IEEE30節點系統電壓/無功優化

張俊 張安安

摘 要：文中以IEEE30節點標準電網為基礎，用Matpower完成了該電網模型的潮流分析。同時基于潮流分析結果，采取改變網絡中無功功率分布調壓、改變發電機端電壓調壓、改變變壓器變比調壓三種電力系統的主要調壓措施來對電壓偏移較大的節點進行了無功優化，最后分析了電壓調整后的Matpower潮流結果，并得出了定性結論。

關鍵詞：潮流計算；Matpower；電壓調整；無功優化；IEEE30

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-03

0 引 言

隨著電力系統規模的不斷擴大，潮流問題方程階數越來越高，對計算速度的要求也不斷提高，基于Matlab潮流計算研究近年來取得了長足的發展，在保證電力系統供電可靠性和電能質量的前提下，盡可能的提高潮流計算效率，降低人力資源消耗，從而提高電力系統運行的經濟性[1-5]。

由于電力系統中節點數目多，網絡結構復雜，負荷分布不均勻，當節點的各負荷變動時，會引起各節點電壓的波動[6]。要使各節點電壓維持在額定值是不可能的。所以，電力系統調壓的任務就是在滿足各負荷正常需求的條件下，使各節點的電壓偏移在允許范圍之內[7]。

1 電力系統潮流計算

潮流計算是電力系統規劃、運行的基本研究方法，其任務是要在已知（或給定） 某些運行參數的情況下，計算出系統中的全部參數，包括各母線電壓的大小、相位，各發電機負荷的功率、電流以及各個變壓器和線路等元件所通過的功率、電流和損耗[1-5]。

1.1 Matpower選項

Matpower是一個基于Matlab的M文件的組建包，用來解決電力潮流和優化潮流的問題[8]。Matpower所用的所有數據文件均為Matlab的M文件或者MAT文件，用來定義和返回變量baseMVA、bus、branch、gen等。

baseMVA 變量是一個標量，用來設置基準容量。若計算中采用有名值，可以根據需要設置，如100 MVA；若計算中采用標么值，一般設置為1。

bus變量是一個矩陣，用來設置電網中各母線參數，其格式為bus_ i、type、Pd、Qd、Gs、B s、area、Vm、Va、baseKV、zone、Vmax、Vmin。type用來設置母線類型，1為PQ節點母線，2為PV節點母線，3為平衡（參考）節點母線。

branch變量是一個矩陣，用來設置電網中各支路參數，其格式為fbus、tbus、r、x、b、rateA、rateB、rateC、ratio、angle、status。fbus和tbus用來設置該支路由起始節點（母線）編號和終止節點（母線）編號。r、x和b用來設置該支路的電阻、電抗和充電電納。ratio用來設置該支路的變比，如果支路元件僅僅是導線為0；如果支路元件為變壓器，則該變比為fbus側母線的基準電壓與tbus側母線的基準電壓之比。

gen變量也是一個矩陣，用來設置接入電網中的發電機（電源）參數，其格式為bus、Pg、Qg、Qmax、Qmin、Vg、mBase、status、Pmax、Pmin。mBase用來設置接入發電機（電源）的功率基準，如為缺省值，就是baseMVA變量的值。

1.2 潮流計算結果與分析

Matpower潮流計算結果得出：IEEE30系統的構成（母線數、發電機數、在用發電機數、總負荷、固定負荷、可分配負荷、分流、分支和變壓器）；容量（總發電容量、在線容量和實際發電量）；功率（負荷功率、固定功率、可分配功率和分流（注入）功率）的分布情況，及在潮流分析計算時最關心的總的有功、無功損耗（分別為17.56 MW和67.69 MVA），電壓幅值、相角的最大最小值及對應的節點序號。幅值：最大（11節點，1.082），最小（30節點，0.992）；相角：最大（1節點，0.00度），最小（30節點，-17.64度）；最大有功、無功損耗的值及出現的支路信息（1～2支路的有功、無功損耗均最大，分別為5.21 MW和15.61 MVA）。

1.3 電壓偏移

網絡中某點的實際電壓同網絡該處的額定電壓之差稱為電壓偏移[9]，可以用額定電壓的百分數表示：

電壓偏移（%）=（U-UN）/UN ×100%

根據實際情況選用標么值進行計算，本系統選擇1節點為參考節點（Vn=1.060），為減少計算量，提高效率，由Matpower潮流結果找出電壓幅值最大最小的點，分別為節點11和30，計算其電壓偏移如下：

