一種主動配電網諧波潮流分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種主動配電網諧波潮流分析方法，包含以下內容，首先，根據(jù)主動配電網中非線性負荷和分布式電源(DG)的特點，分析非線性負荷和DG并網接口電力電子裝置的工作特性及其注入系統(tǒng)各次諧波電流的含量；然后，通過計算主動配電網基波潮流得出非線性負荷和DG并網的基波電壓，由非線性負荷和DG的功率，可計算出其基波電流；最后，通過非線性負荷和DG的基波電流求出其注入主動配電網的各次諧波電流，并計算出整個主動配電網諧波潮流分布情況。本發(fā)明無需迭代計算即可得出所有節(jié)點的各次諧波電壓分布情況，從根本上改善了諧波潮流分析方法的計算速度和效率，克服了諧波潮流迭代收斂性的問題，具有計算過程清晰，易于編程等特點。
【專利說明】一種主動配電網諧波潮流分析方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)分析與計算領域，具體涉及一種主動配電網諧波潮流分析方法。
【背景技術】
[0002]諧波潮流計算是諧波研究領域的重要分支，是了解主動配電網諧波特性和進行諧波分析的重要手段，可計算出關鍵節(jié)點的諧波指標，進而提出抑制諧波的有效措施。隨著主動配電網(ADN)技術迅速發(fā)展，越來越多的分布式電源(DG)接入主動配電網，以及隨著科學技術水平和生活水平不斷提高，主動配電網中接入了大量的非線性負荷，而這些非線性負荷和帶有大量電力電子器件的分布式源必將給主動配電網的電能質量帶來新的問題和挑戰(zhàn)。毫無疑問，在電力公司和工業(yè)生產中，從規(guī)劃到設計階段，主動配電網諧波分析是在分布式電源、非線性負荷不斷增加的前提下，保證主動配電網和設備可靠運行并預測潛在問題的有效手段。研究DG和非線性負荷對主動配電網諧波分布的不利影響，有助于找到解決措施；分析DG對諧波分布的有利影響，有利于充分發(fā)揮其優(yōu)勢來改善電能質量，因此，研究DG和非線性負荷對主動配電網諧波和電能質量的影響，對主動配電網的發(fā)展具有重要意義。本發(fā)明從諧波潮流分析方法著手，提出一種主動配電網諧波潮流分析方法，給研究主動配電網諧波影響提供一種有效的技術方法。

【發(fā)明內容】

[0003]發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有技術存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種主動配電網諧波潮流分析方法，該方法采用非迭代式諧波潮流分析方法，無需迭代計算即可得出主動配電網中所有節(jié)點的各次諧波電壓分布情況，從根本上改善了諧波潮流分析方法的計算速度和效率，克服了諧波潮流迭代收斂性的問題，較大的提高了諧波潮流的計算速度和效率，具有較高的計算精度，計算過程清晰，易于編程等特點。
[0004]技術方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案為一種主動配電網諧波潮流分析方法，該方法包括以下步驟:
[0005]步驟A、獲取主動配電網的網絡參數(shù)，包括系統(tǒng)總節(jié)點數(shù)，總支路數(shù)，節(jié)點序號，支路序號，獨立節(jié)點數(shù)，獨立支路數(shù)，關聯(lián)支路數(shù)，環(huán)網個數(shù)，參考節(jié)點，平衡節(jié)點，支路阻抗，線性負荷功率，非線性負荷功率，線性負荷節(jié)點序號，非線性負荷節(jié)點序號，網絡拓撲結構，DG并網個數(shù)，DG輸出功率，以及DG并網的節(jié)點序號，如針對具有N個節(jié)點、K個環(huán)網、W個非線性負荷和M個DG的主動配電網，假設首節(jié)點作為參考節(jié)點和平衡節(jié)點，則主動配電網獨立節(jié)點數(shù)為n = N-1，獨立支路數(shù)即樹支數(shù)為c = η，關聯(lián)支路數(shù)即連支數(shù)為d = K，總支路數(shù)為b = c+d，其中DG為分布式電源的英文縮寫且代表分布式電源；
