分布式電源混合并網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流算法

文/王鵬 呂海霞 祁振華

近年來(lái)，隨著科技快速發(fā)展，各國(guó)相關(guān)學(xué)者開(kāi)始加大對(duì)分布式發(fā)電技術(shù)進(jìn)行全面探討，其中包含了分布式電源混合并網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流算法。從分布式電源混合并網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流算法角度來(lái)說(shuō)，主要?jiǎng)澐譃榇_定性潮流算法及概率性潮流算法兩種。其中，確定性潮流算法包含了高斯迭代法、牛頓拉夫遜法等，每個(gè)算法自身有一定優(yōu)勢(shì)，也存在一些局限性。在分布式電源混合并網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流算法分析過(guò)程中，即便對(duì)經(jīng)典算法進(jìn)行了適當(dāng)改革，但是在改革效果上沒(méi)有充分發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值，特別是前推回代潮流算法，其性能特點(diǎn)沒(méi)有得到充分展現(xiàn)?；诖?，通過(guò)采用配電網(wǎng)輻射狀結(jié)構(gòu)，綜合思考各種類型配電網(wǎng)潮流算法形式，不但可以保留前推回代潮流算法優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能提高其處理PV節(jié)點(diǎn)能力，對(duì)促進(jìn)我國(guó)配電網(wǎng)發(fā)展有著較強(qiáng)意義。

1 分布式電源混合并網(wǎng)的配電網(wǎng)的意義

在人們生活水平不斷提高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的環(huán)境下，人們?cè)谏a(chǎn)及工作中均需要得到電力支持，其已經(jīng)成為促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。在當(dāng)前社會(huì)發(fā)展中，電力系統(tǒng)供電能力隨著社會(huì)需求量增加而增大，大多數(shù)電能主要應(yīng)用在科學(xué)技術(shù)、城市發(fā)展等方面?！吧a(chǎn)、輸送、分配各個(gè)電力設(shè)備形成了一個(gè)完整的電力系統(tǒng)，其中包含發(fā)電、變電、輸電等全過(guò)程。配電網(wǎng)就是電力系統(tǒng)中配電環(huán)節(jié)，往往和負(fù)荷端充分連接，具備較多的結(jié)構(gòu)形式。配電網(wǎng)直接和用戶端充分結(jié)合，確保電能傳遞質(zhì)量，讓其電力系統(tǒng)中發(fā)揮自身作用。要想確保電能質(zhì)量，配電網(wǎng)一般采用多種電力設(shè)備，因此，高效、穩(wěn)定的配電網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)電力行業(yè)發(fā)展有著重要意義。隨著環(huán)境壓力增大，可用能源數(shù)量減少，加強(qiáng)清潔型能源應(yīng)用已經(jīng)成為今后電力行業(yè)發(fā)展必然趨勢(shì)。

通過(guò)采用分布式電源，可以更好滿足客戶對(duì)電力要求，確保電力質(zhì)量，把輸電線路中電網(wǎng)消耗情況降至最低，自身具有改善環(huán)境，能源應(yīng)用效率高等優(yōu)勢(shì)。將其運(yùn)用到傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，可以減少能源消耗，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，對(duì)社會(huì)發(fā)展起到了現(xiàn)實(shí)性作用。

2 分布式電源種類分析

分布式電源也就是指功率是數(shù)千瓦至50MW 小型模塊式的、與環(huán)境兼容的獨(dú)立電源，其種類主要包含以下幾個(gè)方面。

2.1 太陽(yáng)能發(fā)電

太陽(yáng)能發(fā)電原理在于，通過(guò)半導(dǎo)體材料的作用下，形成一個(gè)完整的太陽(yáng)能電池板，在吸收太陽(yáng)光過(guò)程中，結(jié)合光電效應(yīng)原理，把收集的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能，這種技術(shù)也就是光伏發(fā)電技術(shù)。在光伏發(fā)電技術(shù)中，其具備的優(yōu)勢(shì)比較多，如減少燃料消耗，不會(huì)受到地域因素影響等。獨(dú)立型系統(tǒng)和并網(wǎng)型系統(tǒng)作為太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中重要的類型形式，各自具有一定優(yōu)勢(shì)和不足。其中獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)因?yàn)樽陨硪?guī)模合理，靈活度強(qiáng)，可以應(yīng)用在一些野外場(chǎng)所中。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)可以給配電網(wǎng)傳輸有功功率及無(wú)功功率，能夠直接和電力系統(tǒng)連接。

