CN110676877A - 一种孤岛微电网潮流检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种孤岛微电网潮流检测方法。初始化；将支路进行排序，对网络进行编号；得到Γ矩阵；计算节点电流、支路电流；计算非虚拟平衡节点电压并判断是否满足收敛判据；计算配电系统频率的修正量并判断是否满足收敛判据；更新当前的配电系统频率值；更新实际的有功负荷和无功负荷数值；计算虚拟平衡节点电压修正量并判断是否满足收敛判据；判断此时配电系统频率是否越限；计算二次调频输出的调节量；利用二次调频后的频率更新发电机产生有功功率，负荷有功、无功功率；计算二次调频后潮流分布并判断非虚拟平衡节点电压并判断是否满足收敛判据；输出潮流检测结果。本发明适用于孤岛辐射状交流电网的潮流检测，潮流检测更为精确。

Description

一种孤岛微电网潮流检测方法
技术领域
本发明涉及的是一种电网潮流检测方法。特别是一种主动配电网/微电网潮流检测方法。
背景技术
内部拥有DG的主动配电网/微电网因其特有的优点，目前在世界各国得到了广泛的重视和快速发展。其中，部分主动配电网和大部分微电网会适时地工作在与大电网并网运行和孤岛运行这两种工作模式。在并网运行模式下，互连系统的电压和频率由主电网维持。在孤岛模式下，往往不能找到一个发电容量占比显著且长期可以作为平衡节点的DG。对应此种情况，主动配电网/微电网会采用对等控制策略实现其独立运行期间的功率平衡和电网安全运行。即，对网络内的各个DG采用下垂特性来分配它们每个应承担的有功和无功出力。例如，当某时刻负荷突然增加，会造成电网此刻总发电功率不足，此时，通过下垂特性，使各台DG的输出功率按一定比例分摊负荷功率的变化量。式(1)和式(2)分别描绘了有功功率的下垂特性和无功功率的下垂特性。这是本发明应用的背景之一。
Δf＝mPΔPGi (1)
ΔVi＝nQΔQGi (2)
式中：mP为有功下垂系数；nQ为无功下垂系数；ΔPGi、ΔQGi分别为DG有功功率和无功功率的修正量；Δf为配电系统频率的修正量；ΔVi为配电系统第i个节点节点电压的修正量。
这种依靠下垂控制对DG实施的一次功率(有功/无功)调节手段，在实际运用中，会遇到电压和/或频率超出允许运行范围(越界)的情况。在工程中，为对此情况，通过基于偏差检测的自动控制系统进一步实施二次调节，可保证越界量恢复到允许范围内。但是，这种二次调节是通过反复多次的偏差检测和给定修正，达到逐渐减少越界量值大小的目的，其间并不需要通过潮流分析手段。
随着主动配电网/微电网控制和优化运行能力的逐步发展，基于预测的运行与智能调度逐渐成为了一种新的需求。对于多DG对等控制模式的孤岛电网，欲实施这类智能运行调度，必须需要一种能实现前述调节过程的潮流算法，即同时体现下垂控制对DG的一次出力调节和配电系统越限修正后的二次出力调节的潮流算法。目前，还未能查到这种算法的公开发表。这是本发明提出的背景之二。
发明内容
本发明的目的在于提供一种潮流检测更为精确，适用于孤岛辐射状交流电网的孤岛微电网潮流检测方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)初始化：读取配电网相关信息，选取任意一个节点作为配电系统虚拟平衡节点，记作1号节点，并将支路阻抗、节点负荷数据标幺化，同时给定各变量初始值；
(2)支路编号：将支路进行排序，对网络进行编号；
(3)生成节点关联矩阵：根据网络拓扑结构，自动得到Γ矩阵；
(4)前推计算：根据DG输出有功、无功功率和负荷有功、无功功率，计算节点电流、支路电流；
(5)回代计算：计算非虚拟平衡节点电压Vi并判断是否满足收敛判据
