第1章 緒論 

1.1  課題研究的背景和意義 
潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)分析的基本方法，通常用來研究系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的各類的問題。潮流計(jì)算是一種利用數(shù)學(xué)方法求解非線性方程組的算法。它是以確定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)參數(shù)以及運(yùn)行狀況為前提，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的電壓、相角以及節(jié)點(diǎn)的注入功率、網(wǎng)絡(luò)損耗等[1]。伴隨電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用在某些領(lǐng)域上促進(jìn)了電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的發(fā)展。但電力系統(tǒng)的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，大電網(wǎng)互聯(lián)成為未來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，用于求解大電網(wǎng)的非線性方程組的階數(shù)越來越高，對于這種高階復(fù)雜的方程組，為了確保系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果仍能準(zhǔn)確，這就需要國內(nèi)外的電力研究人員不斷探索，尋找更加精準(zhǔn)的計(jì)算方法。電力網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算方法的改進(jìn)歷程主要經(jīng)歷了高斯-賽德爾迭代法、阻抗法、分塊阻抗法、牛頓法、改進(jìn)的牛頓法、PQ 分解法等，目前主要采用的方法有牛頓法和 PQ 分解法[2]。而上述的這些方法都是在交流系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出的，所以也只適用于交流系統(tǒng)。 現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)模和輸電容量逐漸增加，通過電網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)可以提高供電可靠性和電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益，因此各大電網(wǎng)之間的聯(lián)網(wǎng)已是必然趨勢，而采用何種方式輸電就成為一個(gè)值得研究的問題。近些年來，研究人員也逐漸發(fā)現(xiàn)了高壓直流輸電相比于交流輸電所特有的優(yōu)勢，包括無同步問題、損失小、易于控制等，為直流輸電的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)�？萍甲兏锊粌H為高壓直流輸電提供了基礎(chǔ)，還對它的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。從目前來看，采用交直流輸電相互配合的方式已經(jīng)成為跨地區(qū)互聯(lián)的主要方式之一，并且在今后電網(wǎng)發(fā)展過程中將長期采用這種方式。這標(biāo)志著我國電力網(wǎng)絡(luò)已從傳統(tǒng)的單一交流輸電逐步轉(zhuǎn)為交直流混合輸電模式。直流系統(tǒng)不僅在高壓輸電領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而且在未來配電網(wǎng)的發(fā)展中也將占據(jù)一席之地，，隨著近些年來有關(guān)直流微電網(wǎng)概念的提出以及國內(nèi)外研究人員對直流微電網(wǎng)發(fā)展重視程度的加深，奠定了直流系統(tǒng)在電力行業(yè)中的重要地位。對比已經(jīng)十分完善的純交流系統(tǒng)潮流算法，交直流混合系統(tǒng)的潮流計(jì)算方法的研究成果就顯得遜色許多，暫時(shí)沒有到達(dá)前者的深度和廣度。將直流電力網(wǎng)絡(luò)加入到交流網(wǎng)絡(luò)后就形成交直流混合系統(tǒng)，而對于這樣一個(gè)系統(tǒng)的求解則稱為交直流混合系統(tǒng)的潮流計(jì)算。
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1.2  國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析 
從目前的研究動態(tài)來看，對于交直流混合電力系統(tǒng)的潮流算法的研究是以傳統(tǒng)的純交流系統(tǒng)潮流計(jì)算方法為基礎(chǔ)，利用交流側(cè)和直流側(cè)之間的雙向換流器實(shí)現(xiàn)功率交換，將兩側(cè)的交直流變量聯(lián)系起來。按照交直流系統(tǒng)間的耦合程度判斷兩側(cè)方程是否滿足解耦條件進(jìn)而分別進(jìn)行計(jì)算，可將該系統(tǒng)的計(jì)算方法分為交替迭代法和統(tǒng)一迭代法[3-6]。統(tǒng)一迭代法是牛頓法在交直流系統(tǒng)中的推廣，可以同時(shí)求出交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)的未知變量，具有良好的收斂性。但由于在修正方程中考慮到直流參數(shù)的影響，該系統(tǒng)的雅克比矩陣維數(shù)要增多，編程難度大，計(jì)算效率低。交替迭代法相比于前者的計(jì)算過程稍微簡單，計(jì)算效率也就有所提高。它是將直流變量和交流變量分別求解，編程簡單，工作量少，但收斂性差。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在交直流系統(tǒng)已有算法的基礎(chǔ)上不斷的進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的主要目的是為了提高算法的收斂性、縮短計(jì)算時(shí)間等。其中研究工作主要從以下幾點(diǎn)提出改進(jìn)：交替迭代法模型方面的改進(jìn)，對于該方法的研究主要針對多端直流輸電（MTDC）系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算。根據(jù)換流器的等效數(shù)學(xué)模型，可以利用諾頓法把一個(gè)換流器等效為一個(gè)電流源，這樣就可以采用一個(gè)多端口的直流輸電網(wǎng)絡(luò)代替一個(gè)多端的直流系統(tǒng)，而多端口直流系統(tǒng)的潮流計(jì)算可以電路多端口網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合每個(gè)換流器的穩(wěn)態(tài)方程，從而推導(dǎo)出該系統(tǒng)的潮流計(jì)算方程，求出直流系統(tǒng)中的變量[7][8]。
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第2章 交直流輸電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和潮流計(jì)算方法 

