微電網中利用機組調節的潮流控制模型研究

張閣，杭乃善，李璨，黃聰

（1.廣西電網公司電力科學研究院，廣西南寧 530023；2.廣西大學電氣工程學院，廣西南寧 530004）

微電網中利用機組調節的潮流控制模型研究

張閣1，杭乃善2，李璨2，黃聰2

（1.廣西電網公司電力科學研究院，廣西南寧 530023；2.廣西大學電氣工程學院，廣西南寧 530004）

Project Supported by Innovation Project of Guangxi Graduate Education（GXU11T31069）.

在電氣領域，隨著能源和環境危機的出現，可再生資源的需求快速增長，分布式電源大量出現[1-3]。

然而，基于分布式發電（Distributed Generation）本身具有隨機性、間歇性、波動性的特點，以及分布式電源無功調節能力差的特點，無疑給電網穩定性帶來了新的問題。分布式電源接入電網后，使得電網結構發生根本性變化，網絡潮流不再單向流動，潮流分布逐漸不合理，給電網的電壓控制增添了新的難度。微網技術[4]的發展給分布式供電帶來了新的應對思路。但是，我國微網技術還沒有得到大規模的應用，研究也有待成熟。FACTS裝置在電力網中的應用雖然具有靈活快速調節的特點，但是其無法大量地承擔對系統潮流的基本控制。因此，發電機組聯合調節將給此類潮流控制問題提供了一個很好的參考方案。

常規潮流計算，其結果不僅能夠校驗運行方式是否合理，還可以用來分析系統運行的可靠性、穩定性和經濟性。然而，隨著分布式發電的擴大，電力系統不斷互聯，用電負荷不斷地更新，常規潮流計算將極易出現無解或者求解結果不合理的現象。因此，在實際中，為了更合理地安排系統的運行方式[5-6]，將不得不考慮許多諸如節點電壓幅值和聯絡線傳輸功率之類的約束要求，這就是所研究的潮流控制問題。

潮流控制問題可表述為：

（潮流方程︳｛優化目標；PQV節點條件；支路功率條件；狀態變量條件；控制變量條件｝）

在實際電力系統運行中，調度員更關心的是中樞點母線電壓。中樞點母線的電壓跌落會影響系統中其他節點的電壓與負荷電壓，威脅整個電網的穩定。當中樞點母線電壓不含無功調節電源（如發電機、無功補償器等）時，系統就可以通過調節遠端發電機的出力來維持中樞點的電壓恒定。同時，當一臺發電機的出力還不能足夠滿足系統控制要求時，可通過發電機聯合調節來控制中樞點的電壓恒定。

本文深入分析了電力系統的實際物理特性，并提出無功約束靈敏度的概念，描述了控制量和被控量的物理特性聯系，并建立了利用發電機一對一、多對一的節點控制潮流模型，通過求解比較合理地確定了發電機的運行參數和全網功率的合理分布，達到了遠端電壓控制的目的。最后通過具體算例驗證了算法和模型的合理性和可行性。

1 發電機組潮流控制問題的原理

在電力系統穩態分析中，發電機機端電壓已通過勵磁調節器來維持其參數恒定，實現控制的本地節點即我們所描述的PV節點[7]。但是在實際運行中，往往有很多控制要求，發電機功能不再局限于維持本地電壓的恒定，而是成為一個可調可控的松弛變量，這樣就產生了潮流控制問題。

式中，x為電網節點電壓；y為發電機的運行參數。此時，節點功率方程g（x，y）=0中被控節點已成為已知量或函數關聯量，某些電源y1成為使v1滿足要求的待求量，潮流控制問題就成為既需要求解x，又需要求解y的混合變量求解形式。

22 種調節方式下的算法分析

2.1 一對一控制模式下

假設系統節點數為n，PQ節點的個數為m，則PV節點數為n-m-1。在一對一控制方式下，設發電機控制PQ節點m，則此時被控節點電壓為已知量不再是常規潮流中的PQ節點，而是變為PQV節點，發電機控制節點則變為P節點。此時，P節點和PQV節點實質是一一對應關系。在常規潮流PQ分解法中，p節點減少了一個無功方程，PQV節點在原來PQ節點基礎上增加方程h（v1）=0，待求量v1已知。方程數和待求量是相等的，潮流可解且解唯一。

2.2 多對一控制模式下

3 無功約束靈敏度算法

由潮流方程

即為潮流控制變量的無功約束靈敏度矩陣。

由上述推導可知，Dx/QG是PQV節點可調電源激勵的靈敏度矩陣，D反映的是電壓對電源無功調節的變化量。由以上分析可知，無功約束靈敏度的求解，均能準確反映調節特性關系，某數值也來源于潮流計算中的Jacobi矩陣，反映了系統的實際物理特性。因此，無功約束靈敏度的提出明朗了電源調節的梯度線性偏差量，以此作為發電機運行參數的修正，將大大減小計算量，求解規模也因此減小。

