CN110854862A - 一种含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法 - Google Patents

一种含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法，包括：利用前推回代法进行潮流计算，获得计算系统频率修正量Δf，并计算各个电源节点的无功功率修正量ΔQGi；若满足ΔQGi≤ε，则进入下一步，否则更新各个电源无功功率QGi，然后返回开始；计算总负荷及网络损耗的有功功率与电源总有功出力的差额ΔP，计算准平衡节点电压修正量ΔU1；更新准平衡节点电压U1，进行前推回代潮流计算，求取各个节点新的电压值Ui'，获得各个节点电压修正量ΔUi，计算各个电源节点的有功功率修正量ΔPGi；若满足ΔPGi≤ε，则输出各个节点电压，电源节点有功功率和无功功率；若不满足ΔPGi≤ε，则更新各个电源有功功率PGi，反至初始。本发明是在前推回代法基础上的改进，精度高，且继承了前推回代法易于收敛的特点。

Description

一种含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及船舶微电网潮流计算领域，涉及一种船舶电网潮流计算方法，特别是一种含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法。
背景技术
在大型船舶电网中往往含有几个分布式电源，这些分布式电源接在不同节点，且容量有限，不能像传统的路上电力系统那样，某些电源的容量非常大，可以看成平衡节点，即能够补偿整个系统的功率不平衡。在船舶电网中，分布式电源往往按照下垂控制特性进行有功无功的分配，因此是不存在真正的平衡节点的。另外在船舶电网是低压电网，馈线电阻往往大于电感，其分布式电源的有功主要与电压有关(P-V)，而无功主要与系统频率有关(Q-f)。
从当前的微电网潮流计算研究结果来看，有文献对牛顿拉夫逊法加以改进运用，这种方法不适用于船舶电网中线路电阻大于电感的情况。有部分研究采用优化算法求解，该类算法均存在参数过多，调参复杂的问题，很难获得精确解。另有文献采用了前推回代法这种适用于船舶网络特征的方法，但讨论的是电压等级较高网络中，输电线路电感远远大于电阻的情形，下垂特性主要考虑的是P-f，Q-V之间的关系，不适用于低压的船舶电网。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是针对船舶电网的特征，即辐射状网络，馈线电阻大于电感的情况，提供一种继承了前推回代法易于收敛的特点、计算精度高的含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法。
为解决上述技术问题，本发明的一种含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法,包括以下步骤：
步骤1：选择网络中任意一个节点作为准平衡节点，设电网节点数为N，发电机节点数为G，电网各个节点电压Ui的初始标么值为1∠0°，确定分布式电源初始有功功率和无功功率的给定值PGi,QGi，i∈G；
步骤2：利用前推回代法进行潮流计算，获得网络有功损耗PLoss、无功损耗QLoss，并进一步计算总负荷及网络损耗的无功功率与所有电源总无功功率的差额ΔQ；
步骤3：计算系统频率修正量Δf，并进一步计算各个电源节点的无功功率修正量ΔQGi；
步骤4：若满足ΔQGi≤ε，ε为给定误差，则进入下一步，否则更新各个电源无功功率QGi，然后转至步骤2；
步骤5：计算总负荷及网络损耗的有功功率与电源总有功出力的差额ΔP，计算准平衡节点电压修正量ΔU1；
步骤6：更新准平衡节点电压U1，然后进行前推回代潮流计算，求取各个节点新的电压值Ui'，进而获得各个节点电压修正量ΔUi，利用电压修正量计算各个电源节点的有功功率修正量ΔPGi；
步骤7：若满足ΔPGi≤ε，则终止计算，输出各个节点电压，电源节点有功功率和无功功率；若不满足ΔPGi≤ε，则更新各个电源有功功率PGi，转到步骤2。
本发明还包括：
1.步骤2中网络有功损耗PLoss、无功损耗QLoss满足：
Ploss＝∑Iij 2·Rij
Qloss＝∑Iij 2·Xij
其中Iij为支路电流，Rij+Xij为支路阻抗，i,j∈N；
步骤2中总负荷及网络损耗的无功功率与所有电源总无功功率的差额ΔQ满足：
Figure BDA0002300622410000021
其中，QGi为电源节点的无功功率；QLj为节点的无功负荷；QLoss为整个网络无功损耗。
2.步骤3中系统频率修正量Δf满足：
Figure BDA0002300622410000022
其中mQi为电源无功-频率的下垂系数；
各个电源节点的无功功率修正量ΔQGi满足：
3.步骤4中更新各个电源无功功率QGi具体为将QGi更新为QGi+ΔQGi，i∈G。
4.步骤5中总负荷及网络损耗的有功功率与电源总有功出力的差额ΔP满足：
