CN104578159B - 一种含分布式电源的配电网三相潮流修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含分布式电源的配电网三相潮流修正方法，具体包括以下几个步骤：构建分布式电源三相模型；建立含分布式电源的配电网三相系统模型；对配电网三相系统模型中的节点和支路进行编号；按节点的编号顺序存储配电网各个节点的三相负荷参数，按支路的编号顺序存储配电网各个支路的三相阻抗参数；对各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数进行标幺化；分析含分布式电源配电网潮流计算存在的问题，对分布式电源并网电压进行修正；选择收敛精度，对含分布式电源的配电网三相系统进行三相前推回代潮流计算。本发明考虑了分布式电源模型输出电流和并网电压对称的特性，选择网侧电压的正序分量作为分布式电源的并网电压，参与潮流计算。
Description
技术领域
本发明涉及一种含分布式电源的配电网三相潮流修正方法，属于电力系统配电网潮流计算技术领域。
背景技术
能源和环境问题是当前世界各国关注的焦点。在我国，为实现国家“节能减排”的既定目标，电力行业在发电侧大力发展各种可再生能源发电，朝着电能生产的“低碳化”、“零排放”方向迈进，由此导致风力发电、光伏发电等分布式电源的快速发展。
随着用户对供电可靠性及电能质量要求的提高，作为电力系统相对薄弱的配电网日益得到重视，配网环网结构、辐射状运行，联络开关经常切换，运行方式多变，潮流计算作为电力系统分析最基本的计算，不仅可以计算网损、校验各种运行方式的合理性等，也可以为暂态计算提供初值，配电网基本潮流计算重要性不言而喻。
考虑到随着分布式电源在电力系统中的大量随机接入，分布式电源渗透率不断提高，随之产生的源侧三相不对称性对配电网产生了较大影响。而分布式电源模型本身的特性，也将对配电网潮流计算产生一定的影响。
从处理三相的方式上来看，电力系统潮流计算可分为相分量法、序分量法，但与输电网不同的是配电网的运行和网络参数不对称，其中网络参数的不对称使得序分量法解耦失效，配电网潮流计算必须基于相分量法，也即考虑全耦合的abc模型。
从传统潮流算法上来看，配电网潮流计算应用最多的是前推回代法和牛顿拉夫逊法：前推回代法充分利用了配电网辐射状的特点，具有收敛性好、占用内存少、计算速度快，是公认的高效率算法，但前推回代对于配网中存在的弱环处理能力弱，需要对配网各节点及支路合理编号；牛顿拉夫逊法理论上适合一切非线性方程组的求解、不受环网影响，但存在对初值敏感、收敛性差、数据存储量大、计算速度慢的缺点，而且牛顿法是利用注入功率代替了注入电流得到非线性方程组继而迭代求解，不好改变注入电流为正序的情况，不能保证实际计算过程中负荷分布式电源的模型特征。
发明内容
针对现有技术存在的不足，考虑到牛顿拉夫逊法采用注入功率代替注入电流，不能保证注入电流为正序，本发明目的是提供一种采用前推回代算法的含分布式电源的配电网三相潮流修正方法。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的一种含分布式电源的配电网三相潮流修正方法，具体包括以下几个步骤：
步骤S1，构建分布式电源三相模型；
步骤S2，建立含分布式电源的配电网三相系统模型；
步骤S3，根据分布式电源三相模型和配电网三相系统模型构成含分布式电源的配电网三相系统，对所述配电网三相系统模型中的节点和支路进行编号；
步骤S4，按节点的编号顺序存储配电网各个节点的三相负荷参数，按支路的编号顺序存储配电网各个支路的三相阻抗参数；
步骤S5，对各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数进行标幺化；
步骤S6，分析含分布式电源配电网潮流计算存在的问题，对分布式电源并网电压进行修正；
步骤S7，选择收敛精度，对含分布式电源的配电网三相系统进行三相前推回代潮流计算。
步骤S1中，分布式电源三相模型的构建方法如下：
将分布式电源源侧视为直流电压源，分布式电源电路拓扑中主要由直流电压源、逆变器和滤波器构成；分布式电源并网采用PQ控制策略；由于逆变器的控制是在dq轴解耦进行的，采用正交park变换得到dq轴下电路模型，变换阵相角采用和网侧电压相位一致。
