基于分岔理论的微网电压稳定性分析研究

发布时间：2016-04-27 23:01

第 1 章 绪论 

1.1 研究背景
近年来分布式发电技术得以在供配电网中广泛应用。然而随着分布式发电规模的渗透，分布式发电自身的功率输出的波动性与随机性、容量限制等既有问题也逐渐被人们所认识与了解，这些问题极大程度限制了分布式电源的发电结构发挥分布式发电的特点与优势[1]。 随着电力电子接口技术和现代控制理论在电力系统工程技术中越来越广泛的研究与应用，同时为了最大范围与最大程度地发挥分布式电源的优势作用，研究人员提出微网(Microgrid)的概念。微网将容量为几兆瓦只十几兆瓦的小型发电单元——微源（Microsource）与多种先进控制技术互相结合统一。微源将局部负荷、储能平扰设备、控制实现装置统一为整体，形成一个独立并且可控的功率单元，即可作为负荷、又可作为电源，向外提供的能量形式可同时包括电能、冷和热能。微网可以灵活地控制分布式电源并网运行时切机与重连，是一种能够充分发挥分布式电源优势的高效途径[2]。 微网技术将全新的电力电子工程技术、可再生能源发电技术、清洁能源发电技术、现代工程控制技术有机结合一体，有效地支撑了分布式发电技术在输配电系统中的大规模广泛应用，进而推进供配电系统面向高效、经济与环保节能的方向质变发展。故微电网将在未来的智能化电力系统中发挥其灵活、高效与经济的作用[3-4]。现有理论研究和工程实践普遍表明，以交直流混合、协调控制策略的微网形式实现分布式电源的组网接入，以及与输配电网的互相动态支撑，是最能够高效、环保地发挥分布式电源在效能方面强大作用的应用方式，具有显著的社会与经济意义[5]。 
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1.2 课题意义
微网目的旨在最大限度发挥分布式发电的优势，使得系统负荷端供电可靠性与经济性得以保证与提高。供电可靠性是微网稳定供电的保证，微网电压稳定是可靠供电的重要前提，所以微网电压稳定性是微网能够稳定运行的必需条件。 国家标准 GBl2325－90 规定 10kV 及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的土7％。此外 GB/T 12325-2008《电能质量  供电电压偏差》中规定例如光伏等微源并网点要求 20kV 及以下三相公共连接点电压偏差为标称电压的±7%。微网电压等级大多在10KV 以下，大部分微源通过可再生能源为发电能源，如风力发电机、光伏电池等，其功率性能受自然条件影响与制约，导致功率输出并非保持稳态，出现微源端的功率波扰，此种现象可能影响到微电网的运行稳定性，于是对微电网的工况下抗扰动能力提出严苛要求。大量资料和运行事故经验表明，相比于同步运行稳定性、频率稳定性事故，电压失稳事故更加的突发和隐蔽。而微网存在以下特点，致使其微网电压稳定性问题比较于其他电网形式更加严重，也更加复杂。微网存在区别于传统电网的独有特点，部分微网的独有特性导致微网存在电压稳定性问题，并表现出不同于传统输电网电压稳定方面问题的新特点。出现电压稳定性问题后，微网无法继续向负荷持续有效供能，严重影响甚至破坏微网的稳定运行状态。 
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第 2 章 微网数学模型及仿真平台建立

微网的数学模型构建是分岔理论应用于微网电压稳定性分析的基础性工作。微网中包含的微源有风机、光伏电池、燃料电池、燃气轮机等，负荷有静态负荷与异步电动机等类型，网架通常为低压辐射型结构。微网的元件及网架结构与输电网有很大不同，其中各个元件的模型也有独特特点。微网中的风机模型包含风速风力模型、风力机轴模型与本体异步发电机模型几个部分。燃料电池与光伏电池通常有光伏电板或燃料堆、斩波器、逆变器与控制策略模型几个部分，有时需要考虑滤波器与变压器环节，等。 系统的动态模型密切决定分岔的演变过程，而每一种元件的动态模型都可以使用有限数量的微分代数方程形式数学模型来进行动力学描述。由该模型出发，依据非线性动力学中的分岔理论能够完整地分析与解释系统的运行点运动状态，并从理论层面上深刻解释电压崩溃的动力学因素与机理[39]。由于任何微源（例如异步风机、燃料电池）及其控制策略在具体微网中并网运行的静、动态特性都可以通过建立一组微分代数方程来准确描述，所以理论上来说，包含任何微源的微网电压稳定状态都可由分岔理论相关方法来分析与评价，所以微网中各个元件的数学模型建立是实现分岔理论应用的重要内容。

