CN110323751A - 一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，属于新能源发电领域，将含分布式电源的弱环配电网分解为辐射状网络和环状网络；辐射状网络和环状网络存在一个重叠的节点；从系统节点参数表、支路参数表和新能源参数表获取原始数据；按分布式电源类型将所获取的原始数据等效成不同类型的节点；将其他类型节点转换成可以处理的PQ型节点；修正各节点的无功功率；采用改进前推回代算法计算辐射网络；采用改进牛顿拉夫逊算法计算环状网络；若所有节点相邻两次迭代的电压差最大值满足一定精度，则计算终止，输出结果，否则，继续迭代计算。本发明针对弱环配电网模型解耦并采用不同的潮流计算方法，以保证配电网潮流计算的可靠和精确。
Description
技术领域
本发明一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，属于新能源发电领域，涉及的是一种配电网潮流的计算。
背景技术
随着分布式电源技术的不断进步和生产成本的逐渐降低，分布式电源的应用愈加广泛与普遍。分布式发电将对传统电力系统技术和经济产生革命性的影响，并将在电力系统中扮演着越来越重要的角色。然而，分布式电源的发展给传统的电力系统注入活力的同时，也给电力系统带来了新的挑战。分布式电源与常规电网并网，接入配电网中会对配电网中的节点电压、电能质量、电能可靠性、系统继电保护以及短路电流等产生一定影响。因分布式电源按其接入位置与运行方式的多样性，传统的配电网潮流算法和短路电流计算方法已经不能满足未来分布式发电系统的需求。若要分析分布式发电对电力系统的影响，潮流计算是进行量化分析的必要手段和基础，所以有必要研究含分布式电源的配电网的潮流分析方法。
相对于集中发电的电力系统存在的不足之处，分布式发电成为新能源技术发展的趋势。但对于含由分布式电源的配电网络，其负荷的不确定性会增加，配电网的潮流大小及方向也会不确定地改变，这样会较大的影响潮流计算。局限现有的基本潮流计算方法，使得不能对电力系统进行精确的潮流计算。
发明内容
发明目的：为了克服上述现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的是提供了一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，该方法通过对含弱环的配电网模型解耦并采用不同的潮流计算方法，以保证配电网潮流计算的可靠性和精确性。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，该方法包括以下步骤：
1)将含分布式电源的弱环配电网分解为辐射状网络和环状网络；
2)从系统节点参数表、支路参数表和分布式电源参数表获取原始数据；
3)按分布式电源类型将步骤2)所获取的原始数据等效成不同类型的节点；
4)将步骤3)PV型、PQ(V)型和PI型分布式电源转换成可以处理的PQ型分布式电源；
5)修正步骤3)中各节点的无功功率；
6)采用改进的前推回代算法计算步骤1)中辐射网络；
7)采用改进的牛顿拉夫逊算法计算步骤1)中环状网络；
8)若所有节点相邻两次迭代的电压差最大值满足一定精度，则计算终止，输出结果，否则，继续迭代计算。
进一步地，所述步骤1)中所述的辐射网路和环状网络存在一个重叠的节点，称此重叠节点为分级点。在环网中分级点是负荷节点，即PQ节点；在辐射状中分级点是平衡节点，即Vθ节点。
进一步地，所述步骤2)中所述系统节点参数表包括配电网节点数、平衡节点的节点电压幅值和相角、PV节点的有功功率和节点电压幅值、PQ节点的有功功率和无功功率、PI节点的有功功率和注入电流，PQ(V)节点的有功功率和节点电压幅值。
进一步地，所述步骤2)中所述系统支路参数表包括支路号、首节点、末节点、支路电阻和支路电抗。
进一步地，所述步骤2)中所述分布式电源参数表包括并网节点号、电源容量和分布式电源类型。
进一步地，所述步骤3)所述分布式电源类型包括电流型逆变器的光伏发电系统、燃料电池发电系统、异步发电机类型的风力发电系统、采用恒功率因数方式运行的永磁同步发电机类型的风力发电系统。
