含分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)三相潮流算法研究

張 琦

( 國網(wǎng)湖北省電力公司 恩施供電公司，湖北 恩施445000)

普通電力機(jī)組的潮流計算，一般采取PQ 或PV 節(jié)點(diǎn)以及平衡節(jié)點(diǎn)這是常規(guī)發(fā)電機(jī);分布式電源一般也需要充分考慮到這一點(diǎn)但還需要考慮分布式電源的控制功能和運(yùn)行方式［1－2］．

1 分布式電源潮流計算的數(shù)學(xué)模型

1．1 燃料電池

燃料電池是一種基于電化學(xué)反應(yīng)的新型能源裝置，為了適應(yīng)高壓和大功率的需要，通常使用燃料電池堆產(chǎn)生較高的電壓和較大的功率．一般而言，其交流輸出電壓和輸出功率其可以表示如下［3］:

式中:Vac為逆變器輸出的交流電壓;m為逆變器的調(diào)制度;VFc為燃料電池輸出的直流電壓;σ 為逆變器交流電壓的相角;Pac是逆變器交流側(cè)的輸出功率;Vs是電網(wǎng)的終端電壓;X為負(fù)載的阻抗．

假設(shè)逆變器沒有能量損耗，存在:

根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)，推得:

由式(2)～(4)可得:

若角度不是很大的情況下，sin(σ)?σ，式(5)可寫成:

式中;u為氫氣的利用率;F為常數(shù);qH2為氫氣的流量;N0為燃料電池的并聯(lián)數(shù)．

綜上可得，σ 可由qH2控制，控制σ 可以控制燃料電池所輸出的有功功率;與此同時，交流側(cè)輸出的電壓可以通過PCU調(diào)節(jié)m來控制．根據(jù)潮流計算的要求和特點(diǎn)，通常把燃料電池當(dāng)作PV節(jié)點(diǎn)．

若最小功率因數(shù)為ρmin，且逆變器輸出為額定有功功率PN，則其最大容量為:Smax=PN/ρmin．此時逆變器的最大無功功率為:

正常運(yùn)行時，如果燃料電池發(fā)電不需從系統(tǒng)吸收無功功率，則Q=0;如果燃料電池并網(wǎng)發(fā)電的節(jié)點(diǎn)無功功率超過門限值，則可以看作是一個PQ 節(jié)點(diǎn)［4］．

1．2 光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池

由于光伏并網(wǎng)發(fā)電的逆變器輸出的電能是和電網(wǎng)電壓同相同頻的正弦電流，且功率因數(shù)是等于1 的，以此可以把光伏發(fā)電系統(tǒng)看成是向電網(wǎng)輸入能量的負(fù)荷，即為平衡節(jié)點(diǎn)．

蓄電池的控制方法與光伏發(fā)電系統(tǒng)基本相同，區(qū)別在于是蓄電池既可以當(dāng)作電網(wǎng)的電源又可以看作是電網(wǎng)的負(fù)載［5］．當(dāng)逆變器工作在整流狀態(tài)時，電網(wǎng)向蓄電池充電;當(dāng)逆變器工作在逆變狀態(tài)時，蓄電池向電網(wǎng)回饋能量．蓄電池在潮流計算中被視作I 節(jié)點(diǎn)．

1．3 同步發(fā)電機(jī)與異步發(fā)電機(jī)組

1)同步發(fā)電機(jī)．發(fā)電機(jī)通過機(jī)端提供的無功功率、功率因數(shù)和其它參數(shù)來控制同步發(fā)電機(jī)的勵磁控制系統(tǒng)．勵磁調(diào)節(jié)器控制模式:恒定無功功率調(diào)節(jié)、恒定功率因數(shù)調(diào)節(jié)、自動電壓調(diào)整(AVR)．

2)異步發(fā)電機(jī)．由于異步發(fā)電機(jī)的特殊性，潮流計算時不能簡單將其歸結(jié)為PQ 節(jié)點(diǎn)或PV 節(jié)點(diǎn)．當(dāng)有功一定時，發(fā)電機(jī)的無功與電壓的變化是有關(guān)的．一般在潮流計算中作為P－Q(V)節(jié)點(diǎn)處理．

1．4 微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)功率是相對比較小的，其速度可通過控制功率因數(shù)角和有源功率輸出進(jìn)行控制．微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出三相變頻變壓的交流電，然后通過電力電子設(shè)備將其轉(zhuǎn)換為恒壓、恒頻，向其負(fù)荷供電．因此，一般將微型燃?xì)廨啓C(jī)當(dāng)作PV 平衡節(jié)點(diǎn)．

