含分布式电源的配电网潮流计算

1题目研究的意义1.1分布式发电的概念分布式电源指的是规模不大、分布在负荷附近的电源，是相对于传统 集中式电源而言。目前，分布式发电技术在全球的发展很快。在大电网供 电的基础上，在配电系统靠近用户侧引入容量不大（一般小于50MW的分布式电源（DG供电，可以综合利用现有资源和设备，向用户提供可靠和 优质的电能。当在配电系统中引入分布式电源后，弓I起了配电线路中传输 的有功和无功功率的数量和方向的改变，配电系统成为了一个多电源的系 统，称为分布式发电系统，实际上即是含并网运行的分布式电源的配电系 统。现在全世界的供电系统是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集 中式单一供电系统。虽然全世界 90%勺电力负荷都由这种集中单一的大电 网供电，但是当今社会对能源与电力供应的质量与安全可靠性的要求越来 越高，大电网由于自身的缺陷已经不能满足这种要求。由于大电网中任何 一点产生的故障都有可能对整个电网造成较大影响，严重时会引起大面积 停电甚至是全网崩溃，造成灾难性后果，这样的事故在国外时有发生；而 且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力的破坏，一般的军事打击都把摧 毁大电厂或电站作为主要目标之一，一旦大电网受到破坏将严重危害国家 的安全；另外集中式大电网还不能很好的解决跟踪电力负荷变化的问题， 而为了短暂的峰荷建造发电厂其花费是巨大的，经济效益也非常低。根据 西方国家的经验：大电网系统和分布式发电系统相结合是节省投资，降低 能耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法。1.2分布式发电对电网的影响传统配电网规划的主要任务是根据规划期间网络中空间负荷预测的结 果和现有网络的基本状况确定最优的系统建设方案，在满足负荷增长和安 全可靠供电的前提下，使配电系统的建设和运行费用最小。但分布式发电的接入，使得配电网规划突破了传统的方式，对配电网 规划造成了深远的影响。主要表现为：(1) 分布式电源的接入会影响系统的负荷增长模式，使原有的配电 系统的负荷预测和规划面临着更大的不确定性。(2) 配电网本身节点数非常多，系统增加的大量分布式发电机节 点，使得在所有可能网络结构中寻找最优网络布置方案更加困难。(3) 对含多种类型分布式发电混合联网供电系统，根据各类型能源 分布特征建立模型，在配电网中确定合理的电源结构，协调有效利用各种 类型电源成为待解决的问题。1.3潮流计算的作用以及 DG引入后对潮流算法的要求潮流计算的作用主要有：(1) 在电网规划阶段，通过潮流计算，合理规划电源容量及接入点，合 理规划网架,选择无功补偿方案，满足规划水平的大、小方式下潮流交换控 制、调峰、调相、调压的要求。(2) 在编制年运行方式时，在预计负荷增长及新设备投运基础上，选择 典型方式进行潮流计算，发现电网中薄弱环节，供调度员日常调度控制参考 并对规划、基建部门提出改进网架结构，加快基建进度的建议。(3) 正常检修及特殊运行方式下的潮流计算，用于日运行方式的编制， 指导发电厂开机方式，有功、无功调整方案及负荷调整方案，满足线路、变 压器热稳定要求及电压质量要求。 预想事故、设备退出运行对静态安全的影响分析及作出预想的运 行方式调整方案。然而分布式电源引入配电网系统后，对潮流计算的有了新的要求。分 布式电源不同于一般的负荷节点，且要复杂得多，因此必然会在潮流计算 中引入新的节点类型。因此要形成一种能有效处理各种分布式电源的潮流 计算方法。原来呈辐射状结构的系统中有可能出现环网，因此形成的潮流计算方法必须有处理环网的能力。而影响到传统潮流算法的应用的难点， 主要集中在对分布式电源的建模及其在潮流算法中的处理方法上。将分布 式电源简化成一种节点类型，将其代入传统的潮流计算中。一般的简化处 理有，将同步发电机处理成 PQ节点，即用一个三相平衡的电压源接同步 发电机三相阻抗所形成的功率输出恒定的模型，而在能处理PV节点的算法中，也可以将其直接处理成有功输出和电压幅值恒定的PV节点；而对异步发电机，虽然其吸收的无功是随该点的电压幅值而改变的，但在配电 网中,各点的电压标幺值基本都在1.0附近，因此可以近似认为异步发电 机的吸收无功恒定，将其处理成 PQ节点。2设计任务如前所述，配电网潮流计算是配电网经济运行、系统分析等的重要基 础。在大电网供电的基础上，在配电系统靠近用户侧引入容量不大的分布 式电源（DG供电，可以综合利用现有资源和设备，向用户提供可靠和优 质的电能。但分布式发电（DG的引入给电网的潮流、电压质量、功率损 耗等带来了巨大的影响。传统的配电网潮流算法难以满足分布式发电系统 潮流计算的要求，必须对现有的配电网潮流算法进行改造和调整才能适用 于含DG的系统，开展此研究具有重要的理论意义和实际意义。根据任务书要求，需要完成的设计任务为：1研究常用的几种适合三相不平衡配网系统的传统潮流算法-牛顿 拉夫逊法，改进前推回代法。并选择一种重点研究；2、分析常见的DG的特性，建立其模型；3、研究能处理DG的潮流算法；4、MATLAB程，IEEE标准及改进算例对所提算法进行验证。3设计方案3.1分布式发电类型及其特点常见的分布式发电技术包括风力发电、太阳能光伏发电、微型燃气轮 机、燃料电池。（1）风力发电：风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，也是 一种清洁能源，它的输出功率由风能决定。