一种考虑含多类型能源结构的配电网双向潮流计算方法与流程

本发明涉及一种考虑含多类型能源结构的配电网双向潮流计算方法，属电力配电网技术领域。

背景技术：

近年来，多类型分布式电源(distributedgeneration,dg)的发电并网、电动汽车(electricvehicles,ev)等主动负荷以及大量智能终端设备的规模化接入与应用，使得传统的单向辐射状配电网逐步向含多能源供电系统的配电网转变。

传统的前推回代算法是求解辐射式配电网潮流的有效方法，效率是所有配电网潮流算法中最高的，因此是配电网潮流计算常用的方法之一。但是传统的前推回代算法不能处理如燃料电池、太阳能光伏电池，微型燃气轮机、带有avr装置的发电机等pv型节点，而传统前推回代算法不能处理pv型节点，导致传统的配电网潮流算法逐渐不再适用于日益复杂的配电系统。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对传统前推回代算法不再适用于含大量多类型分布式电源的配电系统的问题，提出一种考虑含多类型能源结构的配电网双向潮流计算方法。

实现本发明的技术方案如下，一种考虑含多类型能源结构的配电网潮流计算方法，所述方法对分布式电源节点进行处理，采用处理含分布式电源的配电网不对称潮流计算的三相前推回代算法，得到含多类型能源结构的配电网双向潮流计算方法。

所述方法对分布式电源节点的处理，包括对pq节点、pi节点和pv节点的处理；

在潮流计算中将该dg作为pq节点处理；对于用同步电机接入电网的dg，当其励磁控制方式为功率因数控制时，则将之按pq节点处理。

储能系统可以作为pi节点处理；通过电流控制逆变器接入电网的分布式电源将之处理成pi节点。

带有avr装置的发电机节点，视为pv节点；若用同步电机接入电网的dg，当其励磁控制方式为电压控制时可将之看成pv节点。

所述pq节点处理方法如下：

当把微网电源作为pq型节点考虑时，其模型等同于恒定功率负荷模型，电流方向为注入母线方向；pq节点的视在功率为：s＝-p±jq；其中，p为有功功率，q为无功功率，s为视在功率；

由微网电源的视在功率，得到微网电源并网节点的注入电流为：

式中，是微网电源并网节点电压；

异步发电机的有功功率是恒定值，但是其向电网吸收的无功功率则随着机端电压的变化而变化，因此在潮流计算过程中其等效为pq节点，在潮流计算过程中，每次迭代结束后都要对风机端电压进行修正，根据修正后的电压幅值大小计算风机需要从电网吸收的无功功率；在实际的配电网运行中，为了保证风电机组运行时的功率因素满足要求，要求对风电机组并联电容器进行无功补偿，并联电容器发出的无功功率与发电机从电网中吸收的无功功率之差，即为该节点向电网注入的无功功率，因此在下一次迭代前应将该pv节点转变成pq节点。

所述pi节点的处理方法如下：

pi节点输出的有功p恒定，电流幅值i恒定；该类节点相应的无功功率可由迭代得到的电压、恒定的电流幅值和有功功率计算得出；

对于网络中的pi节点，有：

对上式的左右两边取模，然后再平方：

整理后得到：|v|²|i|²＝|p|²+|q|²

于是：

这样，可以算出pi节点的注入电流为：

其中，q^k为第k次潮流迭代的pi类型分布式电源的无功功率值；v^k-1为第k-1次潮流迭代得到的电压值，i为恒定的分布式电源的电流相量的幅值；p为恒定的有功功率值；

在进行潮流计算时，每次迭代前把pi节点的无功注入量求出，在第k次迭代过程中便将pi节点处理成有功和无功输出分别为p^k和q^k的pq节点。

所述pv节点的处理方法如下：

(1)确定pv型dg无功初值

一般情况下，将pv节点的无功初值取为零或者无功上下限之和的一半；pv型dg并网处的无功主要源于无功补偿装置，与dg的无功输出无关，而与系统中负荷的大小与位置相关，并且与pv型dg的并网点的位置也有联系；而无功初值会影响潮流计算的收敛性能；准确确定无功初值，能提高收敛性；