步骤S2中，含分布式电源的配电网三相系统模型的建立方法如下：
将配电网的上级变电站出口母线视为无穷大电源，作为潮流计算中平衡节点，等值电压幅值和相角为恒定已知量，并假定三相电压对称；
将配电网线路等效为集中参数模型，考虑各相自阻抗和相间互阻抗；
将支路上所有负荷等效为支路末节点集中负荷，负荷模型为不对称的恒功率PQ负荷；将分布式电源看作是对称的恒功率PQ负荷。
步骤S3中，对配电网三相系统模型中的节点和支路进行编号的方法如下：
将平衡节点的编号设为0，按照广度优先对其他节点进行编号；各支路编号取支路末节点的节点编号。
步骤S4中，如节点i，应当存储三相的有功功率Pia、Pib、Pic，无功功率Qia、Qib、Qic；
如支路Li，应当存储三相的阻抗参数为其中，Zaa、Zbb、Zcc表示各相自阻抗，Zab、Zab、Zbc表示相间互阻抗，各相自阻抗含实部电阻和虚部电抗，两相间耦合阻抗只有虚部电抗。
步骤S5中，选取上级变电站出口母线电压作为基准电压，选取上级变电站容量为三相基准功率，并计算基准阻抗值，对各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数进行标幺化。
步骤S6中，分析含分布式电源配电网潮流计算存在的问题，对分布式电源并网电压进行修正的方法如下：
由于分布式电源采用逆变器接口模型，控制器采用PQ控制方式，而PQ控制要求电网侧电压是对称的，所以需要对潮流算法进行修正；注入电流求解时，分布式电源节点先求取出各节点不对称电压的正序分量，功率对称、电压对称情形下求取得到的分布式电源节点注入电流为正序。
步骤S7中，三相前推回代潮流计算的方法如下：
选取收敛精度，依次经过计算各节点注入电流、用并网点正序电压修正分布式电源并网电压、回代计算各支路电流、前推计算各节点电压，循环迭代至各节点有功及无功功率偏差收敛。
注入电流的计算方法如下：
初始假设所有节点各相电压幅值为1，相角依次为0、-120°、120°，计算各节点注入电流，如节点i的三相注入电流为：
其中Sia、Sib、Sic为负荷三相功率；是节点i所在所有支路并联导纳及节点i并联电容器等效导纳组合得到的等效导纳矩阵；
回代计算支路电流的方法如下：
从末端节点到首端节点回代计算各支路电流，某支路电流等于该支路所接所有下一支路电流加上本支路末节点注入电流：
ILk表示k支路的支路电流，Ik表示k节点注入电流，ΣIl(k,x)表示所有k下一支路的支路电流求和，也即所有支路首节点编号为k、末节点编号任意的支路电流求和；
前推节点电压的计算方法如下：
从首端节点到末端节点前推计算各节点电压，某支路末节点电压为本支路首节点电压减去本支路压降，也即：
i、j分别表示支路的首、末节点编号，该支路编号为j记为支路Lj，阻抗阵表示支路Lj的串联阻抗矩阵，表示支路Lj从首节点流向末节点的电流；
迭代收敛方法如下：
利用前推回代潮流算法每步计算得到的节点注入电流和节点电压计算节点注入功率，与已知的负荷功率及并联导纳、电容器充电功率计算得到的注入功率作差，若各节点功率偏差小于收敛精度，迭代结束，否者将上一步中计算的电压重新带入注入电流，进行迭代计算；功率偏差如下：
式(5)右侧大括号中两项分别是电容器和并联导纳的注入功率、初始负荷功率。
本发明采用前推回代算法，在计算过程中对分布式电源数据进行修正；本发明考虑了分布式电源模型输出电流和并网电压对称的特性，选择网侧电压的正序分量作为分布式电源的并网电压，参与潮流计算。
附图说明
图1为本发明的一种含分布式电源的配电网三相潮流修正方法的工作流程图；
图2为本发明提供的一种含分布式电源的配电网三相潮流修正方法的实施例的工作流程图；
图3为本发明提供的一种含分布式电源的配电网三相潮流修正方法的配电网三相系统测试案例模型图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明提供一种含分布式电源的配电网三相潮流修正方法，包括：
步骤S1，构建分布式电源三相模型：采用逆变器接口型分布式电源模型，控制策略采用PQ控制；
步骤S2，建立含分布式电源的配电网三相系统模型；
步骤S3，忽略配电网三相系统模型中的合环支路，构成配电网三相系统，对该配电网三相系统模型中的节点和支路进行编号；
