开题报告(初稿)含分布式电源配电网的无功补偿.doc

1、一、 研究背景及意义国民经济的高速发展和人民生活水平的提高促进了人们对电力的需求，同时也对供电的可靠性和供电质量的要求越来越高。如今，电力短缺制约着我国国民经济的发展，加上配电网建设滞后，大量的无功功率在电网中流动形成线损，降低了电能的电压质量和电网经济效益。无功补偿是目前节能降耗，改善电网电压质量最经济、最有效的方式之一。无功补偿，是指在电子供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，从而提高供电效率，改善供电环境。无功补偿在配电网中是不可或缺的1。伴随着能源危机和环境恶化，世界发展对新能源及可再生能源的需求已经十分迫切。主要基于新能源及可再生能源分布式发电技术，如

2、：光伏发电、风力发电等近年来引起了人们的广泛重视，分布式电源凭借其灵活、高效的特点在配电网中得到了越来越广泛的应用。分布式电源将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑，是未来电力系统的发展趋势之一，大力发展分布式发电技术对于我国能源结构调整、实现可持续发展具有重要意义。然而，大量的分布式电源接入也给电网带来了一些新的问题有待解决，如：含分布式电源的配电网电能质量问题、继电保护问题、孤岛问题、无功补偿等。 二、 国内外研究现状从20世纪80年代末开始, 世界电力工业已出现了一个由传统的集中供电模式向集中和分散相结合的供电模式过渡的趋势。近年来分布式发电技术以其独有的环保性、经济性引起人们越来越多的

3、关注。英国、美国、日本等发达国家在进行能源结构调整过程中已经把DG技术放在了相当重要的位置上。分布式发电具有节能、环保、投资少、占地小的特点, 更重要的是分布式电源应对高峰期电力负荷比集中供电更加经济、有效。是集中供电有益的补充。目前, 随着我国燃料结构的变化、高峰期电力负荷越来越大, 有必要加快发展分布式电源, 优化供电模式，保障供电安全。另外从可持续发展和降低环境污染观点看, 分布式发电技术也是我国的必然选择。目前, 大电网与分布式发电相结合被世界许多能源、电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式, 是21 世纪电力工业的发展方向。近年来, 对新型分布式

4、发电技术的研究取得了突破性的进展, 分布式发电有望在电能生产中占有越来越大的比重, 并对电力系统产生重大的影响。日本的经验是分布式电源的发电量在用户总用电量的25 % 33 % 之间,美国电力科学研究院( EPRI) 研究表明, 到2010 年, 全球25 %的电能由小于2MW 的DG装置提供, 并且DG 所占市场份额将达到20%3。截至2009年底，国家电网公司经营范围内接入35kV以下配电网的分布式电源总装机容量4593.4万千瓦，总发电量1422亿千瓦时。截止今年3月，国家电网公司经营范围内在建和运行的用户侧光伏发电项目共65个，装机容量42.78万千瓦，年发电量5.3亿千瓦时。发展势头

5、较快北京、上海、广州等规划建设了几十座分布式能源冷热电联供系统，用于医院、机场、商业中心等场合。根据发改委可再生能源中长期发展规划，至2020年，美国太阳能光伏发电将占发电装机增量的15%左右；欧盟国家可再生能源发电量将占总量的30%；我国太阳能发电180万千瓦；生物质能3000万千瓦4。国内风力发电机主要包括永磁直驱风机和双馈风机两种。两者的最大区别在于不同的传动、发电结构。以下通过分析风机的主要结构特性来比较两者的优劣势：特性 永磁直驱式和 双馈式风机比较 分析 电网兼容性 永磁直驱风机更强， 永磁直驱风机具备较强电容补偿、低电压穿越能力，对电网冲击小 维护成本 永磁直驱风机更低 永磁直驱

6、风机省去齿轮箱维修费用 空气动力学性能 永磁直驱式受风速限制较小 永磁直驱风机通过电磁感应原理发电，在额定的低转速下输出功率较大、效率较高 噪音 永磁直驱风机噪音更低 永磁直驱风机省去了齿轮箱，噪音低 效率 永磁直驱风机效率更高，发电效率平均提高5-10% 双馈式风机支持齿轮箱工作，本身也耗电 运输难度 永磁直驱风机运输难度更大 永磁直驱风机体积较大，运输难度更大 电控要求 永磁直驱风机要求更高 永磁直驱风机省去齿轮箱，全功率逆变 改进空间 永磁直驱风机改进空间更大 永磁直驱风机技术较新，电子化程度高 相较于双馈式电机，永磁直驱风机更能适应低风速，且能耗较少、后续维护成本低。此外，永磁直驱风机

