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1、含分布式电源的配电网潮流计算毕业设计 毕业论文 设 计 题 目： 含分布式电源的配电网潮流计 算 毕业论文 含分布式电源的配电网潮流计算 长沙学院毕业论文 摘 要 在分布式电源系统当中，主要是它和大电网的供电系统起到了一个相互补充和协调的作用，主要是利用了现有的综合设备以及资源，从而可以给用户提供一个更为良好的并且可靠的电能应用方式。 因为分布式电源通过了并网以后，它对于在各个地区的电网运行和在其结构当中都发生很大的变化，有一定的影响，所以，分布式的电源潮流计算就能起到了一定的作用，这也是作为评估的重要方式之一，作为优化电网运行重要的理论基础，通过长期的研究证明，技术已经较为成熟，有利于电网长
2、足的发展。 现在，新能源开发利用的分布式发电技术已经成为了电力工业一个新的研究热点。目前，国内外在研究基于分布式电源的潮流计算方法主要围绕在牛顿拉夫逊法、前推回代法、高斯Zbus 3 种方法。在配电网潮流计算方面，本文分局接口的模型的不同将DG分为PQ,PV,PI和PQ(V)等四种节点类型，并为每种节点类型DG建立了潮流计算模型。在传统潮流计算方法的基础上，结合各点类型DG的潮流计算模型，提出了适用于含不同类型DG的配电网潮流计算方法，并以IEEE33算例验证了算法的可行性。 关键词：配电网，分布式电源，潮流计算 III 长沙学院毕业论文 ABSTRACT In the distributed
3、 power system, mainly it and large power grid power supply system to a mutual supplement and coordination role, mainly is the use of existing integrated equipment and resources, and can provide users with a more good and reliable electricity can be used. Because of the distributed power supply throu
4、gh the grid after it for power grid operation in various regions and in the structure have taken place great changes, certain influence, so distributed power flow calculation will be able to play a certain role, it is also regarded as one of the important ways to evaluate the, as an important theore
5、tical basis for power grid operation optimization, through long-term research proof, technology has been more mature, is conducive to the rapid development of the grid. Now, new energy development and utilization of distributed generation technology has become a new research focus in the power indus
6、try. At present, research at home and abroad based on distributed power flow calculation method mainly focus on Newton Raphson (Newton-Raphson，NR), forward and backward substitution method, ZBUS Gauss 3 kinds of methods. In terms of power flow calculation, this paper divides DG into PQ, PV, PI and P
7、Q (V) and other four kinds of node types, and establishes the power flow calculation model for each node type DG. In the traditional power flow calculation method based on, combined with the trend of the type of DG calculation model, is proposed, which can be used with different types of DG distribu
8、tion network power flow calculation method, and the IEEE 33 examples to verify the feasibility of the algorithm. Keywords: Distribution Network, Distributed Power Supply, Power Flow Calculation IV 长沙学院毕业论文 目 录 摘 要 . III ABSTRACT . IV 目 录 . V 第一章 绪论 . 7 1.1选题背景及意义 . 7 1.2含分布式电源的配电网研究的现状 . 8 1.2.1 分布式
9、电源的发展及应用概况 . 8 1.2.2 分布式电源的潮流算法研究现状 . 9 1.3本文主要工作 . 10 第二章 分布式电源的建模 . 11 2.1 太阳能光伏发电 . 11 2.1.1 光伏发电的工作原理 . 11 2.1.2 光伏发电的模型 . 12 2.2 燃料电池 . 14 2.2.1燃料电池的工作原理 . 14 2.2.2 燃料电池的模型 . 15 2.3 风力发电 . 16 2.3.1 风力发电的工作原理 . 16 2.3.2 风力发电的模型 . 16 第三章 配电网潮流计算 . 19 3.1 配电网潮流计算的概述 . 19 3.1.1 配电网潮流计算的基本要求 . 19 3.