2.2 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電作為一個(gè)把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電形式，因?yàn)槲覈?guó)風(fēng)能儲(chǔ)存量比較大，特別是針對(duì)西北區(qū)域而言，風(fēng)能比較大，在西北區(qū)域建設(shè)了諸多風(fēng)電基地。風(fēng)力發(fā)電可以把風(fēng)能轉(zhuǎn)變成電能，通過(guò)應(yīng)用可再生能源，給人們?nèi)粘Ｉ睢⒐ぷ魈峁╇娏?，是一種不會(huì)造成環(huán)境污染的清潔型能源?，F(xiàn)階段，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)水平比較強(qiáng)，在新能源發(fā)電技術(shù)中，是一種發(fā)展比較成熟的技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)種類比較多，最終都是將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋ｏL(fēng)機(jī)輸出功率往往受到風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速影響。當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電作為一種新能源發(fā)電技術(shù)，風(fēng)能存在可持續(xù)發(fā)展特點(diǎn)，對(duì)我國(guó)未來(lái)電力工業(yè)發(fā)展有著較強(qiáng)的意義。

2.3 燃料電池發(fā)電

燃料電池主要指在化學(xué)反應(yīng)的作用下，不經(jīng)過(guò)燃燒直接把電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N電源裝備，其化學(xué)反應(yīng)中蘊(yùn)藏大量能量。燃料電池實(shí)質(zhì)在于通過(guò)應(yīng)用燃料和氧化劑反應(yīng)以后釋放大量能量，在這些能量帶動(dòng)下進(jìn)行發(fā)電。在外表上和畜電池之間沒(méi)有差別。燃料電池根據(jù)應(yīng)用電解質(zhì)類型，可以將其劃分成質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池等諸多類型。通常情況下，燃料電池由兩部分組成，一個(gè)是陰極，另一個(gè)陽(yáng)極。在氧化還原反應(yīng)過(guò)程中，把氧氣和氫氣充分融合形成水，產(chǎn)生電能。電池陽(yáng)極中附有大量氫離子，電子流入陰極和外電路以后形成一個(gè)完整電流回路，最后朝著外電路方向流動(dòng)提供電能。

3 分布式電源混合并網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流算法研究

3.1 前推回代計(jì)算處理

3.1.1 配電網(wǎng)潮流流向

在分布式電源融入到輻射式配電網(wǎng)以后，該網(wǎng)絡(luò)將會(huì)轉(zhuǎn)變成一個(gè)分布在整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的電源，線路中有功功率及無(wú)功功率將會(huì)發(fā)生改變，出現(xiàn)潮流回流現(xiàn)象。在輻射路徑第n個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)中，通過(guò)連接分布式電源，結(jié)合節(jié)點(diǎn)有功功率和分布式電源中有功功率之間關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)有功潮流流向可以劃分三種。首先，在節(jié)點(diǎn)有功功率大于分布式電源有功功率的情況下，有功潮流流向?qū)⒉粫?huì)發(fā)生變化；其次，在節(jié)點(diǎn)有功功率小于分布式電源有功功率的情況下，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)將會(huì)發(fā)生變化；在節(jié)點(diǎn)有功功率等于分布式電源有功功率的情況下，有功潮流流動(dòng)變化為0。

3.1.2 節(jié)點(diǎn)模型處理

一定規(guī)模容量下的分布式電源成為了當(dāng)前電網(wǎng)企業(yè)擴(kuò)容主要選擇方式，根據(jù)接近負(fù)荷中心位置，在分布式電源選址過(guò)程中，需要綜合思考其直接和配電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)直接連接情況，讓原網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算節(jié)點(diǎn)模型發(fā)生一定變化。在節(jié)點(diǎn)類型是PQ、PQ(V)等類型，在分布式電源連入到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i時(shí)，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i將會(huì)發(fā)生一定變化，并且轉(zhuǎn)變?yōu)楹虳G節(jié)點(diǎn)相同的類型，與此同時(shí)，還要更新節(jié)點(diǎn)注入功率。如果將流出節(jié)點(diǎn)功率方向看作為正方向，沒(méi)有連接DG前節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率是：SDGI=PDGI+QDGI，在接入DG以后，節(jié)點(diǎn)負(fù)荷初始功率變?yōu)椋?/p>