近幾十年電力器件和控制領(lǐng)域的迅速發(fā)展，推動了以此為基礎(chǔ)的高壓直流輸電在電力行業(yè)的廣泛應(yīng)用。1990 年我國建成了第一條 ±500k V 葛洲壩—上海直流輸電工程，成為我國從交流輸電逐步轉(zhuǎn)向直流輸電的里程碑。近些年來直流輸電工程相繼發(fā)展，例如 2006 年三峽—上海 ±500k V 直流輸電工程 、2009年云南—廣東 ±800k V 特高壓直流輸電工程 、2010 年向家壩—上海 ±800k V 特高壓直流輸電工程 、2012 年錦屏—蘇南 ±800k V 特高壓直流輸電工程 、2014年宜賓—金華 ±800k V 特高壓 直流輸電工程 以及目前正在建設(shè)的靈州—紹興 ±800k V 特高壓直流輸電工程等[26-29]。今后電網(wǎng)規(guī)劃中特高壓的直流輸電方式作為重中之重，其應(yīng)用前景非常廣闊。以上都說明我國正逐步形成大規(guī)模交直流混合輸電系統(tǒng)的供電方式，這對電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性帶來了新的挑戰(zhàn)。潮流計(jì)算作為系統(tǒng)預(yù)先分析的基本依據(jù)，所以對于交直流混合系統(tǒng)計(jì)算方法的研究是非常有必要的。本章先根據(jù)直流系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分別基于統(tǒng)一迭代法和交替迭代法推導(dǎo)其代數(shù)方程組，并舉例說明交直流輸電系統(tǒng)潮流計(jì)算的具體過程。 

