交直流混合系统潮流算法分析

发布时间：2016-08-01 07:45

第1章 绪论 

1.1  课题研究的背景和意义 
潮流计算是电力系统分析的基本方法，通常用来研究系统规划和运行过程中可能出现的各类的问题。潮流计算是一种利用数学方法求解非线性方程组的算法。它是以确定的网络结构、系统参数以及运行状况为前提，计算各节点的电压、相角以及节点的注入功率、网络损耗等[1]。伴随电子技术的迅猛发展，计算机的应用在某些领域上促进了电力系统潮流计算的发展。但电力系统的规模也在不断扩大，大电网互联成为未来电网发展的必然趋势，用于求解大电网的非线性方程组的阶数越来越高，对于这种高阶复杂的方程组，为了确保系统的计算结果仍能准确，这就需要国内外的电力研究人员不断探索，寻找更加精准的计算方法。电力网络潮流计算方法的改进历程主要经历了高斯-赛德尔迭代法、阻抗法、分块阻抗法、牛顿法、改进的牛顿法、PQ 分解法等，目前主要采用的方法有牛顿法和 PQ 分解法[2]。而上述的这些方法都是在交流系统的基础上提出的，所以也只适用于交流系统。 现代电网规模和输电容量逐渐增加，通过电网互联技术可以提高供电可靠性和电网经济运行效益，因此各大电网之间的联网已是必然趋势，而采用何种方式输电就成为一个值得研究的问题。近些年来，研究人员也逐渐发现了高压直流输电相比于交流输电所特有的优势，包括无同步问题、损失小、易于控制等，为直流输电的发展奠定了基础。科技变革不仅为高压直流输电提供了基础，还对它的发展起到至关重要的作用。从目前来看，采用交直流输电相互配合的方式已经成为跨地区互联的主要方式之一，并且在今后电网发展过程中将长期采用这种方式。这标志着我国电力网络已从传统的单一交流输电逐步转为交直流混合输电模式。直流系统不仅在高压输电领域被广泛应用，而且在未来配电网的发展中也将占据一席之地，，随着近些年来有关直流微电网概念的提出以及国内外研究人员对直流微电网发展重视程度的加深，奠定了直流系统在电力行业中的重要地位。对比已经十分完善的纯交流系统潮流算法，交直流混合系统的潮流计算方法的研究成果就显得逊色许多，暂时没有到达前者的深度和广度。将直流电力网络加入到交流网络后就形成交直流混合系统，而对于这样一个系统的求解则称为交直流混合系统的潮流计算。
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1.2  国内外在该方向的研究现状及分析 
从目前的研究动态来看，对于交直流混合电力系统的潮流算法的研究是以传统的纯交流系统潮流计算方法为基础，利用交流侧和直流侧之间的双向换流器实现功率交换，将两侧的交直流变量联系起来。按照交直流系统间的耦合程度判断两侧方程是否满足解耦条件进而分别进行计算，可将该系统的计算方法分为交替迭代法和统一迭代法[3-6]。统一迭代法是牛顿法在交直流系统中的推广，可以同时求出交流网络和直流网络的未知变量，具有良好的收敛性。但由于在修正方程中考虑到直流参数的影响，该系统的雅克比矩阵维数要增多，编程难度大，计算效率低。交替迭代法相比于前者的计算过程稍微简单，计算效率也就有所提高。它是将直流变量和交流变量分别求解，编程简单，工作量少，但收敛性差。近年来，国内外学者在交直流系统已有算法的基础上不断的进行优化，优化的主要目的是为了提高算法的收敛性、缩短计算时间等。其中研究工作主要从以下几点提出改进：交替迭代法模型方面的改进，对于该方法的研究主要针对多端直流输电（MTDC）系统进行潮流计算。根据换流器的等效数学模型，可以利用诺顿法把一个换流器等效为一个电流源，这样就可以采用一个多端口的直流输电网络代替一个多端的直流系统，而多端口直流系统的潮流计算可以电路多端口网络理论为基础，同时结合每个换流器的稳态方程，从而推导出该系统的潮流计算方程，求出直流系统中的变量[7][8]。
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第2章 交直流输电系统的数学模型和潮流计算方法 