7、的应用对于我国具有更加重要的意义，我国低风速的三类风区占到全部风能资源的50%左右，更适合使用永磁直驱式风电机组。 综合来看，永磁直驱风机将是我国风力发电机未来发展趋势。 我国企业拥有直驱风机的自主知识产权，结合关于风电建设管理有关要求的通知中风机国产化率要求及我国风机应用领域逐步扩展至低风速区域的要求，我们预计，我国永磁直驱风机占全国新增风机的比例不断提高。预计至2014年，我国永磁直驱风机产量将达到4,000台，占2014年新增风机总量53%，其中1.5兆瓦永磁直驱风机和2.5兆瓦永磁直驱风机各占50%。三、 研究内容及技术路线1. 预计达到的目标1) 了解配电网无功补偿、分布式发电的基本

8、原理；2) 分析并得出分布式电源的无功特性；3) 研究含分布式电源的配电网无功补偿方法；4) 仿真分析。2. 关键理论和技术1) 无功补偿原理在交流电路中，由电源供给负载率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。无功补偿的道理就是将同一电路中的电感电流与电容电流方向互差180 ，可采用一定比例安装特定的电容元件，实现通过电磁元件中的电路达到相互抵消电流，电流矢量与电压矢量的夹角缩小，从而能显著提高电能作功1。2) 静止无功补偿（SVC）技术SVC（Static Var Compensato

9、r）静止无功补偿器，其静止是相对于发电机、调相机等旋转设备而言的。它可快速改变其发出的无功，具有较强的无功调节能力，可为电力系统提供动态无功电源、调节系统电压，当系统电压较低、重负荷时能输出容性无功；当系统电压较高、轻负荷时能输出感性无功，将供电电压补偿到一个合理水平。SVC通过动态调节无功出力，抑制波动冲击负荷运行时引起的母线电压变化，有利于暂态电压恢复，提高系统电压稳定水平。3) 无功补偿技术 无功补偿技术原则：无功补偿应尽量分层(按电压等级)和分区(按地区)补偿，就地平衡，避免无功电力长途输送与越级传输。电力网无功功率消耗的状况得出，各级低压配电网的网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功

10、功率，无功补偿设备的配置按照“分级补偿，就地平衡”的原则能最大限度地减少传输损耗，提高输配电设备的效率。 配电网无功补偿的主要方式有五种：变电站补偿、配电线路补偿、随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。无功补偿通常采用的方法主要有以下几种。a. 低压就地无功补偿根据用电设备无功的产生量将单台或多台低压电容器组并连用电设备，通过控制、保护装置与电机同时投切。从源头上转化了无功能量，减少大量的线路损耗能量，提高配变利用率，降低了视在功率；无功补偿与用电设备同进同退；单个设备、占位小、安装容易，真实有效地减少大量的视在功率，节电（节能）效果显著，但是一次性投资金额较大，对自动补偿控制器的响应要求高，不易测量

11、单机节电效果。b. 低压集中、分组无功补偿将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根据低压母线上的无功负荷直接控制电容器的投切。低压集中、分组补偿，仅能补偿无功能量对变压器的“涡流效应”引起的配变利用率过低，在一定程度上提高配变利用率；同时对无功能量起到阻隔作用，防止无功能量闯入上一级电网造成电压的波动，降低网损。低压集中无功补偿，企业投资大而收益少，主要起到的是对低压侧无功的阻隔作用，对上游电网的贡献大，社会效益大，而企业节约电费的收益非常有限。c. 并联电容器组并联电容器组直接装在变电所的610 kV 中压母线上的中压集中无功补偿方式：当用户远

12、离变电所或在供电线路的末端，用户本身又处于一定的高压负荷时，能减少对电力系统无功消耗，起到一定的补偿作用；补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，对无功能量起到阻隔作用，防止无功能量闯入上一级电网造成电压的波动，降低网损，保护上游电网。同时便于运行维护，社会效益巨大。4) 无功补偿算法无功补偿问题就是找出电容最优补偿位置及容量的问题, 它是一个在满足约束条件下求目标函数极值的复杂非线性问题。因目标函数与约束条件的非线性、控制变量的离散性与连续性相混合等特点,其问题的关键集中在对非线性函数的处理、算法的收敛上和如何解决离散变量的问题。其经典数学模型为:其中f (x , u