Figure BDA0002233497700000021
a代表为配电系统节点电压迭代次数，ε1代表收敛精度，若不满足收敛判据则返回到(4)；否则，进入(6)；
(6)计算配电系统频率的修正量Δf并判断是否满足收敛判据t2＝||Δfb|-|Δfb-1||＜ε2，b为配电系统频率迭代次数，ε2代表收敛精度，若不满足收敛判据则返回到(4)；否则，进入(7)；
(7)更新当前的配电系统频率值f；
(8)更新各节点的当前实际负荷值：更新实际的有功负荷和无功负荷数值；
(9)计算虚拟平衡节点电压修正量ΔV1并判断是否满足收敛判据c为虚拟平衡节点电压迭代次数，ε3代表收敛精度，若不满足收敛判据则更新虚拟平衡节点电压V1并返回到(4)；否则，进入(10)；
(10)判断此时配电系统频率f是否越限，若是，则进入(11)；否则，进入(14)；
(11)对此时配电系统频率f实施二次调频操作：计算二次调频输出的调节量；
(12)利用二次调频后的频率更新发电机产生有功功率，负荷有功、无功功率；
(13)计算二次调频后潮流分布并判断非虚拟平衡节点电压V'i并判断是否满足收敛判据
Figure BDA0002233497700000023
V'为二次调频后非虚拟平衡节点的节点电压矢量，d为二次调频后配电系统节点电压迭代次数，若不满足收敛判据则返回到(12)；否则，进入(14)；
(14)输出潮流检测结果。
所述的对网络进行编号是选取深度优先或广度优先的方式对网络进行编号。
本发明属于主动配电网/微电网技术领域，尤其是其中的潮流计算和运行优化领域。具体涉及在孤岛运行且DG(分布式发电设备)之间为对等控制模式(用下垂控制方式实现)下辐射状交流电网中，一种能同时体现下垂控制对DG的一次出力调节和配电系统频率越限修正的二次出力调节协同作用下的潮流检测方法。
本发明首先引入节点关联矩阵(Γ矩阵)直接求解配电系统潮流计算，该算法无需耗费大量时间。算法考虑下垂控制将配电系统频率、发电机有功功率及含有DG节点对应的节点电压、发电机无功功率通过下垂系数联系起来，得到更为精确的潮流计算结果。当上述潮流计算结束后，配电系统频率不符合波动范围时引入二次调频技术使频率恢复到正常范围内再进行潮流计算。
本发明所达到的有益效果：
(1)为主动配电网/微电网技术领域提供了一种适用于孤岛辐射状交流电网的潮流算法。
(2)该算法在引入下垂控制对DG的一次出力调节的同时，考虑配电系统频率越限修正的二次出力调节，进而使潮流算法更为精确。
附图说明
图1为IEEE33节点测试系统，其中黑点表示该节点放入DG。
图2为发明的流程图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案主要包括如下步骤:
(1)初始化：读取配电网相关信息(网络拓扑结构、支路支路首节点号数组、末节点号数组、电阻数组R、电抗数组X、和负荷有功、无功功率)，选取任意一个节点作为配电系统虚拟平衡节点，记作1号节点，并将支路阻抗、节点负荷等数据标幺化，同时给定各变量初始值。
(2)支路编号：将支路进行排序，可选取深度优先或广度优先等方式对网络进行编号。
(3)生成节点关联矩阵：根据网络拓扑结构，通过程序自动得到Γ矩阵。
(4)前推计算：根据DG输出有功、无功功率和负荷有功、无功功率，计算节点电流、支路电流。
(5)回代计算：计算非虚拟平衡节点电压Vi并判断是否满足收敛判据
Figure BDA0002233497700000031
若不满足收敛判据则返回到(4)；否则，进入(6)。
(6)计算Δf并判断是否满足收敛判据t2＝||Δfb|-|Δfb-1||＜ε2，若不满足收敛判据则返回到(4)；否则，进入(7)。
(7)更新当前的配电系统频率值f。