风力发电是目前新能源开发技 术中最成熟，最具规模化商业开发前景的发电方式。（2）太阳能光伏发电：光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太 阳能电池将太阳光能直接转化为电能。并网光伏发电系统是光伏发电系统 的主流趋势。（3）微型燃气轮机发电：微型燃气轮机是一类新型燃气机，其功率范围在30300KW更小。微型燃气轮机技术的发展及其商用推出大大增加 了 DG面向较小用户的可能性，微型汽轮机发电装置的紧凑性，可靠性和 遥控运行以及环境友好等特点，意味着它们特别合适DG的区域性应用。（4）燃料电池发电：燃料电池发电不同于传统的火力发电，其燃料 不经过燃烧，而是在催化剂的作用下直接将燃料与空气或氧气之类的氧化 剂相结合，发生化学反应，在生产水的同时进行发电，因而其实质是化学 能发电。3.2传统配电网潮流计算方法配电网潮流算法是配电网网络分析的基础 ，配电网的网络重构、故障处理、无功优化和状态估计等都需要用到配网潮流的数据。因此，一套性能优良的配电网潮流程序是开发 DMS系统的关键。与输电网相比配电网的 网络结构有着明显的。3.2.1牛顿拉夫逊法牛顿-拉夫逊法是一种通过计算非线性方程的方法，只要状态量达到其解的某一个领域,便以平方速度收敛，具有与解题规模无关的特性，即不论 网络大小如何均可经25次代收敛,适用于目前各种复杂配电网(辐射 状、环状或网状)线损理论计算的实际算法。计算基本公式：R + jQi =U i 迟 U j (Gj cosj + Bj sin 対)+ jU 正 U j (Gj sin 列Bj cosj)j mj i(1) 对一个n节点的系统，设1,2, , r个节点为PQ节点,第叶1,叶2, n-1为PV节点，第n号为平衡节点。对PQ节点有2r个，待求量为节点电 压幅值和相角，共2r个。PV节点,节点电压幅值给定，而相角未知，故只需写出(n-1)-r个有功功率方程。 综上所述,整个系统共可建立 为n+r-1个变量，所以方程有解。型P1肚P1c52肚P2肚P2一邹1 1羽c52知2ggggggggPnA如丄=药2g少Q1少Q1心Q2C2書肚Q2c623r 一g琴CQrFAQ-c&22r+(n-1)-r= n-1+r个方程，而未知量-Ur-Urg g g g g g -Ur-Ur-Ur-5.:Ur.:Ur.:Ur.：Ur.:Ur U1Ui U2U2Ur牛顿-拉夫逊法潮流计算基本步骤:(1) 形成节点导纳矩阵；（2）将各节点电压设初值U;（3）将节点初值代入相关求式，求出修正方程式的常数项向量；（4）将节点电压初值代入求式，求出雅可比矩阵元素；（5）求解修正方程，求修正向量；（6）求取节点电压的新值；（7）检查是否收敛，如不收敛，则以各节点电压的新值作为初值自 第3步重新开始进行狭义次迭代，否则转入下一步；（8）计算支路功率分布，PV节点无功功率和平衡节点注入功率。以上即为牛顿拉夫逊法，其优点为计算精确，原理简单;易于编程;计 算速度快。3.2.2改进前推回代法该算法采用了一种独特新颖的分层方法，将网络节点从末稍节点依次 向上层搜索至根节点，形成了一个链式层次的分层节点数组，省去计算过 程中对节点和支路的复杂编号；同时考虑到配电网的三相参数不对称和三 相负荷不平衡问题比较突出，直接采用相域模型进行计算；而对于环网问 题，则运用功率补偿的方法进行了有效处理。有收敛速度快、迭代次数 少、节省内存的优点。目前，前推回代法主要采用广度优先搜索编号的分层方法，但是这种 方法需要对网络的节点和支路重新编号，并记录下每个节点的层次，这样 处理起来比较复杂。本文对节点的分层方法进行了改进，直接记录下节点 和支路的关联关系，不需要重新号而是直接形成一个一维的链式结构分层数组，简洁明了，易于操作图1节点树枝网络图中0节点表示根节点，每条支路沿潮流方向的起始节点和末端节点 分别为这条支路的首节点和尾节点。在读入数据的时候记录下每条支路的 首节点和尾节点，并且把首节点表示成尾节点的上一节点，由此产生了关 联，需要注意的是0节点的上一节点是它本身；接着就形成分层节点数 组，先逐渐往下搜索得到末稍节点 4、6、8、10,放入一个一维数组的前 4位，再往上搜索得到它们的上层节点 3、5、7、9,依次放入这个数组 中，以此类推，一直搜索到根节点，最后由根节点向前删除掉数组中的重 复节点，于是就得到了一个形如4, 6, 8, 10, 5, 9, 3, 7, 2, 1,0的分层节点数组。把各条支路的阻抗都表示成该支路末节点的阻抗，这样在 潮流计算的回代过程中只要由前往后从分层节点数组获取节点，前推过程 中则由后往前获取节点，大大简化了前推回代算法的操作过程。3.2.3 种改进的配电网潮流算法对前面提到的潮流算法对比分析可得：（1）结构上牛顿拉夫逊法结构比较复杂，参数较多，运算量大，而 前推后代法结构简单，思路清晰。（2）般可以认为算法的收敛的阶数越咼，算法的稳定性越差。牛 顿拉夫逊法是一种二阶方法，其收敛性受初值影响较大。前推后代法的收 敛阶数为一阶，所以从理论上讲算法有较好的稳定性。所以本文选择前推后代法，并选用一种在该算法基础上基于道路矩阵 的改进算法，该算法计算思路更清晰，编程更简单，其计算原理如下：（1）道路矩阵的定义针对具有N个节点的放射性配电网，假定首节点是电源点，并把其作 为参考节点，则独立节点个数为n=N-1，支路条数b=n。一个节点的道路是指节点沿树到根所经过的路径上的支路集合，对于一个给定的树，节点的道路是唯一的。用道路矩阵 T描述道路，针对单相 配电网，T i j错误！未找到引用源。