[0006]步驟B、分析非線性負荷運行特性，通過傅氏分析公式計算出其各次諧波電流分量與其基波電流的比值c(h)，其中，C(h)為非線性負荷各諧波電流分量與其基波電流的比值，h為諧波次數(shù)；[0007]步驟C、分析DG并網接口電力電子裝置的工作特性，通過傅氏分析公式計算出其注入主動配電網各次諧波電流分量與其基波電流的比值P (h)，其中，P (h)為DG注入主動配電網第h次諧波電流分量與其基波電流的比值，h為諧波次數(shù)；
[0008]步驟D、通過常規(guī)潮流算法計算主動配電網基波潮流，得出各非線性負荷節(jié)點的
基波電壓#',和各DG并網節(jié)點的基波電壓⑶,,，其中，為非線性負荷節(jié)點的基波電壓，
仏,為DG并網節(jié)點的基波電壓，下標“NL”表示非線性負荷，下標“DG”表示分布式電源，下
標“i”表示非線性負荷節(jié)點和DG并網節(jié)點各自對應的節(jié)點序號，上標“(I)”表示基波分量;
[0009]步驟E、根據(jù)主動配電網中非線性負荷的有功功率PNu和無功功率Q1^i，計算出非
線性負荷基波電流為+jU/C,].，其中，壏,為非線性負荷基波電流，為
非線性負荷節(jié)點的基波電壓，PNL,i和QNUi分別為非線性負荷的有功功率和無功功率，上標 表示取共軛復數(shù)，j為復數(shù)的虛部單位；
[0010]步驟F、根據(jù)DG輸出的有功功率Piku和無功功率Qiku，計算出DG注入主動配電網
的基波電流為瑞, = KujOx3iVgy，其中，為DG注入主動配電網的基波電流，
為DG并網節(jié)點的基波電壓，Pixu和Qiku分別為DG輸出的有功功率和無功功率，上標表示取共軛復數(shù)，j為復數(shù)的虛部單位；
[0011]步驟G、根據(jù)非線性負荷基波電流#，計算出該非線性負荷的第h次諧波電流為 =CW/:,，其中，/I為非線性負荷基波電流，iZ為非線性負荷的第h次諧波電流，h
為諧波次數(shù)；
[0012]步驟H、根據(jù)DG注入主動配電網的基波電流i=,,，計算出該DG注入主動配電網的
第h次諧波電流為從,=，其中，為DG注入主動配電網的基波電流，為DG注入主動配電網的第h次諧波電流，h為諧波次數(shù)；
[0013]步驟1、根據(jù)公式/廣+拉I計算主動配電網中所有諧波源節(jié)點向主動配電網輸入的各次諧波電流/廣，其中，Zw為諧波源節(jié)點i向主動配電網輸入的第h次諧波電流，iZ為非線性負荷的第h次諧波電流，為DG注入主動配電網的第h次諧波電流，h為諧波次數(shù)；
[0014]步驟J、根據(jù)公式F㈩=r(Zf-計算主動配電網第h次諧波潮流，得出各獨立節(jié) 點i的第h次諧波電壓K、其中，為獨立節(jié)點i的第h次諧波電壓，v(h)為主動配電網中各獨立節(jié)點i的第h次諧波電圧P ^且成的nX I階相量矩陣，gpP > = [V^, i = 1,2,-,n, I(h)為主動配電網中各諧波源節(jié)點向主動配電網輸入的第h次諧波電流C組成的nX