步骤S4，按节点的编号顺序存储各个节点的三相负荷参数，按支路的编号顺序存储各个支路的三相阻抗参数；
步骤S5，对各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数标幺化；
步骤S6，分析含分布式电源配电网潮流计算存在的问题，提出分布式电源并网电压修正方法；
步骤S7，选择收敛精度，对含分布式电源的配电网三相系统进行潮流计算。
步骤S1中构建分布式电源三相模型包括：
将所述分布式电源源侧视为直流电压源，分布式电源电路拓扑中主要由直流电压源、逆变器和滤波器构成；分布式电源并网采用PQ控制策略；由于逆变器的控制是在dq轴解耦进行的，可采用正交park变换得到dq轴下电路模型，变换阵相角采用和网侧电压相位一致。
步骤S2中建立含分布式电源的配电网三相系统模型包括：
将所述配电网的上级变电站出口母线视为无穷大电源，作为所述潮流计算中作为平衡节点，等值为电压幅值和相角为恒定已知量并假定三相电压对称；将所述支路上所有负荷等效为支路末节点集中负荷，模型为可考虑不对称的恒功率PQ负荷；将分布式电源看作是对称的恒功率PQ负荷；所述支路采用集中参数模型，考虑三相之间的耦合电抗。
步骤S3中对所述配电网三相系统模型中的节点和支路进行编号的方法包括：
对所述配电网三相系统，将所述平衡节点的编号设为0，按照广度优先对其他节点进行编号；对所述配电网三相系统，按照各支路末端节点编号对各支路进行编号。
步骤S4中存储节点i的三相负荷参数包括a、b和c三相的有功功率Pia、Pib、Pic和无功功率Qia、Qib、Qic；
存储支路Li的三相阻抗参数为其中，各相阻抗含实部电阻和虚部电抗，两相间耦合阻抗只有虚部电抗。
步骤S5中选取所述上级变电站出口母线电压作为基准电压，选取所述上级变电站容量为三相基准功率，对所述各个节点的三相负荷参数和所述各个支路的三相阻抗参数进行标幺化。
步骤S6中分析含分布式电源的配电网潮流计算存在的问题，提出分布式电源并网电压修正方法包括：
由于分布式电源采用逆变器接口模型，控制器采用PQ控制方式，而PQ控制要求电网侧电压是对称的，所以需要对潮流算法进行修正；注入电流求解时，分布式电源节点先求取出各节点不对称电压的正序分量，功率对称、电压对称情形下求取得到的分布式电源节点注入电流为正序。
步骤S7中选择收敛精度，对含分布式电源的配电网三相系统进行潮流计算包括：
为消除负序和零序功率，从潮流中注入电流入手，只要注入电流为正序无论注入电压对称或不对称，注入功率只有正序注入功率；由于牛顿法是利用注入功率代替了注入电流得到非线性方程组继而迭代求解，不好改变注入电流为正序的情况，此处选择三相前推回代法；收敛判断时，分布式电源节点利用三相功率求和得到正序功率，与给定三相功率作差得到功率偏差，最后进行功率偏差收敛校验。
参见图2和图3，该配电网三相系统网络即为纯辐射网，看作一棵树，源节点编号为0，其他节点按树的广度进行编号，各支路编号取支路末节点的节点编号，包括L1～L32。
按节点编号顺序存储配电网各节点三相负荷参数,如节点i应当存储有功功率Pia、Pib、Pic和无功功率Qia、Qib、Qic；按支路编号顺序存储配电网各支路三相阻抗参数，如支路Li应当存储阻抗参数为各相自阻抗含实部电阻和虚部电抗，两相间耦合阻抗只有虚部电抗。
选取上级变电站出口母线电压作为基准电压，选取上级变电站容量为基准功率，对各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数进行标幺化，本实施例中取UB＝12.67kV，SB＝10MW，对上一步中存储的各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数进行标幺化，考虑节点的负荷功率是单相的，其基准值应当取阻抗不存在单相和三相概念，基准值取
传统三相潮流计算注入点的各相功率都是按照式(1)计算的，由于节点
电压的不对称，按此式计算分布式电源的注入电流即便是对称的三相功率(分布式电源给定的是三相对称功率)，也会得出不对称的电流，分布式电源的注入功率就会包含负序和零序功率，与实际情况明显不符合。
