張俊 張安安
摘 要:文中以IEEE30節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)為基礎(chǔ),用Matpower完成了該電網(wǎng)模型的潮流分析。同時(shí)基于潮流分析結(jié)果,采取改變網(wǎng)絡(luò)中無(wú)功功率分布調(diào)壓、改變發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓、改變變壓器變比調(diào)壓三種電力系統(tǒng)的主要調(diào)壓措施來(lái)對(duì)電壓偏移較大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了無(wú)功優(yōu)化,最后分析了電壓調(diào)整后的Matpower潮流結(jié)果,并得出了定性結(jié)論。
關(guān)鍵詞:潮流計(jì)算;Matpower;電壓調(diào)整;無(wú)功優(yōu)化;IEEE30
中圖分類號(hào):TM712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2016)05-00-03
0 引 言
隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,潮流問(wèn)題方程階數(shù)越來(lái)越高,對(duì)計(jì)算速度的要求也不斷提高,基于Matlab潮流計(jì)算研究近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,在保證電力系統(tǒng)供電可靠性和電能質(zhì)量的前提下,盡可能的提高潮流計(jì)算效率,降低人力資源消耗,從而提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1-5]。
由于電力系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目多,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,負(fù)荷分布不均勻,當(dāng)節(jié)點(diǎn)的各負(fù)荷變動(dòng)時(shí),會(huì)引起各節(jié)點(diǎn)電壓的波動(dòng)[6]。要使各節(jié)點(diǎn)電壓維持在額定值是不可能的。所以,電力系統(tǒng)調(diào)壓的任務(wù)就是在滿足各負(fù)荷正常需求的條件下,使各節(jié)點(diǎn)的電壓偏移在允許范圍之內(nèi)[7]。
1 電力系統(tǒng)潮流計(jì)算
潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行的基本研究方法,其任務(wù)是要在已知(或給定) 某些運(yùn)行參數(shù)的情況下,計(jì)算出系統(tǒng)中的全部參數(shù),包括各母線電壓的大小、相位,各發(fā)電機(jī)負(fù)荷的功率、電流以及各個(gè)變壓器和線路等元件所通過(guò)的功率、電流和損耗[1-5]。
1.1 Matpower選項(xiàng)
Matpower是一個(gè)基于Matlab的M文件的組建包,用來(lái)解決電力潮流和優(yōu)化潮流的問(wèn)題[8]。Matpower所用的所有數(shù)據(jù)文件均為Matlab的M文件或者M(jìn)AT文件,用來(lái)定義和返回變量baseMVA、bus、branch、gen等。
baseMVA 變量是一個(gè)標(biāo)量,用來(lái)設(shè)置基準(zhǔn)容量。若計(jì)算中采用有名值,可以根據(jù)需要設(shè)置,如100 MVA;若計(jì)算中采用標(biāo)么值,一般設(shè)置為1。
bus變量是一個(gè)矩陣,用來(lái)設(shè)置電網(wǎng)中各母線參數(shù),其格式為bus_ i、type、Pd、Qd、Gs、B s、area、Vm、Va、baseKV、zone、Vmax、Vmin。type用來(lái)設(shè)置母線類型,1為PQ節(jié)點(diǎn)母線,2為PV節(jié)點(diǎn)母線,3為平衡(參考)節(jié)點(diǎn)母線。
branch變量是一個(gè)矩陣,用來(lái)設(shè)置電網(wǎng)中各支路參數(shù),其格式為fbus、tbus、r、x、b、rateA、rateB、rateC、ratio、angle、status。fbus和tbus用來(lái)設(shè)置該支路由起始節(jié)點(diǎn)(母線)編號(hào)和終止節(jié)點(diǎn)(母線)編號(hào)。r、x和b用來(lái)設(shè)置該支路的電阻、電抗和充電電納。ratio用來(lái)設(shè)置該支路的變比,如果支路元件僅僅是導(dǎo)線為0;如果支路元件為變壓器,則該變比為fbus側(cè)母線的基準(zhǔn)電壓與tbus側(cè)母線的基準(zhǔn)電壓之比。
