CN110829437A - 一种海洋多功能平台电网潮流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋多功能平台电网潮流计算方法，包括：任意选择一个节点作为准平衡节点，解算系统频率修正量Δf^(k)和准平衡节点电压修正量ΔV₁ ^(k)；更新准平衡节点电压得到V₁ ^(k+1)，再次进行前推回代法计算网络潮流，求得电源节点新的电压V_Gi ^(k+1)，并计算各个电源节点电压修正量ΔV_Gi ^(k)；通过下垂特性关系求取各个电源节点有功功率修正量ΔP_Gi ^(k)和无功功率修正量ΔQ_Gi ^(k)；迭代直至ΔP_Gi ^(k)、ΔQ_Gi ^(k)小于给定误差，输出各个节点电压、电源节点有功功率和无功功率，停止计算。本发明以传统前推回代法为理论基础，考虑了电源有功功率与频率及电压的下垂特性关系，无功功率与频率及电压的下垂特性关系，并给出了相应的算法公式，算法精确性高，易于收敛且易于计算。

Description

一种海洋多功能平台电网潮流计算方法

技术领域

本发明涉及一种海洋多功能平台可再生能源电网潮流计算方法，特别是针对一种含下垂控制特性的海洋多功能平台可再生能源电网潮流计算方法。

背景技术

海洋多功能平台是由风能、太阳能、波浪能等可再生能源构成的供电平台，为远离岸边的孤立岛屿或海岸附近的社区或企业提供清洁的电能。这些可再生能源容量有限，在供给负荷电力时，通常按照下垂控制特性在可再生能源之间分配功率。海洋多功能平台电网的线路电阻与电抗数值相近，因此有功功率p与频率f及电压v有关，无功功率Q也与频率f及电压v有关，他们之间存在耦合关系，因此在对这种可再生能源电网进行潮流计算时，需考虑p-f-v与Q-f-v之间的下垂特性。海洋多功能平台可再生能源电网通常为辐射状或弱环网。其中有文献对微电网中下垂特性电源的潮流计算进行了研究，但所用的潮流计算方法为牛顿拉夫逊法，对于海洋多功能平台电网的线路电阻与电抗数值相近的情况，有可能不收敛。部分文献采用了前推回代法这种适用于海洋多功能平台可再生能源电网特征的方法，但讨论的是输电线路电感远远大于电阻的情形，即考虑的是P-f和Q-V下垂特性。还有一些文献采用优化方法解算潮流，方法复杂，容易陷入局部最优解而得不到精确结果。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种计算结果精确、易于计算、易于收敛的海洋多功能平台电网潮流计算方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种海洋多功能平台电网潮流计算方法，包括以下步骤：

步骤1：假设网络节点数为n，发电机个数为m，假设各个节点电压V_i的初值标幺值为V_i＝1∠0°，已知各电源节点有功功率和无功功率P_Gi ^(k)，Q_Gi ^(k)的初始值，i∈m；已知各网络节点负荷有功功率P_li和负荷无功功率Q_li，i∈n；已知网络支路阻抗，初始化迭代次数k＝1；

步骤2：任意选择一个节点作为准平衡节点，准平衡节点电压为V₁ ^(k)，根据已知的各电源节点有功功率P_Gi和无功功率Q_Gi、各网络节点负荷有功功率P_li和负荷无功功率Q_li、各节点电压初值和网络支路阻抗，利用前推回代法进行潮流计算，求得总网络有功损耗P_loss ^(k)和总网络无功损耗Q_loss ^(k)，并计算总消耗有功功率与总电源有功功率之间的差值ΔP^(k)和总消耗无功功率与总电源无功功率之间的差值ΔQ^(k)，根据有功功率、无功功率下垂特性关系式，解算系统频率修正量Δf^(k)和准平衡节点电压修正量ΔV₁ ^(k)；

步骤3：更新准平衡节点电压得到V₁ ^(k+1)，再次进行前推回代法计算网络潮流，求得电源节点新的电压V_Gi ^(k+1)，并计算各个电源节点电压修正量ΔV_Gi ^(k)；

步骤4：根据步骤2得到的系统频率修正量Δf^(k)和步骤3得到的各个电源节点电压修正量ΔV_Gi ^(k)，通过下垂特性关系求取各个电源节点有功功率修正量ΔP_Gi ^(k)和无功功率修正量ΔQ_Gi ^(k)；