一个nxn阶矩阵，假定道路的方 向都是从电源点指向各节点，各支路方向与道路方向相同，则如果支路j在道路i上，T i j =1错误！未找到引用源。，反之T i j =0。基于 图2来说明，从根节点（电源点）出发，采用深度优先搜索算法对节点进 行编号。图中圈内数字表示节点编号，各支路上的数字为该支路编号，ln错误！未找到引用源。为节点负荷注入电流（n X 1阶），列向量（下同）错 误！未找到引用源。基于前述的原则建立的道路见式（3）（上方数字为 支路编号，左边数字节点编号）。(3)图2 一简单配电网络1 234_1 000 11 1001 1101 0011T=24（2）基于道路矩阵的潮流算法lb上面介绍的道路矩阵T 一个稀疏下三角阵，错误！未找到引用源 误！未找到引用源。利用稀疏技术可以降低内存需求。设定支路电流为 （n X 1阶），依据KCL电流定律，支路电流与节点注入电流满足（表示道路矩阵转置）：I 厂 Tl n（ 4）公式（4）基于道路矩阵给出了 lb、In之间的关联。对任一放射性配 电网络，基于欧姆定律有：VbZbl b（5）其中V 错误！未找到引用源。为支路电压（n X 1阶）错误！未找到引 用源。，Zb错误！未找到引用源。为任一支路i阻抗Zb形成的对角阵（nX n 阶）。设电源节点电压为 V （1 X 1阶），各节点电压为V（n X 1阶），则可知 任一节点与电源节点的电压差等于从此节点开始沿着该节点所在道路到达 电源节点所经过支路的支路电压之和，即（设定 U -1, 1,，11，共n个1):V = UVo -V 二TVb = TZbIb = TZbT I g(6)各节点电压V为：V = UV - N错误！未找到引用源。（7）（3）计算步骤公式（6）是该算法计算的核心，其潮流计算步骤如下（k为迭代次数 变量）：步骤1:取V0 =VoU错误！未找到引用源。；步骤2：计算I；pi =（Spi/V：）*p=a,b,c;i =1,2, m错误！未找到引用 源。；步骤3:基于（6）式计算 V k错误！未找到引用源。;k步骤4:基于（7）式计算V ;k步骤5:判断V和错误！未找到引用源。之差是否满足精度要求，满 足结束迭代，不满足转步骤2。4设计路线和难点4.1路线(1) 查阅文献，了解潮流计算现状(2) 确定潮流计算方法(3) DG模型的建立(4) 含DG莫型的潮流计算算法设计(5) 算例仿真，对所设计的方法进行验证4.2难点(1) DG的建模(2) PV节点的处理及含PV节点的潮流算法的实现5预期结果根据任务书的要求完成毕业设计工作，完成含分布式电源的三相潮流 计算算法设计，并进行算例仿真验证，达到设计要求。在此基础上，按正 式期刊的要求完成论文1篇。6进度安排7参考文献1 黄丽娟 王守相 分布式发电系统的三相潮流计算方法2 彭谦杨以涵姜彤电力系统稳态高斯算法的研究3 王明岗毕睿华基于前推后代法解决环网的配电网潮流计算南京工 程学院学报（自然科学版）第3卷第1期2005年3月4 顾晨乐秀皤张晓明，基于改进前推回代法的弱环配电网三相潮流计算第38卷第19期2010年10月1日刘笙电气工程基础（下册）科技出版社20086 何宁王树臣崔继仁电力系统潮流计算的计算机算法佳木斯大学学报（自然科学版）第17卷第2期1999年6月7 张学松柳焯于尔铿陈竟成配电网潮流算法比较研究电网技术第22卷第4期1998年4月8 于永源 杨绮雯 电力系统分析 中国电力出版社 2007哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名：赵新阳学号：0903010932学院：电气与电子工程学院专业：电气工程及其自动化任务起止时间：2013年2月25日至 2013年6月20 日毕业设计（论文）题目：含分布式电源的配电网潮流计算毕业设计工作内容：1、 查阅国内外相关参考文献，要求阅读30篇以上文献，了解当今电力 系统的发展状况，及目前含分布电源配电网潮流计算的相关问题；2、理解掌握各类分布电源的工作特点及相应的数学模型；3、掌握电源节点类型转换原则，并自学前推回代法的基本计算原理；4、熟悉C语言和matlab运行环境；5、编写潮流计算程序，并通过IEEE算例验证程序的可靠准确行；6、撰写论文，准备答辩。资料：1张洪信赵清海.ANSYS有限元分析完全自学手册机械工业出版社， 20082盛剑霓.电磁场数值分析.科学出版社，19843冯慈章.马西奎.工程电磁场导论.高等教育出版社，20074贺德馨.风洞天平.国防工业出版社，2001指导教师意见：签名：年月日系主任意见：签名：年月日教务处制表哈尔滨理工大学学士学位论文含分布式电源的配电网潮流计算摘要世界性的能源危机和环境污染催生了电力行业对新能源的需求。随着 负荷的快速增长。当今社会对电力供应的质量和安全可靠性提出了更高的 要求。基于新能源开发利用的分布式发电技术成为了电力工业一个新的研 究热点。由于分式电源的引入，电源的节点类型出现了PQ、 PI、 PV、PQ(V)节点，传统的牛顿拉夫逊算法已不再适用，本文提出了一种改进的 前推回代算法。首先，分析了分布式电源的工作原理和运行方式，并根据 它们并网的特点分别建立各自的数学模型；其次，对分布式电源并网时归 为哪一类节点进行了理论分析，并对不同类型的分布式电源进行等效处 理。在IEEE 33系统中进行了实例计算，计算数据表明本文提出的算法能 够统一处理各种分布式电源。