10、2基于回路分析法的配电网潮流计算 . 20 3.2.1回路分析法基础 . 20 3.3基于回路分析法的潮流直接算法 . 21 . 24 第四章 含分布式电源的配电网潮流计算 4.1分布式电源的模拟 . 24 4.1.1 PQ恒定型分布式电源 . 24 4.1.2 PI恒定型分布式电源 . 24 4.1.3 PQ(V)分布式电源 . 25 V 长沙学院毕业论文 4.1.4 PV恒定型分布式电源 . 25 4.1.5 分布式电源的处理方法 . 26 4.2含DG的潮流计算方法 . 27 4.2.1 配电网拓扑结构的矩阵描述 . 27 4.2.2 潮流算法的实现 . 28 4.2.3 潮流算法的流程
11、 . 30 4.2.4 含DG配电网潮流计算方法的实现 . 31 4.3算例分析 . 32 结 论 . 34 参考文献 . 35 附录 . 37 致 谢 . 38 VI 长沙学院毕业论文 第一章 绪论 1.1选题背景及意义 随着负荷的快速增长以及电力市场的逐步推行，传统的集中式发电已经不能满足当今社会对电力及能源供应的需求。近些年来，集中式发电受到它自身缺陷的限制，对电力供应的稳定和安全带来了不可忽视的影响。为了解决这类问题，我们找到了一种可靠、灵活、高效、经济的发电方式，即分布式发电技术。分布式发电与集中式发电相结合将是21世纪电力工业的优先发展方向。其不但可以解决集中式发电投资大、建设周期
12、长、调节不灵活及事故范围大等弊端，还能使得日益枯竭的能源危机和环境污染得到了较大的改善。 分布式发电技术通常是指发电功率在数千瓦至数百兆瓦的小型模块化且分散布置在用户附近的高效、可靠、清洁、可持续发展的发电技术1。分布式电源(Distributed Generators, DGs)主要包括微型燃气轮机(Micro-turbines)、燃料电池(Fuel Cell)、光伏发电和风力发电等一些新能源领域。按发电能源是否可再生，可将其分布式发电分为两类：一类是用不可再生能源的分布式发电，主要是采用化石燃料作为能源；另一类是用可再生能源的分布式发电，它不会造成污染，属于绿色电力。比如：风能、太阳能都是
13、取之不尽用之不竭的自然资源，其他分布式发电装置使用的大多数如：天然气、沼气、生物质能等清洁燃料，而传统发电燃料主要是以煤为主；这些装置还应用了现代污染物控制技术，从而控制废水、废渣等的排放量。此外，分布式电源的开发、研究和建设，还有如下重要的意义： 因为城市的大规模发展，使得新的配电线路走廊开辟越来越困难，而直接在用户旁安装分布式电源是一种很有效的替代方案。 对于偏远地区，可以依靠当地丰富的自然资源，从而选择合理的分布式发电方式能够有效的节约筹建投资大的电网。分布式电源设备，无论是燃气轮机还是内燃机，都可以供电、供热服务，能够解决边远山区、矿区、旅游区的用电问题。 随着电力市场的逐步推行，用户
14、对供电可靠性、电能质量以及电价的关注日益增加，而采用分布式发电则有利于降低用户电价，提高电能的质量和供电的可靠性，同时满足用户多方面的要求，为用户用电提供更多的选择。 分布式电源已经成为了一种以电网最大经济为目的调频、调峰的手段，不但可以利用储能设备的储电能力实现补峰填谷和调频，还还可以利用它来控制电网高峰和低谷时的发电功率。 随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，从而促进了电力负荷的快7 长沙学院毕业论文 速增长，导致了某些地方出现了比较严重的电力缺口。如果采用集中式发电来平稳渡过这一时期是不可能的，但分布式电源具有投资小、建设周期短等优点就可以满足电力负荷增长后的要求。 伴随新型发电