根據(jù)上述公式可以得知，通過(guò)應(yīng)用異步發(fā)電機(jī)的DG從電網(wǎng)中吸取無(wú)功功率，此時(shí)流出節(jié)點(diǎn)功率方向?yàn)檎较颉?/p>

3.1.3 PV節(jié)點(diǎn)處理

在分布式電源融入到配電網(wǎng)中，并且引入PV、PQ(V)節(jié)點(diǎn)，需要在傳統(tǒng)推回代法潮流算法的作用下對(duì)其進(jìn)行處理。但是在處理過(guò)程中，處理難度比較大?；诖?，需要對(duì)PV節(jié)點(diǎn)處理流程重新修改。在每個(gè)PV沒(méi)電斷開(kāi)的情況下，形成一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)斷點(diǎn)和電源點(diǎn)斷，這時(shí)的新網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)形狀為輻射狀。根據(jù)戴維南定理導(dǎo)致，從兩個(gè)斷點(diǎn)角度來(lái)說(shuō)，斷點(diǎn)電壓幅值增量ΔU與電流幅值增量ΔI需要滿足[Z][ΔI]=[ΔU]公式要求，并且Z=R+jX應(yīng)該是戴維南等值阻抗矩陣。因?yàn)榕潆娋W(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值都要靠近于1.0，與此同時(shí)，相角通常比較小，可以忽略不計(jì)，所以，此時(shí)公式可以轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

[Z][ΔS*]=[ΔU]

在公式中，ΔS*=ΔP-jΔQ為等值注入功率增量的共軛。

在計(jì)算出戴維南等值阻抗矩陣以后，需要核算出每次潮流計(jì)算迭代，結(jié)合上述公式利用電壓幅值偏差對(duì)PV節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)功修整。通過(guò)改進(jìn)戴維南等值阻抗矩陣分析法，得出PV節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣元素，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息，獲取最終數(shù)值。

3.2 改進(jìn)前推回代算法計(jì)算流程

在對(duì)各種類型分布式電源潮流模式進(jìn)行分析的情況下，通過(guò)采用C++6.0方式編制新的前推回代算法，并且其中包含了諸多分布式電源混合并網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流計(jì)算模式，算法流程如下：首先，輸入各種分布式電源電機(jī)組、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參數(shù)，根據(jù)傳入的參數(shù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)類型判斷，檢測(cè)PV節(jié)點(diǎn)數(shù)量，通過(guò)采取網(wǎng)絡(luò)搜索方式形成一個(gè)完整的戴維南等值阻抗矩陣。其次，對(duì)網(wǎng)絡(luò)電壓進(jìn)行初始化處理，置迭代次數(shù)設(shè)定為1，在核算前推回代傳輸功率過(guò)程中，需要把PV、PQ(V)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變成恒功率負(fù)荷，并與普通PQ節(jié)點(diǎn)一同處理。在回代節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算過(guò)程中，測(cè)量出PV、PQ(V)節(jié)點(diǎn)及PI節(jié)點(diǎn)兩次迭代之間節(jié)點(diǎn)電壓數(shù)值，如果滿足收斂要求，并且PV節(jié)點(diǎn)迭代以后電壓和初始電壓幅值差滿足收斂要求，可以計(jì)算出收斂數(shù)值。最后，更新無(wú)功功率，根據(jù)上述流程計(jì)算出電壓更新數(shù)值，計(jì)算Pv節(jié)點(diǎn)變壓變化數(shù)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，結(jié)合各個(gè)分布式電源自身特性，把其等效的PV、PQ(V)節(jié)點(diǎn)計(jì)算出來(lái)，在計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)該把這些類型階段轉(zhuǎn)變成傳統(tǒng)前推回代法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)處理。與此同時(shí)，通過(guò)處理風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、燃料電池等多種分布式電源配電網(wǎng)潮流計(jì)算問(wèn)題，給分析分布式電源混合并網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流算法提供了條件，從而保證計(jì)算活動(dòng)進(jìn)一步開(kāi)展，獲取理想計(jì)算效果。