关键词 分布式电源；配电网；潮流计算；前推回代算法-I -Power Flow Algorithm for Distribution Networkwith Distributed GenerationsAbstractThe worldwide en ergy crisis and the en vir onmen tai polluti on have made great con tributi on to the dema nds of new en ergy, especially in the power in dustry. With the rapid growth of the load, no wadays, the better quality, more safety and reliability of power supply are required. Based on the development and utilizati on of new en ergy, DGs(Distributed Gen erators) tech no logies become a new hotspot in the power in dustry. Because the in troduci ng of a large nu mber of DGs, the node type of the power appears PQ, PI, PV, PQ(V). so researchof back/forward sweep algorithm in radical electric power was my job. Firstly, the working principle and operation mode of DGs is analyzed. According to the characteristics of DGs when they are connected to the grid, it establish their mathematical models in power flow. Secon dly, through theory an alyses of the every DGs conn ecti on with grid and decide they bel ong to which kind, and this paper give equivale nt processesto differe nt types of DGs. For the PV no de, processing method is based on iterative voltage invariance and its active power invariance, in order to solve the PV node injection current. At last this paper uses back/forward sweep algorithm to calculate power flow and carries out the simulation with IEEE 33 test system. The simulation data shows that the proposed algorithm will be united to deal with a variety of DGs.Keywords Distributed Generations, distribution network, Power flowcalculati on, Back/forward sweep algorithm哈尔滨理工大学学士学位论文目录摘要IAbstractII第1章绪论1.1.1课题研究背景1.1.2含分布式电源的配电网研究的现状 21.2.1分布式电源的发展及应用概况21.2.2分布式电源的潮流算法研究现状31.3本文主要内容 5.第2章各种分布式电源的建模62.1太阳能光伏发电6.2.1.1光伏发电的工作原理 62.1.2光伏发电的模型7.2.2燃料电池9.2.2.1燃料电池的工作原理 1.02.2.2燃料电池的模型102.3风力发电1.12.3.1风力发电的工作原理112.3.2风力发电的模型1.12.4微型燃气轮机 132.4.1微型燃气轮机的工作原理 132.4.2微型燃气轮机的模型1.42.5分布式电源的节点类型分析1.4第3章分布式电源的模拟153.1 PQ恒定型分布式电源 1.53.2 PI恒定型分布式电源153.3 PQ(V)分布式电源1.53.4 PV恒定型分布式电源 1.63.4.1 PV节点补偿电流计算 错误！未定义书签。3.5分布式电源的处理方法1.7第4章 含分布式电源的配电网潮流计算方法 184.1辐射状配电网的前推回代法潮流计算 1 84.2配电网潮流计算步骤194.3算例分析284.3.1算例介绍28-ill -哈尔滨理工大学学士学位论文432潮流计算程序29结论30致谢31参考文献32附录A34附录B48-# -哈尔滨理工大学学士学位论文第1章绪论1.1课题研究背景随着负荷的快速增长以及电力市场的逐步推行，传统的集中式发电已 经不能满足当今社会对能源及电力供应的需求。近年来，集中式发电受到 其自身缺陷的限制，对电力供应的稳定和安全带来了影响。为了解决这类 问题，我们寻求到了一种高效、灵活、可靠、经济的发电方式，即分布式 发电技术。分布式发电与集中式发电相结合将是21世纪电力工业的发展方向。它不仅可以解决集中式发电投资大、建设周期长、调节不灵活及事 故范围大等弊端，还使得日益枯竭的能源危机和环境污染得到了改善。