进一步地，所述步骤3)中将分布式电源等效成不同类型的节点，包括将电流型逆变器的光伏发电系统等效成PI节点、燃料电池发电系统等效成PV节点、异步发电机类型的风力发电系统等效成PQ(V)节点、采用恒功率因数方式运行的永磁同步发电机类型的风力发电系统等效成PQ节点。
进一步地，所述步骤4)中将将PI节点转换成PQ型节点的计算模型为其中，|V|为PI节点的电压幅值，Ps为PI节点的恒定有功功率值，Is为PI节点的恒定注入电流值；
将PV节点转换成PQ节点的计算模型为其中，Uac为换流器输出交流电压；Us为系统额定电压；ψ为电压相角；XT为变压器的等值电抗。
将PQ(V)节点转换成PQ节点的计算模型其中，Ps为发电机输出的有功功率；R0为转子电阻；Xe＝X1+X2为发电机的漏电抗；X1为定子漏电抗；X2为转子漏电抗；Xm为发电机的励磁电抗；s为转差率。
进一步地，所述步骤5)所述对分布式电源的无功修正，对于看作PV节点的分布式电源的简化模型，在每次迭代过程中，利用电压幅值的变化量来修正无功功率，无功功率修正表达式为：Qk+1＝Qk+X-1VsΔVk其中，X为PV节点的节点电抗，ΔVk为k次迭代的PV节点电压的实部与给定电压的差值，Vs为PV节点的恒定节点电压值，Qk为k次迭代计算得出的节点无功功率值；
对于看作PQ(V)节点的分布式电源的简化模型，在每次迭代过程中，利用电压幅值的变化量来修正无功功率，无功功率修正表达式为：Qk+1＝f(Vk)其中无功功率修正值由和实现，Vk为发电机节点迭代K次后的电压幅值。
对于看作PI节点的分布式电源的简化模型，在每次迭代过程中，利用节点电流的处理来修正无功功率，无功功率修正表达式为：其中，|Vk|为k次迭代的PI节点的电压幅值，Ps为PI节点的恒定有功功率值，Is为PI节点的恒定注入电流值。
进一步地，所述步骤7)所述将对初值不敏感的高斯-塞德尔迭代法与传统的牛顿法相融合，先将电压初值进行高斯-塞德尔迭代，再将计算后值作为牛顿法潮流计算的初值，从而优化牛顿法对初值的敏感度。
本发明的有益效果：
1.将复杂的大规模电力系统问题转化为若干简化的小系统模型来处理。并对牛顿-拉夫逊潮流计算进行收敛性的分析提高了可靠性。
2.针对弱环配电网将其解耦成由分级点连接的环状网络和辐射状网络，对于不同的网络模型采用不同的潮流计算方法。有利于保证配电网潮流计算的可靠性和准确性。
3.能够同时兼顾各种不同分布式电源并网的潮流计算。
附图说明
图1为本发明一种干分布式电源的弱环配电网潮流计算方法实例的示意图
图2为本发明一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，将弱环配电网解耦为由分级点连接的环状网络和辐射状网络的潮流计算方法的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。
本发明的一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法包括如下具体步骤：
步骤1.辐射网路和环状网络存在一个重叠的节点，称此重叠节点为分级点。在环网中分级点是负荷节点，即PQ节点；在辐射状中分级点是平衡节点，即Vθ节点。
步骤2.图1所示33节点系统为例进行叙述。系统节点参数表包括配电网节点数、平衡节点的节点电压幅值和相角、PV节点的有功功率和节点电压幅值、PQ节点的有功功率和无功功率、PI节点的有功功率和注入电流。
进一步，系统支路参数表包括支路号、首节点、末节点、支路电阻和支路电抗。
进一步，分布式电源参数表包括并网节点号、电源容量和分布式电源类型。
步骤3.将分布式电源等效成不同类型的节点，包括将电流型逆变器的光伏发电系统等效成PI节点、燃料电池发电系统等效成PV节点、异步发电机类型的风力发电系统等效成PQ(V)节点、采用恒功率因数方式运行的永磁同步发电机类型的风力发电系统等效成PQ节点。
步骤4.将PI节点转换成PQ节点的计算模型为
其中，|V|为PI节点的电压幅值，Ps为PI节点的恒定有功功率值，Is为PI节点的恒定注入电流值；
进一步，将PV节点转换成PQ节点的计算模型为
其中，Uac为换流器输出交流电压；Us为系统额定电压；ψ为电压相角；XT为变压器的等值电抗。