gen變量也是一個(gè)矩陣,用來(lái)設(shè)置接入電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)(電源)參數(shù),其格式為bus、Pg、Qg、Qmax、Qmin、Vg、mBase、status、Pmax、Pmin。mBase用來(lái)設(shè)置接入發(fā)電機(jī)(電源)的功率基準(zhǔn),如為缺省值,就是baseMVA變量的值。
1.2 潮流計(jì)算結(jié)果與分析
Matpower潮流計(jì)算結(jié)果得出:IEEE30系統(tǒng)的構(gòu)成(母線數(shù)、發(fā)電機(jī)數(shù)、在用發(fā)電機(jī)數(shù)、總負(fù)荷、固定負(fù)荷、可分配負(fù)荷、分流、分支和變壓器);容量(總發(fā)電容量、在線容量和實(shí)際發(fā)電量);功率(負(fù)荷功率、固定功率、可分配功率和分流(注入)功率)的分布情況,及在潮流分析計(jì)算時(shí)最關(guān)心的總的有功、無(wú)功損耗(分別為17.56 MW和67.69 MVA),電壓幅值、相角的最大最小值及對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)序號(hào)。幅值:最大(11節(jié)點(diǎn),1.082),最?。?0節(jié)點(diǎn),0.992);相角:最大(1節(jié)點(diǎn),0.00度),最?。?0節(jié)點(diǎn),-17.64度);最大有功、無(wú)功損耗的值及出現(xiàn)的支路信息(1~2支路的有功、無(wú)功損耗均最大,分別為5.21 MW和15.61 MVA)。
1.3 電壓偏移
網(wǎng)絡(luò)中某點(diǎn)的實(shí)際電壓同網(wǎng)絡(luò)該處的額定電壓之差稱為電壓偏移[9],可以用額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示:
電壓偏移(%)=(U-UN)/UN ×100%
根據(jù)實(shí)際情況選用標(biāo)么值進(jìn)行計(jì)算,本系統(tǒng)選擇1節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)(Vn=1.060),為減少計(jì)算量,提高效率,由Matpower潮流結(jié)果找出電壓幅值最大最小的點(diǎn),分別為節(jié)點(diǎn)11和30,計(jì)算其電壓偏移如下:
節(jié)點(diǎn)11(電壓幅值最大):
由計(jì)算可知,節(jié)點(diǎn)11電壓偏移較小,但節(jié)點(diǎn)30電壓偏移較大,在以后調(diào)壓時(shí)應(yīng)更多的考慮節(jié)點(diǎn)30的電壓情況。
2 電力系統(tǒng)無(wú)功和電壓調(diào)整
負(fù)荷的無(wú)功功率隨電壓的降低而減少,要想保持負(fù)荷端電壓水平,就得向負(fù)荷供應(yīng)所需要的無(wú)功功率。所以,電力系統(tǒng)的無(wú)功功率必須保持平衡,即無(wú)功功率電源發(fā)出的無(wú)功功率要與無(wú)功功率負(fù)荷和無(wú)功損耗保持平衡。這是維持電力系統(tǒng)電壓水平的必要條件[10,11]。
電力系統(tǒng)主要的調(diào)壓措施如下[12]:
(1)改變發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓;
(2)改變變壓器變比調(diào)壓;
(3)改變網(wǎng)絡(luò)中無(wú)功功率分布調(diào)壓;
(4)改變線路參數(shù)調(diào)壓。
2.1 并電容器調(diào)壓
并聯(lián)電容器通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)中無(wú)功功率的分布達(dá)到調(diào)壓的目的。并聯(lián)電容器因其簡(jiǎn)單方便、經(jīng)濟(jì)靈活且適用范圍廣,是廣泛使用的調(diào)壓方式。
2.1.1 并電容器調(diào)壓原理
圖1所示為具有無(wú)功補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)圖。
其中,K=Ut/UrN為變壓器變比,Ut為變壓器高壓測(cè)分接頭的電壓,UrN為變壓器低壓繞組的額定電壓。
2.1.2 并電容器調(diào)壓結(jié)果分析
由于無(wú)具體調(diào)壓要求,所以參考用式(1)算出的部分電壓偏移結(jié)果,在電壓最低點(diǎn),即30節(jié)點(diǎn)處并一5 Mvar的電容器進(jìn)行調(diào)壓。
定性分析圖2可知,1~13節(jié)點(diǎn)(個(gè)別節(jié)點(diǎn)除外)在并電容器調(diào)壓前后的電壓幅值幾乎不改變,從14節(jié)點(diǎn)起,至30節(jié)點(diǎn),并電容器調(diào)壓前后的電壓幅值的改變量開(kāi)始明顯,并隨著節(jié)點(diǎn)序號(hào)的增加,電壓幅值改變量不斷增加且為正增量,在30節(jié)點(diǎn)處電壓幅值差值達(dá)到最大。