分布式发电技术通常指发电功率在数千瓦至数百兆瓦的小型模块化且 分散布置在用户附近的高效、可靠、清洁、可持续发展的发电技术。分布 式电源(Distributed Gen erators, DGs)主要包括 微型燃气轮机(Micro- turbines)、燃料电池(Fuel Cell)、光伏发电和风力发电等一些新能源。按发 电能源是否可再生，可将分布式发电分为两类：一类是利用不可再生能源 的分布式发电，主要是采用化石燃料作为能源；另一类是利用可再生能源 的分布式发电，不会造成污染，属于绿色电力，如：风能、太阳能都是取 之不尽用之不竭的自然资源，其他分布式发电装置使用的大多数如：天然 气、沼气、生物质能等清洁燃料，而传统发电燃料主要以煤为主；并且这 些装置还应用了现代污染物控制技术从而控制No、废水、废渣等的排放量。此外，分布式电源的开发、研究和建设，还有如下重要意义：(1) 城市的大规模发展，使得新的配电线路走廊开辟越来越困难，而直接在用户近旁安装分布式电源是一种很有效的替代方案2,3 0(2) 对于偏远地区，可以依靠当地丰富的自然资源，选择合理的分 布式发电方式能够很有效的节约筹建投资大的电网。分布式电源设备无论 是燃气轮机还是内燃机，都可以供电、供热(冷)服务，能够解决边远山 区、矿区、旅游区的用电、热(冷)问题。(3) 随着电力市场的逐步推行，用户对供电可靠性、电能质量以及 电价的关注日益增加，而采用分布式发电则有利于降低用户电价，提高电 能质量和供电可靠性，同时满足用户多方面的要求，为用户提供更多的用 电选择。(4 )分布式电源成为了一种以电网最大经济为目的调频、调峰的手 段，不但可以利用储能设备的储电能力实现补峰填谷以及调频，而且还可 以利用它来控制电网高峰和低谷时的发电功率(除可再生能源外)（5 ）经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，促进了电力负荷 的快速增长，导致了某些地方出现了比较严重的电力缺口。若采用集中式 发电来平稳渡过这一时期是不可能的，而分布式电源具有投资小、建设周 期短等优点可以满足电力负荷增长的要求。（6）随着新型发电技术和新型储能技术的发展，分布式电源（除可 再生能源外）采用热效率在 65%-95%的设备，提高了能源利用率，进而减 少了对一次能源的消耗。由于分布式电源的引入，电源的节点类型出现了PQ、 PI、 PV、PQ（V）节点。另外，系统中还有PV节点及少量环网的存在，使得基于传统 的辐射状网络的前推回代算法已经不再适用。含分布式电源的配电网潮流 计算的作用是计算线路中的功率和电压，有时也用来评估其并网后对配电 系统产生的影响，并且是分析分布式电源对电网静态稳定性影响等其他理 论研究工作的基础，因此研究含分布式电源的配电网潮流计算有一定的理 论意义和实用价值。1.2含分布式电源的配电网研究的现状1.2.1分布式电源的发展及应用概况分布式发电方式的发展主要经历了三个阶段。1）早期的电力系统采用分布式发电方式即在负荷附近建立小型容量发电厂，主要是由于当时技术 不发达，用电量低；（2）20世纪初，随着负荷的增加和技术的进步，大 机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统成为主流发电方 式，它的大容量、巨型化发电能够满足当时社会的发展和用户的需求。但 是，近年来屡屡发生的电力危机及大面积停电事故，暴露出庞大的电力系 统存在“笨拙”而又“脆弱的缺点”。3）到了 20世纪中晚期，人们认识到 灵活、可靠的发电方式的重要性，于是分布式与集中式相结合不仅能够克 服集中式单一供电的缺点，而且还能够满足日益增长的能源需求以及解决 环境污染问题。自上个世纪 90年代以来，可再生能源得到了快速发展， 世界上很多国家都将可再生能源作为能源政策的基础，且分布式能源的发 展被世界各国认为是可持续发展的标尺 。就美国而言，分布式发电的输 出功率在20kW到10MW 之间的市场已达11亿美元。在美国加利福尼亚 州的分布式电站发电量已经达到 4GW-5GW，并且在2010年将20%的新 建办公、商用建筑都使用“热电冷三联产系统功能模式”，并对 5%的现 有办公、商用建筑进行适当的改造。印度2012年可再生能源发电比例将超过10%5。欧盟各国以可再生能源为主体的分布式发电的发展较为瞩 目。丹麦将资源消耗、经济发展和环境保护这三方面进行有机结合，成为 世界上可持续发展国家中的典范。现如今丹麦已经投建了15家大型生物质直燃发电厂，提供丹麦全国5%的电力供应且年消耗农林废弃物约150万吨。近年来，德国利用风能、太阳能、沼气、地热、水利等可再生能源 发电、供热共2000亿kWh，占能源供应市场份额的 7.7%，能够满足约 1000万家庭的日常供电需求。日本不仅是亚洲能源利用率最高的国家，而 且在全世界也位居前列。日本的分布式发电以热电联产和太阳能光伏发电 为主，总装机容量约3600万kW，占全国发电总装机容量13.4%。相关资 料显示，日本在2009年全球天然气贸易中所占比例大约为35%，成为了全球第二大液化天然气消费国。在美国、欧洲的一些国家，他们的工业发 达，用电负荷大，分布式电源的发展比中国要早一些，但发展也属于初始 阶段。近年来我国政府高度重视可再生能源的利用开发，将“能源总量 控制”的重点集中在煤炭总量的控制，并纳入“十二五”能源规划，这标 志着分布式发电在我国将达到一座新的里程碑。可再生能源“十二五”规 划提出了“十大可再生能源重点工程”，其中包括千万千瓦级风电工程、可再生能源示范城市等。预计建设目标：风机装机目标 9000万kW（含海上风电500万kW ）,电量1800亿kWh。