含分布式电源的配电网潮流计算毕业设计

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1、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，从而可以给用户提供一个更为良好 的并且可靠的电能应用方式。因为分布式电源通过了并网以后，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，所以，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，通过长期的研究 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

2、的研究热点。 目前，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-raphson method，NR)、前推回代法、高斯Zbus 3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ABSTRACTIn the distributed power system, mainly

3、it and large power grid power supply system to a mutual supplement and coordination role, mainly is the use of existing integrated equipment and resources, and can provide users with a more good and reliable electricity can be used.Because of the distributed power supply through the grid after it fo

4、r power grid operation in various regions and in the structure have taken place great changes, certain influence, so distributed power flow calculation will be able to play a certain role, it is also regarded as one of the important ways to evaluate the, as an important theoretical basis for power g

5、rid operation optimization, through long-term research proof, technology has been more mature, is conducive to the rapid development of the grid.Now, new energy development and utilization of distributed generation technology has become a new research focus in the power industry. At present, researc

6、h at home and abroad based on distributed power flow calculation method mainly focus on Newton Raphson (Newton-Raphson, NR), forward and backward substitution method, ZBUS Gauss 3 kinds of methods. In terms of power flow calculation, this paper divides DG into PQ, PV , PI and PQ (V) and other four k

7、inds of node types, and establishes the power flow calculation model for each node type DG. In the traditional power flow calculation method based on, combined with the trend of the type of DG calculation model, is proposed, which can be used with different types of DG distribution network power flo

8、w calculation method, and the IEEE 33 examples to verify the feasibility of the algorithm.Keywords: Distribution Network, Distributed Power Supply, Power Flow Calculation目录摘要IIIABSTRACTIV目录V第一章绪论71.1选题背景及意义71.2含分布式电源的配电网研究的现状81.2.1分布式电源的发展及应用概况81.2.2分布式电源的潮流算法研究现状91.3本文主要工作10第二章 分布式电源的建模112.1太阳能光伏发电

9、112.1.1光伏发电的工作原理112.1.2光伏发电的模型122.2燃料电池142.2.1燃料电池的工作原理142.2.2燃料电池的模型152.3风力发电162.3.1风力发电的工作原理162.3.2风力发电的模型16第三章配电网潮流计算193.1配电网潮流计算的概述193.1.1配电网潮流计算的基本要求193.2基于回路分析法的配电网潮流计算203.2.1回路分析法基础203.3基于回路分析法的潮流直接算法21第四章 含分布式电源的配电网潮流计算244.1分布式电源的模拟244.1.1 PQ恒定型分布式电源244.1.2 PI恒定型分布式电源244.1.3 PQ(V)分布式电源254.1.

10、4 PV恒定型分布式电源254.1.5分布式电源的处理方法264.2含DG的潮流计算方法274.2.1配电网拓扑结构的矩阵描述274.2.2 潮流算法的实现284.2.3 潮流算法的流程304.2.4含DG配电网潮流计算方法的实现314.3算例分析32结论34参考文献35附录37致谢38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

11、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。其不但可以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 的改善。分布式发电技术通常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（Distributed Generators, DGs ）主要包括微型燃气轮机（Micro-turbines）、燃料电池（Fuel Cell）、 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

12、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，其他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。此外，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，可以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

13、布式电源设备，无论是燃气轮机还是内燃机， 都可以供电、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 可以利用储能设备的储电能力实现补峰填谷和调频，还还可以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

14、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可以满足电力负 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

15、且是分析分布式电源对电网静态稳定性影 响等其他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。但是，由于近年来屡屡发生的电力危机

16、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，并且

17、在2010年将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 2012年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2000亿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

18、。日本不但是亚洲 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2009年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，虽然他们的工业发达，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。近年来我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我国将达 到一座新的里程碑。经过多年的发展，我国可再生能源

19、的开发利用已取得了很大进展。 从风电资源开发来看，2003年底，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2003年底， 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，我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

20、 米。已建成大中型沼气工程1900多处，年产沼气约12亿立方米。尽管我国可再生能 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，还远远不能适应我国 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，因此必须通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 今我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我国能源工业实现健康