15、技术和新型储能技术的发展，分布式电源采用热效率在65%-95%的设备，增加了能源利用率，从而减少了对一次能源的消耗。 PI、 PV、 PQ(V)节点。因为分布式电源的引入，从而电源的节点类型出现了 PQ、另外，因为系统中还有PV节点及少量环网的存在，使得基于传统的辐射状网络的前推回代算法已经不再适用。 含分布式电源的配电网潮流计算的功能是计算线路中的功率和电压，但有时也用来评估其并网后对配电系统所产生的影响，而且是分析分布式电源对电网静态稳定性影响等其他理论研究工作的基础，因而研究含分布式电源的配电网潮流计算具有一定的理论意义和实用价值。 1.2含分布式电源的配电网研究的现状 1.2.1 分布
16、式电源的发展及应用概况 分布式发电方式的发展主要经历了以下三个阶段。 20世纪初，随着技术的进步和负荷的增加，大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统成为了主流的发电方式。它的大容量、巨型化发电能够满足当时社会的发展和用户的需要。但是，由于近年来屡屡发生的电力危机和大面积停电事故，从而让我们深深地意识到庞大的电力系统存在既“笨拙”又“脆弱”的缺点。 分布式电源模型的建立。因为分布式电源的潮流计算模型和传统发电机组计算模型不同，使得传统的潮流计算方法不能够适用于含分布式电源的配电网。传统的发电机节点在潮流计算中一般取为PQ节点、PV节点或平衡节点。而分布式电源具有特殊性，其节点能否取
17、为这3种类型需要全面考虑。正是因为各种分布式电源的运行方式和控制特性的不确定性，才使得在潮流计算中如何选取分布式电源的节点类型有待研究。现在最常用的方法是通过对不同类型的分布式电源分别建立模型，使得分布式电源可以用通用的形式加入到配电网系统的潮流计算中去。 含分布式电源配网潮流计算的算法研究。在直接法的基础上，结合分布式电源本身的特点，文献14提出了一种基于灵敏度矩阵的补偿算法，该算法能够处理PV 节点，并且还釆用了系统节点阻抗矩阵中的元素组成了灵敏度矩阵，使得求取过程简便。文献把分布式电源的PV、 PQ(V)以及PI节点转换为前推回代法可处理的PQ节点。考虑到PV节点难于转化为PQ节点，文献
18、15提出了快速网络搜索法，对戴维南等值阻抗矩阵进行改进，通过形成与PV节点相关的节点阻抗矩阵的部分元素来修正PV节点注入的无功功率。文献16针对前推回代法对PV节点和环网失效的问题，提出了依据节点电阻矩阵、节点电抗矩阵及电压偏差对PV恒定型分布式电源和环网断点功率修正方法。 1.3本文主要工作 本文第一章主要叙述了选题背景和分布式电源的配电网的前景和研究意义。 第二章介绍了各种分布式电源。 第三章介绍了配电网的基本算法，并比较了其中的优劣性。 第四章在含分布式电源配电网潮流计算方面，本文分局接口的模型的不同将DG分为PQ, PV, PI和PQ(V)等四种节点类型，并为每种节点类型DG建立了潮流
19、计算模型。在传统潮流计算方法的基础上，结合各点类型DG的潮流计算模型，提出了适用于含不同类型DG的配电网潮流计算方法，并以IEEE33算例验证了算法的可行性。 10 长沙学院毕业论文 第二章 分布式电源的建模 2.1 太阳能光伏发电 太阳能是由太阳中的氢经过聚变而产生的一种能源，它分布广泛，可自由利用，取之不尽，用之不竭，是人类最终可以依赖的可持续的能源之一。太阳能是以辐射的形式每秒向太空发射3.8l019MW能量，其中有22亿分之一的能量投射到地球的表面上。地球上一年接受到的太阳辐射能高达1.8l018kWh，是地球能耗的数万倍，由此可见太阳的能量有多么巨大。现如今由于能源短缺和环境污染，各
20、国都开始迅速大力发展光伏发电技术。美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本，使其XX年达到商业化竞争的水平；日本也提出在XX年达到28GW的光伏发电总量计划；同时我国也大幅增加对光伏发电的投入，并降低光伏发电并网价格，等等显示了发展光伏发电已经成为全世界各国解决能源与经济，环境之间矛盾的最有效的途径之一。 2.1.1 光伏发电的工作原理 在自然界中，根据导电性能和电阻率的大小，可以将物体分为三类：导体、半导体和绝缘体。其中在阳光下的半导体p-n结器件光电转换效率最高，即在半导体吸收光能后，在其内部可以传导电流的载流子分布和浓度都将发生改变，由此产生出电流和电动势的效应。当太阳光照
