IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)電壓/無(wú)功優(yōu)化

張俊 張安安

摘 要：文中以IEEE30節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，用Matpower完成了該電網(wǎng)模型的潮流分析。同時(shí)基于潮流分析結(jié)果，采取改變網(wǎng)絡(luò)中無(wú)功功率分布調(diào)壓、改變發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓、改變變壓器變比調(diào)壓三種電力系統(tǒng)的主要調(diào)壓措施來(lái)對(duì)電壓偏移較大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了無(wú)功優(yōu)化，最后分析了電壓調(diào)整后的Matpower潮流結(jié)果，并得出了定性結(jié)論。

關(guān)鍵詞：潮流計(jì)算；Matpower；電壓調(diào)整；無(wú)功優(yōu)化；IEEE30

中圖分類(lèi)號(hào)：TM712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）05-00-03

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，潮流問(wèn)題方程階數(shù)越來(lái)越高，對(duì)計(jì)算速度的要求也不斷提高，基于Matlab潮流計(jì)算研究近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在保證電力系統(tǒng)供電可靠性和電能質(zhì)量的前提下，盡可能的提高潮流計(jì)算效率，降低人力資源消耗，從而提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1-5]。

由于電力系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)荷分布不均勻，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的各負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，會(huì)引起各節(jié)點(diǎn)電壓的波動(dòng)[6]。要使各節(jié)點(diǎn)電壓維持在額定值是不可能的。所以，電力系統(tǒng)調(diào)壓的任務(wù)就是在滿(mǎn)足各負(fù)荷正常需求的條件下，使各節(jié)點(diǎn)的電壓偏移在允許范圍之內(nèi)[7]。

1 電力系統(tǒng)潮流計(jì)算

潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行的基本研究方法，其任務(wù)是要在已知（或給定） 某些運(yùn)行參數(shù)的情況下，計(jì)算出系統(tǒng)中的全部參數(shù)，包括各母線(xiàn)電壓的大小、相位，各發(fā)電機(jī)負(fù)荷的功率、電流以及各個(gè)變壓器和線(xiàn)路等元件所通過(guò)的功率、電流和損耗[1-5]。

1.1 Matpower選項(xiàng)

Matpower是一個(gè)基于Matlab的M文件的組建包，用來(lái)解決電力潮流和優(yōu)化潮流的問(wèn)題[8]。Matpower所用的所有數(shù)據(jù)文件均為Matlab的M文件或者M(jìn)AT文件，用來(lái)定義和返回變量baseMVA、bus、branch、gen等。

baseMVA 變量是一個(gè)標(biāo)量，用來(lái)設(shè)置基準(zhǔn)容量。若計(jì)算中采用有名值，可以根據(jù)需要設(shè)置，如100 MVA；若計(jì)算中采用標(biāo)么值，一般設(shè)置為1。

bus變量是一個(gè)矩陣，用來(lái)設(shè)置電網(wǎng)中各母線(xiàn)參數(shù)，其格式為bus_ i、type、Pd、Qd、Gs、B s、area、Vm、Va、baseKV、zone、Vmax、Vmin。type用來(lái)設(shè)置母線(xiàn)類(lèi)型，1為PQ節(jié)點(diǎn)母線(xiàn)，2為PV節(jié)點(diǎn)母線(xiàn)，3為平衡（參考）節(jié)點(diǎn)母線(xiàn)。

branch變量是一個(gè)矩陣，用來(lái)設(shè)置電網(wǎng)中各支路參數(shù)，其格式為fbus、tbus、r、x、b、rateA、rateB、rateC、ratio、angle、status。fbus和tbus用來(lái)設(shè)置該支路由起始節(jié)點(diǎn)（母線(xiàn)）編號(hào)和終止節(jié)點(diǎn)（母線(xiàn)）編號(hào)。r、x和b用來(lái)設(shè)置該支路的電阻、電抗和充電電納。ratio用來(lái)設(shè)置該支路的變比，如果支路元件僅僅是導(dǎo)線(xiàn)為0；如果支路元件為變壓器，則該變比為fbus側(cè)母線(xiàn)的基準(zhǔn)電壓與tbus側(cè)母線(xiàn)的基準(zhǔn)電壓之比。

gen變量也是一個(gè)矩陣，用來(lái)設(shè)置接入電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)（電源）參數(shù)，其格式為bus、Pg、Qg、Qmax、Qmin、Vg、mBase、status、Pmax、Pmin。mBase用來(lái)設(shè)置接入發(fā)電機(jī)（電源）的功率基準(zhǔn)，如為缺省值，就是baseMVA變量的值。