Figure BDA0002300622410000031
其中PLj为各网络节点负荷有功功率。PGi为各发电机有功功率；
步骤5中准平衡节点电压修正量ΔU1满足：
Figure BDA0002300622410000032
其中mPi为电源有功-电压的下垂系数。
5.步骤6中更新准平衡节点电压U1具体为将U1替换为U1+ΔU1；
步骤6中各个节点电压变化量满足：
ΔUi＝Ui'-Ui
步骤6中的各个电源节点的有功功率修正量ΔPGi满足：
Figure BDA0002300622410000033
6.步骤7中更新各个电源有功功率PGi具体为：将PGi更新为PGi+ΔPGi。
本发明有益效果：本发明针对船舶电网的辐射状网络结构特征及馈线电阻大于电抗的特征，提供了一种含下垂控制特性电源的船舶电网潮流计算方法。算法精确性高，通过大量的算例仿真验证，该方法与PSCAD仿真软件的计算结果(通常被认为是精确解)相比较，最大电压幅值绝对误差为0.0003，最大相角误差为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。
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，本发明的目的是这样实现的：基于辐射状网络的经典前推回代法，分别利用内环修正各个电源无功功率，利用外环修正各个电源有功功率。
步骤1：首先选择网络中任意一个节点作为准平衡节点，设电网节点数为N，发电机节点数为G，各个节点电压初始标么值为1∠0°，确定分布式电源初始功率给定值PGi,QGi。
步骤2：利用传统前推回代法进行潮流计算，获得整个网络有功损耗PLoss、无功损耗QLoss。并进一步计算总负荷及网络损耗的无功功率与所有电源总无功功率的差额。
步骤3：计算系统频率修正量Δf，并进一步计算各个电源节点的无功修正量。
步骤4：若满足ΔQGi≤ε，则进入下一步，否则更新各个电源无功功率，然后转到第2步。
步骤5：计算总负荷及网络损耗的有功功率与电源总有功功率的差额，计算准平衡节点电压修正量。
步骤6：更新准平衡节点电压，然后进行前推回代潮流计算，求取各个节点新的电压值Ui'，进而获得各个节点电压修正量ΔUi＝Ui'-Ui，利用电压变化量计算各个电源节点的有功修正量。
步骤7：若满足ΔPGi≤ε，则终止计算，输出各个节点电压，功率等变量值。若不满足ΔPGi≤ε，则更新各个电源有功功率，转到第2步。
本发明的实质是对传统前推回代方法进行修正，以反映船舶电网有功-电压下垂控制特性，无功-频率下垂控制特性。在求取频率变化量和准平衡节点电压变化量时，运用下垂特性公式如下：
Figure BDA0002300622410000041
Figure BDA0002300622410000042
其中，N为电网节点数，G为发电机节点，PGi、QGi分别为第i个电源节点的有功、无功功率；PLj、QLj分别为第j个节点的有功、无功负荷；PLoss，QLoss为整个网络有功、无功损耗， mQi为电源无功-频率的下垂系数，mPi为电源有功-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。
迭代过程中，设计单独的电压外环，防止了节点电压收敛过程中的震荡，收敛快速。
本发明的工作原理是：
1.选择网络中任意一个节点作为准平衡节点，电网节点数为N，发电机节点数为G，设定各个节点电压初始标么值为1∠0°，确定分布式电源初始功率给定值PGi,QGi。
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，获得整个网络有功损耗PLoss、无功损耗QLoss
Ploss＝∑Iij 2·Rij (1)
Qloss＝ΣIij 2·Xij (2)
其中Iij为支路电流，Rij+Xij为支路阻抗，i,j∈N
3.计算总负荷及网络损耗的无功功率与所有电源总无功功率的差额，如下式
Figure BDA0002300622410000051
其中QGi为电源节点的无功功率；QLj为节点的无功负荷；QLoss为整个网络无功损耗。
4.利用无功-频率下垂特性公式，计算系统频率修正量Δf
Figure BDA0002300622410000052
其中mQi为电源无功-频率的下垂系数
5.利用频率修正量计算各个电源节点的无功修正量。
6.若满足ΔQGi≤ε，则进入步骤7，否则更新各个电源无功功率
QGi＝QGi+ΔQGi i∈G (6)
然后转到第2步。
7.计算总负荷及网络损耗的有功功率与电源总有功功率的差额，如下式
Figure BDA0002300622410000054
其中PLj为负荷有功功率。PGi为发电机有功功率。
利用有功-电压的下垂特性公式，计算准平衡节点电压修正量
Figure BDA0002300622410000061
其中mPi为电源有功-电压的下垂系数。
8.利用准平衡节点电压修正量更新准平衡节点电压：
U1＝U1+ΔU1 (9)
然后进行前推回代潮流计算，求取各个节点新的电压值Ui'，进而获得各个节点电压修正量ΔUi＝Ui'-Ui，利用电压修正量计算各个电源节点的有功修正量。