(2)无功修正值δq

在一个有n个pv型dg并入配电网的系统中，设dg注入电流的方向为正方向，则pv节点处应满足：

式中：为节点电压变化量；z为pv型dg的节点阻抗矩阵；为节点注入电流的变化量；

而节点注入功率的变化为：

一般情况下，在配电网正常运行时，节点电压标么值近似等于1.0，相角很小cosθ≈1，于是可将u视为1，可得：

将代入到式(1-7)中可得：

再将和z＝r+jx代入式(1-10)中，

由于主要由其实部δu决定，展开后有如下实部方程：rδp+xδq＝δu

又由于pv型dg的有功为恒定值，δp为零，上式即简化为：xδq＝δu

因而无功修正值即为：δq＝x^-1δu

由上式即可求解出无功修正值δq，从而可在本次迭代之前对pv节点的无功值进行修正；

(3)对pv节点无功越限问题的处理

由pv节点的无功修正值δq可得该pv节点处的无功功率为：q^k+1＝q^k+δq

其中，k为迭代次数：

通常情况下，pv型dg会给定无功上下限；由于有时会出现pv节点的无功功率超出无功上下限的情况，因此需对上式作如下修改：

式中：q^max为pv型dg的无功上限；q^min为无功下限；

pv节点越限时，转成无功为上限或者下限的pq节点；在下次迭代时，若无功回到上下限范围内时，又回归为pv节点；因此，pv型dg在潮流计算中，会在pv节点与pq节点之间不断转换；

pv节点在前推回代的三相潮流算法中，若计算出的节点无功越限，将其转换成对应的pq节点，q值等于该分布式电源能发出的最大无功值；如果在后续迭代中，又出现该节点电压越界，重新将其转换成pv节点。

所述三相前推回代算法步骤如下：

(1)计算末梢节点的注入电流：

式中：为第k次迭代节点j的abc三相节点注入电流；sja、sjb、sjc为节点j的a、b、c三相负荷功率；为第k-1次迭代j节点的三相电压；

(2)前推计算各支路的电流：

对于馈线支路而言，支路l的末端电流为：

m是与节点j直接相连的下游支路集合；

支路l的始端电流为：

对于变压器支路而言，支路l的末端电流为：

其中：为非末梢节点在第k次迭代时的节点注入电流；sj是节点j所接的负荷复功率；为第k-1次迭代后求得的节点j的电压；m是与节点j直接相连的下游支路集合；

变压器支路l的始端电流为：

式中：a＝e^j120°；k是电力变压器的变比；θ是电力变压器的移相角度；λ的取值与变压器的接线方式以及中性点的接地方式等有关，如果网络中有零序通路则λ取1，否则λ取0；

(3)回代求解各节点的电压：

对于馈线段支路，节点j的电压为：

(4)收敛判据：

对于所有非pv恒定型节点要求满足：

对于pv恒定型dg的节点要求满足：

在上两式中，i为节点号，j为相别，即为在第k次迭代时节点i的j相电压，即为在第k-1次迭代时节点i的j相电压，uis为pv节点i保持的电压，ε1和ε2为收敛精度；

重复上述步骤直到各个节点的电压都满足收敛条件为止。

本发明的有益效果是，本发明将基本的单相前推回代算法扩展到三相不对称情况下的，使之能够用于处理含分布式电源的配电网不对称潮流计算，得到含多类型能源结构的配电网双向潮流计算方法，解决了传统的前推回代算法不能处理如燃料电池、太阳能光伏电池，微型燃气轮机、带有avr装置的发电机等pv型节点的问题；解决了传统前推回代算法不能处理pv型节点，导致传统的配电网潮流算法逐渐不再适用于日益复杂的配电系统的问题。