为消除负序和零序功率，从潮流中注入电流入手，只要注入电流为正序无论注入电压对称或不对称，注入功率Sia+Sib+Sic只有正序注入功率。由于牛顿法是利用注入功率代替了注入电流得到非线性方程组继而迭代求解，不好改变注入电流为正序的情况，此处选择三相前推回代法。
三相系统前推回代计算：选取收敛精度，依次经过计算各节点注入电流、修正分布式电源并网电压、回代计算各支路电流、前推计算各节点电压再循环迭代至各节点有功、无功功率偏差收敛，本实施例中收敛精度选取为0.000001。
注入电流：初始假设所有节点各相电压幅值为1，相角依次为0、-120°、120°，计算各节点注入电流，如节点i的三相注入电流为：
其中Sia、Sib、Sic为负荷三相功率；是节点i所在所有支路并联导纳及节点i并联电容器等效导纳组合得到的等效导纳矩阵。
回代支路电流：从末端节点到首端节点回代计算各支路电流，某支路电流等于该支路所接所有下一支路电流加上本支路末节点注入电流：
ILk表示k支路的支路电流，ΣIl(k,x)表示所有k下一支路的支路电流求和，也即所有支路首节点编号为k、末节点编号任意的支路电流求和。
前推节点电压：从首端节点到末端节点前推计算各节点电压，某支路末节点电压为本支路首节点电压减去本支路压降，也即：
i、j分别表示支路的首、末节点编号，该支路编号为j记为支路Lj，阻抗阵表示支路Lj的串联阻抗矩阵。
迭代收敛判据：利用计算得到的节点注入电流和节点电压计算节点注入功率，与负荷功率及并联导纳、电容器充电功率计算得到的注入功率作差，若各节点功率偏差小于收敛精度，迭代结束，否者将上一步中计算的电压重新带入注入电流，进行迭代计算。具体功率偏差如下：
式(5)右侧大括号中两项分别是电容器和并联导纳的注入功率、初始负荷功率。
存储各节点电压幅值、相角。
案例采用IEEE33节点数据，在节点5、16、22三处并入分布式电源，分布式电源相关数据见下表1：
表1分布式电源相关参数
| DG1 | DG2 | DG3 | |
| 节点 | 5 | 16 | 22 |
| 功率(kW) | 290+j20 | 310-j20 | 300+j20 |
结合案例仿真，利用Matlab编程处理，最终结果潮流迭代5次，误差0.000000075373425。
表2为利用三相前推回代法计算得到的各节点电压幅值和相角。
表2计算结果
| 节点号 | a相幅值 | b相幅值 | c相幅值 | a相相角 | b相相角 | c相相角 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | -120 | 120 |
| 1 | 0.99771 | 0.997795 | 0.99759 | 0.028067 | -119.953 | 120.03 |
| 2 | 0.987206 | 0.987767 | 0.986507 | 0.184225 | -119.7 | 120.1957 |
| 3 | 0.981646 | 0.982552 | 0.980571 | 0.290129 | -119.528 | 120.3093 |
| 4 | 0.976304 | 0.977127 | 0.974736 | 0.398776 | -119.347 | 120.4262 |
| 5 | 0.96251 | 0.962404 | 0.95965 | 0.485918 | -119.082 | 120.516 |
| 6 | 0.959557 | 0.958767 | 0.956624 | 0.35214 | -119.144 | 120.3649 |
| 7 | 0.956517 | 0.95612 | 0.95334 | 0.420122 | -119.024 | 120.4274 |
| 8 | 0.952917 | 0.952485 | 0.94931 | 0.460111 | -118.959 | 120.4454 |
| 9 | 0.949784 | 0.949264 | 0.945723 | 0.512582 | -118.914 | 120.4725 |
| 10 | 0.949431 | 0.948828 | 0.945267 | 0.52972 | -118.898 | 120.4886 |
| 11 | 0.948886 | 0.948144 | 0.944534 | 0.560447 | -118.868 | 120.5169 |