節點11（電壓幅值最大）：

由計算可知，節點11電壓偏移較小，但節點30電壓偏移較大，在以后調壓時應更多的考慮節點30的電壓情況。

2 電力系統無功和電壓調整

負荷的無功功率隨電壓的降低而減少，要想保持負荷端電壓水平，就得向負荷供應所需要的無功功率。所以，電力系統的無功功率必須保持平衡，即無功功率電源發出的無功功率要與無功功率負荷和無功損耗保持平衡。這是維持電力系統電壓水平的必要條件[10，11]。

電力系統主要的調壓措施如下[12]：

（1）改變發電機端電壓調壓；

（2）改變變壓器變比調壓；

（3）改變網絡中無功功率分布調壓；

（4）改變線路參數調壓。

2.1 并電容器調壓

并聯電容器通過改變網絡中無功功率的分布達到調壓的目的。并聯電容器因其簡單方便、經濟靈活且適用范圍廣，是廣泛使用的調壓方式。

2.1.1 并電容器調壓原理

圖1所示為具有無功補償的系統圖。

其中，K=Ut/UrN為變壓器變比，Ut為變壓器高壓測分接頭的電壓，UrN為變壓器低壓繞組的額定電壓。

2.1.2 并電容器調壓結果分析

由于無具體調壓要求，所以參考用式（1）算出的部分電壓偏移結果，在電壓最低點，即30節點處并一5 Mvar的電容器進行調壓。

定性分析圖2可知，1～13節點（個別節點除外）在并電容器調壓前后的電壓幅值幾乎不改變，從14節點起，至30節點，并電容器調壓前后的電壓幅值的改變量開始明顯，并隨著節點序號的增加，電壓幅值改變量不斷增加且為正增量，在30節點處電壓幅值差值達到最大。

圖2 并電容器前后的電壓幅值圖

2.2 改變發電機端電壓調壓

改變發電機端電壓是一種不需要耗費投資，且是最直接的調壓方法，應首先考慮采用。發電機的電壓調整借助于調整發電機的勵磁電壓，以改變發電機轉子繞組的勵磁電流，就可以改變發電機定子端電壓。利用發電機調壓范圍在發電機額定電壓的±5%，能夠以額定功率運行[1-4]。

由于無具體調壓要求，為提高電壓最低點（即30節點處）的電壓幅值，采用提高發電機節點電壓較低的5、8節點處的電壓，將其由原來的1.01提高到1.05。

定性分析圖3可知，將5、8節點處的電壓由原來的1.01提高到1.05后，幾乎所有節點的電壓幅值與初始值相比都發生了較大幅度的增加。

2.3 改變變壓器變比調壓

改變變壓器變比調壓雖然是一種尋常方法，但其先決條件是電網的無功電源容量充裕。如果電網的無功電源容量不足，采用變壓器調壓，雖然可能提高局部電網的電壓水平，但也有可能降低主電網的電壓水平，不利于全網的電壓穩定，這是因為改變變壓器變比，相對于在回路中串聯了一附加電勢，從而改變了電網的無功功率分配[3，4]。

選取電壓幅值最小的30節點為調壓對象，改變（增大和減小）與30節點直接相連的27～28節點變壓器的變比。

（1）變比（28：27）由0.968升高為0.975。

圖3 調發電機端電壓前后電壓幅值

定性分析圖4可知，將變壓器變比（28：27）由0.968升高為0.975后，從節點序號23開始，直到節點30，電壓幅值有較為明顯的小幅度下降，其余節點的電壓幅值未發生變化或變化不明顯。

結論：對于降壓變壓器（變比小于1）升高變比（不超過1）后，電壓幅值降低。

圖4 升變壓器變比前后的電壓幅值圖

（2）變比（28：27）由0.968降低為0.95。

定性分析圖5可知，將變壓器變比（28：27）由0.968節點降為0.95后，從節點序號20開始，直到節點30（個別節點除外），電壓幅值有較為明顯的增加，其余節點的電壓幅值未發生變化或變化不明顯。

結論：對于降壓變壓器，降低變壓器變比（大于0）調壓后，電壓幅值升高。

圖5 降變壓器變比前后電壓幅值

3 結 語

本文采取三種主要調壓方式（并電容器調壓、改變發電機端電壓調壓和升降變壓器變比調壓），分別進行電壓調整，僅得出定性結論，且由于功率損耗變化較小所以并未討論，實際調壓時需結合電壓相角、功率損耗等滿足調壓要求。

使用Matpower進行潮流計算前，應檢查計算要求是否與軟件默認選項一致，若不符合，應事先修改設置再運行。

在潮流計算結果統計時，大量的數據無法直接復制到表格，因此可以利用Matlab編程語言強大的數值計算能力，通過編寫簡單的程序準確、高效地提取所需標準陣列的數據。

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