21、在半导体p-n结上形成新的空穴-电子对时，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向P区，电子由P区流向n区，接通电路后就形成电流。光伏电池正是利用了半导体材料的光电特性，把光能直接转换成电能。 光伏发电系统可分为两种类型：独立运行的光伏发电系统；并网运行的光伏发电系统。独立运行常用于小容量用户或无电地区，需要提供蓄电池等储能设备；并网运行主要用于大容量用户如公用建筑、住宅等，一般都是自发自用，可以不带储能装置，但必须和商用电网联网，在国家电网允许的情况下将多余的电向电力公司出售电力。其中并网运行的光伏发电系统又分为标准型和防灾型，显而易见的是并网运行的光伏发电系统已经成为光伏发电的发展趋势。 通
22、常情况下，配电网是利用并网型光伏发电的有功功率，也就是说把太阳能通过光伏组件转换为直流，然后通过汇流箱和直流配电柜，经过逆变器将直流电转换为交流电输出，再通过变压器将电压升压输入更高电压的配电网中。然而在一些特定的情况下，可以损失一部分输出的有功功率来控制逆变器对配电系统进行无功优化，使得电网运行更加的经济和稳定。 11 长沙学院毕业论文 2.1.2 光伏发电的模型 为了更有效的分析光伏电池的发电性能以及计算配电网的潮流数据，建立了一种常见太阳能光伏电池的数学模型。通过这些数学关系表达式，可以反映出太阳能光伏电池各项参数的实际变化规律，图2.1为硅太阳能电池实际的等效电路。 RsIrIphID
23、 Rsh Vpv图2.1硅太阳能电池实际的等效电路 通过电路分析可以得到一个光伏电池的数学模型： Ipv=Iph-Ij(eq(Vpv+RsIpv)/AkT-1)-(V+RsI)/Rsh (2.1) 其中 Ij=Ijr(T/Tr)3e(1/Tr-1T)qEG/Ak (2.2) Iph=Iscr+kj(T-Tj)S/100 (2.3) 式中参数见表2.1。 光伏方阵是由大量的光伏组件串联或者并联组合而形成的。光伏组件串联可以升高T=0.32+0.25S+0.899Ta-1.3ws+273 (2.4) 系统的最高输出直流电压；而采用光伏电池并联则可以升高系统的最高输出直流电流。因而，若想得到最高输出
24、直流电压或者最高输出直流电流就可以对光伏电池进行串、并联组合。于是就可以获得光伏组件的输出特性方程： P=Vpv*Ipv=mVpvIph-Ij(eIpv=mIph-Ij(eq(Vpv+RsIpv)/nAkT-1)-(V+RsI)/Rsh (2.5) q(Vpv+RsIpv)/AkT-1)-(V+RsI)/Rsh (2.6) 其中：n为串联电池数，m为并联电池数，上述公式参数解析详见表2.1。 光伏发电系统一般是自发自用，而多余的电力则经过入网许可之后，可以并入国家电网公司和电力公司，将其多余电力卖给他们。 但通常来说，最好是能够自发自用的光伏电站，因为远距离传输电力的技术发展还不是十分成熟。所
25、以需要我们在建造光伏电站之前，需要考虑附近是否有需要其相应规模的用户需求。 12 长沙学院毕业论文 表2.1 光伏电池等效电路参数表 参数名称 q A 描述 10-19 电子的电荷量=1.6理想因子 太阳能电池的等效串联电阻 太阳能电池的等效并联电阻 基准温度=301.18( K) 短路电流温度系数=0.0017( A) 环境温度(0C) 电池温度(K) 硅原子频带间隙的能量(l-3eV) 太阳能电池的输出电流 太阳能电池的输出电压 光生电流 10-19 玻尔兹曼常数=1.38风速(m/sec) 整体日光辐射(Mw/cm2) 光伏电池反相饱和电流 l0-6(A) 基准温度下反向饱和电流=19.
