含分布式風(fēng)電和儲能的配網(wǎng)潮流計算方法研究

吳 彤，陳洪濤，趙建明，李國慶

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司松原供電公司，吉林松原138000)

隨著分布式風(fēng)電電源和儲能裝置在電網(wǎng)中滲透率的增加，使得配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的輻射狀網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫垂╇娔Ｊ剑M而改變了配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行模式，這無疑會對配電網(wǎng)的電壓分布、潮流走向等方面產(chǎn)生影響［1－3］。由于傳統(tǒng)潮流計算算法無法對分布式電源進行處理，國內(nèi)外研究學(xué)者開始著手研究更高效、實用的方法來滿足復(fù)雜配電網(wǎng)快速計算和分析的需求。

文獻［4］提出了一種基于回路分析法的簡化潮流計算方法，將回路電壓方程轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程進行求解;文獻［5］對網(wǎng)絡(luò)中PV節(jié)點進行優(yōu)化，進而提高潮流計算效率;文獻［6］采用改進的前推回代法進行含分布式電源的配電網(wǎng)潮流計算。這些計算方法都是對傳統(tǒng)的潮流算法進行改進，使其能夠更好的滿足電網(wǎng)發(fā)展的需求，但在計算過程中都忽略了儲能裝置對潮流計算結(jié)果的影響。

為此，本文提出了一種簡化實用的潮流計算方法，在綜合考慮風(fēng)電隨機性和儲能裝置雙向潮流特性的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)潮流計算方法加以改進，使潮流計算的迭代次數(shù)更少，收斂效果更好。

1 風(fēng)力發(fā)電機隨機出力模型

1.1 風(fēng)力發(fā)電機模型

目前風(fēng)速模型普遍采用Weibull分布，其概率密度函數(shù)為

式中:v為風(fēng)速;α為形狀參數(shù);β為尺度參數(shù)。

風(fēng)力發(fā)電機的出力與風(fēng)速的關(guān)系基本服從圖1所示的出力曲線。圖中:vci為切入風(fēng)速;vr為額定風(fēng)速;vco為切出風(fēng)速;Pr為風(fēng)機額定輸出功率。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機出力與風(fēng)速關(guān)系曲線

如采用異步發(fā)電機，則風(fēng)力發(fā)電機的簡化等值電路如圖2所示。由圖中關(guān)系可推導(dǎo)出風(fēng)力發(fā)電機的機端電壓表達式和無功功率表達式。

式中:R2為轉(zhuǎn)子電阻;X為定、轉(zhuǎn)子電抗之和;Xm為勵磁電抗;Xc為機端補償電容電抗;s為轉(zhuǎn)差率。

在風(fēng)速一定的條件下，風(fēng)力發(fā)電機的有功出力可視為固定值，則風(fēng)力發(fā)電機的無功輸出僅與轉(zhuǎn)差率和機端電壓有關(guān)。根據(jù)公式(2)和公式(3)消去轉(zhuǎn)差率s即可得出無功與電壓的關(guān)系Q=f(U)為:

式中，各變量含義與公式(2)－(3)中所給出的變量含義相同。

圖2 異步發(fā)電機簡化等值電路

1.2 風(fēng)機出力概率分布情況

將風(fēng)速概率密度函數(shù)帶入風(fēng)機出力表達式即可得到風(fēng)機出力Pw的概率表達式［7］。

(1)Pw=0時，0 ＜ v≤vci∪v＞vco。

則有零出力情況下風(fēng)機出力概率為:

(2)0＜Pw＜Pr時vci＜v＜vr，第k段概率為

概率密度函數(shù)可由式(7)得到

欠出力離散段風(fēng)機出力Pk采用該段有功出力的中間值，即期望值。

(3)Pw=Pr時，vr＜ v≤ vco。

在式(4)－(8)中，v為風(fēng)速;α為形狀參數(shù);β為尺度參數(shù);vci為切入風(fēng)速;vr為額定風(fēng)速;vco為切出風(fēng)速;Pr為風(fēng)機額定輸出功率。

2 潮流計算中風(fēng)機和儲能節(jié)點的處理

2.1 潮流計算中風(fēng)機節(jié)點的處理

由于異步風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)點無功需同時滿足公式(4)和潮流方程，如果只將其處理成一個簡單的PQ節(jié)點進行潮流計算會與實際情況相差較大。為此，本文采用如下處理方法將風(fēng)機出力看成一個輸出無功隨電壓變化的PQ(V)節(jié)點，方法如下:

對于雙饋式和直驅(qū)式風(fēng)機，由于其機組電壓相對穩(wěn)定且對系統(tǒng)無功需求較小，故在潮流計算中可將其視為PV節(jié)點。

2.2 潮流計算中儲能節(jié)點的處理

對于儲能裝置在電網(wǎng)中既可作為負載儲存電能，又可以作為分布式電源向電網(wǎng)供電。當(dāng)工作在整流狀態(tài)時，儲能裝置處于充電狀態(tài)，能量從電網(wǎng)側(cè)流向直流側(cè);當(dāng)工作在逆變狀態(tài)時，儲能裝置處于放電狀態(tài)，將直流側(cè)的能量回饋給電網(wǎng)。當(dāng)儲能裝置采用電流型逆變器時，做PI節(jié)點處理;采用電壓控制逆變器時，做PV節(jié)點處理，本文所采用的儲能裝置選用電壓控制逆變器。［8－10］

