含分布式电源的三相不平衡配电网潮流计算

1、第33卷第3期电网技术V ol. 33 No. 3 2009年2月Power System Technology Feb. 2009文章编号:1000-3673(200903-0094-05 中图分类号:TM744;TM91 文献标志码:A 学科代码:470·4051含分布式电源的三相不平衡配电网潮流计算赵晶晶,李新,许中(输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学,重庆市沙坪坝区 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:根据配电网三相不平衡的实际情况,为准确计算各种分布式电源(distributed generation,DG并入配电网后的潮流问题,文章基于前推回代法,提出了可处理PV和PQ节点模型DG的三相不平衡潮流算法。按照配电网拓扑结构,利用支路分层技术,加快了潮流计算速度。在处理PV节点模型DG时,将电压正序分量幅值作为电压调节参数,计算电压正序分量幅值和额定电压幅值差,得到PV节点的无功补偿量,将DG由PV节点运行模型转换为PQ节点运行模型。IEEE 34节点系统算例结果验证了该算法的正确性。最后,通过分析DG对电压的调节和无功补偿能力,研究

8、了不同类型DG对配电网电压的影响。关键词:分布式电源;配电网;三相不平衡潮流;电力系统0 引言近年来,风能、太阳能、燃料电池、热电联产等形式的分布式电源(distributed generation,DG作为综合利用现有资源的理想方式1-8,日益受到电能部门和研究人员的关注。DG通过在负荷端附近建立小规模电源,采用与大电网相结合的供电模式,可缓解传统发电模式产生的电能质量、可靠性、环境保护等诸多问题。随着DG并入配电网数量逐渐增多,配电网由单电源模式变为多电源模式。传统的配电网潮流算法因未考虑各种形式的DG并网而不再满足要求,研究涉及DG影响的潮流算法尤为重要。通常,配电网存在三相支路参数不对

9、称和三相负荷不平衡结构特性。配电网中的负荷可按三相和单相方式连接,三相连接可分为星形和三角形方式,单相连接可分为线到地和线间方式等,所以配电网的潮流计算应考虑三相不平衡情况。根据DG接入配电网的方式,DG在潮流计算中可作为PQ或PV节点处理。目前三相不平衡配电网潮流计算中都未考虑处理PV节点类型DG的方法,DG 并网后对配电网电压、网损等影响的分析也建立在潮流计算的基础上9-10,因此,提出一种可处理多个PQ和PV节点类型DG同时接入配电网的三相不平衡潮流计算方法十分必要。目前关于含DG的配电网潮流计算的研究并不多11-15:文献13介绍了DG与电网互联的3种常见接口类型,提出了基于第33卷第

10、3期电网技术 95灵敏度补偿的配电网潮流中PV节点的计算方法,但未计及配电网的三相不平衡潮流计算问题;文献14提出了基于牛顿法能处理各种DG的配电网三相潮流计算方法,但由于配电网辐射状结构导致R/X值较大,配电网为病态,因此牛顿法在配电网中存在收敛困难的问题;文献15提出了一种基于叠加原理求解少环配电网三相潮流的方法,但不能解决各种DG接入配电网后的潮流计算问题;文献10研究了DG接入放射式配电网络前后负荷节点电压的变化,但只分析了接入PQ类型DG的情况,对PV类型DG未加以考虑。本文首先根据配电网的拓扑结构对支路进行分层,无需对节点和支路重新编号排序即可实现前推回代计算,该方法避免了在潮流计

11、算中当节点数量过多时反复对节点编号,加快了潮流计算速度;然后,根据配电网三相不平衡的结构特性,分别对架空线路、三相变压器、并联电容器、负荷、DG 等组件建立数学模型。DG作为PV节点处理时,将电压正序分量幅值作为电压调节参数,计算电压正序分量幅值和额定电压幅值差,得到PV节点无功补偿量,将DG由PV节点运行模型转换为PQ节点运行模型进行计算。采用IEEE 34节点系统作为算例,验证了该算法的正确性,并研究了不同类型DG对配电网电压的影响。1 算法研究1.1 概述配电网通常为环网结构,开环运行,正常运行时呈辐射状。配电线路的R/X较大,无法满足P、Q 解耦条件,所以在输电网中常用的快速解耦法和牛

