含DG的配电网电压控制技术正文Word格式.docx

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电压控制技术；

第一章绪论

1.1研究背景

为了应对世界范围内日益严重的环境问题、电力负荷的快速增长和电网更新的滞后，可再生能源产业在世界范围内得到了大力的推动和发展。

在这种帮助下，有利于可再生能源和清洁能源生产的分布式发电技术（DistributedGenerations，简称DG）应该投入使用。

分布式发电具有环境污染小、投资少、效果快、发电方式灵活等优点，可以改善和协调大型电网的生产和供应集中，调度控制复杂，负荷变化响应慢。

由于建设用地的短缺和投资成本的大幅增加，分布式供电系统的引入已成为集中供电的有益补充。

此外，对于我国广阔的电力环境，DG还可以通过直接向用户供电来解决边远地区、边疆地区、远海等地区电力不足的问题。

有效地解决了集中供电成本高的问题。

大的线损和高的受自然灾害影响的概率，对促进我国偏远地区的供电系统发挥了巨大的作用。

因此，DG在我国的发展有着巨大的生存空间，其与大型电网的结合被认为是未来电力系统的发展方向。

分布式电源（DistributedGeneration，DG）是指在当前配电网经济性和可靠性的要求下，在负荷侧连接的中、低压电网和小容量发电设备一般在几千瓦到几十兆瓦之间。