13、) 为目标函数, 目标函数一般有2 种考虑角度: 不计无功补偿设备的费用, 以系统网损最小为主要目的; 以系统运行最优为目标函数, 它计及了系统由于补偿后减少的网损费用和添加补偿设备的费用。用状态变量 表示配电系统的状态, 包括除平衡节点外其它所有节点的电压相角、除发电机或具有无功补偿设备的节点的电压模值, 变量u 表示无功补偿的容量与位置。鉴于无功补偿一般化的数学模型, 研究工作主要集中在改善计算收敛性能, 减少计算工作量, 提高计算速度及计算结果的精度为目的而提出的各种不同求解算法上。早期最简单的无功补偿算法是由N eagle 和Sam son 提出来的, 假设无功负荷沿线均匀分布, 只考

14、虑支路电流无功部分变化引起损耗减少, 且忽略节点电压变化而得到的2.3 法则, 但是该简单计算方法只对梳状网而非树状网, 因此如何将树状网简化成梳状网, 将会是影响计算结果的关键所在。接着就是各种传统的线性规划法、非线性规划法、混合整数法、动态规划法和规划法衍生的灵敏度分析法, 及围绕这些算法的一些改进完善, 其中较为引人注目的是近几年兴起的一些人工智能方法: 遗传算法、模拟退火法、模糊集合理论等4。 遗传算法(Genet ic A lgo rithm , GA ) 是一种基于自然群体遗传演化机制的高效探索算法, 它是美国M ich igan 大学的J. Ho lland 教授1975 年首先

15、提出来的。它摒弃了传统的搜索方式, 模拟自然界生物进化过程, 采用人工进化的方式对目标空间进行随机化搜索。它将问题域中的可能解看作是群体的一个个体或染色体, 并将每一个体编码成符号串形式,模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程, 对群体反复进行基于遗传学的操作(选择、交叉和变异) , 根据预定的目标适应度函数对每个个体进行评价, 依据“适者生存, 优胜劣汰”的进化规则, 不断得到更优的群体, 同时以全局并行搜索方式来搜索优化群体中的最优个体, 求得满足要求的最优解。5) 瞬时无功功率理论瞬时无功功率理论主要是解决如何快速计算无功功率, 从而对其进行快速补偿。在只考虑三相三线制的情况下,

16、将三相电压和电流变换为、分量:根据式(1) 和式( 2) 定义瞬时有功功率和瞬时无功功率为6) 分布式电源无功特性DG可以通过励磁调节或移相装置来控制输出的无功功率，而传统的配电网也会采用电容器投切的方法来跟踪系统的无功变化，如果不能协调DG的无功调节和配电网电容器投切操作，就会出现争抢调节现象。光伏、风力发电及燃料电池等以电力电子装置作为并网接口的分布式发电装置，能够迅速跟随系统的负荷变化，快速精确的调节系统的无功输出，但是无功容量较小；而配电网通过电容器投切进行无功补偿，无功容量较大，但是调节精度受到限制。两类无功调节之间有极强的互补性，如果能协调控制两类补偿，就能有效地改善系统无功补偿效

17、果，提高电能质量。5本次毕业设计将分布式电源的研究建立在风机的模型上，选取表1中的一种风机进行深入研究。定桨定速异步风机变桨变速双馈风机变桨宽调速永磁直驱风机有功控制停机方式控制可以调节可以调节无功控制不能能够调节无功无功调节能力强，具备一定的电压调节能力表1 三种风机的调节特性3. 完成课题的方案及主要措施首先熟练掌握配电网的无功补偿技术，以简单配电网为模型进行仿真。然后将风机的无功特性和配电网结合，建立含分布式电源配电网的模型。针对此模型，设计电网的无功补偿，包括静态补偿和动态补偿。仿真运行，得到目标函数。四、 研究计划1. 外文翻译和开题报告（1-3周） 查找与含分布式电源配电网无功补偿相关的中英文文献学习，对这方面知识予以了解和掌握2. 分析分布式电源的无功特性（3-7周）主要研究风机（异步风机、直驱风机和双馈风机）3. 研究无功补偿方法（6-11周）了解传统配电网的无功补偿方法，结合分布式电源的无功特性，研究改进方案，建立目标函数。4. 仿真分析（10-15周）主要建立在Matlab软件上，利用Simpowersystem 模块65. 论文撰写与答辩（15-17周） 五