1．5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

目前，雙反饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)交流勵磁變速恒頻控制．運(yùn)行的控制策略包括四個區(qū)域的啟動子區(qū)域，風(fēng)力追蹤區(qū)域，速度恒定區(qū)，功率的恒定區(qū)．功率控制是解耦的功率流控制，使之與電網(wǎng)電壓的頻率、幅度和相位來抑制柵極電流的影響是一致的．當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制和雙反饋風(fēng)力渦輪機(jī)脫網(wǎng)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時，定子電流為零(無電源輸出);當(dāng)雙反饋風(fēng)力渦輪機(jī)的定子電壓和電網(wǎng)電壓是相同的，雙反饋風(fēng)力渦輪機(jī)的離網(wǎng)和并網(wǎng)負(fù)荷運(yùn)行，但之后的輸出功率為零(和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載操作)運(yùn)行的情況下是相同的，因此可以考慮電網(wǎng)控制的一種特殊情況是解耦控制(P=0，Q=0)．故此把潮流計算當(dāng)作PQ節(jié)點(diǎn)處理．

2 含有分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)的潮流算法步驟

根據(jù)分布式電源的特點(diǎn)以及算法的要求，具體計算過程中采用節(jié)點(diǎn)類型分類處理的原理．具體分類為:PQ節(jié)點(diǎn):同步直驅(qū)風(fēng)機(jī)和雙反饋型風(fēng)機(jī);PV節(jié)點(diǎn):微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池;I節(jié)點(diǎn):光伏發(fā)電系統(tǒng)以及蓄電池;P－Q(V)節(jié)點(diǎn):定速的異步風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及燃料電池、蓄電池．計算步驟如下:

1)在數(shù)據(jù)庫中讀取原始數(shù)據(jù)，找出功率點(diǎn)，構(gòu)建回路阻抗矩陣;

2)通過電網(wǎng)電壓、電源點(diǎn)的電壓來初始化所有的子節(jié)點(diǎn);

3)計算注入電流;

4)兩個迭代校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)之間的電壓變化量:例如，滿足設(shè)定條件的時候收斂循環(huán)結(jié)束，否則，返回到步驟3)中，并進(jìn)行到下一個周期;

5)計算開環(huán)點(diǎn)的電壓及其差值，計算功率偏差，將偏差功率疊加到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上．檢查節(jié)點(diǎn)之間的電壓差，若滿足收斂條件，則循環(huán)的外端，否則返回到步驟2);

6)計算結(jié)束．

3 算例分析

3．1 算例介紹

建立母線，變壓器，接觸開關(guān)，接線，PQ節(jié)點(diǎn)，PV節(jié)點(diǎn)，I節(jié)點(diǎn)和PQ(V)節(jié)點(diǎn)和其他類，包括建立環(huán)網(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)薄弱的前分布式電源推回代三相潮流算法程序．以IEEE 33 節(jié)點(diǎn)算例為基礎(chǔ)，用VC++編制程序驗(yàn)證了所選模型和算法．為了對弱環(huán)三相配電網(wǎng)接入分布式電源后性能的進(jìn)行分析，共9 個方案設(shè)定．具體如表1，方案制定考慮以下幾種情況:

1)沒有分布式電源的常規(guī)網(wǎng)絡(luò):方案1;

2)含有單個分布式電網(wǎng)的高壓側(cè)，該方案包括多種類型的節(jié)點(diǎn):方案2，3，4;

3)高壓側(cè)分布式電源的綜合:方案5;

4)含有的分布式電源網(wǎng)絡(luò)的單一的低壓側(cè)，該方案包括各種類型的節(jié)點(diǎn):方案6，7，8，9．

表1 分布式電源接入弱環(huán)三相配電網(wǎng)方案Tab．1 Distributed power grid access weak ring three match program

圖1 是接入分布式電源后的網(wǎng)路接線圖．

3．2 結(jié)果及分析

表2 為各方案所需的內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)的迭代次數(shù)．

圖1 含分布式電源的配電網(wǎng)Fig．1 Containing distributed power distribution network

表2 潮流計算結(jié)果迭代次數(shù)Tab．NO．2 Results iterations flow calculation

從表2 可以得出:方案8 和方案1 比較迭代次數(shù)并未明顯增加;方案5、方案7 和方案8 的迭代次數(shù)差不多．從而說明本文所提出的算法對于含多分布式電源電網(wǎng)的潮流計算是有效的，迭代次數(shù)并沒增加．比較方案6 和方案7 可明顯得到該算法可以處理非對稱電源，網(wǎng)絡(luò)本身是一個對稱三相電源和三相不平衡分支參數(shù)不對稱負(fù)載，在這本文中每個方案都存在環(huán)網(wǎng)，該算法可以極好的處理相位不對稱和弱環(huán)網(wǎng)．

4 結(jié)論

考慮環(huán)網(wǎng)問題和配電網(wǎng)三相參數(shù)不平衡，給變壓器、電容器、出線路、負(fù)荷具體的三相模型，對于含有多種分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)的三相潮流算法，本文所提出的方法是有效的．

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［7］ Yi B L． Fuel cells－Principle，technologies and applications［M］． Beijing:Chemical Industry Press，2003:25－28．

［8］ 王成山，鄭海峰，謝瑩華，等．計及分布式發(fā)電的配電系統(tǒng)隨機(jī)潮流計算［J］．電力系統(tǒng)自動化，2005，29(24):39－44．