风-光-水互补微型电力系统的交直流潮流的研究

技术交流

ＳＭＡＬＬＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ２００９Ｎ０１．ＴｏｔａｌＮｏｌ４５

风／光脉互补微型电力系统的交直流

潮流的＂ＩＬ口了研究

邵冰然

杨建华左婷婷（中国农业大学信息与电气工程学院北京市１０００８３）

【摘要】农村户用风、光、水互补供电系统项目旨在采用户用互补发电系统解决偏远地区的用电问题。相比于传统的

电网架线的方法，具有投资少、技术简单、易于维护、满足可持续发展等显著的优点。由于风能／太阳能发电的特殊情况，需要采用交直流（ＡＣ／ＤＣ）混合供电模式。针对微型电网电源和电网的特点建立与其适应的潮流算法，根据８节点算例经过４次迭代收敛，各点电压降落维持在要求的范围之内。图５幅，表２个。

【关键词】微型电力系统潮流计算交直流（ＡＣ／＇ＤＣ）

０引言

国家电网根据新农村、新电力、新服务农电发展战略，提出了到“十一五”末，供电区域内基本

２）太阳能光伏电池发出直流电，首先采用升

压电路接到直流母线，然后通过ＰＶＣＭ逆变器接到交流母线。

３）水力发电机采用同步发电机，是工频交流

实现“户户通电”【１．３］的决定。我国农村无电地区人口居住分散、单一用户用电量低、交通不便，采用

常规的高压电网解决这些地方的用电问题是不适宜的。发展离网可再生能源发电系统，可以有效地解决这一问题。户用风、光、水互补供电，相比通常的风光互补供电，不仅由于小水电的引入降低了发电的成本，而且由于小水电的开发相对成熟，客观上有利于示范工程的推广。

电源。通常可以直接连到交流母线。

２电压等级的选择

由于户用的供电性质，难以保障三相负荷实时

平衡，因此采用单相供电的方式。

发电单元采用的电能变换装置以及不同发电电源采用直流汇流可以避免交流同步问题，因此采用交直流混合潮流。

目前，国内外对于这方面的研究主要面向根据资源分布的配置优化［４】及针对控制策略的研究［５｜，对于此类互补发电系统潮流的研究比较少，各种电力系统潮流计算软件很少能支持带有直流母线的低压交直流混合潮流。ＥＤＳＡ２０００虽然支持这种模式，但要求在直流部分换流器两侧的交流部分各需要１个松弛节点，这忽视了交直流混合系统有功功率在系统中平衡的事实。