2.1 直流系統(tǒng)模型建立 
目前來看電能的生產(chǎn)、傳輸和使用仍是以交流方式為主要，采用直流輸電需要考慮如何將交流電能轉(zhuǎn)化為直流電，再將直流電轉(zhuǎn)化為交流電。對于發(fā)電廠端需要安裝可以把交流電能轉(zhuǎn)化為直流電的整流裝置，對于配電網(wǎng)用戶端需要安裝可以將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的逆變裝置。直流系統(tǒng)根據(jù)整流和逆變換流站的連接方式可以分為雙極、單極以及背靠背式直流輸電系統(tǒng)[30-32]。單極是通過大地或金屬導(dǎo)線連通，雙極又可分為兩端金屬接地、一端中性點(diǎn)接地和兩端中性點(diǎn)接地，背靠背式是整流和逆變在一起，沒有連接兩端用于輸電的直流線路。而根據(jù)直流中整流器和逆變器的數(shù)量劃分成兩端輸電方式和多端形式。對于系統(tǒng)中僅含有一個(gè)整流器、一個(gè)逆變器的兩端供電系統(tǒng)，也就是說僅含有兩個(gè)端口與交流網(wǎng)絡(luò)相連，就稱該網(wǎng)絡(luò)為兩端輸電網(wǎng)絡(luò)。對于含有多個(gè)換流器和逆變器的網(wǎng)絡(luò)，也就是說它有多個(gè)端口與交流側(cè)相連，則被稱為多端直流輸電系統(tǒng)。由于換流器建模和控制方式是研究直流系統(tǒng)的重點(diǎn)，本節(jié)以一個(gè)簡單的單極兩端直流輸電系統(tǒng)為例對換流器模型進(jìn)行分析。 
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2.2 交直流系統(tǒng)的潮流計(jì)算方法 
目前，有關(guān)交直流系統(tǒng)算法方面大體能夠劃分為兩類：統(tǒng)一迭代法和交替迭代法[33]。其他改進(jìn)算法都是以這兩者為基礎(chǔ)，是對算法自身收斂性、計(jì)算效率的改進(jìn)。統(tǒng)一迭代法具有良好的收斂性，但編程難度大，所需內(nèi)存多，計(jì)算效率低。交替迭代法計(jì)算思路清晰，編程相對簡單，可以將寫好的直流程序模塊直接添加到原有交流程序上，提高工作效率，但該方法收斂性較差。 有關(guān)交直流系統(tǒng)的潮流計(jì)算方式的研究是以原有交流潮流計(jì)算方法為參照，在原有算法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展。計(jì)算交流潮流時(shí)最常用的計(jì)算方法是牛頓法和 PQ 分解法，在介紹交直流輸電系統(tǒng)的潮流計(jì)算方法前，先簡要敘述牛頓法和 PQ 分解法的計(jì)算原理。 牛頓法的核心是通過反復(fù)迭代將對非線性方程組的求解轉(zhuǎn)化為線性方程組求解。它是解決非線性問題最有效的方式，且具有良好的收斂性，是潮流計(jì)算過程經(jīng)常采用的算法。但對初值要求較高，通常為了更好的滿足收斂精度需要結(jié)合高斯塞德爾法計(jì)算。
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第 3 章  含分布式電源的交直流混合微電網(wǎng)潮流計(jì)算方法 ....... 16 
3.1 交直流混合微電網(wǎng)概念 .......... 16 
3.2 分布式電源和儲能系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)類型 ........ 18 
3.2.1 分布式電源的節(jié)點(diǎn)類型 ............ 18 
3.2.2 儲能系統(tǒng) ......... 20 
3.3  交直流微電網(wǎng)潮流計(jì)算方法 .......... 21 
3.3.1 潮流計(jì)算中分布式電源的處理 ......... 21 
3.3.2  交直流系統(tǒng)的解耦 .......... 22 
3.3.3  交直流微電網(wǎng)計(jì)算步驟 ........... 23 
3.4  本章小結(jié) ...... 25 
第 4 章  分布式電源對交直流微電網(wǎng)的影響 .... 26 
4.1 IEEE33 測試系統(tǒng)參數(shù) ............ 26 
4.2  交直流微電網(wǎng)仿真 ........ 27 
4.3  含分布式電源交直流微電網(wǎng)的仿真分析 ........ 30 
4.4  本章小結(jié) ...... 37 

第4章 分布式電源對交直流微電網(wǎng)的影響 

針對本文第3章中提出的潮流計(jì)算方法，以交替迭代法和前推回代法為基礎(chǔ)，在Matlab軟件平臺編寫適用于交直流微電網(wǎng)潮流計(jì)算的通用程序，以修改的IEEE33測試系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真計(jì)算，進(jìn)而對該方法在交直流微電網(wǎng)潮流計(jì)算中的可性進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)還針對不同類型、不同滲透率以及不同布局方式的分布式電源，將其接入到交直流微電網(wǎng)后對該系統(tǒng)潮流分布情況進(jìn)行了仿真運(yùn)算，為今后進(jìn)一步研究含有分布式電源的交直流微電網(wǎng)奠定理論基礎(chǔ)。