天然气分布式能源装机 5000kW。生物质能装机容量将达到 1300万kW，电量650亿kWh。太阳 能发电将达到500万kWh，发电量75亿kWh。分布式发电在我国未来的 发展方向：以分布式多联供技术为核心，结合可再生能源构建“小型化区 域能源网络”，形成智能电网与智能冷热气网互补的多能融合方式；区域 型能源系统的优势在于可以提高能源利用率，通过引进高效热电机组，实 现了电、燃气、热、冷的最优匹配；实现建筑物之间、企业之间的连接和 能源共享，有效融入一些清洁能源，如：太阳能发电、生物质发电、地热 利用等，从而有效的抑制二氧化碳排放。如今我国正在经济高速发展的时 期，如何合理的开发利用可再生能源和新能源且提高能源的利用率，同时 加强环境保护等是我国能源工业实现可持续发展、支持国家现代化建设的 关键所在。1.2.2分布式电源的潮流算法研究现状分布式发电作为国际上电力系统的一个前沿研究方向，对其研究的重 点集中在其对电力系统的影响上。含分布式电源的配电网潮流计算方法的 研究主要是对不同类型的分布式电源建立模型，使之能够模拟到已有的计 算方法中去。它的未来研究趋势是：使得算法能够处理含不同性能的分布 式电源在不同运行状态的系统，计算过程更高效、通用性更好。在近年国 内外的相关文献中，研究主要的问题有：（1）分布式电源模型的建立由于分布式电源的潮流计算模型和传统发电机组计算模型不同，使得 传统的潮流计算方法不能够适用于含分布式电源的配电网。传统的发电机节点在潮流计算中一般取为 PQ节点、PV节点或平衡节点。而分布式电源具有特殊性，其节点能否取为这3种类型需要全面考虑。正是因为各种分布式电源的运行方式和控制特性的不确定性，使得在潮流计算中如何选 取分布式电源的节点类型还有待研究。如今最常用的改进方法是对不同类 型的分布式电源分别建立模型，使得分布式电源可以用通用的形式加入到 配电网系统的潮流计算中去。文献8中将分布式电源认为是可控制的动态负荷，考虑到配套热负 荷、环保和经济等方面的要求，认定分布式电源运行在额定工况附近，在 潮流计算中将其作为 PQ节点处理，这样可以减少分布式电源输出的有 功、无功变化。文献9将分布式电源模拟成 PV节点，通过PV节点敏感 性矩阵来消除PV节点电压幅值的偏差，再利用前推回推法来求解辐射状 配网潮流。文献10在潮流计算中对不同类型的分布式电源视为PQ、 PV节点。PQ、 PV节点处理方法不同，PQ节点直接等同于恒功率负荷模 型，电流方向为注入母线；而 PV节点和其相连的母线均视为 PV节点， 若PV节点无功越限，转为PQ节点。文献12根据各分布式电源的控制特性，分析并研究了其并网结构及 运行方式，将分布式电源并网节点类型总结为PV节点、PQ(V)节点、VB节点、PQ节点和PI节点，并且在潮流计算中建立了各分布式电源的数学 模型。(2)含分布式电源配网潮流计算的算法研究文献11在直接法的基础上，结合分布式电源本身的特点，提出了一 种基于灵敏度矩阵的补偿算法，该算法能够处理PV节点，并且还釆用了系统节点阻抗矩阵中的元素组成了灵敏度矩阵，使得求取过程简便。文献13把分布式电源的PV、 PQ(V)以及PI节点转换为前推回代法 可处理的PQ节点。考虑到PV节点难于转化为PQ节点，提出了快速网络 搜索法，对戴维南等值阻抗矩阵进行改进，通过形成与PV节点相关的节点阻抗矩阵的部分元素来修正 PV节点注入的无功功率。文献14针对前推 回代法对PV节点和环网失效的问题，提出了依据节点电阻矩阵、节点电 抗矩阵及电压偏差对 PV恒定型分布式电源和环网断点功率修正方法。文 献15根据配电网三相不平衡的实际情况，提出了基于前推回代法的三相 不平衡潮流算法，此算法根据配电网拓扑结构，采用支路分层技术，不仅 加快了潮流计算速度，而且可以很有效的处理PV和PQ节点模型的分布式电源。在处理 PV节点模型的分布式电源时，将电压正序分量幅值作为 电压调节参数，计算电压正序分量幅值和额定电压幅值差，得到PV节点的无功补偿量，将分布式电源由 PV节点运行模型转换为 PQ节点运行模 型。文献16分析了常见的几种分布式电源各自在潮流计算中的模型，采 用面向支路网损的前推回代法，通过使用注入无功补偿法来处理PV节点。1.3本文主要内容本文所做的主要工作有：（1）查阅相关文献，了解现今分布式电源配电网潮流计算的最新状 况，形成论文构思。（2）研究不同种类的分布式电源（如光伏发电、风力发电、微型燃 气轮机、燃料电池）的不同供电原理并建立相应的并网数学模型。3、 给出了各种分布式电源的处理方法，同时给出了PV节点处理方 法，根据PV节点迭代电压不变性和PV节点有功功率不变性，求解 PV节 点注入电流。4、利用Matlab软件编写了含分布式电源的配电网潮流计算程序，在 IEEE 33系统中进行了实例计算，计算结果表明本文提出的模型和算法是 可行并且有效的。-5 -第2章 各种分布式电源的建模2.1太阳能光伏发电太阳能是由太阳中的氢经过聚变而产生的一种能源17,18，它分布广泛，可自由利用，取之不尽，用之不竭，是人类最终可以依赖的能源。太 阳能以辐射的形式每秒向太空发射 3.8 l019MW能量，其中有22亿分之一 的能量投射到地球表面。地球上一年接受到的太阳辐射能高达 1.8 18kWh，是地球能耗的数万倍，由此可见太阳的能量有多么巨大。 在当今能源短缺和环境污染的现状下，各国都加紧了发展光伏发电的步 伐。