26、9693电池短路电流=3.3( A) Rs Rsh Tr kj Ta T EG Ipv Vpv Iph k ws S Ij Ijr Iscr 光伏发电需要通过逆变器并网，上述模型是在逆变器的效率假定为恒定时的情况下建立的。而事实上输入功率的变化会引起逆变器的效率随着改变，这就要对逆变器的输入功率进行矫正，公式如下： 2P=-0.015+0.98P-0.09Pinvpvpv (2.7) 13 长沙学院毕业论文 其中：Ppv为光伏阵列的输出功率，Pinv为输入电网的功率。 通常情况下光伏并网发电系统根据控制逆变器的输出电流或输出电压可分为电流控制模式和电压控制模式。 若采用电流控制逆变器策略，则为
27、输出的有功和注入的电流均是恒定的PI节点； 若采用电压控制型策略，则为输出的有功和电压均恒定的PV节点，当注入的电流达到边界值后转化为电流控制型来处理。图2.2为光伏发电并网示意图。 DCAC光伏电池控制逆变器配电网图2.2为光伏发电并网示意图 2.2 燃料电池 燃料电池(fuel cell FC)是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的电化学反应装置24。燃料电池的工作方式与常规的化学电源不同，而更类似于汽油、柴油发电机。它的燃料和氧化剂是储存在电池外的储罐中，当燃料电池发电时，要不断的向电池内注入氧化剂和燃料进行反应并排除反应产物，而且还要排出大量的废热来保持燃料电池工作温度的稳定程度
28、。燃料电池只决定输出功率的大小，而其储能量则是由储罐内的燃料与氧化剂的量来决定。 适用于分布式电源应用的FC有质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)和固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)，其中SOFC发电效率最高，适用范围最广。 2.2.1燃料电池的工作原理 燃料电池由阳极、阴极和电解质隔膜构成。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，从而完成整个电化学反应。以石棉膜型氢氧燃料电池为例，在阳极，氢气与碱中的O
29、H在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子： -H+2OHHO+2e22 0 (2.8)j=0.828V电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应： 14 长沙学院毕业论文 -0.5O2+H2O+2e2OH 0Vj=-0.4012.2.2 燃料电池的模型 燃料电池及其它储能系统发出的是直流电，需要通过电压源逆变器并网。并网燃料电池发电站常见等值电路如图2.3所示。 RFCVacdDCUFCmyXTlVsd电网P+jQ图2.3燃料电池发电站并网的等值电路图 图2.3中：UFC为电池输出的直流电压；RFC为电池的内阻；m为换流器的调节指数；m为换流器点燃角；Vac为换流器
30、输出的交流电压；XT了为变压器等值电抗；Vs为系统母线电压；d与q为电压的相角，且满足y=d-q。Vac幅值与UFC有如下关系式：Vac=mUFC。由图和式可以推出下式： P=VacVsmUFCVssind(-q)=siny (2.10) XTXTVacVscosyVs2mUFCVscosyV2 Q=-=-XTXTXTXT由公式(2.10)和(2.11)可得出以下结论：并网的燃料电池通过逆变器的控制参量m、y来控制有功和无功的输出，因而燃料电池可处理成PV节点。但逆变器无功输出是有上限的，当出现无功越限，则转化为PQ节点来处理。图2.4为燃料电池并网示意图。 DCAC燃料电池逆变器配电网图2.