圖2 并電容器前后的電壓幅值圖
2.2 改變發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓
改變發(fā)電機(jī)端電壓是一種不需要耗費(fèi)投資,且是最直接的調(diào)壓方法,應(yīng)首先考慮采用。發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整借助于調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓,以改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流,就可以改變發(fā)電機(jī)定子端電壓。利用發(fā)電機(jī)調(diào)壓范圍在發(fā)電機(jī)額定電壓的±5%,能夠以額定功率運(yùn)行[1-4]。
由于無(wú)具體調(diào)壓要求,為提高電壓最低點(diǎn)(即30節(jié)點(diǎn)處)的電壓幅值,采用提高發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電壓較低的5、8節(jié)點(diǎn)處的電壓,將其由原來(lái)的1.01提高到1.05。
定性分析圖3可知,將5、8節(jié)點(diǎn)處的電壓由原來(lái)的1.01提高到1.05后,幾乎所有節(jié)點(diǎn)的電壓幅值與初始值相比都發(fā)生了較大幅度的增加。
2.3 改變變壓器變比調(diào)壓
改變變壓器變比調(diào)壓雖然是一種尋常方法,但其先決條件是電網(wǎng)的無(wú)功電源容量充裕。如果電網(wǎng)的無(wú)功電源容量不足,采用變壓器調(diào)壓,雖然可能提高局部電網(wǎng)的電壓水平,但也有可能降低主電網(wǎng)的電壓水平,不利于全網(wǎng)的電壓穩(wěn)定,這是因?yàn)楦淖冏儔浩髯儽?,相?duì)于在回路中串聯(lián)了一附加電勢(shì),從而改變了電網(wǎng)的無(wú)功功率分配[3,4]。
選取電壓幅值最小的30節(jié)點(diǎn)為調(diào)壓對(duì)象,改變(增大和減小)與30節(jié)點(diǎn)直接相連的27~28節(jié)點(diǎn)變壓器的變比。
(1)變比(28:27)由0.968升高為0.975。
圖3 調(diào)發(fā)電機(jī)端電壓前后電壓幅值
定性分析圖4可知,將變壓器變比(28:27)由0.968升高為0.975后,從節(jié)點(diǎn)序號(hào)23開(kāi)始,直到節(jié)點(diǎn)30,電壓幅值有較為明顯的小幅度下降,其余節(jié)點(diǎn)的電壓幅值未發(fā)生變化或變化不明顯。
結(jié)論:對(duì)于降壓變壓器(變比小于1)升高變比(不超過(guò)1)后,電壓幅值降低。
圖4 升變壓器變比前后的電壓幅值圖
(2)變比(28:27)由0.968降低為0.95。
定性分析圖5可知,將變壓器變比(28:27)由0.968節(jié)點(diǎn)降為0.95后,從節(jié)點(diǎn)序號(hào)20開(kāi)始,直到節(jié)點(diǎn)30(個(gè)別節(jié)點(diǎn)除外),電壓幅值有較為明顯的增加,其余節(jié)點(diǎn)的電壓幅值未發(fā)生變化或變化不明顯。
結(jié)論:對(duì)于降壓變壓器,降低變壓器變比(大于0)調(diào)壓后,電壓幅值升高。
圖5 降變壓器變比前后電壓幅值
3 結(jié) 語(yǔ)
本文采取三種主要調(diào)壓方式(并電容器調(diào)壓、改變發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓和升降變壓器變比調(diào)壓),分別進(jìn)行電壓調(diào)整,僅得出定性結(jié)論,且由于功率損耗變化較小所以并未討論,實(shí)際調(diào)壓時(shí)需結(jié)合電壓相角、功率損耗等滿足調(diào)壓要求。
使用Matpower進(jìn)行潮流計(jì)算前,應(yīng)檢查計(jì)算要求是否與軟件默認(rèn)選項(xiàng)一致,若不符合,應(yīng)事先修改設(shè)置再運(yùn)行。
在潮流計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)時(shí),大量的數(shù)據(jù)無(wú)法直接復(fù)制到表格,因此可以利用Matlab編程語(yǔ)言強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力,通過(guò)編寫(xiě)簡(jiǎn)單的程序準(zhǔn)確、高效地提取所需標(biāo)準(zhǔn)陣列的數(shù)據(jù)。
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