附图说明

图1为含dg的三相潮流算法流程图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图1所示。

含dg的三相潮流算法流程步骤如下：

(1)读入网络参数，形成阻抗、功率、电压矩阵；

(2)形成网络拓朴关联矩阵；

(3)初始化电压和功率；

(4)将pq型功率注入，计算pv型dg的注入电流，将pi型dg处理成pq型dg注入功率；

(5)回代电流，前推电压；

(6)检查pv型dg无功是否越界；

(7)潮流判断收敛；

(8)若是收敛，由输出潮流结果；

(9)若不收敛，回到步骤(4)，重新注入。

本实施例分布式电源节点的处理方式如下：

(1)pq或pq(v)节点的处理

考虑到特殊负荷、环保和经济等方面的要求，认为dg运行在额定工况附近，在潮流计算中可将该dg作为pq节点处理。若风电机组能够通过并联电容器的自动投切，使功率因数恒定不变，可将此风电机组作为pq节点处理。对于用同步电机接入电网的dg，当其励磁控制方式为功率因数控制时，则可将之按pq节点处理。

当把微网电源作为pq型节点考虑时，其模型等同于恒定功率负荷模型，电流方向为注入母线方向。pq节点的视在功率为：s＝-p±jq。

由微网电源的视在功率，可以得到微网电源并网节点的注入电流为：

式(1-1)中是微网电源并网节点电压。

异步发电机的有功功率是恒定值，但是其向电网吸收的无功功率则随着机端电压的变化而变化，因此在潮流计算过程中其可以等效为pq(v)节点，在潮流计算过程中，每次迭代结束后都要对风机端电压进行修正，根据修正后的电压幅值大小计算风机需要从电网吸收的无功功率。但是在实际的配电网运行中，为了保证风电机组运行时的功率因素满足要求，一般要求对风电机组并联电容器进行无功补偿，并联电容器发出的无功功率与发电机从电网中吸收的无功功率之差即为该节点向电网注入的无功功率，因此在下一次迭代前可将该pq(v)节点转变成pq节点。

(2)pi节点的处理

储能系统可以作为pi节点处理。在使用逆变器与电网相连的分布式电源，可用输出限定的逆变器来建模。逆变器分为电流控制逆变器和电压控制逆变器两种。通过电流控制逆变器接入电网的分布式电源可以将之处理成pi节点。

pi节点输出的有功p恒定，电流幅值i恒定。该类节点相应的无功功率可由迭代得到的电压、恒定的电流幅值和有功功率计算得出。

对于网络中的pi节点，有：

对式(1-2)的左右两边取模，然后再平方：

整理后得到：

|v|²|i|²＝|p|²+|q|²(1-4)

于是：

这样，可以算出pi节点的注入电流为：

其中，q^k为第k次潮流迭代的pi类型分布式电源的无功功率值；v^k-1为第k-1次潮流迭代得到的电压值，i为恒定的分布式电源的电流相量的幅值；p为恒定的有功功率值。

因此在进行潮流计算时，每次迭代前可以把pi节点的无功注入量求出，在第k次迭代过程中便可将pi节点处理成有功和无功输出分别为p^k和q^k的pq节点。

(3)pv节点的处理

分散电源在配电系统中逐步得到应用，一些带有avr装置的发电机节点由于avr调整的作用，可以保持节点电压幅值的恒定，可将此类节点看为pv节点。若用同步电机接入电网的dg，当其励磁控制方式为电压控制时可将之看成pv节点。一些需要通过电力电子装置与电网并网的dg,如燃料电池，太阳能光伏电池，微型燃气轮机以及部分风力发电机等，在使用逆变器的情况下，这些分布式电源可以用输出限定的逆变器来建模。通过电压控制逆变器接入电网的分布式电源可以将之处理成pv节点。

在传统的前推回代潮流计算中，不能处理pv型节点。如果pv节点的电压幅值不等于事先给定的电压幅值，采用向pv节点注入电流的方法，使pv节点的电压幅值达到预先设定的值，为了保持pv节点类型分布式电源的电压幅值恒定，需要确定合适的无功功率和无功电流补偿量，因此问题变为对每个pv型微网电源节点寻找无功注入补偿电流，使每个节点的电压幅值和额定值相等。假设系统中有n个pv节点，具体的处理方法可按以下步骤进行。