进一步，将PQ(V)节点转换成PQ节点的计算模型
其中，Ps为发电机输出的有功功率；R0为转子电阻；Xe＝X1+X2为发电机的漏电抗；X1为定子漏电抗；X2为转子漏电抗；Xm为发电机的励磁电抗；s为转差率。
步骤5.对分布式电源的无功修正，对于看作PV节点的分布式电源的简化模型，在每次迭代过程中，利用电压幅值的变化量来修正无功功率，无功功率修正表达式为：
Qk+1＝Qk+X-1VsΔVk (4)
其中，X为PV节点的节点电抗，ΔVk为k次迭代的PV节点电压的实部与给定电压的差值，Vs为PV节点的恒定节点电压值，Qk为k次迭代计算得出的节点无功功率值；
进一步，对于看作PQ(V)节点的分布式电源的简化模型，在每次迭代过程中，利用电压幅值的变化量来修正无功功率，无功功率修正表达式为：
Qk+1＝f(Vk) (5)
无功功率修正值由式(6)和式(7)联合实现。
其中Vk为发电机节点迭代K次后的电压幅值。
进一步，对于看作PI节点的分布式电源的简化模型，在每次迭代过程中，利用节点电流来修正无功功率，无功功率修正表达式为：
式中|Vk|为k次迭代的PI节点的电压幅值，Ps为PI节点的恒定有功功率值，Is为PI节点的恒定注入电流值。
步骤6.由图2所示潮流计算的示意图可知。采用改进的前推回代算法计算步骤1)中辐射网络；传统的前推回代法不能处理PV节点，利用无功补偿对前推回代潮流算法进行改进。PV节点类型分布式电源满足以下关系：
式中为各节点电压的给定值与实际值的变化量所组成的矩阵；为各节点电流变化量所组成的矩阵；Z为PV节点类型的分布式电源的节点阻抗矩阵。
式中为分布式电源系统的复功率变化量；为各节点电压所组成的矩阵。
由于各节点电压的标幺值接近于1，且相角偏差很小，则得式(11)：
将式(11)代入式(9)的到式(12)：
式中R为节点阻抗矩阵Z中各元素实部组成的电阻矩阵；X为节点阻抗矩阵Z中各元素虚部组成的电抗矩阵；ΔP为有功功率的变化量；ΔQ为无功功率的变化量。
主要是由其实部决定，由式(12)简化计算可以近似得到式(13)：
ΔV＝RΔP+XΔQ (13)
对于PV节点，由于有功功率恒定不变，则ΔP＝0，由式(13)简化可得到PV节点无功功率的变化量。
ΔQ＝X-1ΔV (14)
式中X-1为节点阻抗矩阵Z中各元素虚部组成的电抗矩阵的逆矩阵。
由以上推导可知计算节点电压的差值就可以得到无功功率差值ΔQ，将其补偿到PV节点原有的无功功率上，这样得到的新的无功功率即可代入潮流计算中进行迭代计算。从而改进前推回代潮流计算法解决了传统前推回代法无法计算PV节点的问题。
步骤7.采用改进的牛顿拉夫逊算法计算步骤1)中环状网络。将对初值不敏感的高斯-塞德尔迭代法与传统的牛顿法相融合，先将电压初值进行高斯-塞德尔迭代，再将计算后值作为牛顿法潮流计算的初值，从而优化牛顿法对初值的敏感度。同时考虑电力系统在实际运行时，各节点的负荷功率随着电压的波动而改变，引入负荷静态特性，并进行降阶简化处理。在确保潮流计算收敛性的基础上，又兼顾提高计算结果的准确性。在潮流问题中，节点功率平衡方程：
式中Vi为节点i的电压；Vj为节点j的电压；Gij为节点i和节点j之间的电导；Bij为节点i和节点j之间的电纳；θij为节点i和节点j之间的相位角；Pis为给定的有功功率；Qis为给定的无功功率；ΔPi有功功率给定值与实际值的计算差值；ΔQi为无功功率给定值与实际值的计算差值。
考虑负荷静特性的方法是把各节点负荷功率当作该点电压的非线性函数，一般把负荷功率用电压的二次多项式来表示：
式中：Pis`和Qis`均为负荷功率的标幺值，分别以给定的和为基准值；Vi｀为该点电压的标幺值，以给定的电压Vis为基准值。式中A1、B1、C1和A2、B2、C2为系统负荷由静特性实验得到的常数。
由于二次项的引入使得计算更为复杂，因此提出简化负荷静态特性。
令：Vi`＝1+ΔV (17)
以有功功率为例，则式(16)变形为式(18)：
Pis`＝A1(1+ΔV)2+B1(1+ΔV)+C1 (18)
式(7)中ΔV2是一个很小的变量，则令ΔV2＝0得式(19)：
Pis`＝A1+B1+C1+(2A1+B1)ΔV (19)