| 12 | 0.946468 | 0.945166 | 0.941371 | 0.65306 | -118.798 | 120.578 |
| 13 | 0.945556 | 0.944003 | 0.940168 | 0.68881 | -118.777 | 120.5925 |
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| 19 | 0.993747 | 0.993657 | 0.993325 | -0.04855 | -120.032 | 119.9536 |
| 20 | 0.993381 | 0.992916 | 0.99261 | -0.07475 | -120.052 | 119.935 |
| 21 | 0.992795 | 0.992204 | 0.991994 | -0.09418 | -120.075 | 119.9155 |
| 22 | 0.984555 | 0.985136 | 0.98378 | 0.181548 | -119.693 | 120.1915 |
| 23 | 0.977959 | 0.978578 | 0.977023 | 0.088343 | -119.765 | 120.093 |
| 24 | 0.974428 | 0.975398 | 0.973811 | 0.039556 | -119.796 | 120.0438 |
| 25 | 0.960753 | 0.960255 | 0.958637 | 0.523776 | -118.983 | 120.5436 |
| 26 | 0.958395 | 0.957606 | 0.956054 | 0.571769 | -118.924 | 120.6013 |
| 27 | 0.947901 | 0.945796 | 0.944498 | 0.634417 | -118.834 | 120.6908 |
| 28 | 0.940364 | 0.937346 | 0.93616 | 0.695829 | -118.75 | 120.7732 |
| 29 | 0.937096 | 0.933706 | 0.932539 | 0.785662 | -118.642 | 120.8819 |
| 30 | 0.933178 | 0.929491 | 0.928357 | 0.703844 | -118.725 | 120.8002 |
| 31 | 0.932285 | 0.928556 | 0.92748 | 0.68144 | -118.747 | 120.7781 |
| 32 | 0.93201 | 0.928268 | 0.927203 | 0.673737 | -118.754 | 120.7705 |
鉴于三相前推回代算法主要应用于辐射状电网，对于环网的处理比较困难，本发明在含有环网较多的场景比较难以实现，但这并不影响对分布式电源并网时网侧电压的修正。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种含分布式电源的配电网三相潮流修正方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：
步骤S1，构建分布式电源三相模型；
步骤S2，建立含分布式电源的配电网三相系统模型；
步骤S3，根据分布式电源三相模型和配电网三相系统模型构成含分布式电源的配电网三相系统，对所述配电网三相系统模型中的节点和支路进行编号；
步骤S4，按节点的编号顺序存储配电网各个节点的三相负荷参数，按支路的编号顺序存储配电网各个支路的三相阻抗参数；
步骤S5，对各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数进行标幺化；
步骤S6，分析含分布式电源配电网潮流计算存在的问题，对分布式电源并网电压进行修正；
步骤S7，选择收敛精度，对含分布式电源的配电网三相系统进行三相前推回代潮流计算；步骤S1中，分布式电源三相模型的构建方法如下：