由于安装在负荷侧附近，提高了电气设备的电能质量，提高了配电系统的经济性和可靠性。

在配电网中，可以灵活地连接和消除分布式发电。

其输出功率主要受风速、光强等外部环境因素的影响，不受配电网功率的影响，它能经济、优质、高效地供电。

但是随着分布式电源的普及，其弊端逐渐暴露出来。

它不仅改变了传统配电网中单一电源的辐射结构，而且改变了配电网的潮流分布，使线路无功率发生变化。

有功功率的分配更加不合理，导致系统网损增加，节点电压升高，使得电能质量问题更加突出。

因此，为了充分发挥分布式电源的优势，如何优化分布式电源的配点网电压的控制技术，实现分布式发电与传统配电网的协调运行，已成为电力工作者最重要的课题之一。

为了解决上述问题，电力工作者提出了现代配电网的概念。

它包括有分布式电源的交流配电网和直流配电网，可以提高配电网吸收可再生能源的能力。

提高电能质量，降低电网扩建成本等优点。

在现代配电网中，各种分布式能源在电压控制方法的作用下协调运行，不仅可以提高配电网的电压质量，而且可以提高系统的稳定性。

它对整个现代配电网的电能质量起着重要的作用，因此研究电压控制方法是推动现代配电网发展的关键措施。

1.2研究意义

近年来，随着电力电子技术和控制技术的发展，大量DG接入配电网成为可能，同时也给配电系统带来了一系列问题。

DG连接后，配电系统由径向结构转变为有源结构，内部潮流发生变化，电压变化，对配电网电压稳定性有着重要影响。

目前，电网接受分布式发电的能力还很弱，因此，研究完善分布式发电对配电网的影响，对我国新能源战略的发展具有积极的作用。

研究电压稳定性对配电网的影响具有重要意义。

传统的中、低压配电网络多为辐射网络，向单一方向供电。

它们的保护、重合闸和自动切换都是基于这种基本结构配置的。

当DG连接到所述配电网时，所述配电网成为具有两个或多个终端的网络。

DG改变了配电网的故障电流分布，改变了配电网原有电流保护和控制配置的基本条件。

它可能会导致保护故障或误动、重合闸和自动切换等故障，给配电网的保护和控制带来很大的挑战。

因此，有必要研究适合DG接入的配电网保护和控制技术，消除DG接入对保护和控制的影响，保证包括DG在内的配电网的安全稳定运行。

适合DG接入的配电网保护与控制技术是包括DG在内的配电网安全稳定运行的关键技术。

本课题的研究对我国分布式发电技术系统的完善和广泛应用具有重要意义。

1.3国内外发展现状

1.3.1国外发展现状

在国外，分布式发电技术受到高度重视，研究起步较早，同时在可再生能源的研究和开发上投入巨大，在技术上处于领先地位。

自20世纪70年代末以来，美国一直在发展分布式发电技术。

2001年，它允许分布式发电连接到电网，并将电力出售给电网。

建立了分布式发电标准154747。

目前，美国有6000多个分布式能源站。

2015年，美国配电装机容量已超过9200千瓦，占全国发电量的14%。

美国电力科学研究所（EPRI）的一项研究表明，分布式发电现在将占整个电力行业市场份额的20%。

美国政府已将进一步推动“分布式热电联产系统”的发展作为一项长期发展计划，并制定了一个明确的战略目标：

争取到2020年在50%的新办公楼或商业建筑中采用该系统。

将现有建筑的分布式热电联产模式、“能源供应系统”转变为“分布式热电联产”模式。

美国的分布式发电包括天然气多代发电、中小型水力发电、太阳能发电，风能、生物质能、垃圾发电等发电形式，以天然气供热发电为主，年发电量达到1600亿千瓦时，占总发电量的4.1%。

美国能源部还积极推广天然气燃料分布式能源系统，利用这些系统作为开发微电网的基础，然后将微电网连接发展成智能电网。

日本是一个能源极度贫乏的国家，它的能源需要大量进口。

因此，日本政府通过颁布各种优惠的财税政策，鼓励分布式发电，更多地与余连杰的分布式发电技术的发展有着密切的关系。

建立了环境保护基金，为分布式发电的建设提供资金，修改电力结构，鼓励发展分布式电力，以增加用户的选择范围。

自2000年以来，日本一直是世界上最大的太阳能发电大国，一直在大力发展风力发电技术，并大力推广用于分布式发电的燃料电池[6]0。

1.3.2国内发展现状

随着中国的快速发展，对能源的需求巨大。

同时，由于环境恶化和常规能源的失效，分布式发电技术在我国得到了广泛的应用。

《中华人民共和国可再生能源法》于2006年1月1日生效。

在可再生能源方面，国家发改委也于2007年9月制定了一项长期发展战略.2011年3月发布的“国民经济和社会发展第十二个五年计划”为基于可再生能源的分布式发电提供了长期计划。