由ΔV＝Vi`-1得式(20)
Pis`＝(C1-A1)+(2A1+B1)Vi` (20)
同理可得Qis`，则式(10)是简化后的负荷静态特性，不再存在二次项。
在用牛顿法进行潮流计算时，考虑到负荷静特性，节点功率方程式将由式(15)改变为式(22)：
式中：ΔPi和ΔQi分别为有功功率和无功功率的功率误差，当功率误差小于给定收敛精度时，即计算结束；和别为节点i处有功功率和无功功率的给定值；Vi时节点i处电压幅值；Vis是节点i处电压的初始值。
当采用高斯-塞德尔迭代法进行潮流计算时，在未考虑负荷静态特性时，负荷节点的有功功率和无功功率为式(23)中定值和而不随电压值变化而变化。在程序中考虑了负荷静特性时，负荷的有功功率和无功功率随电压变化而变化，则要在每次迭代时都按式(23)修正各节点的负荷功率。
式中：Pist和Qist分别表示为在节点i处方程迭代第t次时的有功功率和无功功率；Vit时在节点i处方程迭代第t次时电压幅值；其他参数同上所述。
在未考虑负荷静特性时，将式(15)按泰劳级数展开，略去高次项后，可得修正方程式(24)：
式中：Δθ表示角度的修正量；ΔV/V表示电压幅值的修正量；H、N、J和L表示雅可比矩阵中各个元素。
在未考虑负荷静特性时，式中Pis和Qis均为常数，则可以得到矩阵中各元素的表达式：
式中：和分别表示为节点i处有功功率和无功功率的修正量求偏导；其他参数同上所述。
在考虑到负荷静特性时，此时Pis和Qis就不再是常数，而是随电压变化的变量，此时雅克比矩阵中Nii和Lii将发生变化，式(28)和式(32)将按式(33)和式(34)求解：
步骤8.对运行结果进行收敛性判断。收敛条件为：若达到预设精度则收敛，计算结束，输出潮流计算结果；否则，继续迭代。
综上，本发明公开了一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，属于新能源发电领域，涉及的是一种配电网潮流的计算。包含以下内容：将含分布式电源的弱环配电网分解为辐射状网络和环状网络；所述辐射状网络和所述环状网络存在一个重叠的节点；从系统节点参数表、支路参数表和新能源参数表获取原始数据；按分布式电源类型将所获取的原始数据等效成不同类型的节点；将其他类型节点转换成可以处理的PQ型节点；修正各节点的无功功率；采用改进前推回代算法计算辐射网络；采用改进牛顿拉夫逊算法计算环状网络；若所有节点相邻两次迭代的电压差最大值满足一定精度，则计算终止，输出结果，否则，继续迭代计算。本发明针对弱环配电网模型解耦并采用不同的潮流计算方法，以保证配电网潮流计算的可靠性和精确性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、将含分布式电源的弱环配电网分解为辐射状网络和环状网络，并设置一个分级节点，用于后续的潮流计算；
步骤2)、从系统节点参数表、系统支路参数表和分布式电源参数表获取原始数据；
步骤3)、按分布式电源类型将步骤2)所获取的原始数据等效成不同类型的节点；
步骤4)、将步骤3)中不同分布式电源节点类型分为PV、PQ(V)和PI类型，并将其转换成可以处理的PQ型节点；
步骤5)、修正步骤3)中各节点的无功功率；
步骤6)、采用改进的前推回代算法计算步骤1)中辐射网络；
步骤7)、采用改进的牛顿拉夫逊算法计算步骤1)中环状网络；
步骤8)、若所有节点相邻两次迭代的电压差最大值满足一定精度，则计算终止，输出结果，否则，继续迭代计算。
2.根据权利要求1所述的一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，其特征在于：步骤1)中所述的辐射网路和环状网络存在一个重叠的节点，称此重叠节点为分级点；利用在环网中分级点作为负荷节点，即PQ节点；利用在辐射状中分级点作为平衡节点，即Vθ节点，用于后续的潮流计算。
3.根据权利要求1所述的一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，其特征在于：步骤2)中所述系统节点参数表包括配电网节点数、平衡节点的节点电压幅值和相角、PV节点的有功功率和节点电压幅值、PQ节点的有功功率和无功功率、PI节点的有功功率和注入电流,PQ(V)节点的有功功率和节点电压幅值。