31、4燃料电池并网示意图 15 长沙学院毕业论文 2.3 风力发电 人类把风能作为能源用于碾磨谷物、抽水、船舶等机械设施提供动力已经有千余年的历史。风能是一种重要的自然能源，也是一种巨大的、清洁的、永不枯竭的可再生能源。与传统能源相比，风力发电不需要依赖矿物能源，没有燃料价格的风险，所以其发电成本稳定，没有碳排放等环境成本压力。 大气压的高地形成了空气流动，正是因为大气压的不稳定性，使得风能具有随机性并随高度的变化而变化。如今，风能的主要应用是风力发电，风力发电是通过风力发电机组的运行实现风能到机械能，再到电能的转换。因为海上风速通常高于内陆，近几年来，海上风电将会扮演越来越重要的角色，其原因是风
32、速对发电量影响极大，因而它是电量成本的主要决定因素。粗略的说，在风速为8m/s的地点开发风电场，电量成本约为风速为5m/s地点的1/3。下面分别介绍风机和风力发电机的模型。 2.3.1 风力发电的工作原理 风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，其工作原理是：风作用载风力机的叶片上产生转矩，该转矩驱动轮毂转动，通过齿轮箱高速轴、刹车盘和连轴器再与异步发电机转子相连，从而发电运行。 2.3.2 风力发电的模型 1.风机模型 风力发电的效能受风速大小、风力机叶片以及叶片受风面积等多个因素的影响。风力发电机输出的机械功率为： Pm=0.5Av3rCp (2.12) 式(2.12)中，A是风力机的扫
33、描面积(m2)；v3是风速(m/s)；r是空气密度(km/m3)；Cp 是风力机的风能利用系数，为叶尖率比和叶片桨距角的函数，它表明风轮机从风中获得的有用风能的比例。从公式(2.12)可以看出，理论上风力机产生的电力大小是与受风面积成正比，与风速的三次方成正比，其中r和v随地理位置、海拔、地形等因素而变化。将风力发电机组的有功出力视为风速的函数，若给出风力发电场所在地的风速，可以近似得到风力发电场输出的有功功率。在某一时刻对配电网进行潮流计算时，可以认为风力发电机组在该时刻的输出功率为一由该时刻风速所决定的定值。 在正常运行情况下，理想风力机吸收功率的特性可分为；当风速在启动风速到额定风速范围
34、内为线性段，风功率随风速增长而线性上升；当风速在额定风速到切出风速范16 长沙学院毕业论文 围内为水平段，风功率与风速无关，保持为常量。通过对风力发电机的合理控制，可以使发电机在一定的风速范围内保持恒功率运行。 2.风力发电机模型 风力发电机组按照发电机类型可分为三类：普通异步风机、双馈感应风机和多级同步风机。 异步风机并网 异步发电机自身没有励磁装置，因而它没有电压调节能力。考虑到异步发电机在输出有功功率的同时还要从系统吸收一定的无功功率，其吸收的无功功率大小与转差率S和节点电压U的大小密切相关，因而在潮流计算中既不能作为PQ节点也不能作为PV节点，需要特殊考虑。 IrxsIsUImxmRe=R/s图2.5异步发电机的近似等效电路 Is为定子电流(A)；Ir为转子电流(A)；图2.5所示为异步发电机的近似等效电路30，Im为励磁电流(A)；s为转差率；U为发电机的节点电压幅值；R为转子电阻(W)；Re为机械负载等效电阻(W)；Xm为励磁电抗(W)；Xs为漏电抗(W)。 由近似等效电路可以