21、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

22、 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。现在最常用的方法是通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 可以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，并且还采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

23、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，通过形成与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，

24、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，是人类最终可以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3.8X1019MW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1.8X10

25、18kWh，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2015 年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 时我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，可以将物体分为三类：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

26、导体吸收光能 后，在其内部可以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。独立运行常用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，可以不带储能 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

27、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。通常情况下，配电网是利用并网型光伏发电的有功功率，也就是说把太阳能通过光 伏组件转换为直流，然后通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，再通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， 可以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

28、能光伏电池的数学模型。通过这些数学关系表达式，可以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(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)通过电路分析可以得到一个光伏电池的数学模型：I = I -1 (eq(Vpv+R，ye -1)-(y + ri)/rpv ph js sh其中I = I (T / T)3 e(1/T)qEG / AkI h = I + k (T T )S/100式中参数见表2.1。T = 0.32 + 0.25S + 0.899T 1.3w + 273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

29、伏组件串联可以升高 系统的最高输出直流电压；而采用光伏电池并联则可以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可以对光伏电池进行串、并 联组合。于是就可以获得光伏组件的输出特性方程:P = V *I = mV I -1 (eq(Vpv+RJpv 博成-1) - (y + ri )/R (2.5)pv pvpv ph jsshI = m I h -1 (eq (Vpv+RJpv)/Ak -1) - (V + ri )/R 舟(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

30、，可以并入国家 电网公司和电力公司，将其多余电力卖给他们。但通常来说，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。所以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q电子的电荷量=1.6x10-19 (C)A理想因子(1.53)R太阳能电池的等效串联电阻sR太阳能电池的等效并联电阻shT基准温度=301.18( K)k短路电流温度系数=0.0017( A)JT环境温度(0C)aT电池温度(K)E硅原子频带间隙的能量(l-3eV)GI太阳能电池的输出电流pvV太阳能电池的输出电压pvI光生电流p

31、hk玻尔兹曼常数=1.38x10-19w风速(m/sec)sS整体日光辐射(Mw/cm2)I光伏电池反相饱和电流JI基准温度下反向饱和电流=19.9693xl0-6(A)jI电池短路电流=3.3( A)光伏发电需要通过逆变器并网，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：P =0.015 + 0.98P -0.09P2(2.7)invpvpvV.长沙学院毕业论文-;其中：P削为光伏阵列的输出功率，Pin为输入电网的功率。通常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

32、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。光伏电池控制逆变器图2.2为光伏发电并网示意图2.2燃料电池燃料电池(fuel cell FC)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

33、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(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)和固体氧化 物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, 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

34、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)H + 2OH H O + 2e-中 0 = 0.828V电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应:10.5q + H O + 2e- 2OH - 巡 0 = -0.401V(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，需要通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。V Z5ac.DCU FCV Z5skP + jQ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；Rfc为

35、电池的内阻；m为换流器的调节指 数；m为换流器点燃角（或超前角）；匕。为换流器输出的交流电压； 值电抗；V为系统母线电压；5与9为电压的相角，且满足V=5-0。如下关系式：匕。=mUFc。由图和式可以推出下式：xt 了为变压器等V幅值与UFC有acP = VX sin(5-9) = ZUZ sin VXTXT(2.10)n_V V cosw V 2 _ mU V cosw=Xt由公式（2.10）和（2.11）可得出以下结论：并网的燃料电池通过逆变器的控制参量 m、W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.

