含分布式電源的配網(wǎng)潮流計(jì)算

張智翔

摘要：目前，大電網(wǎng)與分布式電源相結(jié)合被世界許多能源、電力專家公認(rèn)為是能夠節(jié)省投資、降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性的主要方式，是21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展方向。綜上所述，分布式發(fā)電主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：提高能量利用率。減少各種碳化物的排放，比較環(huán)保。提高電能質(zhì)量和供電的可靠性。減少了由電能遠(yuǎn)距離傳輸所帶來(lái)的線損和各種穩(wěn)定方面的問(wèn)題。延緩了由于負(fù)荷不斷增長(zhǎng)所造成的電網(wǎng)的不斷膨脹。

關(guān)鍵詞：分布式;發(fā)電廠;潮流計(jì)算

1.課題的意義以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

分布式能源系統(tǒng)是在20世紀(jì)70年代開始發(fā)展的，在集中式供電技術(shù)還未完全成熟，能源需求快速增長(zhǎng)的情況下，該技術(shù)一直沒(méi)有得到重視。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、能源供應(yīng)質(zhì)量要求的提高，以及熱、電、冷負(fù)荷需求的逐步普遍化，分布式能源技術(shù)在歐美、東南亞等地廣泛推廣應(yīng)用，前景看好。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，我國(guó)集中式供能電網(wǎng)的規(guī)模迅速膨脹。這種發(fā)展所帶來(lái)的安全性問(wèn)題是不容忽視的。為了及時(shí)抑制這種趨勢(shì)的蔓延，只有合理地調(diào)整供能結(jié)構(gòu)、有效地將分布式能源系統(tǒng)和集中式供能結(jié)合在一起，構(gòu)架更加安全穩(wěn)定的電力系統(tǒng)?？v觀西方發(fā)達(dá)國(guó)家能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)：它經(jīng)歷了從分布式供能到集中式供能，又到分布式供能方式的演變。造成這種現(xiàn)象不僅僅是由于生活水平提高的需求，而且也是集中式供能方式自身所固有的缺陷造成的。毋庸置疑，隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)也將面臨類似的問(wèn)題。構(gòu)造一個(gè)集中式供能與分布式能源系統(tǒng)相結(jié)合的合理能源系統(tǒng)，增加電網(wǎng)的質(zhì)量和可靠性，將為我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

分布式發(fā)電是一種新興的能源利用方式，其定義可概括為：直接布置在配電網(wǎng)或分布在負(fù)荷附近的發(fā)電設(shè)施，經(jīng)濟(jì)、高效、可靠地發(fā)電。分布式發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電設(shè)施稱為2分布式電源，主要包括風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等。這些電源通常發(fā)電規(guī)模較?。ㄒ话?0MW以下）且靠近用戶，一般可以直接向其附近的負(fù)荷供電或根據(jù)需要向電網(wǎng)輸出電能。與傳統(tǒng)的集中式能源相比，分布式發(fā)電具有投資小、發(fā)電方式靈活、損耗低、利與環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于高峰期電力負(fù)荷比集中供電更經(jīng)濟(jì)、有效，因此已成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)劃中重要的研究方向。分布式發(fā)電與大電網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)營(yíng)，更被國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者認(rèn)為是降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性的主要方式，同時(shí)也是我國(guó)電力工業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向[2]。

目前分布式電源的容量都比較小，在現(xiàn)有的裝機(jī)水平下，分布式電源不會(huì)對(duì)大區(qū)域的電力系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生影響，但是隨著分布式電源的發(fā)展，如果這種小型機(jī)組的數(shù)量達(dá)到一定水平，就有可能影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的特性。分布式電源入網(wǎng)運(yùn)行，目前主要發(fā)生在配電網(wǎng)，因此為了能夠使分布式電源更好的并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)于含分布式電源的配網(wǎng)潮流計(jì)算就變的至關(guān)重要[3]。

DG并入配電網(wǎng)對(duì)配電系統(tǒng)的網(wǎng)損和電壓分布都有重要影響，而潮流計(jì)算是對(duì)其影響進(jìn)行量化分析的主要手段。由于原先使用的配電網(wǎng)潮流計(jì)算方法中沒(méi)有考慮到各種形式的DG，因而隨著各種DG的并網(wǎng)，配電網(wǎng)潮流計(jì)算難度增大，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了一些計(jì)及分布式電源影響的潮流計(jì)算改進(jìn)方法[4]。

配電網(wǎng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和支路參數(shù)上與輸電網(wǎng)有很大不同，特別是DG的加入，對(duì)配電網(wǎng)潮流計(jì)算提出了新的要求，很多學(xué)者基于回路分析法、牛頓法、直接法、前推回代法等方法致力于研究含DG的配電網(wǎng)確定性潮流算法。含DG的配電網(wǎng)確定性潮流計(jì)算大多對(duì)方法處理網(wǎng)孔能力較差，但配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)為輻射狀，且計(jì)算方法簡(jiǎn)單直觀、計(jì)算速度快、魯棒性好、收斂性能不受配電網(wǎng)高阻與電抗比值影響，廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)潮流及含DG的配電網(wǎng)潮流計(jì)算中。本文根據(jù)確定性潮流計(jì)算的概念及負(fù)荷模型建立的思路，闡述了DG在確定性潮流計(jì)算中有功恒定的依據(jù)，基于與節(jié)點(diǎn)編號(hào)無(wú)關(guān)的改進(jìn)前推回代算法，全面分析了DG對(duì)配電網(wǎng)潮流分布的影響。