计划在2020年使分布式发电装机容量占发电装机容量的8%。

目前，我国一些科研院所、高校和供电部门已经开展了分布式能源系统的研究，并取得了一定的成果。

在北京、上海、广州等城市，一批分布式发电系统已经投入运行。

取得了明显的经济效益和环境效益。

位于广州大学城的分布式能源站是我国最大的分布式能源站。

可为广州大学城18平方公里提供冷、热、电。

分布式能源站包括液化天然气燃气-蒸汽联合循环装置及其配套设施、热水准备站、冷冻站等。

实现了能源的梯级利用，提高了能源利用效率。

该电站具有能量传输距离短、能量转换和传输损耗小、能量利用率高、施工安装周期短、运行方式灵活、设备启停方便、负荷调节灵活、系统安全性和可靠性高等特点。

发展分布式能源将成为提高能源利用效率、实现能源集约发展、保障经济社会可持续发展的重要途径之一。

第二章含DG的配电网电压控制技术的概况

2.1分布式发电的概念与特征

DG是资源环境可持续发展战略和技术进步的产物。

实现大电网与分布式电网相结合的目标，也是电力系统的一个重要发展方向。

关于DG的概括性，在国际大系统委员会的定义中，它是指发电系统的无计划或集中调度方式，其发电规模直接与50~100MW之间的配电网相连。

一方面，DG可以包括安装在用户附近的任何发电设施，而不管这种发电形式的大小和主源的类型。

目前，DG的研究和应用主要集中在可再生分布式发电技术，包括光伏发电、风力发电、地热发电、海洋发电和生物质发电。

DG相与传统集中发电的主要区别在于其分布较强，其次是规模小，接近电力用户，可以直接向附近供电。

根据需求可并入大型电网进行输电。

DG的开发和应用可以吸收各种清洁可再生能源发电，实现可再生能源的大规模高效利用。

操作简单的优点也得到了同行的广泛认可。

分布式发电系统具有发电规模小、运行效率高、环境污染小、独立运行或在配电网上运行等特点。

由于其接近负荷，运行方式灵活，因此被认为是可以改进发电方式的。

DG是解决大型电网结构臃肿、电源分离等问题的良药，有着广泛的应用前景。

以轻质油、天然气、可再生能源等清洁能源为燃料，环保效果显著。

与常规燃煤火电机组相比，天然气作为燃料的DG排放量和固体废物的排放量减少了80%以上或80%以上的NO。

CO的排放量减少了50%以上。

DG大多采用先进的中小型机组，操作简单，操作方便.负荷调节灵活方便，便于用户控制，不会发生大规模供电事故。

然而，DG技术有其自身的特点，如果要进一步推广，还需要进一步改进，其功率输出相对于传统的发电方式来说是不稳定的，这是由于其使用新能源的特点造成的。

因此，对DG的改进仍在进行中。

2.2配电网的概述与特征

配电网，即电网中的配电。

配电网作为发电、输电、配电和用电的重要环节，是连接发电终端和用户的桥梁。

合理的配电网规划和建设不仅可以保证供电的可靠性和质量，而且可以提高电网建设的经济效益，对电网企业和用户具有深远的意义。

我国配电网基础相对薄弱，配电网与输电网络的发展存在一定程度的不协调，配电自动化、智能化水平远低于发达国家。

但是近年来，随着智能电网、微电网、电动汽车和分布式发电的发展，我国配电网的自动化和智能化水平正在逐步提高。

可靠性和适应性都有了很大的提高。

在国家扶持配电网发展的有利条件下，我国的配电网今后将朝着主动、智能化、强韧化的方向稳步发展。

2.3分布式电源接入对配电网电压的影响

大规模DG接入传统配电网后，将打破传统配电网的单向辐射供电方式，同时可能导致短路、电压异常，影响电能质量和供电可靠性等。

在配电网中，DG一般具有三种功能，即DG作为配电网的备用电源，配电网作为DG的备用电源，DG与电网连接。

然而，DG接入配电网后，配电网中DG的接入位置和注入容量对配电网的电压分布和稳定运行有着重要的影响。

DG的接入将影响配电网的供电经济性、节点电压、潮流、短路电流和供电可靠性，影响配电网的连接方式和网络结构。

在配电网和DG的未来发展中，配电网不仅要满足大量DG接入后稳定运行的需要。

当DG不稳定或断开时，可以通过主动管理和控制对电网进行调整。

同时，ADN不仅能够满足电力系统对DG高磁导率的要求，而且在可控负荷管理、智能控制、需求侧管理等方面也有其独特的优势。

因此，ADN已成为DG与配电网协调发展的一种模式。

由于配电网的负荷分配在分布式发电后可以发生变化，因此有几种常见的情况：

第一，当配电网的总容量大于分布式电源的输出量时，当至少一个节点的负荷小于接入分布式电源的输出时，可能会增加部分线路的损耗，从而明显降低线路的总损耗。

第二，当配电网中所有负荷点的负荷大于分布式功率接入点的输出时，整个电网的线损将在分布式电源连接后降低。

第三，当配电网总负荷低于整个系统分布式发电的输出，系统中至少有一个节点的输出大于节点的负荷时，当分布式发电的总发电容量小于配电网负荷的两倍时，一些线路的损耗是可以增加的，但总线损仍然会减少；

