQ節(jié)點運行模型進行計算。采用IEEE 34節(jié)點系統(tǒng)作為算例,驗證了該算法的正確性,并研究了不同類型DG對配電網(wǎng)電壓的影響。1 算法研究1.1 概述配電網(wǎng)通常為環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),開環(huán)運行,正常運行時呈輻射狀。配電線路的R/X較大,無法滿足P、Q 解耦條件,所以在輸電網(wǎng)中常用的快速解耦法和牛

12、頓法在配電網(wǎng)中難以收斂。本文根據(jù)配電網(wǎng)輻射狀的特點,采用前推回代法16,該算法利用線性潮流方程,其收斂階數(shù)為一階線性,具有計算效率高、收斂性好的優(yōu)點。由于配電網(wǎng)三相支路參數(shù)不對稱和三相負荷不平衡的結(jié)構(gòu)特性,配電網(wǎng)潮流應考慮三相計算。1.2 網(wǎng)絡層次結(jié)構(gòu)本文根據(jù)配電網(wǎng)輻射狀結(jié)構(gòu),列出節(jié)點、支路間的關(guān)聯(lián)矩陣,對支路進行分層,無需對節(jié)點和支路重新編號排序。該方法避免了廣度優(yōu)先搜索編號方法17在節(jié)點數(shù)量過多時反復對節(jié)點編號的不便,加快了潮流計算速度。本文以11節(jié)點的輻射狀網(wǎng)絡為例,如圖1所示。1439572610 118圖1 11節(jié)點輻射狀網(wǎng)絡Fig. 1 11-node radial network

13、可見,該網(wǎng)絡可從下至上分為3層結(jié)構(gòu)。為確定支路之間的層次關(guān)系,需要建立2個關(guān)聯(lián)矩陣:1節(jié)點支路關(guān)聯(lián)矩陣A。A為11×10階矩陣,其每一行對應一個節(jié)點,每一列對應一條支路,其元素a ij為1,0,ijj iaj i=第條支路與第個節(jié)點相關(guān)聯(lián)第條支路與第個節(jié)點無關(guān)聯(lián)每條支路與2個節(jié)點相關(guān)聯(lián),其方向必定離開一個節(jié)點,指向另一個節(jié)點,因此,A中的每一列只包含2個非零元素。2支路層次關(guān)聯(lián)矩陣B。B為10×10階矩陣,B的每一行中非零元素對應一條支路的上層支路,每一列中的非零元素對應一條支路的下層支路,其元素b ij為1,0,ijj ib i jj i=第條支路與第條支路相關(guān)聯(lián)且第條支

14、路為第條支路的下層支路第條支路與第條支路無關(guān)聯(lián)由矩陣B中元素b ij=1可知,第i條支路的上層支路為第j條支路;依此類推可確定輻射狀網(wǎng)絡的支路層次關(guān)系,在無需對節(jié)點支路重新編號的情況下即可實現(xiàn)前推回代法的計算。1.3 DG作為PV節(jié)點時的處理方法PV節(jié)點類型的DG可看作電壓控制的電流源。為了保持PV節(jié)點類型DG的電壓幅值恒定,需要確定合適的無功功率和無功電流注入,因此問題轉(zhuǎn)化為對每個PV類型的DG節(jié)點尋找無功注入電流,使每個節(jié)點的電壓幅值與額定值相等。DG為同步發(fā)電機對稱運行時只存在正序電流和正序電壓。本文通過計算PV節(jié)點電壓正序分量幅值和額定幅值之差,求出注入PV節(jié)點的正序電流幅值,對PV節(jié)

15、點進行無功補償,這樣將DG由PV節(jié)點運行模型轉(zhuǎn)換為PQ節(jié)點運行模型18。具體步驟如下:設(shè)定DG初始三相總有功功率P和端電壓正序分量幅值U sc為一定值,初始無功功率Q為零。按前文潮流算法,收斂后計算PV節(jié)點端電壓正序分量幅值和額定電壓幅值,判斷其差值是否在允許誤差范96 趙晶晶等:含分布式電源的三相不平衡配電網(wǎng)潮流計算 V ol. 33 No. 3圍內(nèi)。s c i i i U U U = (1式中:s i U 為第i 個PV 節(jié)點額定電壓幅值;c i U 為 第i 個PV 節(jié)點正序電壓幅值。如果幅值差在允許誤差范圍內(nèi),則PV 節(jié)點的電壓收斂于初始設(shè)定值;如果幅值差超過允許的誤差范圍,則PV 節(jié)