4 求解方法

對P節點則僅有一個不平衡方程

i取P節點編號。

在多對一控制方式下，即需增加無功調節控制因子建立的i-1個方程。

由上可知修正方程只需改變無功與電壓關系，有功與相角關系方程不變。

在Newton迭代修正處理中，P節點仍理解為常規PQ節點，被控節點理解為PV節點，迭代中產生的無功不平衡量可按照負反饋的方式疊加至發電機運行參數中，即：

式中，λi為無功控制因子，當為一對一控制時，λi/Σλi=1。但是，在求多對一控制方式下，由于機組聯合調節，并且在大規模的電力系統中，僅憑經驗很難找到最有效的調節方法，控制因子的處理缺乏科學方法來確定，極易發生無功越限現象，故需采用無功約束靈敏度Dx/QG計算來處理，通過Δy1調節對ΔV1的靈敏度來選擇y1對V1的電源調節組合，使調節量更加合理，也能更好地處理無功越限的約束，由此反映了系統的固有調節特性。負反饋無功的迭代處理表明算法的嚴謹性。約束靈敏度的選擇也保證了算法的收斂性。這種方法也可應用于電力系統的在線分析計算。

5 算例及分析

1）IEEE5節點系統驗證一對一控制方式算法的有效性。圖1為IEEE5節點系統拓撲圖。

由表1可以看出，由于節點1在常規潮流計算結果中已經處于電壓越限，但是卻沒有就地無功補償，因此電壓不符合實際電力系統運行要求。在控制時通過發電機P G 4來控制節點1的電壓為0.9014pu。可以看出發電機發出無功增加，以提高節點1的電壓值。控制前后潮流計算迭代次數都為4次，所提算法并未增加計算的復雜程度。

表1 IEEE5節點控制前后潮流計算結果Tab.1 Calculations results of the before and after flow control of IEEE 5-bus system

2）IEEE14節點算例分析文中所提多對一控制算法的有效性

IEEE14節點潮流計算控制前后的節點電壓曲線如圖2所示。

圖2 IEEE14節點系統控制前和發電機單一控制模式下電壓曲線圖Fig.2 Voltage profiles of IEEE 14-bus system before control and after single generator control

①發電機單一控制模式下，P G 2控制節點5的電壓。雖然節點5很好的控制在了1.05pu，但是節點2的注入無功大量的增加，電壓值升至1.10737pu，已經處于越限，不符合電力系統的運行要求。因此僅僅通過發電機的單一調節將出現困難。

②發電機聯合控制模式下，根據無功約束靈敏度的求解，如表2所示。

表2 IEEE14節點的無功約束靈敏度矩陣Tab.2 Matrix of the reactive power constraints sensitivity of IEEE 14-bus system

從控制圖3可以看出，通過發電機聯合控制后，被控節點5的電壓保持1.05pu，節點2的電壓降至1.09293pu，節點3和節點6分別提升至1.06537和1.09035pu。從圖3可以看出所有節點電壓的幅值均保持在[0.98,1.1]，沒有發生電壓越限的現象。通過靈敏度的分析判據還可以對其他節點進行電壓的聯合控制。

圖3 IEEE14節點控制前和發電機聯合控制模式下電壓曲線圖Fig.3 Voltage profiles of IEEE 14-bus system before control and after multi-generators combined control

計算結果表明，所研究的模型和算法計算的得到的結果合理、可靠，并且符合電力系統的實際運行規律，能夠為調度提供一種可解決分布式電網電源分散性和無功調節能不足的方案。

6 結語

本文針對分布式電源大量存在現代電網并且其具有無功調節不足的缺陷，從電力系統運行的實際物理特性出發，提出了反映電力系統運行和調度規律的發電機組調節的穩態潮流控制模型。提出無功約束靈敏度算法，有效地確定了機組聯合調節的方式。I E E E算例的分析表明了發電機在一對一控制和多對一控制模式下的合理性、準確性和可行性，能夠有效改善電壓質量。此方法也不僅適應于輸電網和配電網，可以運用在區域內和不同區域間的遠程電壓控制，從而合理優化電力系統的運行。

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Research on Power Flow Control Model of Micro-Grid by Generator Regulation

ZHANG Ge1，HANG Nai-shan2，LI Can2，HUANG Cong2
（1.Electric Power Research Institute，Guangxi Power Grid Corporation，Nanning 530023，Guangxi，China；2.College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China）

This paper presents a profoundn in-depth analysis on the practical physical characteristics of the operation of power system at present,and builds a power flow control model based on generator regulation.By the control criterion of the reactive power constraint sensitivity algorithm，the solution of mixed variables under the one-to-one generator pattern and one-tomultiple generator pattern is found to determine the operation mode generators need and the reasonable distribution of power in the whole grid.This method provides a better solution for faults existing in the reactive voltage regulation in the distributed generation.Finally，the analysis of micro-grid examples by IEEE5and IEEE14suggests that both the model and the algorithm as described in the paper are effective and feasible.

distributed generation；power flow control；generator regulation；sensitivity of reactive power constraints

深入分析了當前電力系統運行的實際物理特性，建立了一種基于發電機調節的潮流控制模型。通過無功約束靈敏度算法控制判據，對發電機一對一和多對一控制模式下的混合變量進行求解，確定了發電機所需要的運行方式以及全網功率的合理分布。此方法對分布式電源無功調壓能力存在缺陷的問題提供了一個很好的解決方案。最后，通過IEEE5和IEEE14的微電網算例分析表明了所述模型和算法的有效性和可行性。

分布式電源；潮流控制；發電機調節；無功約束靈敏度

廣西研究生教育創新計劃資助項目（GXU11T31069）。

1674-3814（2012）08-0006-05

TM 761

A

2012-04-04。

張 閣（1987—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統分析與計算；

杭乃善（1949—），男，教授，博士生導師，研究方向為電力系統分析與計算，電能質量分析與控制；

李 璨（1987—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統分析與計算；

黃 聰（1986—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統分析與計算。

（編輯 馮露）