(8)更新各节点的当前实际负荷值：根据负荷特性可知，实际的负荷大小受配电系统节点电压、频率变化影响，故需要更新实际的有功负荷和无功负荷数值。
(9)计算ΔV1并判断是否满足收敛判据
Figure BDA0002233497700000041
若不满足收敛判据则更新虚拟平衡节点电压V1并返回到(4)；否则，进入(10)。
(10)判断此时配电系统频率f是否越限，若是，则进入(11)；否则，进入(14)。
(11)对此时配电系统频率f实施二次调频操作：计算二次调频输出的调节量
(12)利用二次调频后的频率更新发电机产生有功功率，负荷有功、无功功率。
(13)计算二次调频后潮流分布并判断非虚拟平衡节点电压V'i并判断是否满足收敛判据
Figure BDA0002233497700000042
若不满足收敛判据则返回到(12)；否则，进入(14)。
(14)输出潮流计算结果(输出各个节点的有功、无功功率，电压，相角)。
下面结合附图2举例对本发明做详细描述。
步骤1.初始化
读取配电网网络拓扑结构和网络数据，将支路阻抗、节点负荷等数据标幺化。选取配电网络任意一个节点作为配电系统虚拟平衡节点，记作1号节点。给定相关初值：各节点电压取1p.u.∠0°；配电系统额定频率f0为1p.u.；给定DG额定有功、无功功率PGi 0、QGi 0；配电系统频率修正量初始值Δf＝0；虚拟平衡节点电压修正量初始值ΔV1＝0；取收敛精度为ε1＝10-4，ε2＝10-3，配电系统节点电压(除虚拟平衡节点外)迭代次数a＝0，配电系统频率迭代次数b＝0，虚拟平衡节点电压迭代次数c＝0，二次调频后配电系统节点电压(除虚拟平衡节点外)迭代次数d＝0。
步骤2.支路编号
将支路进行排序，可选取深度优先或广度优先等方式对网络进行编号。
步骤3.根据网络拓扑结构利用程序获得Γ矩阵
步骤3.1生成与矩阵Γ的维数一样的空矩阵：对于含有m条支路，n个节点的配电网络，
Γ矩阵的维数为m×(n-1)。
步骤3.2确认矩阵中的元素γij：
1)γij＝+1，当电流从支路i流出节点j；
2)γij＝-1，当电流从支路i流入节点j；
3)γij＝0，当支路i与节点j没有任何连接。
步骤4.前推---计算支路电流
根据DG输出有功、无功功率和负荷有功、无功功率，计算节点电流、通过节点电流获得支路电流。
步骤4.1建立体现下垂控制的DG功率模型
每个DG的输出有功功率和无功功率具体见式(3)-(4)。
Figure BDA0002233497700000051
Figure BDA0002233497700000052
式中：PGi、QGi分别为DGi的输出有功功率和无功功率；PGi o、QGi o分别为DGi调整前额定有功、无功功率；ΔPGi、ΔQGi分别为DGi有功功率和无功功率的修正量；Δf、ΔV1分别是配电系统频率修正量和虚拟平衡节点电压修正量；mPi、nQi分别为DGi有功和无功的等效下垂调节系数。
步骤4.2引入负荷功率模型
本发明采用能反映负荷受配电系统节点电压和频率变化影响的静态负荷模型，具体见式(5)-(6)。
Figure BDA0002233497700000053
式中：PLi、QLi为节点i处负荷的有功功率和无功功率；PLi o、QLi o为节点i处负荷的额定有功功率和无功功率；Vi、V0分别为节点i处实际电压和额定电压；α、β分别为有功功率和无功功率随电压变化的指数；f、fo分别为配电系统当前频率和额定频率；Kpf、Kqf均为频率敏感性参数，通常Kpf∈(0,3)，Kqf∈(-2,0)。
步骤4.3计算节点电流和支路电流
计算每一个节点的视在功率
Si＝Pi+jQi
＝(PGi-PLi)+j(QGi-QLi)，i＝2,...N (7)