16、點通過注入無功電流進行補償,使電壓維持在允許范圍內(nèi)。無功注入正序電流按下式計算:v q v =Z I U (2式中:q I 為無功注入正序電流向量;v Z 為正序靈 敏度阻抗矩陣,其維數(shù)等于PV 節(jié)點數(shù),對角線元素為各PV 節(jié)點到根節(jié)點間支路的所有正序阻抗和,非對角線元素為PV 節(jié)點i 和PV 節(jié)點j 到根節(jié)點間相同支路的所有正序阻抗和;v U 為PV 節(jié)點正序電壓與額定電壓幅值差向量。 將各相無功注入電流加到第i 個節(jié)點的初始注入電流中,再重新進行潮流計算,檢查新的電壓幅值差。如果迭代計算中PV 節(jié)點DG 的無功注入功率超出規(guī)定限額,為保證電源設(shè)備的安全運行,應限制無功注入功率為額定最小值或

17、最大值。2 配電網(wǎng)組件數(shù)學模型1線路。三相四線制線路的阻抗包括各相線路自阻抗和相間互阻抗。2三相變壓器。三相變壓器模型如圖2所示:并聯(lián)導納Y m 代表磁心損耗;串聯(lián)阻抗Z t 代表泄漏阻抗;U p 表示初級端電壓,U s 表示次級電壓。 圖2 三相變壓器模型Fig. 2 Three-phase transformer model3并聯(lián)電容器。并聯(lián)電容器在饋線中為Y 型連接的常數(shù)阻抗負荷模型。4負荷。負荷在饋線中的連接方式分為節(jié)點負荷和分散式負荷。負荷包括三相負荷和單相負荷,三相負荷連接方式有星型連接和三角形連接,單相負荷有線到地連接和線間連接方式。本文負荷模型采用恒定有功和無功的PQ 類型。分

18、散式負荷通常較小并沿饋線分散連接,如果將每個連接點都作為一個節(jié)點,饋線中節(jié)點數(shù)量將過多,不便于計算,為此,本文采用集中參數(shù)的表示方法,設(shè)定其連接在饋線段的中間,并在計算中將該點作為一個虛擬節(jié)點。5DG 。本文采用同步發(fā)電機作為接口的DG 模型,穩(wěn)態(tài)運行時的數(shù)學模型可建立為PQ 節(jié)點類型和PV 節(jié)點類型。通常小規(guī)模DG 建立為輸出功率和功率因數(shù)為常數(shù)的PQ 節(jié)點類型,規(guī)模較大的DG 建立為電壓為額定值的PV 節(jié)點類型。3 算例分析3.1 測試系統(tǒng)本文采用IEEE 34節(jié)點系統(tǒng)作為算例。為更有效地分析DG 對配電網(wǎng)電壓的影響,去除了測試系統(tǒng)中的電壓調(diào)節(jié)器。IEEE 34節(jié)點系統(tǒng)見圖3,詳細參數(shù)見文

19、獻19。圖3 IEEE 34節(jié)點饋線系統(tǒng)Fig. 3 IEEE 34-node feeder power system3.2 系統(tǒng)分析方法為驗證所提出算法的正確性,利用Matlab 編制了三相不平衡配電網(wǎng)潮流程序,對IEEE 34節(jié)點系統(tǒng)進行計算,收斂精度為104。通過三相線路與測試系統(tǒng)在不同位置連接不同容量和類型的DG ,分析DG 并網(wǎng)后對配電網(wǎng)電壓分布的影響。分布式電源的安裝位置、容量和類型見表1。表1 DG 安裝位置、容量和類型Tab. 1 The location, capacity and type of the DGDG 節(jié)點位置 容量 類型 1 860 120 kW 60 kva