2、研究?jī)?nèi)容

（1）了解風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式和控制特點(diǎn)，研究其在潮流計(jì)算節(jié)點(diǎn)模型。主要從分布式電源與電網(wǎng)功率交換的角度，研究并建立分布式電源接入電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，表現(xiàn)了它在接入電網(wǎng)后的不同特征，為進(jìn)一步的潮流計(jì)算建立了基礎(chǔ)。

（2）研究光伏發(fā)電的運(yùn)行方式和控制特點(diǎn)，研究其在潮流計(jì)算節(jié)點(diǎn)模型。研究并建立分布式電源接入電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，表現(xiàn)了它們?cè)诮尤腚娋W(wǎng)后的不同特征，為進(jìn)一步的潮流計(jì)算建立了基礎(chǔ)。

（3）研究潮流計(jì)算方法——前推回代算法，針對(duì)配電網(wǎng)輻射狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及支路參數(shù)的R/X較大的特點(diǎn)，前推回代法及其改進(jìn)方法是計(jì)算配電網(wǎng)潮流的有效算法。

（3）研究以上兩種分布式電源分別接入配電網(wǎng)后對(duì)配網(wǎng)潮流的影響。根據(jù)對(duì)分布式電源的處理方法，在IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)中進(jìn)行潮流仿真計(jì)算，并得出結(jié)論。

方法及手段：

（1） 初步建立風(fēng)能轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型以及貝茨理論，得到風(fēng)機(jī)的輸出功率函數(shù)式：

并網(wǎng)風(fēng)機(jī)一般使用異步風(fēng)機(jī)且不產(chǎn)生無(wú)功，通過(guò)異步電機(jī)PQ節(jié)點(diǎn)模型等效電路如圖 1所示

確定無(wú)功跟P、V相關(guān)的關(guān)系式：

其中XC ， Xm分別為機(jī)端并聯(lián)電容和激磁電抗，X1和X2分別是定子漏抗和轉(zhuǎn)子漏抗，X=X1+X2。從可以而由P、Q與輸入機(jī)械功率的關(guān)系曲線得到PQ節(jié)點(diǎn)的特性加入潮流計(jì)算。

（2） 根據(jù)光伏電池并網(wǎng)運(yùn)行功率因數(shù)為1且在潮流計(jì)算中可以只考慮有功的特點(diǎn)以及光照強(qiáng)度的Beta分布：

其中PM和RM分別是實(shí)際輸出功率和最大輸出功率，T是Gamma函數(shù)， 是Beta分布式的形狀參數(shù)，可由光強(qiáng)平均值 及方差 得到：

通過(guò)光伏電池的數(shù)學(xué)模型，以及光伏電池接入電網(wǎng)需要通過(guò)逆變器因而得到校正后的逆變器輸入電網(wǎng)功率的校正關(guān)系式：

其中，變量均為相對(duì)于額定輸入容量的標(biāo)幺值。等式右端輸入變量即為光伏陣列的輸出功率，左端輸出變量為輸入電網(wǎng)的功率。根據(jù)限定輸出的逆變器模擬，將其分為電流控制和電壓控制，電流控制時(shí)可當(dāng)做PI節(jié)點(diǎn)處理，其輸入有功和輸入配電網(wǎng)的電流是恒定的。輸入電網(wǎng)的無(wú)功由下式計(jì)算：

其中P為節(jié)點(diǎn)有功恒值，e，f為電壓計(jì)量值向量，I為電流恒值。若為電壓控制性，則處理為PV發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，輸入電流達(dá)到邊界值后轉(zhuǎn)化為PI節(jié)點(diǎn)處理。后根據(jù)其特點(diǎn)加入潮流計(jì)算。

（3）配電網(wǎng)升級(jí)改造使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)重新手動(dòng)編號(hào)。由于節(jié)點(diǎn)編號(hào)優(yōu)化方法不適用網(wǎng)絡(luò)改變，采用與節(jié)點(diǎn)編號(hào)無(wú)關(guān)的改進(jìn)前推回代法。歸納分布式電源（DG）在潮流計(jì)算中節(jié)點(diǎn)類型，給出改進(jìn)控制策略下部分DG新的節(jié)點(diǎn)類型，分析在確定性潮流計(jì)算中DG可視為有功恒定型節(jié)點(diǎn)的依據(jù)。

（4）基于改進(jìn)前推回代法，在MATLAB 軟件下編寫含各種DG的配電網(wǎng)潮流計(jì)算通用程序，通過(guò)對(duì)IEEE33測(cè)試系統(tǒng)大量仿真計(jì)算，定量分析DG對(duì)配電網(wǎng)潮流的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭志宇，艾芊主編.分布式發(fā)電概論[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013：1-8

[2] 計(jì)及分布式電源的配網(wǎng)潮流和短路計(jì)算研究[D].肖鑫鑫.上海：上海交通大學(xué)，2008.

[3] 李永剛，韓冰，劉天皓.分布式能源接入直流配網(wǎng)的潮流計(jì)算 [J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2016（02）

[4] 吳財(cái)富，張健軒，陳裕愷編著.太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電及照明系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社1-6