步骤5：若满足ΔP_Gi ^(k)≤ε且ΔQ_Gi ^(k)≤ε，则输出各个节点电压、电源节点有功功率和无功功率，停止计算；若不满足ΔP_Gi ^(k)≤ε且ΔQ_Gi ^(k)≤ε，则更新电源节点发出的有功功率P_Gi ^(k+1)和无功功率Q_Gi ^(k+1)，k＝k+1，返回步骤2。

本发明还包括：

1.步骤2中总网络有功损耗P_loss ^(k)和总网络无功损耗Q_loss ^(k)满足：

P_loss ^(k)＝∑(I_ij ^(k))²·R_ij

Q_loss ^(k)＝∑(I_ij ^(k))²·X_ij

其中I_ij为支路电流，由前推回代法计算获得，R_ij+X_ij为网络支路阻抗，i,j∈n；

总消耗有功功率与总电源有功功率之间的差值ΔP^(k)和总消耗无功功率与总电源无功功率之间的差值ΔQ^(k)满足：

系统频率修正量Δf^(k)满足：

准平衡节点电压修正量ΔV₁ ^(k)满足：

其中，m_Qi为电源无功-频率的下垂系数，m_Pi为电源有功-频率的下垂系数，n_pi为电源有功-电压的下垂系数，n_Qi为电源无功-电压的下垂系数；

2.步骤3中更新准平衡节点电压具体为：

V₁ ^(k+1)＝V₁ ^(k)+ΔV₁ ^(k)

步骤3中各个电源节点电压修正量ΔV_Gi具体为：

3.步骤4中各个电源节点有功功率修正量ΔP_Gi ^(k)和无功功率修正量ΔQ_Gi ^(k)满足：

4.步骤5中更新电源节点发出的有功功率P_Gi ^(k+1)和无功功率Q_Gi ^(k+1)具体为：

本发明的有益效果：针对海洋多功能平台可再生能源电网的特征，即辐射状或弱环网络，线路电阻与电感值相近的情况，提供一种含下垂控制特性电源的电网潮流分析技术。该技术以传统前推回代法为理论基础，考虑了电源有功功率与频率及电压的下垂特性关系，无功功率与频率及电压的下垂特性关系，并给出了相应的算法公式，算法能够给出精确的计算结果，且易于计算，为设计及运行人员提供了有效信息，算法精确性高，易于收敛。该方法与PSCAD仿真软件的计算结果(视为精确结果)相比较，最大电压幅值绝对误差为0.0004,最大电压相角绝对误差0.005。本方法由于是在传统前推回代法基础上的改进方法，易于在传统程序中加以修改，易于理解，且继承了前推回代法易于收敛的特点，精确性高，为设计及运行人员提供了有效信息。

附图说明

图1为计算仿射潮流的算法流程图。

图2为6节点系统接线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

结合图1，本发明的实现包括以下步骤：

步骤1：任意选择一个节点作为准平衡节点，假设各个节点电压初值为1∠0°，各个电源初始功率P_Gi＝0,Q_Gi＝0，迭代次数k＝1。

步骤2：已知电源节点发电功率、节点电压、各节点负荷功率及网络阻抗条件下，利用传统前推回代法进行潮流计算，求得总网络损耗P_loss，Q_loss，并计算总消耗功率(负荷功率+网络损耗功率)与总电源功率之间的差值ΔP,ΔQ，借助有功功率、无功功率下垂特性关系式，解算系统频率修正量Δf和准平衡节点电压修正量ΔV₁。

步骤3：更新准平衡节点电压V₁，再次进行前推回代潮流计算，求得电源节点新的电压V_Gi，并计算各个电源节点电压修正量ΔV_Gi。

步骤4：根据系统频率修正量Δf和各个电源节点电压变化量ΔV_Gi，借助下垂特性关系求取各个电源节点有功功率、无功功率修正量ΔP_Gi,ΔQ_Gi

步骤5：若满足ΔP_Gi≤ε且ΔQ_Gi≤ε，则输出各个节点电压、发电功率等潮流结果，停止计算；若不满足ΔP_Gi≤ε且ΔQ_Gi≤ε，则更新电源节点发出的有功功率、无功功率P_Gi、Q_Gi，返回步骤2。

本发明的实质是对传统前推回代方法进行修正，以反映海洋多功能平台可再生能源电网有功-频率-电压下垂控制特性，无功-频率-电压下垂控制特性。在求取系统频率修正量Δf和准平衡节点电压修正量ΔV₁时，运用公式如下：