1.2 潮流計(jì)算結(jié)果與分析

Matpower潮流計(jì)算結(jié)果得出：IEEE30系統(tǒng)的構(gòu)成（母線(xiàn)數(shù)、發(fā)電機(jī)數(shù)、在用發(fā)電機(jī)數(shù)、總負(fù)荷、固定負(fù)荷、可分配負(fù)荷、分流、分支和變壓器）；容量（總發(fā)電容量、在線(xiàn)容量和實(shí)際發(fā)電量）；功率（負(fù)荷功率、固定功率、可分配功率和分流（注入）功率）的分布情況，及在潮流分析計(jì)算時(shí)最關(guān)心的總的有功、無(wú)功損耗（分別為17.56 MW和67.69 MVA），電壓幅值、相角的最大最小值及對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)序號(hào)。幅值：最大（11節(jié)點(diǎn)，1.082），最小（30節(jié)點(diǎn)，0.992）；相角：最大（1節(jié)點(diǎn)，0.00度），最小（30節(jié)點(diǎn)，-17.64度）；最大有功、無(wú)功損耗的值及出現(xiàn)的支路信息（1～2支路的有功、無(wú)功損耗均最大，分別為5.21 MW和15.61 MVA）。

1.3 電壓偏移

網(wǎng)絡(luò)中某點(diǎn)的實(shí)際電壓同網(wǎng)絡(luò)該處的額定電壓之差稱(chēng)為電壓偏移[9]，可以用額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示：

電壓偏移（%）=（U-UN）/UN ×100%

根據(jù)實(shí)際情況選用標(biāo)么值進(jìn)行計(jì)算，本系統(tǒng)選擇1節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)（Vn=1.060），為減少計(jì)算量，提高效率，由Matpower潮流結(jié)果找出電壓幅值最大最小的點(diǎn)，分別為節(jié)點(diǎn)11和30，計(jì)算其電壓偏移如下：

節(jié)點(diǎn)11（電壓幅值最大）：

由計(jì)算可知，節(jié)點(diǎn)11電壓偏移較小，但節(jié)點(diǎn)30電壓偏移較大，在以后調(diào)壓時(shí)應(yīng)更多的考慮節(jié)點(diǎn)30的電壓情況。

2 電力系統(tǒng)無(wú)功和電壓調(diào)整

負(fù)荷的無(wú)功功率隨電壓的降低而減少，要想保持負(fù)荷端電壓水平，就得向負(fù)荷供應(yīng)所需要的無(wú)功功率。所以，電力系統(tǒng)的無(wú)功功率必須保持平衡，即無(wú)功功率電源發(fā)出的無(wú)功功率要與無(wú)功功率負(fù)荷和無(wú)功損耗保持平衡。這是維持電力系統(tǒng)電壓水平的必要條件[10，11]。

電力系統(tǒng)主要的調(diào)壓措施如下[12]：

（1）改變發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓；

（2）改變變壓器變比調(diào)壓；

（3）改變網(wǎng)絡(luò)中無(wú)功功率分布調(diào)壓；

（4）改變線(xiàn)路參數(shù)調(diào)壓。

2.1 并電容器調(diào)壓

并聯(lián)電容器通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)中無(wú)功功率的分布達(dá)到調(diào)壓的目的。并聯(lián)電容器因其簡(jiǎn)單方便、經(jīng)濟(jì)靈活且適用范圍廣，是廣泛使用的調(diào)壓方式。

2.1.1 并電容器調(diào)壓原理

圖1所示為具有無(wú)功補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)圖。

其中，K=Ut/UrN為變壓器變比，Ut為變壓器高壓測(cè)分接頭的電壓，UrN為變壓器低壓繞組的額定電壓。

2.1.2 并電容器調(diào)壓結(jié)果分析

由于無(wú)具體調(diào)壓要求，所以參考用式（1）算出的部分電壓偏移結(jié)果，在電壓最低點(diǎn)，即30節(jié)點(diǎn)處并一5 Mvar的電容器進(jìn)行調(diào)壓。

定性分析圖2可知，1～13節(jié)點(diǎn)（個(gè)別節(jié)點(diǎn)除外）在并電容器調(diào)壓前后的電壓幅值幾乎不改變，從14節(jié)點(diǎn)起，至30節(jié)點(diǎn)，并電容器調(diào)壓前后的電壓幅值的改變量開(kāi)始明顯，并隨著節(jié)點(diǎn)序號(hào)的增加，電壓幅值改變量不斷增加且為正增量，在30節(jié)點(diǎn)處電壓幅值差值達(dá)到最大。