36、4为燃料电池并网示意（2.11）图。燃料电池逆变器图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，所以其发 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，风力发电是通过风力发电 机组的运行实现风能到机械能，再到电能的转换。因为海上风速通常高于内陆，近几年 来，海上风电

37、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，通过齿轮箱高速轴、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：P = 0.5 弘 3 P C(2.12

38、)式(2.12)中，A是风力机的扫描面积(m2)； p3是风速(m/s)； P是空气密度(km/m3)； C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 )可以看出，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P和p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， 可以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，可以 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

39、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。通过对风力发电机的合理控制，可以 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

40、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(2.13)(2.14)(2.15)图2.5所示为异步发电机的近似等效电路30，I为定子电流（A）； I,为转子电流（A）； Im为励磁电流（A）； s为转差率；U为发电机的节点电压幅值；R为转子电阻（。）；R为 机械负载等效电阻（。）；xm为励磁电抗（。）；X。为漏电抗（。）。由近似等效电路可以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:八 SRU 2 P =e S 2 X。+ R 2tan R 2 + X (X, + X) s 2anRXms一一式(2.13)

41、中的P为风力发电机发出的有功功率。 e(2.14)中的s转差率可由式(2.13)推出_ R(U2 JU4 -4X P2)2 PX 2e 。当风速给定时，根据风力发电机的有功功率输出特性可以确定出有功功率，由式 （2.13）和（2.14）知，无功功率Q可由式（2.16）求出Q 二 P tan 八 R X( XJA peRX se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

42、机定子直接馈入电网，转子通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，可以通过变频控制系统将发电机 有功、无功功率实现解耦控制，从而调节改善风电场的功率因数和电压稳定性。因而， 在潮流计算中二者可以作为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

43、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，所以人 们根据辐射配电网的特点，提出了其他一些计算方法。常规算法主要有基于导纳矩阵或 回路阻抗矩阵的算法（牛顿一拉夫逊）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。牛顿一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，但是，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，但是不能

44、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可以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

45、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一 m+1,如果此配电网是全放射性的即不含环路，则m=0，b=N1。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=N1。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

46、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nXb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mXb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

47、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， nX1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 _11 0 0 0 0 0 0 021 1 0 0 0 0 0 031 1 1 0 0 00 0T 二（3.1）41 0 0 1 0 0 0 051 1 0 1 1 00 06_1 1 0 0 0 10 0_3.3基于回路分析法的潮流直接算法-11

48、-1110：-10 0 1：(3.2)道路矩阵T可分为两部分，与树支关联的子矩阵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。同样回路矩阵也可以 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。这个结果可以推广到任何一个网络，即针对任何一个网络，其道路 矩阵和回路矩阵可以简写为：Tt,与连支关联的子矩阵Tl。T = T, T = T ,01 i t(3.3)(3.4)设定支路电流为fb（bx1阶），其中树支电流定义为ft（nx 1阶），连支电流定 义为fl（mx1阶），可知fl也就是回路电流，即:（3.5）支路电流f节点注入电

49、流f和回路电流f之间的KCL公式可表示为 bg1（上标T表示矩阵转置）：（3.6）f f )f TBt )f f)=T ,0 f + B , ITf =ffgfvf)tgttV1 0)V f )把公式（3.3）到（3.5）代入公式（3.6）中可得:公式（3.7）基于回路分析法给出了 ft、fg和fl之间的关联。f（3.7）对任一配电网络，基于欧姆定律有:Vb= Zbfb其中：Vb为支路电压（bX1阶），Zb为支路阻抗形成对角阵（bXb阶） 样按树支和连支可以把Vb和Zb分为树支支路电压和阻抗（下标bt） 电压和阻抗（下标bl），见下面等式：(3.8)，同以及连支支路（VV =btb Vb17(

50、Z0Z btb0Z(3.9)V (Vbt)Z (Zbt0、bI Vb17bL0Z /bK(3.8)可得:(3.10)把公式（3.5）、（3.9）、（3.10）带入公式(V)(z 0 )(f )btbtI tVL7L0 Z. 7L f 7，(3.11)各节点电压为V （nX 1阶）设定电源节点电压为V0 （1X 1阶）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nX1阶全1矩阵）：，则可知任AV = V E - V = TV = TV + 0* Vt 0t bt t btb1而对于回路应用基尔霍夫电压定律有：(3.12)把公式（3.