ΔP，ΔQ为总消耗功率(负荷功率+网络损耗功率)与总电源功率之间的差值。m_Qi为电源无功-频率的下垂系数，m_Pi为电源有功-频率的下垂系数。n_pi为电源有功-电压的下垂系数，n_Qi为电源无功-电压的下垂系数。

在更新各个节点电压时，通过潮流计算求得各个节点实际电压，而不是用统一的准平衡节点电压变化量，提高计算的精确性。

本发明的工作原理是：

假设网络节点数为n，发电机个数为m，选择网络中任意一个节点作为准平衡节点，假设初始各个节点电压为1∠0°，各个电源初始功率P_Gi＝0,Q_Gi＝0，迭代次数k＝1。

已知各节点负荷功率，发电功率及网络阻抗条件下，对网络进行传统前推回代法潮流计算，求得总网络损耗P_loss＝∑I_ij ²·R_ij，Q_loss＝∑I_ij ²·X_ij其中I_ij为支路电流，R_ij+X_ij为支路阻抗，i,j∈n。并计算总消耗功率(负荷功率+网络损耗功率)与总电源功率之间的差值，即

其中P_li、Q_li分别为节点i的负荷有功功率、无功功率。P_Gi，Q_Gi为发电机有功功率、无功功率。ΔP、ΔQ也就是电源供电缺额部分，应由各个电源按照下垂特性承担。则：

电源的有功、无功下垂特性表达式为：

其中m_Qi为电源无功-频率的下垂系数，m_Pi为电源有功-频率的下垂系数。n_pi为电源有功-电压的下垂系数，n_Qi为电源无功-电压的下垂系数。Δf为系统频率修正量，ΔV_Gi为电源节点电压修正量。

由于初始时，各个节点电压变化量ΔV_Gi与准平衡节点电压变化量ΔV₁数值相差不大，且当迭代过程中ΔP_Gi、ΔQ_Gi逐渐接近于零时，ΔV_Gi,ΔV₁也逐渐接近于零，可以看成相等。因此这里假定(3)(4)中ΔV_Gi＝ΔV₁，将式(3)(4)代入式(1)(2)，可求出准平衡节点电压修正量ΔV₁与系统频率修正量Δf。

更新准平衡节点电压

V₁ ^(k+1)＝V₁ ^(k)+ΔV₁ ^(k) (5)

其中k为迭代次数，初始设定k＝1。

基于新的准平衡节点电压，再次进行传统前推回代法潮流计算，获得各个电源节点电压V_Gi，进而求得各个电源节点电压修正量

将Δf，ΔV_Gi代入公式(3)(4)求得各个电源节点的功率修正量ΔP_Gi，ΔQ_Gi。

若满足ΔP_Gi≤ε且ΔQ_Gi≤ε，则输出各个节点电压、发电功率等潮流结果；若不满足ΔP_Gi≤ε且ΔQ_Gi≤ε，则

更新各个电源有功功率P_Gi、无功功率Q_Gi

进入下一次迭代过程。

一个6节点的交流系统，该系统的接线图如图2所示。具体步骤如下：

步骤1：交流网络中节点数为6、支路数为5、支路阻抗值Z₁₂＝R₁₂+jX₁₂＝0.43+j0.32Ω，Z₁₄＝R₁₄+jX₁₄＝0.43+j0.32Ω，Z₂₃＝R₂₃+jX₂₃＝0.43+j0.32Ω，Z₂₅＝R₂₅+jX₂₅＝0.44+j0.24Ω，Z₃₆＝R₃₆+jX₃₆＝0.44+j0.24Ω节点负荷功率值S_l1＝P_l1+jQ_l1＝5+j3.6KW，S_l3＝P_l3+jQ_l3＝4+j2.3KW，S_l2＝S_l4＝S_l5＝S_l6＝0下垂特性电源的有功-电压下垂系数m_P1＝m_P2＝m_P3＝-0.0017、无功-频率下垂系数m_Q1＝m_Q2＝m_Q3＝-0.0028,n_P1＝n_P2＝n_P3＝-0.0015,m_Q1＝m_Q2＝m_Q3＝-0.0019。容量基准值选取：S_b＝10KVA，电压基准值选取：V_b＝220V。设定各个初始有功P_Gi＝0，无功Q_Gi＝0，设定迭代次数k＝1，收敛值为0.0001。

步骤2：选定网络中某一节点为准平衡节点，这里选取节点4为准平衡节点，其初始电压标么值为V₄＝1，相角为零。确定下垂特性电源的连接节点分别为4,5,6，给定各节点初始电压幅值为1.系统初始频率标么值为1。

