交直流混合微電網(wǎng)潮流計算方法的研究

張智翔

摘 要：交直流混合微電網(wǎng)在現(xiàn)代生活已經(jīng)非常普遍，而其潮流計算是電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛、最基本和最重要的一種電氣運算。本文重點講述的是一種微電網(wǎng)潮流計算方法-聯(lián)立求解法，通過對交直流混合微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運行特點的了解，將交流系統(tǒng)節(jié)點電壓的幅值和相角與直流系統(tǒng)的直流電壓、直流電流統(tǒng)一進行迭代求解，對交直流混合微電網(wǎng)潮流計算方法進行研究。最后通過算例計算，聯(lián)立求解法可以合理地反映分布式電源的穩(wěn)態(tài)運行特性，適用于各種交直流混合微電網(wǎng)潮流的計算。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)，潮流計算，聯(lián)立求解法

1 引言

電力系統(tǒng)最基本的計算又是最重要的計算是電力系統(tǒng)潮流計算。論文對傳統(tǒng)的交流電力系統(tǒng)潮流計算方法牛頓拉夫遜法和P-Q分解法做了大概的介紹。講述了一種潮流計算方法即聯(lián)立求解法，它是將交流系統(tǒng)節(jié)點電壓的幅值和相角與直流系統(tǒng)的直流電壓、直流電流、換流器的變比、換流器的功率因數(shù)以及換流器功率角統(tǒng)一進行迭代求解。借助對交直流系統(tǒng)分界面中換流器理想化處理，將直流系統(tǒng)等效為注入交流系統(tǒng)的功率，這就把交直流電力系統(tǒng)的潮流計算問題簡化為具有同樣交流節(jié)點個數(shù)并求同樣狀態(tài)量即節(jié)點電壓的幅值和相位的一個純交流系統(tǒng)的潮流計算問題。可以應(yīng)用純交流系統(tǒng)潮流計算中非常成熟的牛頓—拉夫遜法和P—Q分解法進行求解。直流系統(tǒng)中各變量的求解則可在迭代收斂后與求交流線路功率一起求出。聯(lián)立求解法具有良好的收斂特性。

2 微電網(wǎng)

微電網(wǎng)（Micro-Grid）亦可稱為微網(wǎng)，新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一種，由微電源、負(fù)荷、儲能系統(tǒng)和控制裝置組成。自我控制、保護和管理都可通過微電網(wǎng)實現(xiàn)，有兩種運行方式，一種是與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，另一種是孤立運行。多個分布式電源及其相關(guān)負(fù)載按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的網(wǎng)絡(luò)，并通過靜態(tài)開關(guān)關(guān)聯(lián)至常規(guī)電網(wǎng)，這樣就組成了微電網(wǎng)。 微電網(wǎng)的發(fā)展有利于分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，負(fù)荷多種能源形式的高可靠供給得到實現(xiàn)，是一種有效方式來實現(xiàn)主動配電網(wǎng)，是一種向智能電網(wǎng)的過渡。燃?xì)廨啓C、風(fēng)電、光伏發(fā)電、燃料電池、儲能設(shè)備等組合，直接接在用戶側(cè)[2]。

3. 潮流計算方法

3.1 牛頓-拉夫遜法

60年代中期，基于導(dǎo)納矩陣的牛頓—拉夫遜法。牛頓一拉夫遜法（簡稱牛頓法）是數(shù)學(xué)中解決非線性方程式的典型方法，有較好的收斂性。在解決電力系統(tǒng)潮流計算問題時，是以導(dǎo)納矩陣為基礎(chǔ)的， 因此，只要我們能在迭代過程中盡可能保持方程式系數(shù)矩陣的稀疏性，就可以大大提高牛頓法潮流程序的效率。自從60年代中后期，在牛頓法中利用了最佳順序消去法以后，牛頓法在收斂性、內(nèi)存要求、速度方面都超過了阻抗法，成為60年代末期以后廣泛采用的優(yōu)秀方法。牛拉法的要點是把非線性方程式的求解過程變成反復(fù)地求解線性的修正方程式過程，即通常所稱的逐次線性化過程。

已知一個變量X的函數(shù)為：

解此方程式時，由適當(dāng)?shù)慕浦礨（0）出發(fā)，根據(jù)反復(fù)進行計算，當(dāng)X（n）滿足適當(dāng)?shù)氖諗颗卸l件時。這樣的方法就是所謂的牛頓-拉夫遜法。