51、4），BVb = 0(3.11)代入公式(3.13)(3.13)有：联立公式（3.12）把公式（3.7），（AV ）、0，（3.14）可得:（AV、0（3.11）代入公式(TtI B t0 Y zbt0(VbI Vb1(TtI B t=BV + * = 0t btVVbtVb17(3.15)可得:Bt心 0 0八0 )(TZbl(3.14)(3.15)(3.16)把公式（3.16）展开可得:（3.17）（3.18）（3.19）AV = TZ Trf + TZ Brft t bt t g t bt t 10 = BZ Trf + （BZ Bt + Z ）ft bt t g t bt tbl 1实

52、际上就是回路阻抗阵，则由公式（3.18 ）可得：f =-YBZTf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：AV = TZ Trf -TZ BtYBZ Trf（3.20）t t bt t g t bt t 1 t bt t g其中，AZ = Z -Z YZt定义为电压灵敏性矩阵，其具有阻抗性质。公式（3.20）是本t tb t tb文算法计算的核心，总结可以得到本文算法的计算步骤如下（k为迭代次数）。步骤 1： V0 = VE0步骤 2： f； = （S/Vk-1）,i = 1,2,.,n;步骤 3： AVk =AZfktg步骤 4： Vk =

53、VE-AVk0t步骤5：判断Vk和Vk-1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，所以可以提前生成。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(Distributed generation，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。目前。配电系统常用的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

54、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4.1.1 PQ 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 样可以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可以通过变频 控制系统将发电机有功、无功功率实现解耦控制，以此调节改善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。对于这种户、0恒定型分布式电

55、源来说，可以将其考虑为与功率大小相等、方向相 反的负荷，所以电源的视在功率为S = -P -旎，即可以得 到如下公式：I = (-P - jQ)/(e + jf )*(4.1)式中e和f分别为此分布式电源电压的实部和虚部，通过公式(4-1)将PQ恒定型分 布式电源模拟为注入电流。4.1.2 PI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。Q = J/2|(e 2+ f 2) - P 2(4.2)通过公式(4.2)可以将光伏电源转化为配电网可以

56、处理的PQ节点，潮流计算时可以 将其考虑为与功率大小相等、方向相反的负荷，所以光伏电源的视在功率为S =- P - jQ, 即可以通过公式(4.1)得到其注入电流。4.1.3 PQ(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P恒定，V不定，Q受P、V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，通过公式(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

57、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。4.1.4 PV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可以认为是p、 V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p、v恒定型分布 式电源，通常给定无功上、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

58、于设定的电压幅值V，图3.3为计算I的等值电路图，在第i个节点处加入一个PV PVPV节点，假定PV节点设定的电压和PV节点初始电压同相，即可以得到PV节点叠加的 电压京PA Vi = V I- Vi(4.3)PVP 1 PV通过对AV；,的判定来决定是否对PV节点通过注入无功电流进行补偿。若 max|AV 8，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，1 PVPV节点注入补偿电流AIi的计算公式如下：PVAIi = Z-ixAV(4.4)PV ii PV式中，Al为PV节点注入补偿电流相量；AVi为PV节点电压幅值改变量;PVPVV为设定的PV节点电压幅值；I为潮流计算中

59、PV节点的电压相量；Z为PV节点PVPVii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i与PV节点j到根节点的公共路径上所有阻抗之和)。_pv节点p VT- +VPV厂ZZi%V /.图4. 1计算I等值电路图P4.1.5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，通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

60、.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) -. - 一一 PQ恒定型分布式电源I = (P jQ )/(e + jf )*Q =/2加 2 + f 2) P 2PI恒定型分布式电源 通过上式将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Ii = Z-1 乂函PV ii PVQ = P tan 8= R 2 + X。(Xm + X。)，2 peRX SePQ(V)恒定型分布式电源m通过上式将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可以将分布式电源分为PQ,PV,PQ(V)和PI四种节点类型，但是传 统的

61、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。目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可以用一个有向连通图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A的阶次为(N+1)x b,矩阵各元素的定义如下：(4.5)-1，节点i是支路k的发点 ak = J1，节点i是支路k的收点 0，节点

62、i不是支路k的端点矩阵A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A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，所以每 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N X b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：A = AA = A A (4.6)N *bT (N *N) L (N *L)T L(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