美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本，使其 2015年达到商业化竞争的水平；日本也提出在2020年达到28GW的光伏发电总量计划；同时我国也大幅增加对光伏发电的投入，并降低光伏发电 并网价格，等等显示了发展光伏发电已经成为全世界各国解决能源与经 济，环境之间矛盾的最有效的途径之一2.1.1光伏发电的工作原理在自然界中，根据导电性能和电阻率的大小，可以将物体分为三类： 导体、半导体和绝缘体。其中在阳光下的半导体p-n结器件光电转换效率最高，即在半导体吸收光能后，在其内部可以传导电流的载流子分布和浓 度都将发生改变，由此产生出电流和电动势的效应。当太阳光照在半导体 p-n结上形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向 P区，电子由P区流向n区，接通电路后就形成电流。光伏电池正是利用 了半导体材料的这些特性，把光能直接转换成电能。光伏发电系统可分为两种类型：（1）独立运行的光伏发电系统；（2）并网运行的光伏发电系统19。独立运行常用于小容量用户或无电地 区，需要提供蓄电池等储能设备；并网运行主要用于大容量用户如公用建 筑、住宅等，可以不带储能装置，但必须和商用电网联网，在允许的情况 下向电力公司出售剩余电力。其中并网运行的光伏发电系统又分为标准型 （不能切换为独立型）和防灾型（可切换为独立型），显而易见的是并网 运行的光伏发电系统已经成为光伏发电的发展趋势。如图2.1所示。比认电池(b)防灾型图2.1并网运行的光伏发电两种结构通常情况下，配电网是利用并网型光伏发电的有功功率，也就是说把 光伏电池发出的直流电转换为与电网同相位、同频率的交流电馈送给电 网。然而在一些特定的情况下，可以损失一部分输出的有功功率来控制逆 变器对配电系统进行无功优化，使得电网运行更加的经济和稳定。2.1.2光伏发电的模型为了更有效的分析光伏电池的发电性能以及计算配电网的潮流数据， 文献20-23建立了一种常见太阳能光伏电池的数学模型。通过这些数学关 系表达式，可以反映出太阳能光伏电池各项参数的实际变化规律，图2.2为硅太阳能电池实际的等效电路。RsI/1/1 PhI D7+iRshVpv图2.2硅太阳能电池实际的等效电路通过电路分析可以得到一个光伏电池的数学模型：q(Vpv RsI pv)/ AkTIpv =咕-lj(e- 1)-(V RJ)/Rsh(2-1)其中-7 -哈尔滨理工大学学士学位论文Ij =I jr(T/Tr)3e(1/Tr JT)qEG/Ak(2-2)I ph 二Gr kj(T-Tj)S/100(2-3)T =0.32 0.25S 0.899Ta -1.3ws 273(2-4)式中参数见表2.1。光伏阵列是由大量的光伏电池串联或者并联组合而形成的。光伏电池 串联可以升高系统的最高输出直流电压；而采用光伏电池并联则可以升高 系统的最高输出直流电流。因此，若想得到最高输出直流电压或者最高输 出直流电流就可以对光伏电池进行串、并联组合。于是就可以获得光伏电 池模组的输出特性方程：1=口咕-lj(eq(VpEpv)/AkT 1)(V +Rsl)/RJ(2-5)P 二Vpv 咕=mVpvIph _Ij(eq(Vpv ewAkT _1)_(V 尺1)侃(2-6) 其中：n为串联电池数，m为并联电池数，上述公式参数解析详见表 2.1。表2.1光伏电池等效电路参数表参数名称描述q电子的电荷量=1.6 XI0-19 (C)A理想因子(1.53)Rs太阳能电池的等效串联电阻Rsh太阳能电池的等效并联电阻Tr基准温度=301.18( K)kj短路电流温度系数=0.0017( A)Ta环境温度(C)T电池温度(K)Eg硅原子频带间隙的能量(l-3eV)I pv太阳能电池的输出电流Vpv太阳能电池的输出电压I ph光生电流k玻尔兹曼常数=1.38氷019Ws风速(m/sec)S整体日光辐射(Mw/cm2)Ij光伏电池反相饱和电流Ijr基准温度下反向饱和电流=19.9693 xlO-6(A)I scr电池短路电流=3.3( A)光伏发电需要通过逆变器并网，上述模型是在逆变器的效率假定为恒 定时的情况下建立的。而事实上输入功率的变化会引起逆变器的效率随着 改变，这就要对逆变器的输入功率进行矫正，公式如下：2Rnv 0.015 0.98Ppv -0.09乐(2-7)其中：Ppv为光伏阵列的输出功率，Pnv为输入电网的功率。通常情况下光伏并网发电系统根据控制逆变器的输出电流或输出电压 可分为电流控制模式和电压控制模式。(1)若采用电流控制逆变器策略，则为输出的有功和注入的电流均是恒定的PI节点23； ( 2)若采用电压控制型策略，则为输出的有功和电压均恒定的PV节点，当注入的电流达到边界值后转化为电流控制型来处理。图2.3为光伏发电并网示意图。光伏电池控制逆变器图2.3为光伏发电并网示意图2.2燃料电池燃料电池(fuel cell FC)是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电 能的电化学反应装置24。燃料电池的工作方式与常规的化学电源不同，而 更类似于汽油、柴油发电机。它的燃料和氧化剂是储存在电池外的储罐 中，当燃料电池发电时，要不断的向电池内注入氧化剂和燃料并排除反应 产物，而且还要排出大量的废热来保持电池工作温度的稳定。燃料电池只 决定输出功率的大小，而其储能量则是由储罐内的燃料与氧化剂的量来决适用于分布式电源应用的FC有质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)和固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC),其中 SOFC发电效率最高，适用范围最广。