步骤3：进行传统前推回代法潮流计算，得到准平衡节点出力ΔP，ΔQ

步骤4：利用下垂特性求系统频率变化量Δf，准平衡节点电压变化量ΔV₄

步骤5：利用准平衡节点电压变化量ΔV₄，更新准平衡节点电压：

V₄ ^(k)＝V₄ ^(k-1)+ΔV₄ ^(k)

步骤6：进行前推回代潮流计算，求取各个节点新的电压值V_i，进而获得各个节点电压变化量ΔV^(k) _i＝V^(k) _i-V_i ^(k-1)，利用电压变化量和频率变化量计算各个电源节点4,5,6的功率变化量ΔP_GiΔQ_Gi。

更新各个电源有功功率

P_Gi＝P_Gi+ΔP_Gi

Q_Gi＝Q_Gi+ΔQ_Gi

再返回步骤3，直至各个电源有功功率变化量ΔP_Gi≤0.0001，ΔQ_Gi≤0.0001为止。

表1为本发明的结果与PSCAD仿真结果的对比，可看出最大电压幅值误差为0.0004，最大电压相角误差为0.005°，表明算法精确度高。

表1本发明的结果与PSCAD仿真结果的对比

本发明具体实施方式还包括：

本方法包括以下步骤：

步骤1：假设网络节点数为n，发电机个数为m，任意选择一个节点作为准平衡节点，假设各个节点电压初值为V_i＝1∠0°，确定各个电源功率P_Gi,Q_Gi初始值，初始化迭代次数k＝1。

步骤2：已知各个电源功率、节点电压V_i、各节点负荷功率P_li,Q_li、网络阻抗R_ij+X_ij条件下，利用传统前推回代法进行潮流计算，求得总网络损耗P_loss ^(k)，Q_loss ^(k)，并计算总消耗功率(负荷功率+网络损耗功率)与总电源功率之间的差值ΔP^(k),ΔQ^(k)，借助有功功率、无功功率下垂特性关系式，解算系统频率修正量Δf^(k)和准平衡节点电压修正量ΔV₁ ^(k)。

步骤3：更新准平衡节点电压V₁ ^(k+1)，再次进行传统前推回代潮流计算，求得电源节点新的电压V_Gi ^(k+1)，并计算各个电源节点电压修正量ΔV_Gi ^(k)。

步骤4：根据步骤2中求得的系统频率修正量Δf和步骤3中求得的各个电源节点电压修正量ΔV_Gi ^(k)，借助下垂特性关系求取各个电源节点有功功率、无功功率修正量ΔP_Gi ^(k),ΔQ_Gi ^(k)

步骤5：若满足ΔP_Gi ^(k)≤ε且ΔQ_Gi ^(k)≤ε，则输出各个节点电压、发电功率等潮流结果，停止计算；若不满足ΔP_Gi ^(k)≤ε且ΔQ_Gi ^(k)≤ε，则更新电源节点发出的有功功率、无功功率P_Gi ^(k+1)、Q_Gi ^(k+1)，k＝k+1，返回步骤2。

步骤2中总网络损耗P_loss，Q_loss具体为：

有功损耗P_loss ^(k)满足：P_loss ^(k)＝Σ(I_ij ^(k))²·R_ij

无功损耗Q_loss ^(k)满足：Q_loss ^(k)＝Σ(I_ij ^(k))²·X_ij

其中I_ij为支路电流，由传统前推回代潮流计算求得。R_ij+X_ij为支路阻抗，i,j∈n。

步骤2中计算总消耗功率(负荷功率+网络损耗功率)与总电源功率之间的差值ΔP^(k),ΔQ^(k)，具体为：

有功差值ΔP^(k)满足：

无功差值ΔQ^(k)满足：

其中P_li、Q_li分别为节点i的负荷有功功率、无功功率，P_Gi ^(k)，Q_Gi ^(k)为发电机有功功率、无功功率。

步骤2中解算系统频率修正量和准平衡节点电压修正量具体为：

系统频率修正量Δf^(k)满足：

准平衡节点电压修正量ΔV₁ ^(k)满足：

其中m_Qi为电源无功-频率的下垂系数，m_Pi为电源有功-频率的下垂系数。n_pi为电源有功-电压的下垂系数，n_Qi为电源无功-电压的下垂系数。

步骤3中更新准平衡节点电压V₁具体为：

V₁ ^(k+1)＝V₁ ^(k)+ΔV₁ ^(k)