12、顿法在配电网中难以收敛。本文根据配电网辐射状的特点,采用前推回代法16,该算法利用线性潮流方程,其收敛阶数为一阶线性,具有计算效率高、收敛性好的优点。由于配电网三相支路参数不对称和三相负荷不平衡的结构特性,配电网潮流应考虑三相计算。1.2 网络层次结构本文根据配电网辐射状结构,列出节点、支路间的关联矩阵,对支路进行分层,无需对节点和支路重新编号排序。该方法避免了广度优先搜索编号方法17在节点数量过多时反复对节点编号的不便,加快了潮流计算速度。本文以11节点的辐射状网络为例,如图1所示。1439572610 118图1 11节点辐射状网络Fig. 1 11-node radial network

13、可见,该网络可从下至上分为3层结构。为确定支路之间的层次关系,需要建立2个关联矩阵:1节点支路关联矩阵A。A为11×10阶矩阵,其每一行对应一个节点,每一列对应一条支路,其元素a ij为1,0,ijj iaj i=第条支路与第个节点相关联第条支路与第个节点无关联每条支路与2个节点相关联,其方向必定离开一个节点,指向另一个节点,因此,A中的每一列只包含2个非零元素。2支路层次关联矩阵B。B为10×10阶矩阵,B的每一行中非零元素对应一条支路的上层支路,每一列中的非零元素对应一条支路的下层支路,其元素b ij为1,0,ijj ib i jj i=第条支路与第条支路相关联且第条支

14、路为第条支路的下层支路第条支路与第条支路无关联由矩阵B中元素b ij=1可知,第i条支路的上层支路为第j条支路;依此类推可确定辐射状网络的支路层次关系,在无需对节点支路重新编号的情况下即可实现前推回代法的计算。1.3 DG作为PV节点时的处理方法PV节点类型的DG可看作电压控制的电流源。为了保持PV节点类型DG的电压幅值恒定,需要确定合适的无功功率和无功电流注入,因此问题转化为对每个PV类型的DG节点寻找无功注入电流,使每个节点的电压幅值与额定值相等。DG为同步发电机对称运行时只存在正序电流和正序电压。本文通过计算PV节点电压正序分量幅值和额定幅值之差,求出注入PV节点的正序电流幅值,对PV节

15、点进行无功补偿,这样将DG由PV节点运行模型转换为PQ节点运行模型18。具体步骤如下:设定DG初始三相总有功功率P和端电压正序分量幅值U sc为一定值,初始无功功率Q为零。按前文潮流算法,收敛后计算PV节点端电压正序分量幅值和额定电压幅值,判断其差值是否在允许误差范96 赵晶晶等:含分布式电源的三相不平衡配电网潮流计算 V ol. 33 No. 3围内。s c i i i U U U = (1式中:s i U 为第i 个PV 节点额定电压幅值;c i U 为 第i 个PV 节点正序电压幅值。如果幅值差在允许误差范围内,则PV 节点的电压收敛于初始设定值;如果幅值差超过允许的误差范围,则PV 节

16、点通过注入无功电流进行补偿,使电压维持在允许范围内。无功注入正序电流按下式计算:v q v =Z I U (2式中:q I 为无功注入正序电流向量;v Z 为正序灵 敏度阻抗矩阵,其维数等于PV 节点数,对角线元素为各PV 节点到根节点间支路的所有正序阻抗和,非对角线元素为PV 节点i 和PV 节点j 到根节点间相同支路的所有正序阻抗和;v U 为PV 节点正序电压与额定电压幅值差向量。 将各相无功注入电流加到第i 个节点的初始注入电流中,再重新进行潮流计算,检查新的电压幅值差。如果迭代计算中PV 节点DG 的无功注入功率超出规定限额,为保证电源设备的安全运行,应限制无功注入功率为额定最小值或

17、最大值。2 配电网组件数学模型1线路。三相四线制线路的阻抗包括各相线路自阻抗和相间互阻抗。2三相变压器。三相变压器模型如图2所示:并联导纳Y m 代表磁心损耗;串联阻抗Z t 代表泄漏阻抗;U p 表示初级端电压,U s 表示次级电压。 图2 三相变压器模型Fig. 2 Three-phase transformer model3并联电容器。并联电容器在馈线中为Y 型连接的常数阻抗负荷模型。4负荷。负荷在馈线中的连接方式分为节点负荷和分散式负荷。负荷包括三相负荷和单相负荷,三相负荷连接方式有星型连接和三角形连接,单相负荷有线到地连接和线间连接方式。本文负荷模型采用恒定有功和无功的PQ 类型。分

