含分布式电源的配电网潮流计算毕业设计(编辑修改稿)

含分布式电源的配电网潮流计算毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

些年来，集中式发电受到它自身缺陷的限制，对电力供应的稳定和安全带来了不可忽视的影响。 为了解决这类问题，我们找到了一种可靠、灵活、高效、经济的发电方式，即分布式发电技术。 分布式发电与集中式发电相结合将是 21 世纪电力工业的优先发展方向。 其不但可以解决集中式发电投资大、建设周期长、调节不灵活及事故范围大等弊端，还能使得日益枯竭的能源危机和环境污染得到了较大的改善。 分布式发电技术通常是指发电功率在数千瓦至数百兆瓦的小型模块化且分散布置在 用户附近的高效、可靠、清洁、可持续发展的发电技术 [1]。 分布式电源 (Distributed Generators, DGs)主要包括微型燃气轮机 (Microturbines)、燃料电池 (Fuel Cell)、光伏发电和风力发电等一些新能源领域。 按发电能源是否可再生，可将其分布式发电分为两类：一类是用不可再生能源的分布式发电，主要是采用化石燃料作为能源；另一类是用可再生能源的分布式发电，它不会造成污染，属于绿色电力。 比如：风能、太阳能都是取之不尽用之不竭的自然资源，其他分布式发电装置使用的大多数如：天然气、 沼气、生物质能等清洁燃料，而传统发电燃料主要是以煤为主；这些装置还应用了现代污染物控制技术，从而控制废水、废渣等的排放量。 此外，分布式电源的开发、研究和建设，还有如下重要的意义： （ 1）因为城市的大规模发展，使得新的配电线路走廊开辟越来越困难，而直接在用户旁安装分布式电源是一种很有效的替代方案。 （ 2）对于偏远地区，可以依靠当地丰富的自然资源，从而选择合理的分布式发电方式能够有效的节约筹建投资大的电网。 分布式电源设备，无论是燃气轮机还是内燃机，都可以供电、供热（冷）服务，能够解决边远山区、矿区、旅游 区的用电问题。 （ 3）随着电力市场的逐步推行，用户对供电可靠性、电能质量以及电价的关注日益增加，而采用分布式发电则有利于降低用户电价，提高电能的质量和供电的可靠性，同时满足用户多方面的要求，为用户用电提供更多的选择。 （ 4）分布式电源已经成为了一种以电网最大经济为目的调频、调峰的手段，不但可以利用储能设备的储电能力实现补峰填谷和调频，还还可以利用它来控制电网高峰和低谷时的发电功率（除可再生能源外）。 （ 5）随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，从而促进了电力负荷的快 长沙学院 毕业 论文 15 速增长，导 致了某些地方出现了比较严重的电力缺口。 如果采用集中式发电来平稳渡过这一时期是不可能的，但分布式电源具有投资小、建设周期短等优点就可以满足电力负荷增长后的要求。 （ 6）伴随新型发电技术和新型储能技术的发展，分布式电源（除可再生能源外）采用热效率在 65%95%的设备，增加了能源利用率，从而减少了对一次能源的消耗。 因为分布式电源的引入，从而电源的节点类型出现了 PQ、 PI、 PV、 PQ(V)节点。 另外，因为系统中还有 PV 节点及少量环网的存在，使得基于传统的辐射状网络的前推回代算法已经不再适用。 含分布式电源的配电网潮流计算的功能是计算线路中的功率和电压，但有时也用来评估其并网后对配电系统所产生的影响，而且是分析分布式电源对电网静态稳定性影响等其他理论研究工作的基础，因而研究含分布式电源的配电网潮流计算具有一定的理论意义和实用价值。 含分布式电源的配电网研究的现状 分布式电源的发展及应用概况 分布式发电方式的发展主要经历了以下三个阶段。 （ 1)早期的电力系统是采用分布式发电方式，在负荷附近建立小型容量发电厂，为用户提供小规模电源。 这主要是因为当时技术不发达，用电量低； （ 2） 20 世纪初，随着技术的进步和负荷的增加，大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统成为了主流的发电方式。 它的大容量、巨型化发电能够满足当时社会的发展和用户的需要。 但是，由于近年来屡屡发生的电力危机和大面积停电事故，从而让我们深深地意识到庞大的电力系统存在既“笨拙”又“脆弱”的缺点。 （ 3)到了 20 世纪中晚期，由于用电需求的大量增加，人们愈加了解灵活、可靠的发电方式的重要性，于是分布式与集中式相结合，不但能够克服集中式单一供电的缺点，而且还能够满足日益增长的能源需求和解决环境污染问题。 