I階相量矩陣，即JlhK-JTf，i=1，2，…，n，T為主動配電網的道路矩陣，T為nXb階矩陣，Tt為矩陣T的轉置矩陣，ZibhJ為支路I的第h次諧波阻抗，Z<h>為基于對角元素分別為各支路I的第h次諧波阻抗ZU:/組成的bXb階對角矩陣，即I = 1，2，…，b，B為主動配電網的回-支關聯(lián)矩陣，B為d X b階矩陣，BT為矩陣B的轉置矩陣，F(xiàn)dw為矩陣Zf >的逆矩陣，即Zf為主動配電網的第h次諧波回路阻抗矩陣Z IdXd階矩陣，且有η為主動配電網獨立節(jié)點數(shù)，b為主動配電網總支路數(shù)，d為主動配電網連支數(shù)，h為諧波次數(shù)；
[0015]步驟K、根據(jù)不同諧波次數(shù)h，重復步驟G、步驟H、步驟I和步驟J即可求出主動配電網所有節(jié)點的各次諧波電壓分布情況，以及計算出各節(jié)點的電壓總諧波畸變率和電壓單個諧波畸變率。
[0016]有益效果:本發(fā)明針對現(xiàn)有諧波潮流分析方法存在的不足，提出了一種主動配電網諧波潮流分析方法，該方法根據(jù)主動配電網中非線性負荷和分布式電源(DG)的特點，分析非線性負荷和DG并網接口電力電子裝置的工作特性及其注入系統(tǒng)各次諧波電流的含量；然后，通過計算主動配電網基波潮流得出非線性負荷和DG并網的基波電壓，由非線性負荷和DG的功率，可計算出其基波電流；最后，通過非線性負荷和DG的基波電流求出其注入主動配電網的各次諧波電流，并計算出整個主動配電網諧波潮流分布情況。由于采用非迭代式諧波潮流分析方法，無需迭代計算即可得出主動配電網中所有節(jié)點的各次諧波電壓分布情況，從根本上改善了諧波潮流分析方法的計算速度和效率，克服了多諧波源系統(tǒng)諧波潮流迭代收斂困難的問題，極大提高了諧波潮流的計算速度和效率，整個方法的計算過程清晰，編程簡單，計算速度快，具有較高的計算精度和效率。通過測試算例驗證了本發(fā)明的有效性和正確性。由此可見，本發(fā)明具有很好的工程應用價值和借鑒意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的總體流程圖；
[0018]圖2為33母線主動配電網示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0020]圖1為本發(fā)明的總體流程圖，具體方法如下:
[0021]針對具有N個節(jié)點、K個環(huán)網、W個非線性負荷和M個分布式電源(DG)的主動配電網，假設首節(jié)點作為參考節(jié)點和平衡節(jié)點，則主動配電網獨立節(jié)點數(shù)為n = N-1，獨立支路數(shù)即樹支數(shù)為c = η,關聯(lián)支路數(shù)即連支數(shù)為d = K,總支路數(shù)為b = c+d。
[0022]對于連通圖中一顆選定的樹，由于基本回路中僅包含一條連支,基本回路數(shù)等于連支數(shù)，基本回路-支路(下面簡稱“回-支”)關聯(lián)矩陣B描述基本回路、樹支、連支之間的聯(lián)系。其中回-支關聯(lián)矩陣B是一個dXb階矩陣，假定連支支路的正方向都是從大號節(jié)點指向小號節(jié)點，基本回路的正方向與連支支路的正方向相同，如果支路r在回路j上，且二者方向相同，則B(j, r) = I,如果支路r在回路j上,且二者方向相反,則B(j, r) =-1,如果支路r不在回路j上，則B(j，r) =0。
[0023]一個節(jié)點的道路是指節(jié)點沿樹到根所經過的路徑上的支路集合，節(jié)點的道路強調的是路徑上的支路，對于一個給定的樹，節(jié)點的道路是唯一的、只由樹支組成，可用道路矩陣T描述。其中道路矩陣T是一個nXb階矩陣，假定道路的正方向都是從電源點(即根節(jié)點)指向各節(jié)點，各樹支支路正方向與道路正方向相同，如果支路r在道路i上，則T(i，r)=1，反之1(1，1.) =O0道路矩陣T是一個稀疏矩陣，利用稀疏技術可以降低內存需求。
