含光伏的交直流混合配网潮流计算方法与分析

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(1.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.山东省济宁供电公司，山东 济宁 272023；3.吉林省吉林市供电公司，吉林 吉林 132012;4.江西省赣西电力公司，江西 新余 338000)

含光伏的交直流混合配网潮流计算方法与分析

李江1，高亚如1，高金路2，张鹏3，支新4，陈翔雁4

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.山东省济宁供电公司，山东 济宁 272023；3.吉林省吉林市供电公司，吉林 吉林 132012;4.江西省赣西电力公司，江西 新余 338000)

结合光伏的直流属性、直流用户需求和直流配电特性,提出适用于含光伏的交直流配电网潮流计算方法并对其进行分析。根据光伏发电的间歇性特征,采用美国南部田纳西州某城市24h实际观测光照强度和温度数据,研究光伏系统的功率变化特性，综合考虑电力电子设备的实际运行约束,针对IEEE13节点三相不平衡交流配电网通过电压源逆变器连接含光伏的直流网络的算例系统，进行了提出了潮流计算和分析方法,并验证了方法的可行性。

直流系统；网络构架；光伏系统；交直流潮流计算

1 引言

在追求低碳生活的今天，太阳能作为一种可再生能源，越来越受到世界各国的重视。太阳光是一种广泛分布而且大量存在的可再生能源。未来十年，在各国新能源政策的支持下，光伏市场通过降低成本、提高转化效率等手段迅速扩展。在我国政府对新能源的产业发展的大力推动下，到2020年，我国光伏产业规模将超过20GW[1-2]，具有广阔发展前景。

光伏阵列输出直流电、电动汽车充电站[2]和通信基站等直流负载种类增加、直流子系统提高供电可靠性和高智能电网预想的电能质量等优点，使直流配网成为一种更加经济的解决方案。目前全球已经有一些国家进行直流配电网的研究。在美国较早开始直流配电网的研究[3]，日本提出直流配电网的解决方案[4]。目前直流配电网的系统架构主要包括高压配电母线的供电方式、低压直流配电母线的构成形式、分布式电源的组织形式、高压配电母线到低压配电母线的连接方式、分布式电源及负载到低压配电母线的连接方式等。

随着柔性直流技术的发展和应用，目前的潮流计算方法有两类：一类是交流侧和直流侧方程进行交替迭代求解，另一类方法是交流侧和直流侧同时联系求解[5-10]。本文建立了基于含光伏的典型交直流混合配电网络架构，结合光伏发电不确定特性，提出适用于该网络结构的潮流计算方法和分析计算方法，并通过算例对其进行验证。

2 光伏阵列模型和输出特性

大规模光伏发电系统，有集中式发电和分布式发电。后者通过多个逆变器控制和交流系统连接，但是多个逆变器控制增加系统控制难度，而且逆变器成本较高。为了降低控制难度和成本，本文采用集中式发电。

光伏特性具有不确定性特点。本文采用美国田纳西州Centerville2009年7月28日一天实测光照强度和温度数据拟合出一天内随时间变化曲线，如图2～3所示。

图1 Cencerville24h的光照强度

图2 Cencerville一天的温度变化曲线

根据拟合曲线将能计算光伏电站输出电压和电流。本文采用本文采用光伏电池输出特性的工程计算方法。

在标准工况，标准照度Sref=1000W/m2标准温度Tref=25℃下输出特性公式[2]：

(1)

最大功率点时：

(2)

其中

(3)

(4)

一般工况与标准工况的温度差ΔT和相对辐照度差ΔS：

ΔT=T-Tref

(5)

ΔS=S-Sref

(6)

一般工况下：

(7)

图1中偏远用户数的多少决定负载用电量，负载量用以计算光伏组件串、并联数。光伏模块电压Vmodule，光伏电流Imodule通过串并联得到光伏阵列输出功率：

VPV=NSSVmodule

(8)

IPV=NPPImodule

(9)

PPV=VPVIPV

(10)

本文编写程序实现计算各时刻最大跟踪点电压电流输出。计算过程为根据上述光伏阵列随时间的温度变化拟合曲线和光照强度变化拟合曲线，代入光伏阵列输出特性公式可以得出Cencerville24h中任意时刻的最大功率点跟踪的输出电压和电流。

选用最具代表性的三个时刻：无光照的黑夜、光照较弱的上午6:48和光照最强的中午12:48。最大功率点跟踪得到结果如表1所示。

表1中输出结果表明，不同温度和光照下光伏电站输出功率差别很大。对直流子系统而言，仅光伏系统供电，不能保证直流用户正常供电，需要将直流侧接入电网。

表1 不同时刻最大功率点跟踪

3 交直流混合系统潮流计算方法

典型交直流混合架构预想设计方案如图3所示。图中标出直流侧详细配置参数，交流侧为IEEE13节点系统。

图中逆变器采用500kW，310～480V，60Hz，GT500-480型号，该逆变器直流侧对应约束：

(11)

