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电力系统潮流计算是电力系统分析中最基础的部分,如果从工程实际设备的角度重新审视潮流计算,可以有不一样的启发。这一点尤其对于高校师生很有用,因为高校的特点是理论很强,但是工程经验不足。
电力系统潮流计算一般把节点分为3类,分别为PQ、PV,还有平衡节点。下面分别结合真实的设备来展开论述。
1)PQ节点
电力系统大多数节点都是PQ节点,所谓PQ节点,就是给定节点注入功率。实际上,电力系统超过一半的节点是“零注入”的,这些节点的特点是流入母线的功率等于流出母线的功率(基尔霍夫第一定量),除此以外,没有发电机和负荷。也就是说,注入功率总和严格为0. 对于完整电力系统来说,发电机经过升压变,进入输电网,然后层层降压,进入配电网,再输送给用户。中间经过的大多数节点,都是起到联络或转运的作用。当然,如果建模范围有限,例如省调,也可把变压器高压侧等值为负荷。
零注入节点对于状态估计计算还有另外的意义,由于严格为0,可以构成等式约束,也可以构成量测精度极其高的虚拟量测。
有许多节点没有有功的生产或消耗,但是连接有电容器或电抗器,这类节点严格的来说,是有功零注入,但是潮流计算往往把容抗器并入导纳矩阵的对角元上去,所以在数学上仍然可以是完全的零注入。但是连接SVC、STACOM等电力电子设备就没有这么简单的处理了,此时的PQ节点注入功率是一个变量,在迭代过程中可能不断发生变化。其变化规律由该设备自身规定。
对于负荷来说,其功率一般设置为恒定的数值。但是负荷功率也可考虑受到频率、电压的影响。这样PQ节点注入功率就不再是常数,这样做可以提高潮流计算的收敛性,也可以增加结果的合理性。
2)PV节点
在常规的商业用电力系统计算软件中,可选择将某台发电机设置为PV节点,然后程序内部将发电机连接的节点设置为PV节点。PV节点在此处体现的是发电机励磁系统控制机端电压的能力。
发电机励磁系统是十分复杂的,与稳定性也极其相关,但在潮流计算里面可暂不考虑。励磁控制的首要目标是控制电压在给定值,其稳态增益常常超过100p.u.。由于发电机总是与升压变压器构成一个整体(又叫发变组)。其控制目标常常是变压器高压侧,这就是所谓的“PV控高端”,而不是直接控制发电机出口。控高端的做法也是最近十几年才广泛应用的,其实现十分简单,就是输入的机端电压测量信号扣除在变压器电抗上的压降,该压降可以用电流和电抗参数算出来,也可以有别的方式(注意一般并不是直接测量高压侧电压)。为了使无功功率可以在并列发电机之间稳定分配,此种补偿必须形成调差特性,也就是说,不是正好100%的补偿,否则发电机无功分配会不稳定。在我国,迫使发电机实际电压比参考电压低时,称为正调差;反之则为负调差,负调差主要是抵消变压器压降,但不能超过变压器压降,负调差有助于发挥发电机对于系统的无功支撑作用。这里所说的调差只在机端,反映到高压侧,仍然是正调差的。
对于潮流计算来说,PV控高端不需要考虑这么多细节,只是PV移植到了高压侧。算完之后,还需要把多余的无功功率分配回发电机机端。但是,在同一个发电厂设置过多的PV节点确实可以使收敛性下降,这是因为潮流计算不可能精细到可以考虑调差特性。此时可以考虑减少PV节点数量。
励磁系统的控制能力是有限的,因此,当PV节点发出或吸收的无功超出限值时,该节点将由PV节点转换为PQ节点。励磁系统的限制主要体现在:过励限制、欠励限制、VHZ限制等,此处不再展开。励磁系统的限制在中长期动态仿真中更加需要详细考虑。
不是所有的发电机励磁都运行在控电压的状态,对于小型发电机,更多的是跟随系统。系统对于小型发电机往往没有什么控制需求,此时发电机可能处于保证功率因数恒定运行,此时潮流计算可以把这类发电机设置为PQ节点。
对于地区电网来说,没有那么多的发电机,其主要电能都是从500kV电网输送过来的,但是连接500kV电网的主力发电机,由于建模范围的关系,没有在模型中。这时候可以认为500kV母线的电压保持恒定,把该母线定为PV节点。对于配电网来说,可把主网母线定为PV节点或平衡节点。
3)平衡节点
平衡节点有两层含义:其电压参考角度为0,其它母线电压角度都以该节点为参考。另外,该节点不给定注入功率,而是给定电压,起到电压支撑的作用(潮流计算可以不用设置PV节点)。这两层含义不是必然联系在一起的,不可混为一谈。
在商业用电力系统软件中,平衡节点往往设置为功率最大的发电机节点。由于该节点功率未给定,由系统算出来。但实际上该节点发电机是有明确的功率值的,这两者的差异,我们称为不平衡功率。为了更合理分析,发展了动态潮流计算方法,把不平衡功率引起系统频率变化,而系统频率变化又会引起负荷变化、发电机功率变化(一次调频),然后不平衡功率值又会发生变化。这是一个动态过程。
使用状态估计数据时,不平衡功率往往很小。但是人工设置断面,或进行故障模拟,不平衡功率往往变得很大。因此,要想使潮流计算贴近实际,尤其是提高仿真精度,动态潮流技术是必然要采用的。
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