2.2.1燃料电池的工作原理燃料电池由阳极、阴极和电解质隔膜构成25。燃料在阳极氧化，氧化 剂在阴极还原，从而完成整个电化学反应。以石棉膜型氢氧燃料电池为 例，在阳极，氢气与碱中的 OH在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成 水和电子：孔 +20H J H20 +2e- 0.828V电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原 反应：(2-9)b.5O2 +H2O +2eJ 2OH -=-0.401V222燃料电池的模型燃料电池及其它储能系统发出的是直流电，需要通过电压源逆变器 并网23-26。并网燃料电池发电站常见等值电路如图2.4所示。rfcVac-乙二Vs.:.m |即P+jQ图2.4燃料电池发电站并网的等值电路图2.4中：U FC为电池输出的直流电压；Rfc为电池的内阻；m为换 流器的调节指数；m为换流器点燃角(或超前角)；Vac为换流器输出的交流电压；Xt 了为变压器等值电抗；Vs为系统母线电压；与二为电压的 相角，且满足- -。Vac幅值与Ufc有如下关系式：Vac二m4c。由图 和式可以推出下式：P = VacVs sinC)二 mU FcVs sin，(2-10)xtxtVaM COS-V _ mUFcVScoS-XT 二XvlxT(2-11)由公式(2-10)和(2-11)可得出以下结论：并网的燃料电池通过逆变器的 控制参量m、-：来控制有功和无功的输出，因此燃料电池可处理成PV节点。但逆变器无功输出是有上限的，当出现无功越限，则转化为PQ节点来处理。图2.5为燃料电池并网示意图。燃料电池逆变器图2.5燃料电池并网示意图2.3风力发电人类把风能作为能源用于碾磨谷物、抽水、船舶等机械设施提供动力 已经有千余年的历史27。风能是一种重要的自然能源，也是一种巨大的、 清洁的、永不枯竭的可再生能源。与传统能源相比，风力发电不依赖矿物 能源，没有燃料价格风险，所以其发电成本稳定，不包括碳排放等环境 本。空气的流动形成了风，正是由于空气的不稳定性，使得风能具有随机 性并随高度的变化而变化。如今，风能的主要应用是风力发电，风力发电 是通过风力发电机组实现风能到机械能，再到电能的转换。由于海上风速 通常高于内陆，近几年来，海上风电将会扮演越来越重要的角色，其原因 是风速对发电量影响极大，因此它是电量成本的主要决定因素。粗略的 说，在风速为8m/s的地点开发风电场，电量成本约为风速为5m/s地点的1/3。下面分别介绍风机和风力发电机的模型。2.3.1风力发电的工作原理风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，其工作原理是：风作 用载风力机的叶片上产生转矩，该转矩驱动轮毂转动，通过齿轮箱高速 轴、刹车盘和连轴器再与异步发电机转子相连，从而发电运行。2.3.2风力发电的模型2.1.3.1风机模型风力发电的效能受风速大小、风力机叶片以及叶片受风面积等多个因 素的影响。风力发电机输出的机械功率为：Pm =0.5Av3PCp(2-12)式（2-12）中，A是风力机的扫描面积（m2）； v3是风速（m/s）; P是空气 密度（km/m3）； Cp是风力机的风能利用系数，为叶尖率比和叶片桨距角的 函数，它表明风轮机从风中获得的有用风能的比例。从公式（2-12）可以看出，理论上风力机产生的电力大小是与受风面积成正比，与风速的三次方 成正比，其中丫和v随地理位置、海拔、地形等因素而变化。将风力发电 机组的有功出力视为风速的函数，若给出风力发电场所在地的风速，可以 近似得到风力发电场输出的有功功率。在某一时刻对配电网进行潮流计算 时，可以认为风力发电机组在该时刻的输出功率为一由该时刻风速所决定 的定值。在正常运行情况下，理想风力机吸收功率的特性可分为28;当风速在启动风速到额定风速范围内为线性段，风功率随风速增长而线性上升；当 风速在额定风速到切出风速范围内为水平段，风功率与风速无关，保持为 常量。通过对风力发电机的合理控制，可以使发电机在一定的风速范围内 保持恒功率运行。2.1.3.2风力发电机模型风力发电机组按照发电机类型可分为三类29:普通异步风机（无电力 电子变频器）、双馈感应风机（采用部分功率电力电子变频器）和多级同 步风机（采用全功率电力电子变频器）。（1）异步风机并网 异步发电机自身没有励磁装置，因此它没有电压调节能力。考虑到异步发 电机在输出有功功率的同时还要从系统吸收一定的无功功率，其吸收的无 功功率大小与转差率S和节点电压U的大小密切相关，因而在潮流计算中 既不能作为PQ节点也不能作为PV节点，需要特殊考虑。Ir -、XCT/ /+ Is,1UsImJ XmR = R/s1A图2.6异步发电机的近似等效电路图2.6所示为异步发电机的近似等效电路30，Is为定子电流（A） ； Ir 为转子电流（A） ； Im为励磁电流（A） ； s为转差率；u为发电机的节点电压 幅值；R为转子电阻（门）；尺为机械负载等效电阻C）；Xm为励磁电抗 （门）；X-为漏电抗（门）。由近似等效电路可以推出发电机输出电磁功率的计算式和功率因数角 正切公式，分别为：pesRU2s% R22 2tag =RXm X；旦RXmS(2-13)(2-14)式(2-13)中的R为风力发电机发出的有功功率(2-14)中的s转差率可由式(2.13)推出2/42R(U-4X.-Pe )S2PeX匚(2-15)当风速给定时，根据风力发电机的有功功率输出