自从上个世纪 90 年代以来，可再生能源已经得到了快速发展，世界上有很多国家都将可再生能源作为能源政策的基础，且分布式能源的发展被世界认为是可持续发展的标尺。 而在美国，分布式发电的输出功率在 20kW 到 10MW 之间的市场已达 11 亿美元。 在美国加利福尼亚州的分布式电站发电量已经达到 4GW5GW ，并且在 20xx 年将 20%的新建办公、商用建筑都使用“热电冷三联产系统功能模式”，对 5%的现有办公、商用建筑进行适当的改造。 印度则在20xx 年可再生能源发电比例将要超过 10%。 欧盟各国以可再生能源为主体的分布式发 长沙学院 毕业 论文 16 电的发展更受到瞩目。 丹麦 将资源消耗、经济发展和环境保护这三方面进行了有机结合，在世界上成为可持续发展国家中的典范。 现在，丹麦已经投建了 15 家大型生物直燃发电厂，提供全国约 5%的电力供应，且年消耗农林废弃物近 150 万吨。 近些年来，德国利用风能、太阳能、沼气、地热、水利等可再生能源发电、供热共 20xx 亿 kWh，占据能源供应市场份额的 %，能够满足约 1000 万家庭的日常供电需要。 日本不但是亚洲能源利用率最高的国家，而且在全世界也位居前列。 日本的分布式发电是以热电联产和太阳能光伏发电为主，总装机容量约为 3600 万 kW，占全国发电总装机 容量 %。 据相关资料显示，日本在 20xx 年全球天然气贸易中所占比例大约为 35%，成为了全球第二大液化天然气消费国。 在美国、欧洲的一些国家，虽然他们的工业发达，用电负荷大，分布式电源的发展要比中国要早一些，但发展也还在初始阶段。 近年来我国政府高度重视可再生能源的利用和开发，将“能源总量控制”的重点集中在煤炭总量的控制上，并纳入“十二五”能源规划，这标志着分布式发电在我国将达到一座新的里程碑。 经过多年的发展，我国可再生能源的开发利用已取得了很大进展。 从风电资源开发来看， 20xx 年底，全国并网风力发电装机 容量为 万千瓦，风电装机容量位居世界第 10 位，已经基本掌握单机容量 750 千瓦以下大型风力发电设备的制造能力，正在开发兆瓦级的大型风力发电设备。 从太阳能技术发展来看，到 20xx 年底，全国太阳能热水器使用量达到 5000 万平方米，占全球使用量的 40%以上。 太阳能热水器生产量达 1000 万平方米，全真空玻璃管热水器在世界市场上占据主导地位。 从沼气利用来看，我国的沼气技术开发始于上世纪 50 年代， 70 和 80 年代得到大规模发展，主要用于满足农村居民生活用能。 全国有户用沼气池 1000 多万口，年产沼气约 30 亿立方米。 已 建成大中型沼气工程 1900 多处，年产沼气约 12 亿立方米。 尽管我国可再生能源产业发展取得了很大进展，但与发达国家相比还有很大的差距，还远远不能适应我国能源发展战略的要求。 可再生能源发展缓慢客观上是风力发 电、太阳能发电的成本难以与化石能源去竞争，但从国外的经验来看，关键是促进可再生能源发展的政策力度不够所至。 发展可再生能源利在社会，意在长远，可再生能源很难与常规能源在市场上竞争，因此必须通过辅以特殊的能源政策，反映国家的意志，促进可再生能源的发展。 如今我国正在经济高速发展的时期，如何在合理的开发利用可再生能 源和新能源提高能源的利用率，同时加强环境保护等是我国能源工业实现健康可持续发展、支持国家现代化建设的关键所在。 分布式电源的潮流算法研究现状 分布式发电作为国际上电力系统的一个前沿研究方向，对其研究的重点集中在其对 长沙学院 毕业 论文 17 电力系统的影响上。 含分布式电源的配电网潮流计算方法的研究主要是对不同类型的分布式电源建立模型，使之能够模拟到已有的计算方法中去。 它的未来研究趋势是：使得算法能够处理含不同的分布式电源在不同运行状态中同时运行的系统，计算过程更高效、通用性更好。 在近年国内外的相关文献中，研究主要的问题有： （ 1）分布式电源模型的建立。 因为分布式电源的潮流计算模型和传统发电机组计算模型不同，使得传统的潮流计算方法不能够适用于含分布式电源的配电网。 传统的发电机节点在潮流计算中一般取为 PQ 节点、 PV 节点或平衡节点。 而分布式电源具有特殊性，其节点能否取为这 3 种类型需要全面考虑。 正是因为各种分布式电源的运行方式和控制特性的不确定性，才使得在潮流计算中如何选取分布式电源的节点类型有待研究。 