圖2 并電容器前后的電壓幅值圖

2.2 改變發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓

改變發(fā)電機(jī)端電壓是一種不需要耗費(fèi)投資，且是最直接的調(diào)壓方法，應(yīng)首先考慮采用。發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整借助于調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓，以改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流，就可以改變發(fā)電機(jī)定子端電壓。利用發(fā)電機(jī)調(diào)壓范圍在發(fā)電機(jī)額定電壓的±5%，能夠以額定功率運(yùn)行[1-4]。

由于無(wú)具體調(diào)壓要求，為提高電壓最低點(diǎn)（即30節(jié)點(diǎn)處）的電壓幅值，采用提高發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電壓較低的5、8節(jié)點(diǎn)處的電壓，將其由原來(lái)的1.01提高到1.05。

定性分析圖3可知，將5、8節(jié)點(diǎn)處的電壓由原來(lái)的1.01提高到1.05后，幾乎所有節(jié)點(diǎn)的電壓幅值與初始值相比都發(fā)生了較大幅度的增加。

2.3 改變變壓器變比調(diào)壓

改變變壓器變比調(diào)壓雖然是一種尋常方法，但其先決條件是電網(wǎng)的無(wú)功電源容量充裕。如果電網(wǎng)的無(wú)功電源容量不足，采用變壓器調(diào)壓，雖然可能提高局部電網(wǎng)的電壓水平，但也有可能降低主電網(wǎng)的電壓水平，不利于全網(wǎng)的電壓穩(wěn)定，這是因?yàn)楦淖冏儔浩髯儽龋鄬?duì)于在回路中串聯(lián)了一附加電勢(shì)，從而改變了電網(wǎng)的無(wú)功功率分配[3，4]。

選取電壓幅值最小的30節(jié)點(diǎn)為調(diào)壓對(duì)象，改變（增大和減小）與30節(jié)點(diǎn)直接相連的27～28節(jié)點(diǎn)變壓器的變比。

（1）變比（28：27）由0.968升高為0.975。

圖3 調(diào)發(fā)電機(jī)端電壓前后電壓幅值

定性分析圖4可知，將變壓器變比（28：27）由0.968升高為0.975后，從節(jié)點(diǎn)序號(hào)23開(kāi)始，直到節(jié)點(diǎn)30，電壓幅值有較為明顯的小幅度下降，其余節(jié)點(diǎn)的電壓幅值未發(fā)生變化或變化不明顯。

結(jié)論：對(duì)于降壓變壓器（變比小于1）升高變比（不超過(guò)1）后，電壓幅值降低。

圖4 升變壓器變比前后的電壓幅值圖

（2）變比（28：27）由0.968降低為0.95。

定性分析圖5可知，將變壓器變比（28：27）由0.968節(jié)點(diǎn)降為0.95后，從節(jié)點(diǎn)序號(hào)20開(kāi)始，直到節(jié)點(diǎn)30（個(gè)別節(jié)點(diǎn)除外），電壓幅值有較為明顯的增加，其余節(jié)點(diǎn)的電壓幅值未發(fā)生變化或變化不明顯。

結(jié)論：對(duì)于降壓變壓器，降低變壓器變比（大于0）調(diào)壓后，電壓幅值升高。

圖5 降變壓器變比前后電壓幅值

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采取三種主要調(diào)壓方式（并電容器調(diào)壓、改變發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓和升降變壓器變比調(diào)壓），分別進(jìn)行電壓調(diào)整，僅得出定性結(jié)論，且由于功率損耗變化較小所以并未討論，實(shí)際調(diào)壓時(shí)需結(jié)合電壓相角、功率損耗等滿(mǎn)足調(diào)壓要求。

使用Matpower進(jìn)行潮流計(jì)算前，應(yīng)檢查計(jì)算要求是否與軟件默認(rèn)選項(xiàng)一致，若不符合，應(yīng)事先修改設(shè)置再運(yùn)行。

在潮流計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)時(shí)，大量的數(shù)據(jù)無(wú)法直接復(fù)制到表格，因此可以利用Matlab編程語(yǔ)言強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，通過(guò)編寫(xiě)簡(jiǎn)單的程序準(zhǔn)確、高效地提取所需標(biāo)準(zhǔn)陣列的數(shù)據(jù)。

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