一般微型供电系统输送功率在几千瓦，输送距

离在几百米到一两千米。因此交流电压等级为

２２０

Ｖ；对于直流电压等级的确定，可以根据以下

公式计算得出：

式中，Ｐ（』２×ｍｍ２／ｋｍ）为电阻率；Ｚ（ｋｍ）

为输电距离；Ｐ（ｋｗ）为输电功率；Ａｕ为最大允许电压降，１ＥＣ／ＴＣ６２２５７中推荐为６％；Ｓ为导线

截面积（ｍ矗）。

Ｉ）以７００ｍ的输电距离为例，采用直流输电：

１发电单元与电网的连接方式

根据风、光、水３种发电单元与电网的连接方式，可以将其分为３类。

１）风力发电机发出的交流电，先整流再逆变

接到交流母线。

采用５０ＪＫＬＶ导线，假设输送功率为２，最小供电电

压为１７２Ｖ；再考虑到光伏电池斩波升压不宜超过其输入电压（４８Ｖ）的５倍。最后根据实际使用的

电压等级【６Ｊ，采用２００Ｖ为本系统的直流供电电压。

２）假如直流线路很短，主要为了考虑光伏电池和直流负载。采用４８Ｖ的直流供电可以免去光

基金项目：国家“十一五”科技支撑项目（加０６ＢＡＪ０４１３０３）

２０

万方数据　

小水电２００９年第１期（总第１４５期）

伏电池和蓄电池的电能变换装置。

３电源的潮流模型

根据上面分析的３种不同的电源，当它们接到

交流母线分别进行讨论。

１）同步水力发电机，因其有励磁绕组可以维持机端电压的稳定。在潮流计算中通常可以看作

ＰＶ节点。

２）光伏电池和异步风力发电机与交流母线连

接如Ｔ［７１所示（见图ｌ、图２）：

图１光伏电池逆变电源

图２风力发电机交一直一交电源

这２种电源可以等效为直流电源经过电压型逆变器与逆变器母线相连，随后串联１个电感接到交流母线（见图３）。

Ｘ

Ｉ

Ｕｌ么‘Ｐ

Ｕ２ＺＯ

逆变器母线交流侧母线

圈３逆变器接到交流母线等效电路

由于ＰＷＭ电压型逆变器可以调整电流的幅值和相位，可以控制交流侧母线的功率因数（如图３采用的单位功率因数控制）。

负载上的复功率为：

Ｊｓ２＝Ｐ２＋ｊＱ２＝Ｕ２１

（２）

逆变器上的电流为：

，：旦Ｌ亟譬笋止些

（３）

ＪＡ

可得：

．Ｐ２＝．ＵＩＵｙ２ｓｉｎ翌

（４）

万　

方数据技术交流

Ｑ２＝坠等妞

（５）

４

输电线路的特点分析

低压输电线路的阻抗特性与传统的高压、中压

输电线路有比较大的不同。在比较高的电压能级上，输电线路的电抗要远远大于电阻（见表１）。

表１低压绝缘架空线的阻抗

由于输电线路很短，忽略架空线路电纳的影

响。与比较大电网［８］相比，它的这些不同，相应地使得一些传统的分析方法在应用于微型供电系统中，

要进行修正。由图４可推出其功率特陛（见图４）：

Ｉ

Ｒ＋ｊＸ

—◆——（＝｝——一

●●■■■■■●■■一

Ｕ１Ｚｑ’

Ｕ．ＺＯ二

图４线路传输功翠特性

易得末端吸收的有功功率和无功功率为：

Ｐ２＝ｉ≠；弓芦［尺（ｕｔｅｏｓＩｊｏ—Ｕ２）＋ｘｕ－ｓｉｎＰ］（６）

Ｑ２＝ｉ瓣／－／２［一ｘ（ｕｌｃｏｓＰ一％）＋Ｒｕｌｓ洒９］（７）

由于在低压电网中电阻远远大于电抗，系统呈现阻型；假设很小，可以得到：

＝百（Ｕｌ一观）

（ｕｌ一观）（８）Ｑ２－半

（９）

由（８）、（９）可见，低压网络和高压输电线路有明显的不同。以致各节点电压大小的改变主要影响有功功率潮流；而各节点电压相位角的改变主要

影响无功功率的流动。

５潮流计算的实现

本文采用ｃ＋＋语言，以面向对象的技术建立了母线、线路、各种电源和逆变器等元件的计算模型，编制了微型发电系统潮流的牛顿——拉夫逊算法。

根据系统的网络模型形成节点导纳矩阵，在形

２１

技术交流

成导纳矩阵时由于换流器的一侧没有平衡节点。如图５中的１，２节点，应该合理根据实际情况改变网络结构（图中加装并联电容器）防止出现雅可比矩阵的行向量相似导致不易收敛（见图５）。