20、r PQ 2 840 12 kW 6 kvar PQ 3 844 24 kW 18 kvar PQ 4 848 42 kW 24 kvar PQ 5 828 300 kW 0.98 pu * PV 注:*為DG 5的恒定電壓幅值。3.3 潮流計算結(jié)果及電壓變化分析方案1:無DG 接入配電網(wǎng)。系統(tǒng)無DG 接入時,A 相饋線節(jié)點電壓幅值曲線如圖4所示。由圖可知,電壓幅值降落較大,在部分節(jié)點電壓偏移超第33卷 第3期電 網(wǎng) 技 術(shù) 970 5 10 15 201.00 1.05 0.950.90節(jié)點編號電壓幅值/p u圖4 未接入DG 時節(jié)點電壓幅值曲線Fig. 4 The feeders volt

21、age magnitude without DG出了允許額定值的±5%。方案2:PQ 類型DG 1DG 4接入配電網(wǎng)。分別在節(jié)點860、840、844、848接入PQ 類型DG 1DG 4。接入DG 1DG 4前、后A 相主饋線節(jié)點電壓幅值曲線如圖5所示。對比兩曲線可得出,接入DG 1DG 4后,各節(jié)點電壓有所提高,DG 的接入對系統(tǒng)電壓起到支撐作用。0 510 15 201.00 1.05 0.950.90接入前接入后節(jié)點編號電壓幅值/p u圖5 接入DG 1DG 4前、后節(jié)點電壓幅值曲線Fig. 5 The feeders voltage magnitude before and

22、 after DG 1DG 4 connected方案3:PQ 類型DG 1DG 4、PV 類型DG 5接入配電網(wǎng)。分別在節(jié)點860、840、844、848接入PQ 類型DG 1DG 4,在節(jié)點828接入PV 類型DG 5,DG 5的初始有功功率為300 kW ,設(shè)定節(jié)點828初始正序電壓幅值為0.995 pu 。DG 5通過對節(jié)點828注入無功電流對系統(tǒng)進行電壓調(diào)節(jié),注入無功總量為709 kvar ,使828節(jié)點正序電壓幅值由0.986 5 pu 上升到0.994 1 pu ,計算結(jié)果與初始正序電壓幅值0.995 pu 的誤差在103范圍內(nèi),則滿足收斂要求。潮流計算經(jīng)過3次迭代后收斂。配電系

23、統(tǒng)接入DG 1 DG 5前、后A 相饋線節(jié)點電壓幅值曲線如圖6所示。對比兩曲線可得出,接入DG 1DG 5后,各節(jié)點電壓有所提高,饋線末端電壓偏移調(diào)整到允許額定值1.00 0 5 10 15 201.050.950.90接入后接入前節(jié)點編號電壓幅值/p u圖6 接入DG 1DG 5前、后節(jié)點電壓幅值曲線Fig. 6 The feeders voltage magnitude before and after DG 1DG 5 connected的±5%范圍內(nèi)。測試表明,DG 對饋線電壓的影響程度取決于DG 輸出功率的大小。一定容量的DG 接入配電系統(tǒng)對饋線電壓分布起到支撐作用,PV

24、類型DG 可以通過注入或吸收無功來調(diào)節(jié)電壓值,起到電壓調(diào)節(jié)的作用。4 結(jié)論1本文解決了DG 并網(wǎng)后形成的的配電網(wǎng)多電源模式潮流計算問題,為含DG 的配電系統(tǒng)自動化控制、優(yōu)化運行、電能質(zhì)量分析等提供了可靠、高效的計算工具。該算法彌補了現(xiàn)有潮流算法在處理含DG 配電網(wǎng)時出現(xiàn)的收斂困難的缺陷,并有效解決了PQ 和PV 節(jié)點類型DG 同時并網(wǎng)時的潮流計算問題。2DG 接入配電網(wǎng)后對系統(tǒng)電壓起到支撐和調(diào)節(jié)作用,當PV 節(jié)點類型DG 接入系統(tǒng)后,通過DG 的電壓補償功能,可對穩(wěn)定節(jié)點電壓發(fā)揮重要作用。3下一步研究內(nèi)容是對不能按PQ 或PV 節(jié)點模型處理的DG 建立準確的潮流計算數(shù)學模型;分析當DG 在配電

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