2.1 微电网的主体结构
交流微电网目前广泛用于国内外所采用的微电网结构中，交流微电网特点是不改变原来的电网结构，适合运用于将原有配电网络直截改造为微电网网架结构中[40-41]。 交流微电网通常与供电配电网相联系，其典型结构与配电网具有相似性。配电网线路通常采取放射式、树干式、环形等接线方式，基本来说交流微电网的接线方式也依据此三种典型方式为主，并共同经由一个开关与大电网并联[42-44]。其中放射模式接线的微电网基本结构为多条馈线在某几处公用链接点并联，使得整个网络呈放射形状；树干式微电网与放射式电网类似，树干式趋向网状，没有明显的主干线路，欧盟微网典型工程 ARMINES 采用了单馈线辐射形结构，如图 2.1 所示，由其改进的 PSCAD 中仿真平台如图 2.2。 由于我国在配电原则上难以实现构成环形微电网，我国的微电网很少使用环形接线方式，故不形成回绕式供电线路。对于些负荷的供电可靠性要求，为防止因故障造成的缺电，可以构造合适的环网供电[45-50]。
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2.2 微源数学模型
风力发电通过风轮机的桨叶片吸收风能，风力涡轮机桨叶片捕获恒速或变速风，将风能量转换成传动设备旋转能量，经由机械转矩转至发电机械，最终由异步机转化为电能并网。得益于技术改进，目前新型风机已经能够在微风(3m/s)中保持供电。风力发电技术相对于其它可再生能源发电技术更为完善，且具有较为广泛的运用环境和运用背景[50-51]。光伏电池发电依靠光照入射于半导体面产生的半导体光电效应。当太阳光照射于光伏电池板时，太阳光中不同波长的光线所蕴含能量强度以及在光伏电池半导体板中的穿透力各不相同，故折射于光伏电池板内部的不同波长太阳光线共同催生光生电流。近年来光伏发电系统之中多使用以硅半导体为基体材料所生产制造的硅光伏电池，因此可以以硅光伏电池模型为主要数学建模研究对象。
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第 3 章 微网电压稳定性的分岔分析 ..... 27 
3.1 分岔理论简介 .......... 27 
3.2 分岔理论及其电压稳定分析方法的算法原理 ....... 28 
3.2.1 直接法原理 ..... 28 
3.2.2 延拓法原理 ..... 28 
3.2.3 分岔点判别算法 ........... 31 
3.3 分岔分析法的准确性与适用性 .......... 33
3.4 小结 ..... 41 
第 4 章 一种同步相量测量实现的微网在线电压稳定判别指标 .......... 43 
4.1 微网在线电压稳定判别指标的提出 ......... 43 
4.2 微网电压稳定 LZ 指标判据 ......... 44 
4.2.1 在线电压稳定指标判据的建立 ........ 44 
4.2.2 LZ 指标判据的计算方法 ..... 45 
4.3 算例分析 ........... 48
4.4 LZ 指标的工程应用特点 ....... 52 
4.5 本章小结 ........... 53 
第 5 章 结论 .......... 54 

第 4 章 一种同步相量测量实现的微网在线电压稳定判别指标

4.1 微网在线电压稳定判别指标的提出

分岔理论及其相关的算法在微网含有多种特性元件时，能够通过数学模型的建立，准确求取电压稳定临界值，进而得到较理想的电压稳定裕度指标。由于规模庞大，分岔理论适合于对既定的微网系统的离线分析方法。但有些时候微电网的元件或线路存在频繁投切，其整网元件的模型并不总是固定的，加上微电网自身的低惯性特质，注定其不能承受过久时间的电压降落与波动状态，此时需要计算迅速、且不强依赖于元件与网架参数模型来构建的电压稳定性分析方法来进行电压稳定性评价。所以有些时候我们关心的是能够实时监测的电压稳定评价指标，能够在计算速度方面更加提高，使之能够在线实现。 实际上计算的高速性与模型的全面性是互相矛盾的，更多数时候我们是在二者之间取某一种折中，即用比较简化的方式代替对于元件与网架模型的全面考虑。一般来说基于如下两种核心思想进行简化。 ①  即使不包含微网诸多元件的数学模型，元件特性对于电压与潮流的影响依然存在，并且可以通过电压与功率潮流的实测数据中依某种规则表现出来。 ②  排除获取整网信息之外，单纯依靠局部的功率与电压的同步相量测量数据来构建指标也是可以实现的。 前者可以简化对于元件模型的考虑，后者可以进一步简化对于网架参数的考虑。一般如果能够满足并实现如上两条思想，则可以显著提高计算速度，并通过实时同步相量测量数据来构建指标计算，使在线电压稳定评估指标成为可能。 

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结论

微网系统具有区别于传统输电网的特点，，传统电压稳定性分析方法在应用于微网环境时存在使用困难、精度不足等问题。本文针对微网系统自身特征，选择分岔理论作为微网电压稳定性分析方法，以 9 节点单馈线型微网为仿真平台，推导微网中各个元件的数学模型；而后通过分岔理论分析微源不同特性对微网电压稳定性的影响规律；最后针对微网电压稳定在线评估的需求，推导一种微网电压稳定性在线判别指标。综合以上研究成果，本文得到以下结论： （1）分岔理论能够适用于求取微网电压稳定裕度以及分析微网电压稳定性。微源的数学模型是其输出电压功率对应于风速、温度、光照强度等自然因素的多元微分方程，能够包含多种参量对微源功率或电压输出的影响规律。基于微源数学模型的分岔理论分析法能够考虑微源动态特性，并对微网电压稳定裕度进行求取，所得到的裕度结果能够体现多种因素对于微网电压稳定裕度的影响效果，故对于求取微网电压稳定临界值具有适用性与准确性。 （2）微源类型、容量、并网位置等特性对微网的电压稳定裕度存在影响。当微源容量上升时，异步风机的无功吸收伴随着有功输出增加而增加，使微网电压稳定裕度先升高后降低，存在最优容量；燃料电池由于并网功率输出受控制策略与容量制约，在配置容量时需注意裕度的缺损与浪费。随着并网位置逐渐接近负荷点，异步风机使电压稳定裕度降低，而燃料电池与光伏电池使电压稳定裕度升高。在选择并网位置时，异步风机应尽量远离负荷节点，燃料电池应当尽量靠近负荷节点，光伏电池在光照条件稳定、容量充足时也可靠近负荷节点。 
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参考文献(略)

本文编号：37856