18、散式负荷通常较小并沿馈线分散连接,如果将每个连接点都作为一个节点,馈线中节点数量将过多,不便于计算,为此,本文采用集中参数的表示方法,设定其连接在馈线段的中间,并在计算中将该点作为一个虚拟节点。5DG 。本文采用同步发电机作为接口的DG 模型,稳态运行时的数学模型可建立为PQ 节点类型和PV 节点类型。通常小规模DG 建立为输出功率和功率因数为常数的PQ 节点类型,规模较大的DG 建立为电压为额定值的PV 节点类型。3 算例分析3.1 测试系统本文采用IEEE 34节点系统作为算例。为更有效地分析DG 对配电网电压的影响,去除了测试系统中的电压调节器。IEEE 34节点系统见图3,详细参数见文

19、献19。图3 IEEE 34节点馈线系统Fig. 3 IEEE 34-node feeder power system3.2 系统分析方法为验证所提出算法的正确性,利用Matlab 编制了三相不平衡配电网潮流程序,对IEEE 34节点系统进行计算,收敛精度为104。通过三相线路与测试系统在不同位置连接不同容量和类型的DG ,分析DG 并网后对配电网电压分布的影响。分布式电源的安装位置、容量和类型见表1。表1 DG 安装位置、容量和类型Tab. 1 The location, capacity and type of the DGDG 节点位置 容量 类型 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:*为DG 5的恒定电压幅值。3.3 潮流计算结果及电压变化分析方案1:无DG 接入配电网。系统无DG 接入时,A 相馈线节点电压幅值曲线如图4所示。由图可知,电压幅值降落较大,在部分节点电压偏移超第33卷 第3期电 网 技 术 970 5 10 15 201.00 1.05 0.950.90节点编号电压幅值/p u图4 未接入DG 时节点电压幅值曲线Fig. 4 The feeders volt

21、age magnitude without DG出了允许额定值的±5%。方案2:PQ 类型DG 1DG 4接入配电网。分别在节点860、840、844、848接入PQ 类型DG 1DG 4。接入DG 1DG 4前、后A 相主馈线节点电压幅值曲线如图5所示。对比两曲线可得出,接入DG 1DG 4后,各节点电压有所提高,DG 的接入对系统电压起到支撑作用。0 510 15 201.00 1.05 0.950.90接入前接入后节点编号电压幅值/p u图5 接入DG 1DG 4前、后节点电压幅值曲线Fig. 5 The feeders voltage magnitude before and

22、 after DG 1DG 4 connected方案3:PQ 类型DG 1DG 4、PV 类型DG 5接入配电网。分别在节点860、840、844、848接入PQ 类型DG 1DG 4,在节点828接入PV 类型DG 5,DG 5的初始有功功率为300 kW ,设定节点828初始正序电压幅值为0.995 pu 。DG 5通过对节点828注入无功电流对系统进行电压调节,注入无功总量为709 kvar ,使828节点正序电压幅值由0.986 5 pu 上升到0.994 1 pu ,计算结果与初始正序电压幅值0.995 pu 的误差在103范围内,则满足收敛要求。潮流计算经过3次迭代后收敛。配电系

23、统接入DG 1 DG 5前、后A 相馈线节点电压幅值曲线如图6所示。对比两曲线可得出,接入DG 1DG 5后,各节点电压有所提高,馈线末端电压偏移调整到允许额定值1.00 0 5 10 15 201.050.950.90接入后接入前节点编号电压幅值/p u图6 接入DG 1DG 5前、后节点电压幅值曲线Fig. 6 The feeders voltage magnitude before and after DG 1DG 5 connected的±5%范围内。测试表明,DG 对馈线电压的影响程度取决于DG 输出功率的大小。一定容量的DG 接入配电系统对馈线电压分布起到支撑作用,PV

24、类型DG 可以通过注入或吸收无功来调节电压值,起到电压调节的作用。4 结论1本文解决了DG 并网后形成的的配电网多电源模式潮流计算问题,为含DG 的配电系统自动化控制、优化运行、电能质量分析等提供了可靠、高效的计算工具。该算法弥补了现有潮流算法在处理含DG 配电网时出现的收敛困难的缺陷,并有效解决了PQ 和PV 节点类型DG 同时并网时的潮流计算问题。2DG 接入配电网后对系统电压起到支撑和调节作用,当PV 节点类型DG 接入系统后,通过DG 的电压补偿功能,可对稳定节点电压发挥重要作用。3下一步研究内容是对不能按PQ 或PV 节点模型处理的DG 建立准确的潮流计算数学模型;分析当DG 在配电

25、系统中的渗透率增加时对配电网电压的影响。参考文献1 Ackermann T ,Andersson G ,Soder L .Distributed generation: adefinitionJ.Electric Power System Research ,2001,5(7:195-204. 2 El-Khattam W ,Salama M M A .Distributed generation technologies,definitions and benefitsJ.Electric Power System Research ,2004,7(1:119-128.3 梁有伟,胡志坚,陈

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