近几十年电力器件和控制领域的迅速发展，推动了以此为基础的高压直流输电在电力行业的广泛应用。1990 年我国建成了第一条 ±500k V 葛洲坝—上海直流输电工程，成为我国从交流输电逐步转向直流输电的里程碑。近些年来直流输电工程相继发展，例如 2006 年三峡—上海 ±500k V 直流输电工程 、2009年云南—广东 ±800k V 特高压直流输电工程 、2010 年向家坝—上海 ±800k V 特高压直流输电工程 、2012 年锦屏—苏南 ±800k V 特高压直流输电工程 、2014年宜宾—金华 ±800k V 特高压 直流输电工程 以及目前正在建设的灵州—绍兴 ±800k V 特高压直流输电工程等[26-29]。今后电网规划中特高压的直流输电方式作为重中之重，其应用前景非常广阔。以上都说明我国正逐步形成大规模交直流混合输电系统的供电方式，这对电力系统运行的可靠性带来了新的挑战。潮流计算作为系统预先分析的基本依据，所以对于交直流混合系统计算方法的研究是非常有必要的。本章先根据直流系统的原理和结构建立系统的数学模型，分别基于统一迭代法和交替迭代法推导其代数方程组，并举例说明交直流输电系统潮流计算的具体过程。 

2.1 直流系统模型建立 
目前来看电能的生产、传输和使用仍是以交流方式为主要，采用直流输电需要考虑如何将交流电能转化为直流电，再将直流电转化为交流电。对于发电厂端需要安装可以把交流电能转化为直流电的整流装置，对于配电网用户端需要安装可以将直流电转化为交流电的逆变装置。直流系统根据整流和逆变换流站的连接方式可以分为双极、单极以及背靠背式直流输电系统[30-32]。单极是通过大地或金属导线连通，双极又可分为两端金属接地、一端中性点接地和两端中性点接地，背靠背式是整流和逆变在一起，没有连接两端用于输电的直流线路。而根据直流中整流器和逆变器的数量划分成两端输电方式和多端形式。对于系统中仅含有一个整流器、一个逆变器的两端供电系统，也就是说仅含有两个端口与交流网络相连，就称该网络为两端输电网络。对于含有多个换流器和逆变器的网络，也就是说它有多个端口与交流侧相连，则被称为多端直流输电系统。由于换流器建模和控制方式是研究直流系统的重点，本节以一个简单的单极两端直流输电系统为例对换流器模型进行分析。 
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2.2 交直流系统的潮流计算方法 
目前，有关交直流系统算法方面大体能够划分为两类：统一迭代法和交替迭代法[33]。其他改进算法都是以这两者为基础，是对算法自身收敛性、计算效率的改进。统一迭代法具有良好的收敛性，但编程难度大，所需内存多，计算效率低。交替迭代法计算思路清晰，编程相对简单，可以将写好的直流程序模块直接添加到原有交流程序上，提高工作效率，但该方法收敛性较差。 有关交直流系统的潮流计算方式的研究是以原有交流潮流计算方法为参照，在原有算法的基础上进一步拓展。计算交流潮流时最常用的计算方法是牛顿法和 PQ 分解法，在介绍交直流输电系统的潮流计算方法前，先简要叙述牛顿法和 PQ 分解法的计算原理。 牛顿法的核心是通过反复迭代将对非线性方程组的求解转化为线性方程组求解。它是解决非线性问题最有效的方式，且具有良好的收敛性，是潮流计算过程经常采用的算法。但对初值要求较高，通常为了更好的满足收敛精度需要结合高斯塞德尔法计算。
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第 3 章  含分布式电源的交直流混合微电网潮流计算方法 ....... 16 
3.1 交直流混合微电网概念 .......... 16 
3.2 分布式电源和储能系统的节点类型 ........ 18 
3.2.1 分布式电源的节点类型 ............ 18 
3.2.2 储能系统 ......... 20 
3.3  交直流微电网潮流计算方法 .......... 21 
3.3.1 潮流计算中分布式电源的处理 ......... 21 
3.3.2  交直流系统的解耦 .......... 22 
3.3.3  交直流微电网计算步骤 ........... 23 
3.4  本章小结 ...... 25 
第 4 章  分布式电源对交直流微电网的影响 .... 26 
4.1 IEEE33 测试系统参数 ............ 26 
4.2  交直流微电网仿真 ........ 27 
4.3  含分布式电源交直流微电网的仿真分析 ........ 30 
4.4  本章小结 ...... 37 