4.1 IEEE33 測試系統(tǒng)參數(shù)

對IEEE33系統(tǒng)進(jìn)行修改后如圖4-2中所示，系統(tǒng)參數(shù)見文獻(xiàn)[48]。在節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)6之間安裝一個(gè)雙向換流器，直流側(cè)換流器控制策略采用恒壓控制dV =1p.u。在節(jié)點(diǎn)6安裝最大容量為 2000k W的備用電源 和節(jié)點(diǎn)11安裝容量為220k W的備用電源 ，節(jié)點(diǎn)14處接入一個(gè)容量為220k W的分布式電源 。在節(jié)點(diǎn)29通過DC/DC換流器安裝一個(gè)儲能電池，換流器采用恒壓控制。 對交直流微電網(wǎng)而言，其正常運(yùn)行狀態(tài)主要分為兩類：（1）并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，在此種狀態(tài)下，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)是通過換流器連接，并通過換流器實(shí)現(xiàn)交、直流系統(tǒng)電能的交換；（2）孤島運(yùn)行狀態(tài)，在此種狀態(tài)下，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)分別單獨(dú)運(yùn)行，即換流器的交流側(cè)處于斷開狀態(tài)。 基于交替法的思想，采取前推回代法和 PV 節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償法，利用 Matlab 軟件對帶有分布式電源和儲能電池的交直流微電網(wǎng)上述兩種運(yùn)行狀態(tài)分別進(jìn)行仿真。本節(jié)首先對并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的交直流微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了潮流計(jì)算，同時(shí)對原來交流系統(tǒng)和經(jīng)過修改的交直流系統(tǒng)這兩個(gè)系統(tǒng)的電壓分布情況進(jìn)行了比較分析。原 IEEE33 中系統(tǒng)的潮流計(jì)算結(jié)果見下表 4-1，修改后系統(tǒng)的潮流計(jì)算結(jié)果如下表 4-2 中所示，兩系統(tǒng)電壓幅值對比情況見圖 4-3 所示。 

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結(jié)論 

本文在介紹交直流輸電系統(tǒng)潮流計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出了適用于計(jì)算交直流微電網(wǎng)潮流的一種混合計(jì)算方法。該方法是以交替法為基礎(chǔ)，利用前推回代法反復(fù)迭代直到滿足收斂精度，從而實(shí)現(xiàn)對交直流微電網(wǎng)的潮流計(jì)算。為驗(yàn)證該混合計(jì)算方法的可行性和可靠性，運(yùn)用其方法實(shí)現(xiàn)對交直流微電網(wǎng)潮流的計(jì)算，并以該方法為基礎(chǔ)分析了幾種典型的分布式電源接入微電網(wǎng)后對系統(tǒng)潮流分布的影響。本文工作得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論： 
1．以單極兩端直流輸電系統(tǒng)為例，建立直流系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下的數(shù)學(xué)模型，闡述了交直流輸電系統(tǒng)潮流計(jì)算的計(jì)算原理。針對經(jīng)典的 4 機(jī) 2 區(qū) 11 節(jié)點(diǎn)交直流輸電系統(tǒng)，采用交替迭代法獲得了該系統(tǒng)的潮流分布，從而驗(yàn)證所建模型的正確性。 
2．以前推回代法的思想為基礎(chǔ)，結(jié)合上述所建立的直流系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和交替迭代法的計(jì)算原理，提出一種適用于交直流微電網(wǎng)潮流計(jì)算的混合方法。并以修改的IEEE33節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng) 為例，通過驗(yàn)證該方法可以準(zhǔn)確計(jì)算交直流微電網(wǎng)的潮流分布，并為今后進(jìn)一步深入分析微電網(wǎng)奠定理論基礎(chǔ)。 
3．含分布式電源的 IEEE33 測試系統(tǒng)潮流計(jì)算的結(jié)果表明：分布式電源對全網(wǎng)電壓有影響，其滲透率越高電壓支撐越明顯， PQ型 分布式電源應(yīng)盡量安裝在系統(tǒng)末端以降低功率損耗。PV型分布式電源應(yīng)安裝在對電能質(zhì)量要求較高的節(jié)點(diǎn)，使該點(diǎn)電壓維持在給定電壓值，但應(yīng)注意的是安裝點(diǎn)電壓應(yīng)稍小于給定電壓，以免分布式電源和儲能系統(tǒng)輸出功率不足達(dá)不到給定電壓值。所以合理安排分布式電源接入的位置，可以提高電壓支撐 和減少功率損耗。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：80169