交流侧对应约束：

(12)

图3 交直流混合系统设计方案

直流子系统和交流系统通过基于PWM调制的电压源逆变器，控制其直流侧电压Ud=Uschedule=30kV，运行在最小控制角αmin=15°。

根据详细设计方案进行潮流计算。将直流子系统作为配电网PQ节点看待，作为配电主系统的负荷进行潮流计算。交替求解交流系统方程和直流系统方程，相互迭代直到满足收敛条件其过程如图4所示。

图4 交直流潮流计算迭代过程

配电网存在配电网三相不平衡电压和电流，在逆变器两端进行变量关系计算是需要转换到旋转坐标系下，换流器母线处有功功率近似等于换流器交流侧输出的有功功率，忽略电阻R和换流器损耗后，根据逆变器输出有功功率关系，Uq=0得：

P=1.5UdId

(13)

Q=1.5UdIq

(14)

交流侧作为独立的子系统形成各支路通用矩阵，采用前推回代法进行潮流计算。直流侧也是辐射状网络，形成其对应通用矩阵，采用前推回代算法。在交直流混合系统潮流计算中进行相互迭代，其具体计算方法以流程图形式表示出来，如图5所示。

图5 交直流混合系统潮流计算流程图

4 算例分析

通过图4的最优方案，求解验证本文提出的交直流混合配电系统潮流计算算法的合理性。

根据不同光照和温度变化得出光伏阵列输出特性，光伏阵列输出数据较多，本文选用具有代表性的光照强度最高和最低的两个时刻，选用美国南部田纳西州Centerville 2009年7月28日中午12:48和上午6:48。根据表1的最大功率点电压和电流计算交直流混合系统的潮流分布。交流侧电压计算结果如表2所示。表2中各节点电压满足配电系统电压运行约束条件；光照强度越强，光伏阵列输出功率越大，提高交流侧电压。逆变器两侧的电流计算结果如表3所示。

直流侧加入交流侧对交流侧的功率影响如图6所示。图6表明，光伏电站的加入使交直流混合系统功率流动出现反向流动。

表2 交流侧潮流计算结果

表3 交直流侧电流

图6 交流侧有功功率

在算例求解的过程中，一下几个方面体现了本算法的优点：

(1)利用原有配电网潮流计算方法求解该交直流混合系统的交流侧，计算开始形成固定支路通用矩阵，计算速度快，所占内存小。

(2)利用该逆变器模型，不必对所有数据进行标幺值转换，节省计算时间，收敛速度快。

5 结论

本文采用美国南部某城市的实时数据拟合了光照和温度变化的曲线，基于光伏阵列实际工程计算输出特性，提出了含光伏发电的交直流混合配电网潮流计算方法对基于配电网有名值计算的特征，提出适合于交直流混合配网的逆变器数学模型；并通过算例验证了潮流计算方法和分析方法的可行性。

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TypicalArchitectureofAC/DCHybridDistributionNetworkandContingencyAnalysiswithContainingPhotovoltaic

LIJiang1,GAOYa-ru1,GAOJin-lu2,ZHANGPeng3,ZHIXin4,CHENXiang-yan4

(1.School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University ,Jilin 132012,China;2.Shandong Province Jining Power Supply Company,Jining 272023,China;3.Jilin Province Jilin Power Supply Company,Jilin；4.Jiangxi Province Ganxi Electric Power Company,Xinyu 338000,China)

Combining solar DC properties,DC user requirements and DC power distribution features,AC/DC power flow calculation method including photovoltaic generation was proposed and analyzed.According to the photovoltaic intermittent profile,an example was used to analyze power change characteristics of photovoltaic system by adapting the observed solar radiation and temperature data of the southern United States,Tennessee.The method of considering the actual operation of power electronic equipment was done for the AC/DC hybrid system,and the feasibility of the method is validated by case study.

DC system;the network architecture;photovoltaic system;DC-AC power flow calculation

1004-289X(2017)02-0017-04

国家电网公司科技发展计划项目(国家电网发展201590)；吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(2014108)

TM72

A

2016-01-18

李江(1979-)，男，吉林吉林人，博士，副教授，东北电力大学电气工程学院，研究方向为系统的分析与控制；高亚如(1988-)，女，山东济宁人，硕士研究生，东北电力大学电气工程学院，研究方向为交直流混合配网预想事故分析。