1)确定pv型dg无功初值

一般情况下，将pv节点的无功初值取为零或者无功上下限之和的一半。这两种方法求法简单，但与无功初值的实际值之间的偏差可能较大。pv型dg并网处的无功主要源于无功补偿装置，与dg的无功输出无关，而与系统中负荷的大小与位置相关，并且与pv型dg的并网点的位置也有联系。而无功初值会影响潮流计算的收敛性能，因而本发明基于无功分摊原理改进了辐射状配电网pv节点的无功初值确定方法，准确确定无功初值，提高收敛性。

2)无功修正值δq

在一个有n个pv型dg并入配电网的系统中，设dg注入电流的方向为正方向，则pv节点处应满足

式中：为节点电压变化量；z为pv型dg的节点阻抗矩阵；为节点注入电流的变化量。而节点注入功率的变化为

一般情况下，在配电网正常运行时，节点电压标么值近似等于1.0，相角很小cosθ≈1，于是可将u视为1，可得

将代入到式(1-7)中可得

再将和z＝r+jx代入式(1-10)中，由于主要由其实部δu决定，展开后有如下实部方程

rδp+xδq＝δu(1-11)

又由于pv型dg的有功为恒定值，δp为零，上式即简化为

xδq＝δu(1-12)

因而无功修正值即为

δq＝x^-1δu(1-13)

由式(1-13)即可求解出无功修正值δq，从而可在本次迭代之前对pv节点的无功值进行修正。

3)对pv节点无功越限问题的处理

由pv节点的无功修正值δq可得该pv节点处的无功功率为

q^k+1＝q^k+δq(1-14)

其中，k为迭代次数。

通常情况下，pv型dg会给定无功上下限。由于有时会出现pv节点的无功功率超出无功上下限的情况，因此需对式(1-14)作如下修改。

式中：q^max为pv型dg的无功上限；q^min为无功下限。

pv节点越限时，转成无功为上限或者下限的pq节点。在下次迭代时，若无功回到上下限范围内时，又回归为pv节点。因此，pv型dg在潮流计算中，会在pv节点与pq节点之间不断转换。

pv节点在前推回代的三相潮流算法中，若计算出的节点无功越限，将其转换成对应的pq节点，q值等于该分布式电源能发出的最大无功值。如果在后续迭代中，又出现该节点电压越界，重新将其转换成pv节点。

本实施例含分布式电源的配电网不对称潮流计算的三相前推回代算法流程：

将基本的单相前推回代算法扩展到三相不对称情况下的，使之能够用于处理含分布式电源的配电网不对称潮流计算，算法的主要流程如图1所示。

三相前推回代算法的主要步骤如下所示：

(1)计算末梢节点的注入电流：

式中：为第k次迭代节点j的abc三相节点注入电流；sja、sjb、sjc为节点j的a、b、c三相负荷功率；为第k-1次迭代j节点的三相电压。

(2)前推计算各支路的电流：

对于馈线支路而言，支路l的末端电流为：

m是与节点j直接相连的下游支路集合。

支路l的始端电流为：

对于变压器支路而言，支路l的末端电流为：

其中：为非末梢节点在第k次迭代时的节点注入电流；sj是节点j所接的负荷复功率；为第k-1次迭代后求得的节点j的电压。m是与节点j直接相连的下游支路集合。

变压器支路l的始端电流为：

式中：a＝e^j120°；k是电力变压器的变比；θ是电力变压器的移相角度；λ的取值与变压器的接线方式以及中性点的接地方式等有关，如果网络中有零序通路则λ取1，否则λ取0。

(3)回代求解各节点的电压：

对于馈线段支路，节点j的电压为：

(4)收敛判据：

对于所有非pv恒定型节点要求满足：

对于pv恒定型dg的节点要求满足：

式(1-22)和(1-23)中，i为节点号，j为相别，即为在第k次迭代时节点i的j相电压，即为在第k-1次迭代时节点i的j相电压，uis为pv节点i保持的电压，ε1和ε2为收敛精度。

重复上述步骤直到各个节点的电压都满足收敛条件为止。