4.根据权利要求1所述的一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，其特征在于：步骤2)中所述系统支路参数表包括支路号、首节点、末节点、支路电阻和支路电抗。
5.根据权利要求1所述的一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，其特征在于：步骤2)中所述分布式电源参数表包括并网节点号、电源容量和分布式电源类型。
6.根据权利要求1所述的一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，其特征在于：步骤3)中所述分布式电源类型包括电流型逆变器的光伏发电系统、燃料电池发电系统、异步发电机类型的风力发电系统、采用恒功率因数方式运行的永磁同步发电机类型的风力发电系统。
7.根据权利要求6所述的一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，其特征在于：步骤3)中将分布式电源等效成不同类型的节点，电流型逆变器的光伏发电系统等效成PI节点、燃料电池发电系统等效成PV节点、异步发电机类型的风力发电系统等效成PQ(V)节点、采用恒功率因数方式运行的永磁同步发电机类型的风力发电系统等效成PQ节点。
8.根据权利要求1所述的一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，其特征在于：步骤4)中，
将PI节点转换成PQ型节点的计算模型为其中，|V|为PI节点的电压幅值，Ps为PI节点的恒定有功功率值，Is为PI节点的恒定注入电流值；
将PV节点转换成PQ节点的计算模型为其中，Uac为换流器输出交流电压；Us为系统额定电压；ψ为电压相角；XT为变压器的等值电抗。
将PQ(V)节点转换成PQ节点的计算模型其中，Ps为发电机输出的有功功率；R0为转子电阻；Xe＝X1+X2为发电机的漏电抗；X1为定子漏电抗；X2为转子漏电抗；Xm为发电机的励磁电抗；s为转差率。
9.根据权利要求8所述的一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，其特征在于：步骤5)中，对分布式电源的无功修正，
对于看作PV节点的分布式电源的简化模型，在每次迭代过程中，利用电压幅值的变化量来修正无功功率，无功功率修正表达式为：Qk+1＝Qk+X-1VsΔVk其中，X为PV节点的节点电抗，ΔVk为k次迭代的PV节点电压的实部与给定电压的差值，Vs为PV节点的恒定节点电压值，Qk为k次迭代计算得出的节点无功功率值；
对于看作PQ(V)节点的分布式电源的简化模型，在每次迭代过程中，利用电压幅值的变化量来修正无功功率，无功功率修正表达式为：Qk+1＝f(Vk)其中无功功率修正值由和实现，Vk为发电机节点迭代K次后的电压幅值，其他参数同上所述。
对于看作PI节点的分布式电源的简化模型，在每次迭代过程中，利用节点电流的处理来修正无功功率，无功功率修正表达式为：其中，|Vk|为k次迭代的PI节点的电压幅值，Is为PI节点的恒定注入电流值。
10.根据权利要求1所述的一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法，其特征在于：步骤7)将对初值不敏感的高斯-塞德尔迭代法与传统的牛顿法相融合，先将给定电压初值进行高斯-塞德尔迭代，再将计算后值作为牛顿法潮流计算的初值，从而优化牛顿法对初值的敏感度。并且考虑电力系统在实际运行时，各节点的负荷功率随着电压的波动而改变，引入负荷静态特性，并进行降阶简化处理。
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| CN201910559190.3A CN110323751A (zh) | 2019-06-26 | 2019-06-26 | 一种含分布式电源的弱环配电网潮流计算方法 |
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