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        含多類型分布式電源的主動配電網(wǎng)三相動態(tài)潮流算法

        2021-07-08 02:33:42劉小愷范曉龍房文軒
        山東電力技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:配電網(wǎng)系統(tǒng)

        劉小愷,范曉龍,房文軒,米 夏,安 東

        (1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020;2.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

        0 引言

        為實現(xiàn)國家“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo),隨著以清潔能源為代表的新能源被廣泛開發(fā)利用,正驅(qū)動傳統(tǒng)電網(wǎng)朝著高效、靈活、智能的能源互聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展[1-2],主要表現(xiàn)為分布式電源(Distributed Generation,DG)特別是大規(guī)模間歇式可再生能源的接入與應(yīng)用。隨著配電網(wǎng)向含大量不同類型分布式電源的主動配電網(wǎng)(Active Distribution Network,ADN)轉(zhuǎn)變,配電網(wǎng)變?yōu)橛性淳W(wǎng)絡(luò),由配電管理系統(tǒng)(Distribution Management System,DMS)進(jìn)行在線實時監(jiān)控。當(dāng)ADN 孤島運行時,若負(fù)荷突然增加或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,松弛節(jié)點的容量可能不足以承擔(dān)全部功率缺額。因此,如何通過分布式電源的調(diào)節(jié)控制對網(wǎng)絡(luò)潮流進(jìn)行管理,同時提高清潔能源的利用率,是主動配電網(wǎng)優(yōu)化運行研究中的難點之一[3-5]。動態(tài)潮流(Dynamic Power Flow,DPF)算法可以在系統(tǒng)中設(shè)置多個平衡節(jié)點來共同承擔(dān)系統(tǒng)的不平衡功率,所以能夠滿足分布式電源接入后主動配電網(wǎng)的潮流計算要求[6-8]。

        文獻(xiàn)[9-11]較早提出了基于分布式松弛節(jié)點模型的配電網(wǎng)三相潮流算法,通過定義參與因子使各電源動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)損耗,但采用相分量形式的三相潮流算法計算時間較長,導(dǎo)致計算效率不高。文獻(xiàn)[12]提出基于網(wǎng)損靈敏度的參與因子計算方法,在潮流計算中由降壓變電站和各個分布式電源共同分擔(dān)配電網(wǎng)有功網(wǎng)損,但未考慮主動配電網(wǎng)三相不平衡的特點。文獻(xiàn)[13-14]僅考慮了PQ節(jié)點類型DG接入,且未考慮DG出力的限值約束條件。

        基于序分量形式的潮流算法可以實現(xiàn)三相解耦并行計算,能夠大幅提升計算速度[15-17]。因此,提出一種基于序分量的主動配電網(wǎng)三相動態(tài)潮流算法,并給出功率缺額分擔(dān)系數(shù)的概念,由不同控制策略的DG參與分擔(dān)系統(tǒng)的有功和無功功率缺額,同時考慮了各種DG的出力限制,使主動配電網(wǎng)的潮流計算更接近實際在線運行情況。

        1 基于序分量的三相動態(tài)潮流算法

        含DG接入的配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 含DG的配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        在傳統(tǒng)配電網(wǎng)的潮流計算中,將輸配電網(wǎng)的公共連接點定義為松弛節(jié)點,該節(jié)點有兩層含義,一是作為系統(tǒng)節(jié)點電壓相位的參考節(jié)點;一是承擔(dān)系統(tǒng)的功率不平衡量,即作為平衡節(jié)點。當(dāng)DG 接入后,可由各類分布式電源承擔(dān)平衡節(jié)點的作用,共同分擔(dān)系統(tǒng)的功率不平衡量。

        首先,利用對稱分量變換矩陣T將系統(tǒng)狀態(tài)變量由相分量形式轉(zhuǎn)換為序分量形式,如式(1)所示。

        式中:V120和Vabc分別為節(jié)點序分量電壓向量和相分量電壓向量。

        1.1 功率缺額分擔(dān)系數(shù)

        假設(shè)節(jié)點i為主動配電網(wǎng)中有DG 接入的節(jié)點,在潮流計算過程中,每次迭代后DG 出力與負(fù)荷功率、線路功率損耗的正序功率缺額為:

        式中:N為系統(tǒng)的節(jié)點總數(shù);和分別為節(jié)點i處DG 的有功出力和無功出力;和為 節(jié) 點i的負(fù)荷功率;s和分別為正序系統(tǒng)的有功損耗和無功損耗;V1和θ1分別為正序系統(tǒng)的節(jié)點電壓幅值向量和相角向量。