现在最常用的方法是通过对不同类型的分布式电源分别建立模型，使得分布式电源可以用通用的形式加入到配电网系统的潮流计算中去。 （ 2）含分布式电源配网潮流计算的算法研究。 在直接法的基础上，结合分布式电源本身的特点，文献 [14]提出了一种基于灵敏度矩阵的补偿算法，该算法能够处理 PV节点，并且还釆用了系统节点阻抗矩阵中的元素组成了灵敏度矩阵，使得求取过程简便。 文献把分布式电源的 PV、 PQ(V)以及 PI 节点转换为前推回代法可处理的 PQ 节点。 考虑到 PV 节点难于转化为 PQ 节点，文献 [15]提出了快速网络搜索法，对戴维南等值阻抗矩阵进行改进，通过形成与 PV 节点相关的节点阻抗矩阵的部分元素来修正 PV 节点注入的无功功率。 文献 [16]针对前推 回代法对 PV 节点和环网失效的问题，提出了依据节点电阻矩阵、节点电抗矩阵及电压偏差对 PV 恒定型分布式电源和环网断点功率修正方法。 本文主要工作 本文第一章主要叙述了选题背景和分布式电源的配电网的前景和研究意义。 第二章介绍了各种分布式电源。 第三章介绍了配电网的基本算法，并比较了其中的优劣性。 第四章在含分布式电源配电网潮流计算方面，本文分局接口的模型的不同将 DG 分为 PQ, PV, PI 和 PQ(V)等四种节点类型，并为每种节点类型 DG 建立了潮流计算模型。 在传统潮流计算方法的基础上，结合各点类型 DG 的潮流 计算模型，提出了适用于含不同类型 DG 的配电网潮流计算方法，并以 IEEE33 算例验证了算法的可行性。 长沙学院 毕业 论文 18 第二章 分布式电源的建模 太阳能光伏发电 太阳能是由太阳中的氢经过聚变而产生的一种能源，它分布广泛，可自由利用，取之不尽，用之不竭，是人类最终可以依赖的可持续的能源之一。 太阳能是以辐射的形式每秒向太空发射 l019MW 能量，其中有 22 亿分之一的能量投射到地球的表面上。 地球上一年接受到的太阳辐射能高达 l018kW h，是地球能耗的数万倍，由此可见太阳的能量有多么巨大。 现如今由于能源短缺和环 境污染，各国都开始迅速大力发展光伏发电技术。 美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本，使其 20xx年达到商业化竞争的水平；日本也提出在 2020 年达到 28GW 的光伏发电总量计划；同时我国也大幅增加对光伏发电的投入，并降低光伏发电并网价格，等等显示了发展光伏发电已经成为全世界各国解决能源与经济，环境之间矛盾的最有效的途径之一。 光伏发电的工作原理 在自然界中，根据导电性能和电阻率的大小，可以将物体分为三类：导体、半导体和绝缘体。 其中在阳光下的半导体 pn 结器件光电转换效率最高，即在半导 体吸收光能后，在其内部可以传导电流的载流子分布和浓度都将发生改变，由此产生出电流和电动势的效应。 当太阳光照在半导体 pn 结上形成新的空穴 电子对时，在 pn 结电场的作用下，空穴由 n 区流向 P 区，电子由 P 区流向 n 区，接通电路后就形成电流。 光伏电池正是利用了半导体材料的光电特性，把光能直接转换成电能。 光伏发电系统可分为两种类型：（ 1）独立运行的光伏发电系统；（ 2）并网运行的光伏发电系统。 独立运行常用于小容量用户或无电地区，需要提供蓄电池等储能设备；并网运行主要用于大容量用户如公用建筑、住宅等，一般都是自发自用， 可以不带储能装置，但必须和商用电网联网，在国家电网允许的情况下将多余的电向电力公司出售电力。 其中并网运行的光伏发电系统又分为标准型（不能切换为独立型）和防灾型（可切换为独立型），显而易见的是并网运行的光伏发电系统已经成为光伏发电的发展趋势。 通常情况下，配电网是利用并网型光伏发电的有功功率，也就是说把太阳能通过光伏组件转换为直流，然后通过汇流箱和直流配电柜，经过逆变器将直流电转换为交流电输出，再通过变压器将电压升压输入更高电压的配电网中。 然而在一些特定的情况下，可以损失一部分输出的有功功率来控制逆变器对配电 系统进行无功优化，使得电网运行更加的经济和稳定。 长沙学院 毕业 论文 19 光伏发电的模型 为了更有效的分析光伏电池的发电性能以及计算配电网的潮流数据，建立了一种常见太阳能光伏电池的数学模型。 通过这些数学关系表达式，可以反映出太阳能光伏电池各项参数的实际变化规律，图 为硅太阳能电池实际的等效电路。 图 硅太阳能电池实际的等效电路 通。