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        IEEE30節(jié)點系統(tǒng)電壓/無功優(yōu)化

        2016-05-31 17:50:43張俊張安安
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2016年5期

        張俊 張安安

        摘 要:文中以IEEE30節(jié)點標(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。同時基于潮流分析結(jié)果,采取改變網(wǎng)絡(luò)中無功功率分布調(diào)壓、改變發(fā)電機端電壓調(diào)壓、改變變壓器變比調(diào)壓三種電力系統(tǒng)的主要調(diào)壓措施來對電壓偏移較大的節(jié)點進行了無功優(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:潮流計算;Matpower;電壓調(diào)整;無功優(yōu)化;IEEE30

        中圖分類號:TM712 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:2095-1302(2016)05-00-03

        0 引 言

        隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大,潮流問題方程階數(shù)越來越高,對計算速度的要求也不斷提高,基于Matlab潮流計算研究近年來取得了長足的發(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算效率,降低人力資源消耗,從而提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性[1-5]。

        由于電力系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)目多,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,負荷分布不均勻,當(dāng)節(jié)點的各負荷變動時,會引起各節(jié)點電壓的波動[6]。要使各節(jié)點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)就是在滿足各負荷正常需求的條件下,使各節(jié)點的電壓偏移在允許范圍之內(nèi)[7]。

        1 電力系統(tǒng)潮流計算

        潮流計算是電力系統(tǒng)規(guī)劃、運行的基本研究方法,其任務(wù)是要在已知(或給定) 某些運行參數(shù)的情況下,計算出系統(tǒng)中的全部參數(shù),包括各母線電壓的大小、相位,各發(fā)電機負荷的功率、電流以及各個變壓器和線路等元件所通過的功率、電流和損耗[1-5]。

        1.1 Matpower選項

        Matpower是一個基于Matlab的M文件的組建包,用來解決電力潮流和優(yōu)化潮流的問題[8]。Matpower所用的所有數(shù)據(jù)文件均為Matlab的M文件或者MAT文件,用來定義和返回變量baseMVA、bus、branch、gen等。

        baseMVA 變量是一個標(biāo)量,用來設(shè)置基準(zhǔn)容量。若計算中采用有名值,可以根據(jù)需要設(shè)置,如100 MVA;若計算中采用標(biāo)么值,一般設(shè)置為1。

        bus變量是一個矩陣,用來設(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用來設(shè)置母線類型,1為PQ節(jié)點母線,2為PV節(jié)點母線,3為平衡(參考)節(jié)點母線。

        branch變量是一個矩陣,用來設(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用來設(shè)置該支路由起始節(jié)點(母線)編號和終止節(jié)點(母線)編號。r、x和b用來設(shè)置該支路的電阻、電抗和充電電納。ratio用來設(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變量也是一個矩陣,用來設(shè)置接入電網(wǎng)中的發(fā)電機(電源)參數(shù),其格式為bus、Pg、Qg、Qmax、Qmin、Vg、mBase、status、Pmax、Pmin。mBase用來設(shè)置接入發(fā)電機(電源)的功率基準(zhǔn),如為缺省值,就是baseMVA變量的值。

        1.2 潮流計算結(jié)果與分析

        Matpower潮流計算結(jié)果得出:IEEE30系統(tǒng)的構(gòu)成(母線數(shù)、發(fā)電機數(shù)、在用發(fā)電機數(shù)、總負荷、固定負荷、可分配負荷、分流、分支和變壓器);容量(總發(fā)電容量、在線容量和實際發(fā)電量);功率(負荷功率、固定功率、可分配功率和分流(注入)功率)的分布情況,及在潮流分析計算時最關(guān)心的總的有功、無功損耗(分別為17.56 MW和67.69 MVA),電壓幅值、相角的最大最小值及對應(yīng)的節(jié)點序號。幅值:最大(11節(jié)點,1.082),最?。?0節(jié)點,0.992);相角:最大(1節(jié)點,0.00度),最?。?0節(jié)點,-17.64度);最大有功、無功損耗的值及出現(xiàn)的支路信息(1~2支路的有功、無功損耗均最大,分別為5.21 MW和15.61 MVA)。

        1.3 電壓偏移

        網(wǎng)絡(luò)中某點的實際電壓同網(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數(shù)表示:

        電壓偏移(%)=(U-UN)/UN ×100%

        根據(jù)實際情況選用標(biāo)么值進行計算,本系統(tǒng)選擇1節(jié)點為參考節(jié)點(Vn=1.060),為減少計算量,提高效率,由Matpower潮流結(jié)果找出電壓幅值最大最小的點,分別為節(jié)點11和30,計算其電壓偏移如下:

        節(jié)點11(電壓幅值最大):

        由計算可知,節(jié)點11電壓偏移較小,但節(jié)點30電壓偏移較大,在以后調(diào)壓時應(yīng)更多的考慮節(jié)點30的電壓情況。

        2 電力系統(tǒng)無功和電壓調(diào)整

        負荷的無功功率隨電壓的降低而減少,要想保持負荷端電壓水平,就得向負荷供應(yīng)所需要的無功功率。所以,電力系統(tǒng)的無功功率必須保持平衡,即無功功率電源發(fā)出的無功功率要與無功功率負荷和無功損耗保持平衡。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)電容器通過改變網(wǎng)絡(luò)中無功功率的分布達到調(diào)壓的目的。并聯(lián)電容器因其簡單方便、經(jīng)濟靈活且適用范圍廣,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所示為具有無功補償?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,即30節(jié)點處并一5 Mvar的電容器進行調(diào)壓。

        定性分析圖2可知,1~13節(jié)點(個別節(jié)點除外)在并電容器調(diào)壓前后的電壓幅值幾乎不改變,從14節(jié)點起,至30節(jié)點,并電容器調(diào)壓前后的電壓幅值的改變量開始明顯,并隨著節(jié)點序號的增加,電壓幅值改變量不斷增加且為正增量,在30節(jié)點處電壓幅值差值達到最大。

        圖2 并電容器前后的電壓幅值圖

        2.2 改變發(fā)電機端電壓調(diào)壓

        改變發(fā)電機端電壓是一種不需要耗費投資,且是最直接的調(diào)壓方法,應(yīng)首先考慮采用。發(fā)電機的電壓調(diào)整借助于調(diào)整發(fā)電機的勵磁電壓,以改變發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的勵磁電流,就可以改變發(fā)電機定子端電壓。利用發(fā)電機調(diào)壓范圍在發(fā)電機額定電壓的±5%,能夠以額定功率運行[1-4]。

        由于無具體調(diào)壓要求,為提高電壓最低點(即30節(jié)點處)的電壓幅值,采用提高發(fā)電機節(jié)點電壓較低的5、8節(jié)點處的電壓,將其由原來的1.01提高到1.05。

        定性分析圖3可知,將5、8節(jié)點處的電壓由原來的1.01提高到1.05后,幾乎所有節(jié)點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)的無功電源容量充裕。如果電網(wǎng)的無功電源容量不足,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,這是因為改變變壓器變比,相對于在回路中串聯(lián)了一附加電勢,從而改變了電網(wǎng)的無功功率分配[3,4]。

        選取電壓幅值最小的30節(jié)點為調(diào)壓對象,改變(增大和減小)與30節(jié)點直接相連的27~28節(jié)點變壓器的變比。

        (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)點序號23開始,直到節(jié)點30,電壓幅值有較為明顯的小幅度下降,其余節(jié)點的電壓幅值未發(fā)生變化或變化不明顯。

        結(jié)論:對于降壓變壓器(變比小于1)升高變比(不超過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)點降為0.95后,從節(jié)點序號20開始,直到節(jié)點30(個別節(jié)點除外),電壓幅值有較為明顯的增加,其余節(jié)點的電壓幅值未發(fā)生變化或變化不明顯。

        結(jié)論:對于降壓變壓器,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

        本文采取三種主要調(diào)壓方式(并電容器調(diào)壓、改變發(fā)電機端電壓調(diào)壓和升降變壓器變比調(diào)壓),分別進行電壓調(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,實際調(diào)壓時需結(jié)合電壓相角、功率損耗等滿足調(diào)壓要求。

        使用Matpower進行潮流計算前,應(yīng)檢查計算要求是否與軟件默認選項一致,若不符合,應(yīng)事先修改設(shè)置再運行。

        在潮流計算結(jié)果統(tǒng)計時,大量的數(shù)據(jù)無法直接復(fù)制到表格,因此可以利用Matlab編程語言強大的數(shù)值計算能力,通過編寫簡單的程序準(zhǔn)確、高效地提取所需標(biāo)準(zhǔn)陣列的數(shù)據(jù)。

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