第4章 分布式电源对交直流微电网的影响 

针对本文第3章中提出的潮流计算方法，以交替迭代法和前推回代法为基础，在Matlab软件平台编写适用于交直流微电网潮流计算的通用程序，以修改的IEEE33测试系统为例进行仿真计算，进而对该方法在交直流微电网潮流计算中的可性进行验证。同时还针对不同类型、不同渗透率以及不同布局方式的分布式电源，将其接入到交直流微电网后对该系统潮流分布情况进行了仿真运算，为今后进一步研究含有分布式电源的交直流微电网奠定理论基础。

4.1 IEEE33 测试系统参数

对IEEE33系统进行修改后如图4-2中所示，系统参数见文献[48]。在节点5和节点6之间安装一个双向换流器，直流侧换流器控制策略采用恒压控制dV =1p.u。在节点6安装最大容量为 2000k W的备用电源 和节点11安装容量为220k W的备用电源 ，节点14处接入一个容量为220k W的分布式电源 。在节点29通过DC/DC换流器安装一个储能电池，换流器采用恒压控制。 对交直流微电网而言，其正常运行状态主要分为两类：（1）并网运行状态，在此种状态下，交流系统和直流系统是通过换流器连接，并通过换流器实现交、直流系统电能的交换；（2）孤岛运行状态，在此种状态下，交流系统和直流系统分别单独运行，即换流器的交流侧处于断开状态。 基于交替法的思想，采取前推回代法和 PV 节点补偿法，利用 Matlab 软件对带有分布式电源和储能电池的交直流微电网上述两种运行状态分别进行仿真。本节首先对并网运行状态的交直流微电网系统进行了潮流计算，同时对原来交流系统和经过修改的交直流系统这两个系统的电压分布情况进行了比较分析。原 IEEE33 中系统的潮流计算结果见下表 4-1，修改后系统的潮流计算结果如下表 4-2 中所示，两系统电压幅值对比情况见图 4-3 所示。 

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结论 

本文在介绍交直流输电系统潮流计算方法的基础上，提出了适用于计算交直流微电网潮流的一种混合计算方法。该方法是以交替法为基础，利用前推回代法反复迭代直到满足收敛精度，从而实现对交直流微电网的潮流计算。为验证该混合计算方法的可行性和可靠性，运用其方法实现对交直流微电网潮流的计算，并以该方法为基础分析了几种典型的分布式电源接入微电网后对系统潮流分布的影响。本文工作得出了以下几点结论： 
1．以单极两端直流输电系统为例，建立直流系统在稳态运行情况下的数学模型，阐述了交直流输电系统潮流计算的计算原理。针对经典的 4 机 2 区 11 节点交直流输电系统，采用交替迭代法获得了该系统的潮流分布，从而验证所建模型的正确性。 
2．以前推回代法的思想为基础，结合上述所建立的直流系统数学模型和交替迭代法的计算原理，提出一种适用于交直流微电网潮流计算的混合方法。并以修改的IEEE33节点测试系统 为例，通过验证该方法可以准确计算交直流微电网的潮流分布，并为今后进一步深入分析微电网奠定理论基础。 
3．含分布式电源的 IEEE33 测试系统潮流计算的结果表明：分布式电源对全网电压有影响，其渗透率越高电压支撑越明显， PQ型 分布式电源应尽量安装在系统末端以降低功率损耗。PV型分布式电源应安装在对电能质量要求较高的节点，使该点电压维持在给定电压值，但应注意的是安装点电压应稍小于给定电压，以免分布式电源和储能系统输出功率不足达不到给定电压值。所以合理安排分布式电源接入的位置，可以提高电压支撑 和减少功率损耗。 
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参考文献(略)

本文编号：80169