基于改进高斯_赛德尔顺序潮流算法的微电网效率分析_杨焰

168 可再生能源 Renewable Energy Resources 第32卷 第2期 2014年2月 Vol 32 No 2 Feb 2014 图1树干式直流微电网 Fig 1 DC microgrid with tree topology U1 U2 T1 AC DC PCCDC 400 V U3 DC DCBOOST PV DC DCDC DC DC DC DC AC AC DC BOOST 蓄电池 MT B1 U4 L1 L2 0 151 j0 296 10 kM 10 kV 380 V 0 31 j0 078 1 kM 0 31 j0 078 1 kM 0 31 j0 078 1 kM 0 31 j0 078 0 2 kM 0 31 j0 078 0 2 kM 双向 半桥 BUCK 三相桥式 逆变 三相桥式 整流 实用 电源 变压器 15 kWcos 0 8 15 kW 收稿日期 2013 07 19 基金项目 国家重点基础研究发展 973 计划 项目 2012CB215200 四川省科技支撑项目 2012FZ0047 成都市科技 局高校成果转化项目 11DXYB004JH 027 12DXYB279 四川大学引进人才计划项目 yj2010011 作者简介 杨焰 1990 女 硕士研究生 研究方向为分布式发电和微电网技术 E mail 873292912 基于改进高斯 赛德尔顺序潮流算法的 微电网效率分析 杨焰 苗虹 曾成碧 韩民晓 刘晓豪 四川大学 电气信息学院 四川 成都610065 摘要 文章针对现有各类微电网的拓扑结构 利用转换环节的IGBT DIODE损耗计算模型 结合高斯 赛德尔 潮流算法 提出了考虑转换损耗模型的微电网高斯 赛德尔顺序潮流算法 并运用此法在Matlab Simulink环境 下分析比较了树干式直流 交流 混合微电网和环形直流 交流微电网的效率 仿真结果显示 在假定负荷功率 因数为0 8的情况下 环形直流微电网的效率最高 树干式交流微电网的效率最低 关键词 微电网 IGBT DIODE损耗计算模型 高斯 赛德尔潮流算法 中图分类号 TK6 TQ546文献标志码 A文章编号 1671 5292 2014 02 0168 05 0引言 微电网技术克服了分布式发电的缺点而受到 各国研究人员的关注 1 微网结构包括交流 直 流 交直流混合微网 2 4 系统接线方式包括环形 放射式 树干式接线 微电网结构和接线方式的不 同组合 使其拓扑结构具有多样性 文献 5 6 简 化了转换环节损耗计算 直接利用转换损耗统计 数据 未研究混合微电网和环状微电网的效率和 储能元件的对微电网效率的影响 本文研究了环形直流 环形交流和树干式交 流 直流及混合微电网的效率 利用转换环节的 IGBT DIODE损耗计算模型 结合高斯 赛德尔潮 流算法 7 孤岛运行微电网潮流计算方法 8 提出 了考虑转换损耗模型的微电网高斯 赛德尔顺序 潮流算法 比较了微电网的效率 1微电网的系统结构 根据IEEE Standard 399 1997绘出树干式直 流 环形直流微电网拓扑结构如图1 2所示 按照微电网接入电压等级和并网点电气位置 的不同 微电网接入配网的方式有3种 分别是中 压专线接入 中压馈线接入 低压接入 本文采用 低压接入 即微电网以三相平衡方式接入配电变 压器380 V母线 2转换环节损耗模型 由微电网的系统结构可知 系统中存在多个 电压转换环节 这些环节使用的IGBT DIODE工 作时都会产生相应的功率损耗 9 10 IGBT模块的 损耗包括导通损耗和开关损耗 本文中微电网所 涉及的整流和逆变都采用三相桥式 所采用的 IGBT模块都是六单元的 文献 11 给出的每项桥 臂的导通损耗VPcond以及模块的开关损耗VPsw 公式分别为 VPcond 22姨 Von Irms ronI 2 rms 1 VPsw 22姨 Irms Inom Eon Eoff fsw ERR fsw 2 式中 Irms Inom分别是流过IGBT模块电流的有效 值和额定值 ron是IGBT的导通电阻 Von是模块导 通压降 Eon Eoff ERR是IGBT在导通 关断和反向 恢复时的能量损耗 fsw是开关频率 整个IGBT模块损耗VPDC AC为 VPDC AC VPcond VPsw 22姨 Irms Von Eon Eoff Inom ronI 2 rms ERR fsw 3 逆变和整流输出电压与输入电压的关系为 UAC 0 612 UDC 4 式中 UAC UDC分别是三相线电压有效值 直流侧 电压 微电网中BOOST电路原理图如图3所示 由图3可得 DC DC变换过程中二极管导通 损耗VPD为 VPD VF IDAV RD I2DRMS 5 式中 VF为二极管压降典型值 RD是二极管导通 杨焰 等基于改进高斯 赛德尔顺序潮流算法的微电网效率分析 169 Ui L S D C Rout Uo 图3BOOST电路原理图 Fig 3 Schematic diagram of BOOST circuit U1 实用 电源 U2 T1 DC AC DC AC DC AC U4 DC DC DC AC L1 L2 L1 DC DC U2 DC DC MT PV 蓄电池 三相桥式 整流 双向 半桥 