Figure BDA0002300622410000062
9.若满足ΔPGi≤ε，则终止计算，输出各个节点电压，功率等变量值。若不满足ΔPGi≤ε，则更新各个电源有功功率
PGi＝PGi+ΔPGi (11)
再转到第2步。
在6节点的交流系统中，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+j0.02Ω， Z14＝R14+jX14＝0.43+j0.02Ω，Z23＝R23+jX23＝0.43+j0.02Ω， Z25＝R25+jX25＝0.44+j0.01Ω，Z36＝R36+jX36＝0.44+j0.01Ω，节点负荷功率值 SL1＝PL1+jQL1＝3+j5KW，SL3＝PL3+jQL3＝8+j3KW，SL2＝SL4＝SL5＝SL6＝0，下垂特性电源的有功-电压下垂系数mP1＝mP2＝mP3＝-0.0012、无功-频率下垂系数mQ1＝mQ2＝mQ3＝-0.0023。基准值选取：Sb＝10KVA，电压基准值选取：Ub＝220V。设定各个电源初始有功PGi＝0，无功QGi＝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U4＝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，并计算网络损耗QLoss，PLoss。
步骤4：内环计算：计算各个电源无功出力与负荷及网络损耗之间无功功率差值
Figure BDA0002300622410000071
利用下垂特性求系统频率变化量
Figure BDA0002300622410000072
利用
Figure BDA0002300622410000073
i∈4,5,6，求下垂特性分布式电源节点无功变化量ΔQGi i∈4,5,6，更新电源节点发出无功QGi (k)＝QGi (k-1)+ΔQGi i∈4,5,6，返回步骤3，直至满足ΔQGi≤0.0001，i∈4,5,6为止。
步骤5：外环计算：计算各个电源有功出力与负荷及网损之间有功功率差值
Figure BDA0002300622410000074
利用有功-电压的下垂特性公式，计算准平衡节点电压变化量
Figure BDA0002300622410000075
利用准平衡节点电压变化量更新准平衡节点电压：
U4 (k)＝U4 (k-1)+ΔU4
然后进行前推回代潮流计算，求取各个节点新的电压值Ui，进而获得各个节点电压变化量ΔUi＝Ui-Ui-1，利用电压变化量计算各个电源节点的有功变化量。
Figure BDA0002300622410000076
更新各个电源有功功率
PGi＝PGi+ΔPGi，i∈4,5,6
再返回步骤3，直至各个电源有功功率变化量ΔPGi≤0.0001，i∈4,5,6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0.0003，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仿真结果对比
Figure BDA0002300622410000081
本发明具体实施方式还包括：
本发明实施方式包括以下步骤：
步骤1：首先选择网络中任意一个节点作为准平衡节点，设电网节点数为N，发电机节点数为G，各个节点电压初始标么值为1∠0°，确定分布式电源初始功率给定值PGi,QGi。
步骤2：利用传统前推回代法进行潮流计算，获得整个网络有功损耗PLoss、无功损耗QLoss。并进一步计算总负荷及网络损耗的无功功率与所有电源总无功功率的差额ΔQ。
步骤3：计算系统频率修正量Δf，并进一步计算各个电源节点的无功修正量
步骤4：若满足ΔQGi≤ε，则进入下一步，否则更新各个电源无功功率，然后转到第2步。
步骤5：计算总负荷及网络损耗的有功功率与电源总有功出力的差额，计算准平衡节点电压修正量
步骤6：更新准平衡节点电压，然后进行前推回代潮流计算，求取各个节点新的电压值Ui'，进而获得各个节点电压修正量，利用电压修正量计算各个电源节点的有功修正量。
步骤7：若满足ΔPGi≤ε，则终止计算，输出各个节点电压，功率等变量值。若不满足ΔPGi≤ε，则更新各个电源有功功率，转到第2步。
步骤2的整个网络有功损耗PLoss、无功损耗QLoss具体为：
Ploss＝∑Iij 2·Rij
Qloss＝ΣIij 2·Xij
其中Iij为支路电流，Rij+Xij为支路阻抗，i,j∈N
步骤2所述总负荷及网络损耗的无功功率与所有电源总无功功率的差额，具体为：
Figure BDA0002300622410000091
其中QGi为电源节点的无功出力；QLj为节点的无功负荷；QLoss为整个网络无功损耗。
步骤3中系统频率修正量Δf具体为：
Figure BDA0002300622410000092
其中mQi为电源无功-频率的下垂系数。
步骤3中各个电源节点的无功修正量，具体为：
Figure BDA0002300622410000093
