交直流混合微電網潮流計算方法的研究

張智翔

摘 要：交直流混合微電網在現代生活已經非常普遍，而其潮流計算是電力系統中應用最廣泛、最基本和最重要的一種電氣運算。本文重點講述的是一種微電網潮流計算方法-聯立求解法，通過對交直流混合微電網的結構和運行特點的了解，將交流系統節點電壓的幅值和相角與直流系統的直流電壓、直流電流統一進行迭代求解，對交直流混合微電網潮流計算方法進行研究。最后通過算例計算，聯立求解法可以合理地反映分布式電源的穩態運行特性，適用于各種交直流混合微電網潮流的計算。

關鍵詞：微電網，潮流計算，聯立求解法

1 引言

電力系統最基本的計算又是最重要的計算是電力系統潮流計算。論文對傳統的交流電力系統潮流計算方法牛頓拉夫遜法和P-Q分解法做了大概的介紹。講述了一種潮流計算方法即聯立求解法，它是將交流系統節點電壓的幅值和相角與直流系統的直流電壓、直流電流、換流器的變比、換流器的功率因數以及換流器功率角統一進行迭代求解。借助對交直流系統分界面中換流器理想化處理，將直流系統等效為注入交流系統的功率，這就把交直流電力系統的潮流計算問題簡化為具有同樣交流節點個數并求同樣狀態量即節點電壓的幅值和相位的一個純交流系統的潮流計算問題?？梢詰眉兘涣飨到y潮流計算中非常成熟的牛頓—拉夫遜法和P—Q分解法進行求解。直流系統中各變量的求解則可在迭代收斂后與求交流線路功率一起求出。聯立求解法具有良好的收斂特性。

2 微電網

微電網（Micro-Grid）亦可稱為微網，新型網絡結構的一種，由微電源、負荷、儲能系統和控制裝置組成。自我控制、保護和管理都可通過微電網實現，有兩種運行方式，一種是與外部電網并網運行，另一種是孤立運行。多個分布式電源及其相關負載按照一定的拓撲結構組成的網絡，并通過靜態開關關聯至常規電網，這樣就組成了微電網。 微電網的發展有利于分布式電源與可再生能源的大規模接入，負荷多種能源形式的高可靠供給得到實現，是一種有效方式來實現主動配電網，是一種向智能電網的過渡。燃氣輪機、風電、光伏發電、燃料電池、儲能設備等組合，直接接在用戶側[2]。

3. 潮流計算方法

3.1 牛頓-拉夫遜法

60年代中期，基于導納矩陣的牛頓—拉夫遜法。牛頓一拉夫遜法（簡稱牛頓法）是數學中解決非線性方程式的典型方法，有較好的收斂性。在解決電力系統潮流計算問題時，是以導納矩陣為基礎的， 因此，只要我們能在迭代過程中盡可能保持方程式系數矩陣的稀疏性，就可以大大提高牛頓法潮流程序的效率。自從60年代中后期，在牛頓法中利用了最佳順序消去法以后，牛頓法在收斂性、內存要求、速度方面都超過了阻抗法，成為60年代末期以后廣泛采用的優秀方法。牛拉法的要點是把非線性方程式的求解過程變成反復地求解線性的修正方程式過程，即通常所稱的逐次線性化過程。

已知一個變量X的函數為：

解此方程式時，由適當的近似值X（0）出發，根據反復進行計算，當X（n）滿足適當的收斂判定條件時。這樣的方法就是所謂的牛頓-拉夫遜法。

3.2P-Q分解法

70年代中期，PQ分解法。由于交流高壓電網中輸電線路等元件的R<

3.3聯立求解法潮流計算

聯立求解法具有良好的收斂特性，所以我們提出用聯立求解法解決交直流混合電網的潮流計算問題。

聯立求解法是把交直流混合電網看成一個整體進行潮流計算。它將交流系統方程和直流系統方程結合，組合成交直流系統約束方程統一求出交直流系統的未知量。聯立求解法考慮到了交直流變量之間的關系，具有的收斂性。一旦直流系統控制方式確定，則注入任意一個變換器的功率只與該變換器所處的直流系統中所有特殊節點（包括自己）的交流電壓幅值有關系。因此，從交流側注入任一個變換器的功率可當作是某些交流節點電壓幅值的函數，與直流系統中的任何一個變量無關，即直流系統被等效掉了。這就是把交直流電力系統的潮流計算問題簡化為具有同樣交流節點個數并且求同樣狀態量（節點電壓的幅值和相位）的一個純交流系統的潮流計算問題。進而可以應用純交流系統潮流計算中成熟的Newton-Raphson法和快速解耦算法進行求解。直流系統中各變量的求解可在迭代收斂后與求交流線路功率一起求得。

圖1 基于PCC的交直流系統穩態模型

4 算例分析

假設有一微電網系統網絡結線見圖1。各支路阻抗和各節點功率均已以標幺值標示于圖中。該系統中，節點1為大電網設為平衡節點，電壓保持U1=1.06+j0為定值;假設節點2 是微電網直流系統等效的注入微電網交流系統的特殊節點（根據聯立求解法在這里對微電網直流系統做特定情況下等效處理）;節點3、4是微電網的分布式電源當作PQ節點;節點5、6是微電網交流系統中的負荷可以看做PQ節點。各節點對地導納均為零。 試計算其中的潮流分布。修正值為0.00001。由于直流系統功率流向等參數不一定，所以分以下三種情況做簡單計算：

圖2交直流混合微電網等值網絡圖

經對算例的分析可知，對微電網直流系統進行特定情況下的等效處理后，將直流系統等效為注入交流系統的功率，將交直流混合系統等效為純交流系統，將交直流混合微電網的潮流計算簡化成一個純交流電網的潮流計算。對于本例，有三種不同的情況：并網后，微電網直流側從交流側吸收功率，直流系統等效為PQ節點;并網后，微電網直流側向微電網交流側注入功率，直流系統等效為PQ節點;脫掉大電網后微電網孤網運行，微電網直流側向交流側供電，直流系統等效為平衡節點。

5結束語

在傳統復雜交流電力系統的潮流計算方法的基礎上，說明了針對交直流混合微電網一種潮流計算方法即聯立求解法。最后在建立了微電網潮流計算數學模型的基礎上，通過一個算例模型進行簡單的潮流計算分析，采用Matlab編制了以牛頓—拉夫遜法為基礎的聯立求解法潮流計算程序。聯立求解法可以解決混合微電網潮流計算問題，計算程序結果正確。

參考文獻

[1]陳衍.電力系統穩態分析（第三版）[M].北京：中國電力出版社，2010

[2]鄭漳華，艾芊.微電網的研究現狀即在我國的應用前景[J].電網技術，2008.32（16）：27～31

[3]穆世霞.微電源模型及微電網潮流與短路計算分析.華北電力大學碩士學位論文[J].北京：華北電力大學，2010

[4]代江，王韶，祝金鋒.含分布式電源的弱環配電網絡潮流計算[J].電力系統保護與控制，2011.39（10）：37～46