否则，整个配电网的损耗就会增加，而且比没有分布式发电的损失更大。

可以看出，分布式发电对配电网损耗的影响取决于分布式发电的位置、负荷的大小和配电网的结构。

分布式电源接入后，配电网成为多电源结构，会改变系统潮流的方向和大小，导致电压不稳定，原有的配电网电压调节方案也会被调整。

由于分布式发电不仅可以输出有功功率，而且可以输出无功率，因此配电网的每个负荷节点都受到分布式电源无功输出的影响，部分节点的电压可能会超过额定电压。

同时，由于配电网电压波动的间歇性增加，甚至导致电压崩溃，例如风力发电机主要采用异步发电机，因为风能变化是随机的，当风电供应不足时，会吸收配电网中的无功率，从而导致配电网电压崩溃。

第三章含分布式电源的配电网电压稳定性分析

配电网是在用户侧不供电的基础上设计的，潮流从系统侧分配到负载侧。

在大型电网中，分布式发电与集中式供电方式相比有其独特的优势，但其潜力将对配电网连接后的配电系统产生重大影响。

它改变了配电网的结构和潮流分布，使配电网由单一配电的作用转变为集配电、储能、输变电和电力收集为一体的新型配电系统。

原有的电压调节方案并不一定能使配电网在接入分布式电源后满足电压要求，因此有必要重新评估分布式电源对系统电压的影响，保证配电系统在加入分布式电源后的正常运行。

3.1分布式电源对配电网电压分布的影响

当分布式发电连接到配电网时，可以改变每个节点的电压。

由于配电网由馈线连接，在配电网潮流计算中可以从馈线简化计算。

假定馈线上的每一集中负荷都被视为节点并进行编号。

为了不失一般性，设某条馈线有n+l个节点，从等效外部电网处的第一条母线开始编号，将其编为0，后面依次为1，2，3，…N，并将节点编号之间的每一段馈线的阻抗和电抗分别设为r0、x}on个负荷均匀的分布在馈线的始端和末端，每个负荷大小设为.P,十jQ,，形成的配电网简化的馈线结构图如图3-1所示。