将分布式电源源侧视为直流电压源，分布式电源电路拓扑中主要由直流电压源、逆变器和滤波器构成；分布式电源并网采用PQ控制策略；由于逆变器的控制是在dq轴解耦进行的，采用正交park变换得到dq轴下电路模型，变换阵相角采用和网侧电压相位一致；步骤S2中，含分布式电源的配电网三相系统模型的建立方法如下：
将配电网的上级变电站出口母线视为无穷大电源，作为潮流计算中平衡节点，等值电压幅值和相角为恒定已知量，并假定三相电压对称；
将配电网线路等效为集中参数模型，考虑各相自阻抗和相间互阻抗；
将支路上所有负荷等效为支路末节点集中负荷，负荷模型为不对称的恒功率PQ负荷；将分布式电源看作是对称的恒功率PQ负荷；步骤S3中，对配电网三相系统模型中的节点和支路进行编号的方法如下：
将平衡节点的编号设为0，按照广度优先对其他节点进行编号；各支路编号取支路末节点的节点编号；步骤S4中，如节点i，应当存储三相的有功功率Pia、Pib、Pic，无功功率Qia、Qib、Qic；
如支路Li，应当存储三相的阻抗参数为其中，Zaa、Zbb、Zcc表示各相自阻抗，Zab表示a、b两相间互阻抗，Zac表示a、c两相间互阻抗，Zbc表示b、c两相间互阻抗，各相自阻抗含实部电阻和虚部电抗，两相间耦合阻抗只有虚部电抗；步骤S5中，选取上级变电站出口母线电压作为基准电压，选取上级变电站容量为三相基准功率，并计算基准阻抗值，对各个节点的三相负荷参数和各个支路的三相阻抗参数进行标幺化；步骤S6中，分析含分布式电源配电网潮流计算存在的问题，对分布式电源并网电压进行修正的方法如下：
由于分布式电源采用逆变器接口模型，控制器采用PQ控制方式，而PQ控制要求电网侧电压是对称的，所以需要对潮流算法进行修正；注入电流求解时，分布式电源节点先求取出各节点不对称电压的正序分量，功率对称、电压对称情形下求取得到的分布式电源节点注入电流为正序。
2.根据权利要求1所述的含分布式电源的配电网三相潮流修正方法，其特征在于，
步骤S7中，三相前推回代潮流计算的方法如下：
选取收敛精度，依次经过计算各节点注入电流、用并网点正序电压修正分布式电源并网电压、回代计算各支路电流、前推计算各节点电压，循环迭代至各节点有功及无功功率偏差收敛。
3.根据权利要求2所述的含分布式电源的配电网三相潮流修正方法，其特征在于，
注入电流的计算方法如下：
初始假设所有节点各相电压幅值为1，相角依次为0、-120°、120°，计算各节点注入电流，如节点i的三相注入电流为：
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其中Sia、Sib、Sic为负荷三相功率；是节点i所在所有支路并联导纳及节点i并联电容器等效导纳组合得到的等效导纳矩阵；
回代计算支路电流的方法如下：
从末端节点到首端节点回代计算各支路电流，某支路电流等于该支路所接所有下一支路电流加上本支路末节点注入电流：
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其中，ILia、ILib、ILic表示编号为i的支路流过的电流a、b、c三相的分量，ILka、ILkb、ILkc表示k支路的三相电流，Ika、Ikb、Ikc表示k节点的三相注入电流，l(k,i)表示所有首节点为k的支路；
前推节点电压的计算方法如下：
从首端节点到末端节点前推计算各节点电压，某支路末节点电压为本支路首节点电压减去本支路压降，也即：
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i、j分别表示支路的首、末节点编号，该支路编号为j记为支路Lj，阻抗阵表示支路Lj的串联阻抗矩阵，表示支路Lj从首节点流向末节点的电流；
迭代收敛方法如下：
利用前推回代潮流算法每步计算得到的节点注入电流和节点电压计算节点注入功率，与已知的负荷功率及并联导纳、电容器充电功率计算得到的注入功率作差，若各节点功率偏差小于收敛精度，迭代结束，否者将上一步中计算的电压重新带入注入电流，进行迭代计算；功率偏差如下：
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式(5)右侧大括号中两项分别是电容器和并联导纳的注入功率、初始负荷功率。
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