含分布式电源的地区电网潮流计算方法.doc

含分布式电源的地区电网潮流计算方法 郑华，陈星莺，余昆 河海大学电气工程学院，南京 (210024) E-mail：huaz@ 摘 要：随着分布式电源的并网，PQ、PV 和平衡节点模型已不能满足潮流计算的要求。分 析了同步机、异步机和逆变器三种分布式电源并网方式的出力特性，定义了 P0 节点模型， 该模型会改变原有的潮流方程，并影响潮流计算的收敛性。为此引入最优乘子对雅可比矩阵 进行修正，提高牛拉法的收敛性能与收敛速度。通过对某地区电网的多种运行方式进行仿真 计算，结果表明了分布式电源的引入对潮流计算不利的影响，也验证了最优乘子能改善 P0 节点模型引起的潮流病态问题。 关键词：分布式电源；P0 节点模型；最优乘子 1. 引言 随着经济的发展，电网容量日益增大，大电网供电的隐患日渐突出，比如2008年我国的 冰雪灾害引起的南方大面积停电、2003年美国的“8.14”大停电等事故的发生都说明了这一 点。而在这些事故中，小容量的分布式电源起了很大的作用，对重要负荷的供电和电网的恢 复发挥了重要的作用，因此，分布式电源作为大电网的补充已是当今电力的发展趋势[1-3]。 分布式电源的大量并网运行是大电网的有益补充，同时也给电网带来了许多负面影响， 增加了电网分析的难度[4-7]。本文主要分析分布式电源对地区电网潮流计算的影响，研究改 造牛拉法并用来解决含分布式电源的地区电网潮流计算问题。在文献[8-11]中虽然建立了分 布式电源的节点模型，但不够完善，且运用多重迭代方式来求解，收敛速度为线性，没能充 分发挥牛拉法的平方收敛速度。本文建立了分布式电源的节点模型，并运用最优乘子修正牛 拉法[12,13]解决因分布式电源带来的病态潮流[14]问题。 2. 分布式电源的节点模型分析 本文根据分布式电源的发电原理及其控制方式，将其分为三类：同步发电机并网模型（如 某些恒速恒频风力发电）；异步发电机并网模型（如某些恒速恒频风力发电）；逆变器并网模 型（如光伏发电、微型燃气轮机发电系统、燃料电池等）[15-21]。 2.1 同步发电机并网模型 同步电机是一种常用的分布式电源，根据励磁的方式可以分为三种类型：永磁同步发电 机、可调励磁同步发电机和不可调励磁同步发电机[26]。可调励磁同步发电机能通过对励磁 的调节控制机端电压，因此在潮流计算中可将其作为 PV 节点处理。如果忽略发电机定子对 转子的影响，不可调励磁同步发电机的励磁将恒定不变，与永磁同步发电机有相同的磁耦合 特性，因此可做相同的处理。由于这两类发电机的励磁不可调，失去了对机端电压的控制能 力，在潮流计算中不能用常规的 PV 节点、PQ 节点或平衡节点来处理。参考文献[9]采用隐 极式发电机模型可以得到发电机的无功出力表达式：  E 2U 2 Q = x2  U 2 ? P2 ? (1) x d d 式中： Eq 为空载电动势；U 为机端电压幅值， xd 为直轴同步电抗。  由此可知，对于励磁不可调的同步发电机，无功出力是有功出力 P 和机端电压幅值U 的 函数。为描述这一特性本文引入一种新的节点模型——P0 节点，具体定义为：如果发电机 在运行时有功出力可控，机端电压和无功出力不可控，而且无功出力是有功出力和机端电压 的函数，则称此节点为 P0 节点，其数学表达式为： ? P = c(常数) ? ?Q = f (P,U ,θ ) (2)  2.2 异步发电机并网模型 采用异步电机发电的风力发电系统有结构简单、成本低、过载能力强以及运行可靠性高 等优点，因此大多数恒速恒频风力发电系统都采用异步发电机。由于这类发电机需要从电网 吸收无功以产生励磁，因此需要加装电容器进行无功补偿，以减少对电网的影响。因电容器 发出的无功受端电压影响，所以异步发电机的励磁将随电网运行状态的变化而变化，即其励 磁不可控，从而机端电压和无功出力也不可控，其简化等值电路模型如图 1 所示。 P + jQ r1 jx1  ? U jxc rm ? ? Im Is s jxm  图 1 异步发电机简化等效电路 ? 2 图中U 为机端电压， xc 为无功补偿电容器的阻抗。令 Rs = r1 + s ，其中 s 为异步发电 机的转差，则有如下表达式： ? U 2 r R U 2 P = ? m ? s ? r 2 + x2 R2 + x2 ? m m s 1 ? U 2 U 2 x xU 2 (3) ?Q = ? ? m ? 1 ? x r 2 + x2 R2 + x2 ? c m m s 1 根据有功方程可以求出 Rs 的表达式，如