图3-1含分布式电源的配电网模型

配电网拓扑有多种类型。

通过DigSILENT仿真验证了上述部分的理论推导。

为了便于研究，对配电网的数据建模和仿真，其网络结构与理论模型相似。

集中负荷沿线路均匀分布，每个负荷对应于一个节点，依次分布，形成公共链辐射分布网络。

具体参数如图3-2所示，建立了10节点辐射配电网络模型，用恒功率静态模型表示每个节点的负载。

由于牛顿-拉夫森算法的二阶收敛性，它在收敛速度和迭代次数上都有很大的优势，对DG处理配电网具有很强的适应性。

因此，下面的仿真采用牛顿-拉夫森算法来计算功率流.仿真结果经三次迭代后收敛，得到电压幅值、相角、电流、有功无功负荷、线路负荷率等数据。

根据前面部分理论的分析，采用辐射配电网的DG来改变DG的接入容量和接入位，并利用第三章建立的模型对DG模型进行了仿真。

图3-2配电网主要参数

3.2分布式电源对配电网静态电压稳定性影响的分析

随着分布式发电的迅速发展，电压稳定性的研究逐渐从输电网络转向配电网。

随着配电网负荷的迅速增加和配电网设备的饱和，配电网的电压问题越来越严重。

该部分利用电压稳定指标分析和测量分布式电力接入对配电网电压稳定性的影响。

在研究开始时，电压稳定性问题被认为是一个静态问题，但随着研究的深入，发现电压稳定性的本质非常复杂，静态电压稳定和动态电压稳定性分析的两种方法。

导管。

静态电压稳定性分析主要是在一定的运行模式下寻找电力系统的电压稳定极限点和电压稳定裕度。

动态电压稳定主要是在扰动条件下跨越极限点后电力系统不稳定的动态过程。

当需要知道电网实际运行情况和稳定裕度时，需要确定电压稳定极限点，然后合理安排机组的运行方式。

静态电压稳定性分析可以为后续分布式电源接入配电网提供参考。

第四章含DG配电网的电压控制策略

4.1电压控制策略

分布式电源（DG）作为清洁能源的主要用途，越来越多地与配电网相连。

随着分布式发电的连接，配电网的节点电压不仅可以超过下限，而且可以超过上限。

同时，输出和负荷的波动会增加配电网电压的波动。

电压控制可以减少节点电压波动，稳定电压幅值，优化电网运行状态，是配电网自愈控制的一个重要方面。

随着分布式发电（DG）的快速发展，DG对配电网的影响越来越大，尤其是对配电网电压的影响。

研究配电网中DG的局部电压控制策略。

首先证明了DG接入点是配电网中最容易出现电压超限的接入点，从而证明了局部电压控制的可行性。

然后，提出了基于无功功率调节和有功功率调节的局部电压控制策略，导出了局部无功功率控制和局部有功功率控制。

给出了局部电压控制策略的实现方法。

最后给出了IEEE33总线分配系统的一个实例。

结果表明，所提出的局部电压控制策略能有效地消除DG接入带电压超调问题。

传统的电压调节方法有两种：

一种是通过无功补偿调节电压，另一种是通过再分配无功率来调节电压，即调整接头变压器的抽头连接器。

然而，调节变压器抽头的方法只能在电网无功率充足的情况下使用，否则会导致电网无功不足。

在配电网中，电压主要由开关电容组进行无功补偿调节。

电压调节是在灵敏度的基础上进行的。

这种灵敏度得到了广泛的应用。

提出了一种基于灵敏度和分支切换相结合的配电网重构算法，该算法具有计算量小、速度快等优点。

根据电机吸收无功率对转子电阻的最大灵敏度对负荷进行分类，方法简单，物理意义明确。

通过灵敏度分析，选择具有优先级补偿的变电站。

实现了无功补偿，减少了网络中的无功潮流。

分布式发电的大量接入改变了配电网的潮流方向，分布式发电可以在一定程度上调节负荷的峰谷差。

分析了分布式电源输出力和接入位置的变化对配电系统电压的影响，并分析了分布式电源对配电网接入前后网络损耗的影响。

然而，对分布式电源在电压控制系统中的应用研究还不够，分布式电源的接入对电压控制提出了新的要求。

DG并网方式可分为电力电子逆变接口和传统旋转电机接口.由于前者的性能比较优越，所以主要的并网装置是并网逆变器.输出有功功率通常由最大功率点跟踪（MPPT）控制，而无功率通常由脉宽调制（PWM）控制。

控制方法可分为三大类：

恒功率因数、恒电压、有功功率和无功解耦控制。

并网逆变器灵活的控制方式极大地促进了局部电压控制的实现。

电压/无功灵敏度分析是基于电压灵敏度来调节电压。

由于电容器组不能频繁开机且调节不顺畅，本文提出了一种分布式发电和开关电容组的综合调节方法。

目前分布式能源包括风力发电、太阳能光伏发电、燃料电池发电、生物质能源发电、小型燃气轮机发电、小水电发电等。

太阳能光伏发电等可以改变其无功率来控制电压。

本文假设所有参与电压控制的分布式电源都能改变它们的无功输出，控制策略流程如图4-1所示。

首先，计算配电网的潮流，判断每个节点的电压是否超过限值。

如果节点I的电压超过极限，则计算其他节点对节点I的电压灵敏度矩阵，并将与被分割的电源和电容器组连接的节点的电压灵敏度从大到小进行排序。

在其前面选择多个节点对线路进行调整，利用谐波算法确定分布式电源的无功调节和电容器组的开关方案。

图4-1控制策略流程

4.2算例

本文以33总线系统为例，对所提出的控制策略进行了验证。

给出了33母线系统的支路参数和负载参数。

系统三相功率参考值SB=10MVA，线性电压参考值UB=12.66kV，因此负荷被视为恒功率负荷。

33总线系统图，如图2所示（忽略领带线）。

图4-233母线系统图

例如，当节点2和节点5安装1000j484kVA分布式电源时，分布式电源的无功输出范围在200kvar至750kvar之间，节点7、9、1113、1、15、17、26、28、30、32安装10套电容器。