        定義Kp1和Kq1為松弛節(jié)點的有功功率缺額分擔(dān)系數(shù)和無功功率缺額分擔(dān)系數(shù);Kpi和Kqi分別為DG的有功功率缺額分擔(dān)系數(shù)和無功功率缺額分擔(dān)系數(shù),i=m,…,N,表示m號至N號節(jié)點有DG接入。則有:

        式中:當(dāng)Kp1=Kq1=1時,即為常規(guī)潮流計算模式。在實際情況下,Kpi可根據(jù)DG 的頻率調(diào)節(jié)特性選取,Kqi可根據(jù)DG的電壓調(diào)節(jié)特性選取[8]。

        1.2 序分量三相動態(tài)潮流方程

        在動態(tài)潮流計算中,每次迭代后的功率缺額由松弛節(jié)點和DG按分擔(dān)系數(shù)共同承擔(dān),則正序系統(tǒng)的動態(tài)潮流方程為:

        式中:和分別為節(jié)點i和節(jié)點j正序節(jié)點電壓;為節(jié)點i和節(jié)點j的正序電壓相角差;和分別為正序節(jié)點導(dǎo)納矩陣中的電導(dǎo)和電納;和分別為負(fù)序、零序系統(tǒng)對正序系統(tǒng)的補償功率。

        式(6)和式(7)與常規(guī)潮流方程的區(qū)別在于,利用牛頓-拉夫遜法進(jìn)行每次迭代計算之前,需要先通過式(2)和式(3)計算功率缺額,然后按分擔(dān)系數(shù)加入DG接入節(jié)點的功率平衡方程中,即可解算出正序系統(tǒng)的狀態(tài)變量V1和θ1。

        1.3 DG出力越限處理方法

        在動態(tài)潮流計算中,若分擔(dān)功率缺額后的DG 出力越限,則須對DG的分擔(dān)系數(shù)進(jìn)行如下修正:

        式中:h為當(dāng)前的迭代次數(shù);和分別為DG 有功出力和無功出力的上限值。

        當(dāng)發(fā)生DG 出力越限時,為滿足式(4)和式(5),還須對松弛節(jié)點的分擔(dān)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整,如式(10)和式(11)所示。

        2 DG潮流模型

        DG 有燃料電池、風(fēng)機、光伏發(fā)電、儲能裝置、微型燃?xì)廨啓C等多種類型,主要通過電力電子逆變器并網(wǎng),如圖2 所示。根據(jù)不同DG 的并網(wǎng)控制特性,將其分為功率控制型、電壓控制型和功率因數(shù)控制型[17]。圖2中,和分別為DG的三相有功功率和無功功率。

        圖2 電力電子逆變器并網(wǎng)接口

        對于功率控制型DG,按PQ 節(jié)點處理,正序有功功率和無功功率的計算公式為

        對于電壓控制型DG,按PV 節(jié)點處理,正序有功功率和節(jié)點電壓幅值的計算公式為

        式中:V1為正序系統(tǒng)的節(jié)點電壓;Vs為正序節(jié)點電壓給定值。

        對于電流控制型DG,按PI 節(jié)點處理,在潮流計算中可將其轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點形式

        式中:Is為正序注入電流給定值。在動態(tài)潮流計算過程中,將式(12)—式(14)直接代入式(6)和式(7)中即可。

        3 算法流程

        基于序分量的主動配電網(wǎng)三相動態(tài)潮流算法可以實現(xiàn)三相解耦并行計算,其中正序系統(tǒng)采用牛頓-拉夫遜法進(jìn)行迭代計算,負(fù)序和零序系統(tǒng)可以通過節(jié)點電壓方程直接解算,從而大幅提高了計算效率,具體計算流程如圖3 所示。首先,形成節(jié)點導(dǎo)納矩陣,同時初始化各節(jié)點電壓、功率、分擔(dān)系數(shù)等初始變量,其次,計算出分擔(dān)功率缺額后的分布式電源的出力,并判斷節(jié)點電壓是否越限,若越限,則調(diào)整松弛節(jié)點和分布式電源的分擔(dān)系數(shù),最后通過所得計算功率失配量和雅克比矩陣,求解系統(tǒng)各項參數(shù),直至系統(tǒng)收斂。

        圖3 基于序分量的主動配電網(wǎng)三相動態(tài)潮流算法流程

        4 仿真算例

        4.1 算例1

        對蒙西某地區(qū)35 kV 配電網(wǎng)進(jìn)行仿真,分析單DG 接入的情況。額濟納220 kV 變電站的低壓節(jié)點為整個配電網(wǎng)的松弛節(jié)點,天風(fēng)哈日布勒風(fēng)電場為接入的分布式電源,如圖4所示。