步骤3中各个电源节点电压修正量ΔV_Gi具体为：

步骤4中求取各个电源节点有功功率、无功功率修正量ΔP_Gi,ΔQ_Gi具体为：

各个电源节点有功功率ΔP_Gi ^(k)满足：

各个电源节点有功功率ΔQ_Gi ^(k)满足：

步骤5中ε为允许误差值，具体为ε＝0.0001

步骤5中更新电源节点发出的有功功率、无功功率P_Gi、Q_Gi，具体为

有功功率

无功功率

Claims (5)

1.一种海洋多功能平台电网潮流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：假设网络节点数为n，发电机个数为m，假设各个节点电压V_i的初值标幺值为V_i＝1∠0°，已知各电源节点有功功率和无功功率P_Gi ^(k)，Q_Gi ^(k)的初始值，i∈m；已知各网络节点负荷有功功率P_li和负荷无功功率Q_li，i∈n；已知网络支路阻抗，初始化迭代次数k＝1；

步骤2：任意选择一个节点作为准平衡节点，准平衡节点电压为V₁ ^(k)，根据已知的各电源节点有功功率P_Gi和无功功率Q_Gi、各网络节点负荷有功功率P_li和负荷无功功率Q_li、各节点电压初值和网络支路阻抗，利用前推回代法进行潮流计算，求得总网络有功损耗P_loss ^(k)和总网络无功损耗Q_loss ^(k)，并计算总消耗有功功率与总电源有功功率之间的差值ΔP^(k)和总消耗无功功率与总电源无功功率之间的差值ΔQ^(k)，根据有功功率、无功功率下垂特性关系式，解算系统频率修正量Δf^(k)和准平衡节点电压修正量ΔV₁ ^(k)；

步骤3：更新准平衡节点电压得到V₁ ^(k+1)，再次进行前推回代法计算网络潮流，求得电源节点新的电压V_Gi ^(k+1)，并计算各个电源节点电压修正量ΔV_Gi ^(k)；

步骤4：根据步骤2得到的系统频率修正量Δf^(k)和步骤3得到的各个电源节点电压修正量ΔV_Gi ^(k)，通过下垂特性关系求取各个电源节点有功功率修正量ΔP_Gi ^(k)和无功功率修正量ΔQ_Gi ^(k)；

步骤5：若满足ΔP_Gi ^(k)≤ε且ΔQ_Gi ^(k)≤ε，则输出各个节点电压、电源节点有功功率和无功功率，停止计算；若不满足ΔP_Gi ^(k)≤ε且ΔQ_Gi ^(k)≤ε，则更新电源节点发出的有功功率P_Gi ^{(k +1)}和无功功率Q_Gi ^(k+1)，k＝k+1，返回步骤2。

2.根据权利要求1所述的一种海洋多功能平台电网潮流计算方法，其特征在于：步骤2所述总网络有功损耗P_loss ^(k)和总网络无功损耗Q_loss ^(k)满足：

P_loss ^(k)＝Σ(I_ij ^(k))²·R_ij

Q_loss ^(k)＝Σ(I_ij ^(k))²·X_ij

其中I_ij为支路电流，由前推回代法计算获得，R_ij+X_ij为网络支路阻抗，i,j∈n；

总消耗有功功率与总电源有功功率之间的差值ΔP^(k)和总消耗无功功率与总电源无功功率之间的差值ΔQ^(k)满足：

系统频率修正量Δf^(k)满足：

准平衡节点电压修正量ΔV₁ ^(k)满足：

其中，m_Qi为电源无功-频率的下垂系数，m_Pi为电源有功-频率的下垂系数，n_pi为电源有功-电压的下垂系数，n_Qi为电源无功-电压的下垂系数。

3.根据权利要求1所述的一种海洋多功能平台电网潮流计算方法，其特征在于：

步骤3所述更新准平衡节点电压具体为：

V₁ ^(k+1)＝V₁ ^(k)+ΔV₁ ^(k)

步骤3所述各个电源节点电压修正量ΔV_Gi具体为：

4.根据权利要求1所述的一种海洋多功能平台电网潮流计算方法，其特征在于：

步骤4所述各个电源节点有功功率修正量ΔP_Gi ^(k)和无功功率修正量ΔQ_Gi ^(k)满足：

5.根据权利要求1所述的一种海洋多功能平台电网潮流计算方法，其特征在于：

步骤5所述更新电源节点发出的有功功率P_Gi ^(k+1)和无功功率Q_Gi ^(k+1)具体为：

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