每组电容器的容量为0.025Mvar。

调整前的系统节点电压如表4-1所示。

从表4-1中可以得到节点12T1313141516/1729293031kp32的电压超限。

选择节点12C15/17929/32和节点12/15/17/29/32进行电压调节。

表4-1调节前系统节点电压

4.2.1分布式电源参与电压调节

为了计算灵敏度矩阵S，选择节点5作为节点5，节点5的电压灵敏度最小。

根据分布式功率输出或电容器组大小的变化，建立了谐波存储器组，HMCR=0.85PPAR=0.5BW=10，最大迭代次数为100次。

根据协调算法，得到了优化结果。

分布式电源的输出功率变化为J194kVA，节点1215/17/2932开关电容器组为0.075MVA，0.2MVA，0.25MVA，/0.225MAV，0.125MAV，0.15MVA，电压偏移为0.65400.6540，节点12、13、14、15、16、17、29、30、31、32调

节后电压分别为0.9698、0.9700、0.9702、0.9705、0.9713、0.9717、0.9659、0.9636、0.9631、0.9633。

在调节分布式电源后，系统节点电压的影响如图4-3所示。

如图4-3所示，分布式点调整的效果很明显。

使用和谐算法的时间为2.75s。

当采用遗传算法时，由于交叉变异过程复杂，比谐波算法复杂，运算时间为47.969s，电压偏移为0.6658。

结果表明，在求解这类问题时，和算法的收敛速度优于遗传算法，适用于这类问题的求解。

图4-3分布式电源参与电压调节效果

4.2.2分布式电源不参与电压调节

为了计算灵敏度矩阵，选择节点13、15、17、28、32，以电容器组的大小为解，建立和谐存储库，以HMCR=0.85PPAR=0.5bw=0，最大迭代次数为100次。

节点131315/17和28/32开关电容器组的0.175MVA、电压偏移为0.6877，节点12、13、14、15、16、17、29、30、31、32调节后电压分别为0.9683、0.9686、0.9684、0.9684、0.9684、0.9685、0.9648、0.9630、0.9626、0.9629。

未调整分布式电源后系统节点的电压效应如图4-4所示。

从图4-4可以看出，不参与电压调节的分布式电源的效果不如参与电压调节的分布式电源的效果好。

表4-4分布式电源不参与电压调节的效果

4.2.3不按灵敏度调节电压

为了验证控制策略的效果，将分布式电源不参与，并且不按电压灵敏度调节的传统调节电压效果与第3.1、第3.2节的调节效果进行比较。

假设每个节点都装有10组电容器，每组电容器容量为0.025MVA，选取电压最低的5个节点进行无功补偿，即对节点15、16、17、31、32进行无功补偿，将它们投切电容器组的大小作为解，建立和声记忆库，取HMCR=0.85，PAR=0.5，BW=0，最大迭代次数取100次。

根据和声算法得出优化结果。

节点15、16、17、31、32投切电容器组分别为0.2MVA、0.2MVA、0.2MVA、0.2MVA、0.175MVA，电压偏移量为0.7032，节点12、13、14、15、16、17、29、30、31、32调节后电压分别为0.9686、0.9692、0.9699、0.9707、0.9732、0.9733、0.9611、0.9595、0.9595、0.9598。

不按灵敏度调节，并且分布式电源不参与电压调节的调节效果如图4-5所示。

从图4-5可看出传统电压调节的效果和第2.2节提出的控制策略相比，效果差不多，但此方法投入的电容器组要大很多，因此此方法的整体效果不如第2.2节的控制策略。

图4-5传统电压调节的效果

第五章结论

随着智能电力系统和各种分布式发电技术的发展和成熟，