针对不同的节点，迭代处理是不同的：１）ＰＱ节点和能转换为ＰＱ节点的节点。其有功，无功功率不平衡量：

ｉ：“

△Ｐｉ＿Ｐｉ—Ｕｉ：善Ｕｉ（ＧｉｊｅＯＳ占ｉｊ＋ＢｉｉｓｉｎＳｉｊ）（１０）

；！“

△Ｑｉ＝Ｑｉ—ｕｉａ互－．．－ｕｉ（Ｇｉｊｓｉｎ占ｉｊ—Ｂｉｉｃｏｓｄｉｉ）（１１）

２）Ｐｖ节点和能转换为ＰＶ节点的节点。

只需要满足其有功功率不平衡量：

｛＝“

／ｘＰｉ＝Ｐｉ—Ｕｉ善％（ＧｉｊｅＯＳ占ｉｊ＋Ｂｉｊｓｉｎｄｌｊ）（１２）

３）对于直流节点。也只有有功功率不平衡量：

ｉ＝ｋ

△Ｐｉ＝Ｐｉ一玑．乏ｕｉＧｉｊ

（１３）

式中，ｋ为与直流节点连接的其他直流节点。

６算例分析

图５风／光／水互补发电系统

交流系统电压基准值为２２０Ｖ，直流系统电压基准值为４８Ｖ。节点ｌ为风力发电机节点，ＰＱ节点有功输出为０．８ｋＷ，加装电容器组后无功输出为

Ｏ．４ｋｖａｒ。节点２为换流器的交流侧节点，加装０．１

ｋｖａｒ的并联电容器；节点４为直流节点，光伏

电池输入０．５ｋＷ，直流负载消耗０．９ｋＷ；节点８水轮发电机为平衡节点，电压为１．０２；节点７为交流

负载，有功消耗为２ｋＷ，无功消耗为ｌ

ｋｖａｒ。

形成的雅克比矩阵要进行调整，以使每行绝对

值最大的元素置于对角线上。特别由于换流器方程

组的引入，矩阵的病态更加严重［９］９，这样的调整尤为重要。

潮流计算经过４次迭代收敛，各点电压降落维

持在要求的范围之内，满足风、光、水互补发电系统的设计要求。各点的电压如下（见表２）：

２２

万　

方数据ＳＭＡＬＬＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ

２００９Ｎｏｌ，Ｔｏｔａ／Ｎ０１４５

表２各节点电压计算结果

７结论

通过对互补发电系统电源的特性分析，分别指

出其与交流母线不同的接线形式，并根据其接线形式研究了其在潮流模型特别是在经过ＰＷＭ电压型

逆变器接入电网的潮流模型，并根据低压输电线路的特点进行了分析。参考文献：

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法优化研究［Ｊ］．华东电力，２００８，３６（３）：８６－－９０．［５］ＢＡＲＳＡＬ

Ｉ

Ｓ，ＣＥＲＡＯＩＤＭ，ＰＥＬＡＣＣＨ／Ｐ．Ｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈ．

ｎｉｑｕｅｓｏｆｄｉｓｐｅｒｓｅｄｇｅｎｅｒｍｏｍｔｏ

ｉｍｐｒｏｖｅ

ｔ

ｈｅｅｏｎｌｉｎｕｉｔｙ０ｆ

ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ

ｓｕｐｐｌｙ［Ｊ］／／Ｐｒｏｃｅｅ血学ｏｆＰｏｗｅｒ

ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｏ－

ｃｉｅｔｙＷｉｎｔｅｒＭｅｅｔｉｎｇ：Ｖｏｌ２，Ｊａｎ２７２３１，２００２，ＮｅｗＹｏｒｋ，

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社，２０００，４．［９］

王锡凡．现代电力系统分析［Ｍ］．北京：科学出版社，２ｍ３．

■

邵冰然（１９８４一）。男，硕士研究生，主要研究新能源发电ｏ

Ｅｍａｉｌ：ｓｈａｏｂｉｎｇｒａｎ＠１２６．ｔｏｍ

杨建华（１９６３一），男，副教授，硕士生导师，主要研究电力系统规划，新能源发电。

Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇ．ｈａａｇ＠１６３．ｃｏｆｎ

左婷婷（１９８３一），女，硕士研究生，主要研究新能源发电。

责任编辑吴昊

风/光/水互补微型电力系统的交直流潮流的研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

邵冰然， 杨建华， 左婷婷， Shao Bingran， Yang Jianhua， Zuo Tingting中国农业大学信息与电气工程学院,北京市,100083小水电

SMALL HYDRO POWER2009(1)1次

参考文献(9条)

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4.李丹;彭军;余岳峰 离网型风光互补发电系统匹配方法优化研究[期刊论文]-华东电力 2008(03)5.BARSAL I S;CERAOLO M;PELACCHI P Control techniques of dispersed generators to improve t hecontinuity of electricity supply

6.张金波;康龙云 可再生能源并网发电仿真[期刊论文]-电工技术杂志 2004(11)7.盛昆鸟;孔力 新型电网-微电网(Microgrid)研究综述[期刊论文]-继电器 2007(12)8.陈衍 电力系统稳态分析 20009.王锡凡 现代电力系统分析 2003

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4. 白晓娟.徐泽辉.Bai Xiaojuan.Xu Zehui 梯级小型水电站接入电力系统方案优选[期刊论文]-小水电2007(4)

引证文献(1条)

1.白雪.袁越.傅质馨 小水电与风光并网的经济效益与环境效益研究[期刊论文]-电网与清洁能源 2011(6)

引用本文格式：邵冰然.杨建华.左婷婷.Shao Bingran.Yang Jianhua.Zuo Tingting 风/光/水互补微型电力系统的交直流潮流的研究[期刊论文]-小水电 2009(1)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3wwe.html