另外，由于儲能裝置容量受限，不可能一直處于充電或者放電狀態(tài)，故需要相應(yīng)的控制策略來實現(xiàn)其自動充放電功能。

2.3 儲能裝置控制策略

為確保電網(wǎng)能夠穩(wěn)定、可靠運行，儲能裝置必須依照一定的控制策略進行充放電。本文儲能裝置控制策略的數(shù)學(xué)模型如下:

式中:P(t－1)為風(fēng)力發(fā)電機在t－1時刻平抑后的輸出的功率;Pmax(t)、P(t)分別為t時刻輸出的最大輸出功率和平抑后的值;Pess(t)為儲能裝置的充放電功率;S、λ分別為裝機容量和允許的輸出功率的最大變化率。若Pess(t)＞0，則儲能裝置放電;若Pess(t)＜0，則儲能裝置充電。

也就是說，當(dāng)風(fēng)電輸出的有功功率波動值大于其允許的最大波動值時，系統(tǒng)中會有能量剩余，此時將多余的能量送至儲能裝置進行充電，當(dāng)儲能裝置充滿后，停止充電，剩余的有功功率按照能源不浪費原則輸出;當(dāng)風(fēng)電輸出的有功功率波動值小于其允許的最小波動值時，系統(tǒng)中會產(chǎn)生功率缺額，此時儲能裝置進行放電，當(dāng)儲能裝置電量放盡后，下一時刻開始不再放電。

3 潮流算法的實現(xiàn)

(1)讀取原始數(shù)據(jù)，設(shè)定電壓初始值。

(2)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電出力的概率分布和儲能裝置的控制策略確定系統(tǒng)最具代表性時刻，以此時刻下風(fēng)機出力和儲能裝置的帶電狀態(tài)為初始狀態(tài)。

(3)判定系統(tǒng)中節(jié)點類型，將風(fēng)力發(fā)電機節(jié)點轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點，將儲能節(jié)點轉(zhuǎn)化為PV節(jié)點，判斷儲能節(jié)點是否存在無功越限的情況。若出現(xiàn)無功越限，將儲能節(jié)點轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點參與潮流計算;若無功沒有越限，將儲能節(jié)點以PV節(jié)點參與潮流計算。

(4)由線路末端電流和功率前推計算各節(jié)點電流、功率。

(5)以平衡節(jié)點電壓回代計算線路末端節(jié)點電壓。

(6)計算系統(tǒng)中PV節(jié)點相鄰兩次迭代電壓的差值，若滿足精度，則結(jié)束潮流計算。

4 仿真驗證

4.1 系統(tǒng)基本資料

本文在Matlab環(huán)境下進行程序編譯來實現(xiàn)文中所提出的潮流計算方法，并采用PSAT(Power System Analysis Toolbox)搭建仿真模型，通過潮流計算結(jié)果對比來驗證本文所提算法的有效性。

以IEEE33節(jié)點系統(tǒng)為例，系統(tǒng)電壓基準(zhǔn)值為12.66 kV，視在功率基準(zhǔn)值為10 MVA。系統(tǒng)中包含4臺額定功率為300 kW的風(fēng)機和一額定容量為480 kW·h的儲能蓄電池。其中1節(jié)點為平衡節(jié)點，風(fēng)機接入節(jié)點分別為7節(jié)點、14節(jié)點、25節(jié)點和32節(jié)點，儲能接入節(jié)點為11節(jié)點。仿真模型如圖3所示:

圖3 IEEE33節(jié)點測試系統(tǒng)仿真模型

其中，風(fēng)機的額定電壓為0.69 kV，經(jīng)0.69/12.66變壓器與配電網(wǎng)相連，儲能裝置初始化處理為恒定PV節(jié)點，但同時受控制策略限制其進行充放電。

4.2 仿真計算結(jié)果

采用Matlab編程進行計算，將計算所得結(jié)果與PSAT潮流計算結(jié)果進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 Matlab編程與PSAT仿真結(jié)果對比

由表1中數(shù)據(jù)對比可以看出，經(jīng)Matlab編程求得的各節(jié)點電壓與PSAT仿真模型求得的節(jié)點電壓基本相同，且誤差在允許范圍內(nèi)。說明本文提出的潮流計算方法可以有效的對含分布式風(fēng)電和儲能裝置的配電網(wǎng)進行潮流計算。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)風(fēng)機出力特性和儲能裝置的雙向潮流特性，提出了一種簡化的潮流計算方法，用于解決傳統(tǒng)潮流計算方法不能處理分布式風(fēng)電和儲能裝置的問題。采用Matlab編程來實現(xiàn)本文所提出的潮流計算方法，并以PSAT工具箱計算的結(jié)果進行對比，結(jié)果表明，本文所提出的潮流計算方法可以有效對含分布式風(fēng)電和儲能裝置的配電網(wǎng)進行潮流計算。

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