[0024]I)獲取主動配電網的網絡參數(shù)，包括系統(tǒng)總節(jié)點數(shù)，總支路數(shù)，節(jié)點序號，支路序號，獨立節(jié)點數(shù)，獨立支路數(shù)，關聯(lián)支路數(shù)，環(huán)網個數(shù)，參考節(jié)點，平衡節(jié)點，支路阻抗，線性負荷功率，非線性負荷功率，線性負荷節(jié)點序號，非線性負荷節(jié)點序號，網絡拓撲結構，DG并網個數(shù)，DG輸出功率，以及DG并網的節(jié)點序號。
[0025]2)分析非線性負荷運行特性，通過傅氏分析公式計算出其各次諧波電流分量與其基波電流的比值C (h)，其中，C (h)為非線性負荷各諧波電流分量與其基波電流的比值，h為諧波次數(shù)。
[0026]3)分析DG并網接口電力電子裝置的工作特性，通過傅氏分析公式計算出其注入主動配電網各次諧波電流分量與其基波電流的比值P (h)，其中，P (h)為DG注入主動配電網第h次諧波電流分量 與其基波電流的比值，h為諧波次數(shù)。
[0027]4)通過常規(guī)潮流算法計算主動配電網基波潮流，得出各非線性負荷節(jié)點的基波電
壓啞,和各DG并網節(jié)點的基波電壓仏,，其中，C',為非線性負荷節(jié)點的基波電壓，喘,為
DG并網節(jié)點的基波電壓，下標“NL”表示非線性負荷，下標“DG”表示分布式電源，下標“i”表示非線性負荷節(jié)點和DG并網節(jié)點各自對應的節(jié)點序號，上標“(I) ”表示基波分量。
[0028]步驟4)中的主動配電網基波潮流和各非線性負荷節(jié)點和DG并網節(jié)點的基波電壓計算過程如下:
[0029]在主動配電網中，設k為迭代次數(shù)，力第k次迭代時獨立節(jié)點i注入基波電流， 為第k次迭代時回路f基波電流(也即連支f基波電流)，吸為第k次迭代時支路I
的基波電流，Kl為第k次迭代時支路I的基波電壓，II!:為第k次迭代時各獨立節(jié)點i注入基波電流堞組成的ΠΧ I階相量矩陣，即0[切，堞，…，Α，...，Α]Τ，i = 1，2，…，n，η為主動配電網獨立節(jié)點數(shù)，力第k次迭代時各連支f基波電流(也即各回路f基波電流)CU且成的dxi階相量矩陣，即4:)=[似,覽，…，奶,…,d，f = 1，2，…，d，d為主動配電網連支數(shù)，Kh力第k次迭代時各支路I基波電流I⑴組成的bX I階相量矩陣，即Ki=----Jilf ^ I = 1，2，...，b，^為第k次迭代時各支路I基波電圧f組
成的bX I階相量矩陣，即Fb?=[切,I = l，2，...，b，b為主動配電網總
支路數(shù)。
[0030]根據(jù)KCL電流定理，支路基波電流相量矩陣攻)與獨立節(jié)點注入基波電流相量矩陣Ii回路基波 電流相量矩陣<>滿足如下等式:
[0031]=Tt +B1(I)
[0032]其中，T為分布式發(fā)電系統(tǒng)的nXb階道路矩陣，Tt為矩陣T的轉置矩陣。
[0033]基于歐姆定理，支路基波電流相量矩陣攻)和支路基波電壓相量矩陣滿足如下等式:
[0034]=Z^(2)
[0035]其中，噸為支路I的基波阻抗，Z丨”為基于對角元素分別為各支路I的基波阻抗;形成的bXb階對角矩陣，即4”=diag([zG，Z巴,…,切,…,#]), I = l，2，...，b，b為主動配電網總支路數(shù)。
[0036]根據(jù)KVL電壓定律，基本回路約束為