步骤4中ε为允许误差值，ε＝0.0001。
步骤4中更新各个电源无功功率，具体为
QGi＝QGi+ΔQGi i∈G
步骤5中总负荷及网络损耗的有功功率与电源总有功出力的差额，具体为
Figure BDA0002300622410000094
其中PLj为负荷有功功率。PGi为发电机有功功率。
步骤5中准平衡节点电压修正量，具体为
其中mPi为电源有功-电压的下垂系数。
步骤6中更新准平衡节点电压，具体为：
U1＝U1+ΔU1
步骤6中各个节点电压变化量，具体为：
ΔUi＝Ui'-Ui
步骤6中各个电源节点的有功修正量，具体为：
步骤7中ε为允许误差值，ε＝0.0001。
步骤7中更新各个电源有功功率，具体为：
PGi＝PGi+ΔPGi。

Claims (7)

1.一种含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选择网络中任意一个节点作为准平衡节点，设电网节点数为N，发电机节点数为G，电网各个节点电压Ui的初始标么值为1∠0°，确定分布式电源初始有功功率和无功功率的给定值PGi,QGi，i∈G；
步骤2：利用前推回代法进行潮流计算，获得网络有功损耗PLoss、无功损耗QLoss，并进一步计算总负荷及网络损耗的无功功率与所有电源总无功功率的差额ΔQ；
步骤3：计算系统频率修正量Δf，并进一步计算各个电源节点的无功功率修正量ΔQGi；
步骤4：若满足ΔQGi≤ε，ε为给定误差，则进入下一步，否则更新各个电源无功功率QGi，然后转至步骤2；
步骤5：计算总负荷及网络损耗的有功功率与电源总有功出力的差额ΔP，计算准平衡节点电压修正量ΔU1；
步骤6：更新准平衡节点电压U1，然后进行前推回代潮流计算，求取各个节点新的电压值Ui'，进而获得各个节点电压修正量ΔUi，利用电压修正量计算各个电源节点的有功功率修正量ΔPGi；
步骤7：若满足ΔPGi≤ε，则终止计算，输出各个节点电压，电源节点有功功率和无功功率；若不满足ΔPGi≤ε，则更新各个电源有功功率PGi，转到步骤2。
2.根据权利要求1所述的一种含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法,其特征在于：步骤2所述网络有功损耗PLoss、无功损耗QLoss满足：
Ploss＝∑Iij 2·Rij
Qloss＝∑Iij 2·Xij
其中Iij为支路电流，Rij+Xij为支路阻抗，i,j∈N；
步骤2所述总负荷及网络损耗的无功功率与所有电源总无功功率的差额ΔQ满足：
Figure FDA0002300622400000011
其中，QGi为电源节点的无功功率；QLj为节点的无功负荷；QLoss为整个网络无功损耗。
3.根据权利要求1所述的一种含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法,其特征在于：步骤3所述系统频率修正量Δf满足：
其中mQi为电源无功-频率的下垂系数；
各个电源节点的无功功率修正量ΔQGi满足：
Figure FDA0002300622400000022
。
4.根据权利要求1所述的一种含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法,其特征在于：步骤4所述更新各个电源无功功率QGi具体为将QGi更新为QGi+ΔQGi，i∈G。
5.根据权利要求1所述的一种含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法,其特征在于：步骤5所述总负荷及网络损耗的有功功率与电源总有功出力的差额ΔP满足：
Figure FDA0002300622400000023
其中PLj为各网络节点负荷有功功率。PGi为各发电机有功功率；
步骤5所述准平衡节点电压修正量ΔU1满足：
Figure FDA0002300622400000024
其中mPi为电源有功-电压的下垂系数。
6.根据权利要求1所述的一种含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法,其特征在于：步骤6所述更新准平衡节点电压U1具体为将U1替换为U1+ΔU1；
步骤6所述各个节点电压变化量满足：
ΔUi＝Ui'-Ui
步骤6所述的各个电源节点的有功功率修正量ΔPGi满足：
Figure FDA0002300622400000025
。
7.根据权利要求1所述的一种含下垂特性电源的船舶电网潮流计算方法,其特征在于：步骤7所述更新各个电源有功功率PGi具体为：将PGi更新为PGi+ΔPGi。
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CN112436518A (zh) * 2020-11-02 2021-03-02 哈尔滨工程大学 一种传统下垂控制微电网的精确潮流计算方法

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