3.2P-Q分解法

70年代中期，PQ分解法。由于交流高壓電網(wǎng)中輸電線路等元件的R<

3.3聯(lián)立求解法潮流計算

聯(lián)立求解法具有良好的收斂特性，所以我們提出用聯(lián)立求解法解決交直流混合電網(wǎng)的潮流計算問題。

聯(lián)立求解法是把交直流混合電網(wǎng)看成一個整體進行潮流計算。它將交流系統(tǒng)方程和直流系統(tǒng)方程結(jié)合，組合成交直流系統(tǒng)約束方程統(tǒng)一求出交直流系統(tǒng)的未知量。聯(lián)立求解法考慮到了交直流變量之間的關(guān)系，具有的收斂性。一旦直流系統(tǒng)控制方式確定，則注入任意一個變換器的功率只與該變換器所處的直流系統(tǒng)中所有特殊節(jié)點（包括自己）的交流電壓幅值有關(guān)系。因此，從交流側(cè)注入任一個變換器的功率可當(dāng)作是某些交流節(jié)點電壓幅值的函數(shù)，與直流系統(tǒng)中的任何一個變量無關(guān)，即直流系統(tǒng)被等效掉了。這就是把交直流電力系統(tǒng)的潮流計算問題簡化為具有同樣交流節(jié)點個數(shù)并且求同樣狀態(tài)量（節(jié)點電壓的幅值和相位）的一個純交流系統(tǒng)的潮流計算問題。進而可以應(yīng)用純交流系統(tǒng)潮流計算中成熟的Newton-Raphson法和快速解耦算法進行求解。直流系統(tǒng)中各變量的求解可在迭代收斂后與求交流線路功率一起求得。

圖1 基于PCC的交直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型

4 算例分析

假設(shè)有一微電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)線見圖1。各支路阻抗和各節(jié)點功率均已以標(biāo)幺值標(biāo)示于圖中。該系統(tǒng)中，節(jié)點1為大電網(wǎng)設(shè)為平衡節(jié)點，電壓保持U1=1.06+j0為定值;假設(shè)節(jié)點2 是微電網(wǎng)直流系統(tǒng)等效的注入微電網(wǎng)交流系統(tǒng)的特殊節(jié)點（根據(jù)聯(lián)立求解法在這里對微電網(wǎng)直流系統(tǒng)做特定情況下等效處理）;節(jié)點3、4是微電網(wǎng)的分布式電源當(dāng)作PQ節(jié)點;節(jié)點5、6是微電網(wǎng)交流系統(tǒng)中的負(fù)荷可以看做PQ節(jié)點。各節(jié)點對地導(dǎo)納均為零。 試計算其中的潮流分布。修正值為0.00001。由于直流系統(tǒng)功率流向等參數(shù)不一定，所以分以下三種情況做簡單計算：

圖2交直流混合微電網(wǎng)等值網(wǎng)絡(luò)圖

經(jīng)對算例的分析可知，對微電網(wǎng)直流系統(tǒng)進行特定情況下的等效處理后，將直流系統(tǒng)等效為注入交流系統(tǒng)的功率，將交直流混合系統(tǒng)等效為純交流系統(tǒng)，將交直流混合微電網(wǎng)的潮流計算簡化成一個純交流電網(wǎng)的潮流計算。對于本例，有三種不同的情況：并網(wǎng)后，微電網(wǎng)直流側(cè)從交流側(cè)吸收功率，直流系統(tǒng)等效為PQ節(jié)點;并網(wǎng)后，微電網(wǎng)直流側(cè)向微電網(wǎng)交流側(cè)注入功率，直流系統(tǒng)等效為PQ節(jié)點;脫掉大電網(wǎng)后微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行，微電網(wǎng)直流側(cè)向交流側(cè)供電，直流系統(tǒng)等效為平衡節(jié)點。

5結(jié)束語

在傳統(tǒng)復(fù)雜交流電力系統(tǒng)的潮流計算方法的基礎(chǔ)上，說明了針對交直流混合微電網(wǎng)一種潮流計算方法即聯(lián)立求解法。最后在建立了微電網(wǎng)潮流計算數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過一個算例模型進行簡單的潮流計算分析，采用Matlab編制了以牛頓—拉夫遜法為基礎(chǔ)的聯(lián)立求解法潮流計算程序。聯(lián)立求解法可以解決混合微電網(wǎng)潮流計算問題，計算程序結(jié)果正確。

參考文獻

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[2]鄭漳華，艾芊.微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀即在我國的應(yīng)用前景[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008.32（16）：27～31

[3]穆世霞.微電源模型及微電網(wǎng)潮流與短路計算分析.華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文[J].北京：華北電力大學(xué)，2010

[4]代江，王韶，祝金鋒.含分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)絡(luò)潮流計算[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011.39（10）：37～46