三相桥式 逆变 PCC DC 400 V 0 31 j0 078 1 kM 0 31 j0 078 1 kM 0 31 j0 078 0 2 kM 0 31 j0 078 1 kM 0 31 j0 078 0 2 kM 15 kW 15 kW cos 0 8 BUCK BOOST BOOST 10 kV 380 V 图2环形直流微网 Fig 2 DC microgrid with ring topology 可再生能源2014 32 2 170 电阻 IDAV IDRMS分别是流过二极管的电流平均值 和有效值 由于采用的是快速恢复二极管 开关损 耗极小可忽略 开关管S的损耗为 VPson 2 3 fswCossUo2 1 4 fswIDDRMSKfVFtfr 6 VPscon VPsoff IVRMSRvs 1 2 fswUoILtfr 7 式中 Coss为开关管输出电容 IDDRMS为流过反并联 二极管的电流 Kf为模块反向恢复电流温度系 数 tfr为开关管开通时间 IVRMS为流过IGBT的电 流有效值 Rvs为IGBT的导通电阻 IL为电感电 流 由于开关管S反并联二极管为快速恢复二极 管 tfr很小 因此BOOST电路中S损耗VPs为 VPs 2 3 fswCossUo2 IVRMSRvs 8 DC DC环节的总损耗VPDC DC为 VPDC DC VPs VPD 9 输出与输入电压之间的关系为 UO BUCK ton T Ui Ui UO BOOST T toff Ui 1 1 Ui 10 式中 UO BUCK UO BOOST分别为BUCK BOOST电路 的输出电压和输入电压 ton toff T 分别为导通 时间 关断时间 开关周期 占空比 3考虑损耗的高斯 赛德尔潮流顺序潮流算法 对于给定的电力系统图 潮流问题的数学表 述为 Ibus Ybus Vbus Sk Vk Ik 11 式中 Ibus 表示电流净注入 其中发电机注入电流 为正 而负荷注入为负值 Ybus Vbus 分别是系统 导纳矩阵和母线电压矢量 Sk Vk Ik分别是母线k 的注入功率 母线电压 注入电流 对于n个节点 的系统 它的导纳矩阵为 Ybus Y11Y12 Y1n Y21Y21 Y2n MM M Yn1Yn2 Yn3 12 平衡节点为S 纯交流 直流 系统潮流计算 的迭代公式为 Vi k 1 1 Yii Si Vik YisVs i 1 j 1 YijVj k 1 n j i 1 YijVj k 13 改进的考虑转换损耗模型的微电网高斯 赛 德尔顺序解法的基本思想是将微电网中的转换环 节系统的潮流方程和纯直流 交流 系统按顺序进 行交替求解 其步骤为 设定迭代次数 收敛条 件 迭代初值 此时假定各转换环节的节点电压为 相应的额定电压Vm 利用式 3 9 计算各转 换环节功率损耗 进而求得各母线上的注入功率 利用步骤 得到的注入功率以及式 13 求解纯 直流 交流 系统方程 直到满足收敛条件得出各 母线电压 利用步骤 所求电压以及式 4 10 修正各转换环节节点电压Vm 返回第 步继 续迭代直到满足迭代次数要求 转换损耗模型的微电网高斯 赛德尔顺序潮 流算法流程如图4所示 图4中Vm是除母线电压外的转换环节所涉 及的节点电压 UAC UDC U0 Buck U0 Boost UI 假定蓄 电池充放电功率为其额定功率 用上述的潮流算 法可以算出给定负荷P总负 荷及光伏发电功率Ppv 情况下的微型燃气轮机所需发电功率PMT 4微电网效率计算与比较 用Matlab Simulink仿真微电网效率与线路 长度的关系曲线 仿真结果见图5 7 图中k为转 换效率系数 a为四线制直流系统 u为负荷系数 h为线路长度变化系数 开关频率fsw为20 kHz 输入原始数据 置迭代次数 导纳矩阵 设定初始值 利用公式 3 9 计算损耗 计算Sk 迭代式 13 至最后母线 计算 Vk Pk Cp Qk CQ 迭代次数 N 结束 否 否 更新 Vm 图4考虑转换损耗模型的高斯 赛德尔顺序潮流算法 Fig 4 Flow chart of improved Gauss Seidel flow algorithm considering conversion loss model 由图6可知 当负荷系数变大时 微电网的效 率先快速上升 负荷系数为0 4以后 效率缓慢增 长 环形交流微电网和树干式混合微电网效率曲 线几乎重合 负荷系数小于0 7 树干式交流微电 网的效率高于树干式直流微电网 由图7可知 转 换效率升高 各微电网的效率都有明显提高 因此 提高电压等级和提高转换效率都可以提高微电网 效率 对比图5和图8 储能元件的存在增加了充 放电过程中的线损 降低了微电网的效率 但是如 果不含储能元件 就必须增加微型燃气轮机的发 电功率 5结语 本文针对现有各种微电网拓扑结构 运用改 进的考虑转换损耗模型的微电网高斯 赛德尔顺 序潮流算法在Matlab Simulink中进行仿真 仿真 结果显示 环形直流微电网的效率最高 混合微电 网的效率高于直流微电网的效率 直流微电网的 效率高于交流微电网的效率 参考文献 1 鲁宗相 王彩霞 闵勇 等 微电网研究综述 J 电力系 统自动化 2007 31 19 100 107 2 BARNES M VENTAKARAMANAN G KONDOH J et