[0037]BV^ = O(3)
[0038]由式(I)和式⑵代入式(3)可得:
[0039]BZluB7I^ + BZ^T1= O(4)
[0040]令Zf = BZlnB7為回路基波阻抗矩陣，其逆矩陣為K (則有
[0041]=-Y^n BZl1}TT(5)
[0042]= rX> - β?υ^βζ^τ?ι^ (6)
[0043]== (Z*1? - Ζ^Β?Υ^1)ΒΖ^)Τ?Ι^ (7)
[0044]在主動配電網的模型中，可知任一獨立節(jié)點與首節(jié)點的基波電壓差等于從此獨立節(jié)點開始沿著該獨立節(jié)點的道路到達首節(jié)點所經獨立支路的支路基波電壓之和，即:
[0045]AF11^ = TV^ = Τ(Ζ?1} —BZ^ )Τ? Ii^(8)
[0046]其中ΔΚ^為各獨立節(jié)點與首節(jié)點的基波電壓差矩陣，為ηχ I階矩陣。
[0047]由每一獨立節(jié)點與首節(jié)點的基波電壓差，可根據(jù)下式(9)求出主動配電網各獨立節(jié)點基波電壓0/，
[0048]Fn? =AnC-AF11'1)(9)
[0049]其中，為首節(jié)點的基波電壓，An= [1,1,…，叩為11維列向量，C為第k次迭代時獨立節(jié)點i的基波電壓，為第k次迭代時各獨立節(jié)點基波電壓組成的nX I階相量矩陣，即=，…,0,...，《]",i = 1，2，…，η，η為主動配電網獨立節(jié)點數(shù)。
[0050]給主動配電網各獨立節(jié)點基波電壓賦初始值為^)，并令迭代次數(shù)k = 1，由下式
(10)計算出第k次迭代時各獨立節(jié)點注入基波電流，
【權利要求】
1.一種主動配電網諧波潮流分析方法，其特征是該方法包括以下步驟: 步驟A、獲取主動配電網的網絡參數(shù)，如針對具有N個節(jié)點、K個環(huán)網、W個非線性負荷和M個DG的主動配電網，假設首節(jié)點作為參考節(jié)點和平衡節(jié)點，則主動配電網獨立節(jié)點數(shù)為n = Ν-1,獨立支路數(shù)即樹支數(shù)為c = η,關聯(lián)支路數(shù)即連支數(shù)為d = K,總支路數(shù)為b =c+d，其中DG為分布式電源的英文縮寫且代表分布式電源； 步驟B、分析非線性負荷運行特性，通過傅氏分析公式計算出其各次諧波電流分量與其基波電流的比值C(h)，其中，C(h)為非線性負荷各諧波電流分量與其基波電流的比值，h為諧波次數(shù)； 步驟C、分析DG并網接口電力電子裝置的工作特性，通過傅氏分析公式計算出其注入主動配電網各次諧波電流分量與其基波電流的比值P (h)，其中，P (h)為DG注入主動配電網第h次諧波電流分量與其基波電流的比值，h為諧波次數(shù)； 步驟D、通過常規(guī)潮流算法計算主動配電網基波潮流，得出各非線性負荷節(jié)點的基波電壓0!,,和各DG并網節(jié)點的基波電壓⑶，，其中，VZ為非線性負荷節(jié)點的基波電壓，為DG并網節(jié)點的基波電壓，下標“NL”表示非線性負荷，下標“DG”表示分布式電源，下標“i”表示非線性負荷節(jié)點和DG并網節(jié)點各自對應的節(jié)點序號，上標“(I) ”表示基波分量； 步驟E、根據(jù)主動配電網中非線性負荷的有功功率Pnm和無功功率Qii，計算出非線性負荷基波電流為#, =[d, +，其中，IZ為非線性負荷基波電流，為非線性負荷節(jié)點的基波電壓，Pnui和QNUi分別為非線性負荷的有功功率和無功功率，上標表示取共軛復數(shù)，j為復數(shù)的虛部單位； 步驟F、根據(jù)DG輸出的有功功率PDe，i和無功功率Qiku，計算出DG注入主動配電網的基波電流為41 = ?,, + iQOG?)