根据每个非虚拟平衡节点的视在功率，计算该节点的节点电流
Figure BDA0002233497700000061
式中：*代表取共轭值
利用节点关联矩阵Γ，求取支路电流
Ibranch＝Γ-TInode (9)
式中：-T代表取逆并转制；Ibranch为配电系统支路电流矩阵；Inode为配电系统节点电流矢量。
步骤5.回代—计算非虚拟平衡节点的节点电压，t1收敛判断及处理
在本发明中，Vbranch是电网线路中的电压降矩阵，如式(10)所示：
Vbranch＝diag(Zbranch)Ibranch (10)式中：diag(Zbranch)为线路阻抗的对角矩阵。
Vbranch和ΔV之间，也可用节点关联矩阵Γ进行关联，即
ΔV＝Γ-1Vbranch (11)
式中：ΔV为非虚拟平衡节点的节点电压修正量矢量。
故回代计算中，非虚拟平衡节点的节点电压修正量矢量为：
ΔV＝Γ-1diag(Zbranch)Ibranch (12)
修正更新后非虚拟平衡节点的节点电压矢量
V＝V1-ΔV (13)
式中：V1为虚拟平衡节点的电压矢量。
此时判断是否满足收敛判据
Figure BDA0002233497700000062
若不满足收敛判据则迭代次数a＝a+1并返回到(4)；否则，进入(6)。
式中：t1为配电系统节点电压(除虚拟平衡节点外)迭代收敛判据；a为配电系统节点电压(除虚拟平衡节点外)迭代次数；收敛精度ε1＝10-4。
步骤6.计算频率修正量Δf，t2收敛判断及处理
平衡节点是潮流计算中的重要纽带，其功率表示为
在虚拟平衡节点处存在以下关系等式：
Figure BDA0002233497700000072
式中：A1表示与虚拟平衡节点相邻的节点标号集合；V1表示虚拟平衡节点的电压；I1i为虚拟平衡节点与其相邻节点相连构成的支路电流。
因此，利用前推计算得到的支路电流和公式(3)，可确定整个电网的频率修正量，即
Figure BDA0002233497700000073
式中：Re代表取实部。
存储更新后的Δf，未来将用于下一次前推计算，即式(3)。
判断是否满足收敛判据t2＝||Δfb|-|Δfb-1||＜ε2，若不满足收敛判据则迭代次数b＝b+1并返回到(4)；否则，进入(7)。
式中：t2为配电系统频率迭代收敛判据；b为配电系统频率迭代次数；收敛精度ε2＝10-3。
步骤7.更新配电系统频率f＝f0+Δf
步骤8.更新负荷新的实际值
根据式(5)和式(6)，利用新获得的f和Vi，来更新配电系统负荷有功和无功
功率。
步骤9.计算ΔV1，t3收敛判断及处理
虚拟平衡节点电压修正量ΔV1，可依据其与净无功功率之间存在关系获得。
式中：Im代表取虚部。
存储更新后的ΔV1，未来将用于下一次回代计算，即式(4)。
故，配电系统虚拟平衡节点电压修正后的新值为:
此时判断是否满足收敛判据
Figure BDA0002233497700000076
若不满足收敛判据则迭代次数c＝c+1并更新虚拟平衡节点电压V1返回到(4)；否则，进入(10)。
式中：t3虚拟平衡节点电压迭代收敛判据；c为虚拟平衡节点电压迭代次数。
步骤10.频率越限判断及处理
根据我国电力部相关要求，这里取配电系统稳态频率的允许范围为50.0±0.2Hz，对应的标幺值为1±4×10-3。
潮流计算整体收敛后，由步骤7可以得到此刻配电系统的频率。若则进行步骤11，否则进行步骤13。
步骤11.计算二次调频输出的调节量
当频率时，DG通过调整其有功出力，使配电系统频率处于设定值fz∈[0.996,1.004]，可得到P-f特性曲线修正量为：
Figure BDA0002233497700000083