al real world microgrids J Proceedings of the System of Systems Engineering 2007 4 16 18 3 FUNABASHI T YOKOYAMA R Microgrid field test ex periences in Japan A Proceedings of the Power En gineeringSocietyGeneralMeeting C Montreal IEEE 2006 18 22 4 ISE T Advantages and circuit configuration of a DC mi crogrid A Proceedings of the Montreal 2006 Sym posiumon Microgrids C Montreal IEEE 2006 1 20 5 KAKIGANO H MIURA Y ISE et al Basic sensitivity analysis of conversion losses in a DC Microgrid A Re newable Energy Research and Applications ICR ERA 2012 International Conference on Digital Object Identifier C Nagasaki IEEE 2012 1 6 6 KAKIGANO H NOMURA M ISE et al Loss evaluation of DC distribution for residential houses compared with ac system in proc A The 2010 International Power Electronics Conference C Sapporo IEEE 2010 480 486 7 涂志军 曹晔 李伟 等 一种新型高斯塞德尔算法在 电力系统潮流计算中的应用研究 J 江西科学 2010 28 6 807 813 8 刘阳华 吴政球 孤岛运行的微电网潮流计算方法研 究 J 电力系统保护与控制 2010 38 23 16 20 9 A SANNINO G POSTIGLIONE M H J BOLLEN Feasi bility of a DC network for commercial facilities J IEEE Transactions on Industry Applications 2003 39 5 171 杨焰 等基于改进高斯 赛德尔顺序潮流算法的微电网效率分析 00 51 01 52 02 5 微网效率 转换效率系数 0 98 0 94 0 90 00 51 01 52 02 5 0 95 0 80 0 65 微网效率 长度变化系数 环直 环交 混合 直流 交流 环直 混合 交流 直流 环交 00 51 01 52 02 5 0 98 0 92 0 86 微网效率 长度变化系数 00 51 01 52 02 5 0 98 0 92 0 84 微网效率 长度变化系数 环直 混合 交流 直流 环交 图5微网效率随线路长度变化曲线 Fig 5 Efficiency of microgrid varies with line length curve 图6微网效率随负荷系数变化曲线 Fig 6 Efficiency of microgrid varies with load factor curve 图7微网效率随转换效率系数变化曲线 Fig 7 Efficiency of microgrid varies with conversion efficiency coefficient 图8不含储能的微网效率随线路长度变化曲线 Fig 8 Efficiency of microgrid without energy storage varies with line length 环直 环交 混合 直流 交流 可再生能源2014 32 2 172 Efficiency analysis and comparison of microgrid based on improved Gauss Seidel power flow algorithm YANG Yan MIAO Hong ZENG Cheng bi HAN Min xiao LIU Xiao hao School of Electrical Engineering and Information Sichuan University Chengdu 610065 China Abstract According to all kinds of microgrid topologies using IGBT DIODE loss calculation model of conversion combined with the Gauss Seidel power flow algorithm a modified Gauss Seidel power flow algorithm which includes IGB

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