/vZT，其中，IZ為DG注入主動配電網的基波電流，VZ為DG并網節(jié)點的基波電壓，Piku和Qiku分別為DG輸出的有功功率和無功功率，上標表示取共軛復數(shù)，j為復數(shù)的虛部單位； 步驟G、根據(jù)非線性負荷基波電流/浞,，計算出該非線性負荷的第h次諧波電流為I^i=CmZ，其中，i{ni為非線性負荷基波電流，W為非線性負荷的第h次諧波電流，h為諧波次數(shù)； 步驟H、根據(jù)DG注入主動配電網的基波電流私I，計算出該DG注入主動配電網的第h次諧波電流為C,, = PWiX，其中，41為DG注入主動配電網的基波電流，?Ζ為DG注入主動配電網的第h次諧波電流，h為諧波次數(shù)； 步驟1、根據(jù)公式計算主動配電網中所有諧波源節(jié)點向主動配電網輸入的各次諧波電流,’其中，f為諧波源節(jié)點i向主動配電網輸入的第h次諧波電流，iZ為非線性負荷的第h次諧波電流，/{X為DG注入主動配電網的第h次諧波電流，h為諧波次數(shù)； 步驟J、根據(jù)公式= T(Zt - Z^BJY^BZ^)TJIW計算主動配電網第h次諧波潮流，得出各獨立節(jié)點i的第h次諧波電壓6W，其中，為獨立節(jié)點i的第h次諧波電壓，V(h)為主動配電網中各獨立節(jié)點i的第h次諧波電圧Pw組成的nX I階相量矩陣，即V{h)=[Vih\V^h\---,V!h\---,V^, i = 1,2, -,n, I(h)為主動配電網中各諧波源節(jié)點向主動配電網輸入的第h次諧波電流組成的nX I階相量矩陣，即Jw =[i廣,#,./Μ.，/,(/°]τ，i = 1，2，，，η，T為主動配電網的道路矩陣，T為nXb階矩陣，Tt為矩陣T的轉置矩陣，Zi^為支路I的第h次諧波阻抗，Zf為基于對角元素分別為各支路I的第h次諧波阻抗#組成的bXb階對角矩陣，即4A>=diag([?Λ1>,--,…,2丨)>,…,?!])，I = 1，2，…，b，B為主動配電網的回-支關聯(lián)矩陣，B為dXb階矩陣，Bt為矩陣B的轉置矩陣，為矩陣Zf的逆矩陣，即；Fdw =[#>]' Z';、力主動配電網的第h次諧波回路阻抗矩陣，Z； >為dXd階矩陣，且有 = BZ^Bj，η為主動配電網獨立節(jié)點數(shù)，b為主動配電網總支路數(shù)，d為主動配電網連支數(shù)，h為諧波次數(shù)； 步驟K、根據(jù)不同諧波次數(shù)h，重復步驟G、步驟H、步驟I和步驟J即可求出主動配電網所有節(jié)點的各次諧波 電壓分布情況，以及計算出各節(jié)點的電壓總諧波畸變率和電壓單個諧波畸變率。
2.如權利要求1所述的主動配電網諧波潮流分析方法，其特征是，主動配電網的網絡參數(shù)包括系統(tǒng)總節(jié)點數(shù)，總支路數(shù)，節(jié)點序號，支路序號，獨立節(jié)點數(shù)，獨立支路數(shù)，關聯(lián)支路數(shù)，環(huán)網個數(shù)，參考節(jié)點，平衡節(jié)點，支路阻抗，線性負荷功率，非線性負荷功率，線性負荷節(jié)點序號，非線性負荷節(jié)點序號，網絡拓撲結構，DG并網個數(shù)，DG輸出功率，以及DG并網的節(jié)點序號。
【文檔編號】H02J3/00GK103972886SQ201410199662
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權日:2014年5月12日
【發(fā)明者】衛(wèi)志農, 楊雄, 孫永輝, 孫國強 申請人:河海大學