式中：ΔPGi为二次调频后第i个DG有功功率增量；PGi为第i个DG产生的实际有功功率；PGi'为修正后第i个DG有功功率；fz为频率设定值；
新的运行曲线满足：
Figure BDA0002233497700000084
式中：PG'为二次调频后全部DG产生的总有功功率；m为DG个数。
步骤12.根据调节后的发电机有功功率及负荷有功、无功功率
将PG'通过下垂系数按照比例分配给各DG：
Figure BDA0002233497700000085
式中：PGi'为二次调频后第i个DG有功功率输出值。
将二次调频后的配电系统频率带入公式(5)-(6)更新负荷有功、无功功率，得到PLi'、QLi'。
步骤13.二次调频后潮流计算
将PGi'、PLi'、QLi'带入公式(7)-(12)重新进行潮流计算。
修正更新后非虚拟平衡节点的节点电压如式(21)
V'＝V1-ΔV (21)
式中：V'为二次调频后非虚拟平衡节点的节点电压矢量。
此时判断是否满足收敛判据
Figure BDA0002233497700000091
若不满足收敛判据则返回到公式(8)-(12)、(21)；否则，进入(14)。
式中：t4为二次调频后配电系统节点电压(除虚拟平衡节点外)迭代收敛判据；d为二次调频后配电系统节点电压(除虚拟平衡节点外)迭代次数。
步骤14.输出潮流计算结果(输出各个节点的有功、无功功率，电压，相角)。

Claims (2)

1.一种孤岛微电网潮流检测方法，其特征是：
(1)初始化：读取配电网相关信息，选取任意一个节点作为配电系统虚拟平衡节点，记作1号节点，并将支路阻抗、节点负荷数据标幺化，同时给定各变量初始值；
(2)支路编号：将支路进行排序，对网络进行编号；
(3)生成节点关联矩阵：根据网络拓扑结构，自动得到Γ矩阵；
(4)前推计算：根据DG输出有功、无功功率和负荷有功、无功功率，计算节点电流、支路电流；
(5)回代计算：计算非虚拟平衡节点电压Vi并判断是否满足收敛判据t1＝Max||Vi a|-|Vi a-1||＜ε1，a代表为配电系统节点电压迭代次数，ε1代表收敛精度，若不满足收敛判据则返回到(4)；否则，进入(6)；
(6)计算配电系统频率的修正量Δf并判断是否满足收敛判据t2＝||Δfb|-|Δfb-1||＜ε2，b为配电系统频率迭代次数，ε2代表收敛精度，若不满足收敛判据则返回到(4)；否则，进入(7)；
(7)更新当前的配电系统频率值f；
(8)更新各节点的当前实际负荷值：更新实际的有功负荷和无功负荷数值；
(9)计算虚拟平衡节点电压修正量ΔV1并判断是否满足收敛判据t3＝||ΔV1 c|-|ΔV1 c-1||＜ε2，c为虚拟平衡节点电压迭代次数，ε3代表收敛精度，若不满足收敛判据则更新虚拟平衡节点电压V1并返回到(4)；否则，进入(10)；
(10)判断此时配电系统频率f是否越限，若是，则进入(11)；否则，进入(14)；
(11)对此时配电系统频率f实施二次调频操作：计算二次调频输出的调节量；
(12)利用二次调频后的频率更新发电机产生有功功率，负荷有功、无功功率；
(13)计算二次调频后潮流分布并判断非虚拟平衡节点电压V'i并判断是否满足收敛判据t4＝Max||Vi'd|-|Vi'd-1||＜ε1，V'为二次调频后非虚拟平衡节点的节点电压矢量，d为二次调频后配电系统节点电压迭代次数，若不满足收敛判据则返回到(12)；否则，进入(14)；
(14)输出潮流检测结果。
2.根据权利要求1所述的孤岛微电网潮流检测方法，其特征是：所述的对网络进行编号是选取深度优先或广度优先的方式对网络进行编号。
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