        圖4 蒙西某地區(qū)35 kV配電網(wǎng)

        設(shè)定方案1 為基態(tài)負(fù)荷運行方式,DG 不參與分擔(dān)功率缺額;方案2 相對基態(tài)運行方式負(fù)荷有所增加,DG不參與分擔(dān)功率缺額;方案3研究負(fù)荷增加且DG參與分擔(dān)功率缺額的情況。對3個方案進(jìn)行仿真計算,結(jié)果如表1所示。

        表1 3種方案計算結(jié)果

        從表1 可以看出,相比于方案1 的計算結(jié)果,方案2 中系統(tǒng)負(fù)荷增加后,造成了網(wǎng)絡(luò)損耗同步增加,同時DG 接入節(jié)點電壓出現(xiàn)了下降;方案3 中,DG 參與分擔(dān)功率缺額后,不僅降低了系統(tǒng)網(wǎng)損,而且提高了節(jié)點電壓。

        4.2 算例2

        對IEEE33節(jié)點三相配電系統(tǒng)進(jìn)行仿真,分析多種DG接入的情況。在系統(tǒng)中接入4臺DG,如圖5所示。電壓基準(zhǔn)值取為12.66 kV,功率基準(zhǔn)值取為10 MW。

        圖5 多DG接入的IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)

        DG 的類型、接入位置和參數(shù)如表2 所示。設(shè)定方案1 即為常規(guī)潮流計算方式,DG 不參與分擔(dān)功率缺額;方案2—方案4 研究DG 參與分擔(dān)功率缺額的情況,且DG 的功率缺額分擔(dān)系數(shù)逐漸上升,同時按出力裕度的比例確定各DG 的分擔(dān)系數(shù),如表3所示。

        表2 DG接入情況

        表3 4種方案參數(shù)設(shè)置

        對4 種方案進(jìn)行仿真分析,計算其系統(tǒng)松弛節(jié)點的出力、系統(tǒng)有功網(wǎng)損、節(jié)點電壓水平,如圖6—圖8所示。

        對比分析4 種方案的仿真計算結(jié)果,可以得出如下結(jié)論:

        1)根據(jù)圖6可知,DG分擔(dān)系數(shù)的逐步增加,表明DG 在參與分擔(dān)功率缺額中的作用越來越大;與此同時,松弛節(jié)點分擔(dān)的功率越來越小,表明在動態(tài)潮流計算中,DG 參與分擔(dān)功率不平衡量可以減輕松弛節(jié)點的分擔(dān)壓力,從而釋放更多容量,保留足夠裕度,以應(yīng)對系統(tǒng)其他突發(fā)情況。

        2)根據(jù)圖7 可知,當(dāng)DG 分擔(dān)系數(shù)增加后,使DG的出力同步增加,即向系統(tǒng)注入了更多功率,對三相配電系統(tǒng)起到了功率補償作用,從而降低了系統(tǒng)的網(wǎng)損。

        圖7 4種方案中系統(tǒng)有功網(wǎng)損

        圖8 4種方案中系統(tǒng)節(jié)點電壓分布

        3)根據(jù)圖8可知,DG出力增加后,一方面降低了支路功率損耗,同時向接入節(jié)點注入了更多無功功率,從而對周圍節(jié)點電壓起到了支撐作用;當(dāng)多DG接入時,便能夠提升整個系統(tǒng)的電壓水平。

        需要指出的是,對于實際運行中的主動配電網(wǎng),若DG本身無調(diào)節(jié)能力或調(diào)節(jié)能力有限,如果此時賦予DG 較大的功率缺額分擔(dān)系數(shù),以至于超出DG 的調(diào)節(jié)能力時,將對系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性造成影響。

        5 結(jié)語

        提出一種基于序分量的主動配電網(wǎng)三相動態(tài)潮流算法,通過定義功率缺額分擔(dān)系數(shù),使不同控制策略的DG能夠參與分擔(dān)系統(tǒng)的有功和無功功率缺額,并給出了DG出力越限后的處理方法,克服了傳統(tǒng)常規(guī)潮流計算中全部功率缺額均由松弛節(jié)點承擔(dān)的弊端,從而更好地模擬主動配電網(wǎng)實際運行情況。通過對蒙西某地區(qū)配電網(wǎng)和IEEE33 節(jié)點配電系統(tǒng)進(jìn)行仿真,對比分析了多種不同方案,仿真結(jié)果表明DG 參與分擔(dān)系統(tǒng)功率缺額后,能夠減輕松弛節(jié)點的分擔(dān)壓力、降低網(wǎng)絡(luò)損耗、提升系統(tǒng)電壓水平。

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