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多小水电接入型10kV配电网电压电气控制策略研究

  • 发布日期:2018-11-01
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本文是一篇硕士电气工程论文,电气工程一级学科是湖北省重点学科和特色学科,是国内一流建设学科,电力与新能源学科群是湖北省优势特色学科群。学院拥有电气工程一级学科博士点、控制科学与工程一级学科硕士点,具有电气工程、控制工程专业学位型硕士点,具有电气工程领域、控制工程领域工程硕士学位授予权。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士电气工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 课题研究的背景及意义
小水电(Small Hydro Power, SHP)是绿色清洁可再生的能源,它既不会像煤炭、石油等化石燃料存在枯竭的问题,也不会污染环境。2014 年 11 月联合国发布:为了避免产生非常严重的后果,2100 年前全球实现零碳排放量。2016 年 9 月 G20 峰会期间,我国签署了《巴黎协定》,根据协定,我国在 2050 年后,要实现净零碳排放。目前,小水电的开发受到国家的高度重视,具有良好的发展前景。小水电开发是作为水利资源利用重要的组成部分,相比于其它清洁能源,具有运行方式灵活、经济性强以及成熟的开发技术,同时也是统筹城乡发展的重要措施。我国水资源分布广泛、数量众多,我国装机容量 300MW 以上的大型水电站,已经建成大约 130 座,中型水电站(装机容量 50MW-300MW)现已建成 400 余座。但是,大中型水电站大多建在大江大河,不利于向农村偏远地区远距离供电。所以国家水利部提出无电人口光明工程,在无电但是小水电资源非常丰富的地方,大力开发小水电,解决偏远山区农民用电困难的问题。同时,通过开发小水电,推动农村电气化发展,有效治理河流决堤,提高其防洪能力,进而贯彻落实国家部署的深化改造农村配网结构和改革农村水电管理制度的措施。我国发展小水电不仅解决能源资源匮乏、环境污染的问题,还能改善偏远地区农民的生活水平以及促进经济与生态环境的协调发展。所以,研究小水电接入配电网对电力系统的影响有非常重要的意义。
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1.2 10kV 配电网无功补偿分析
 
1.2.1 配电网的分类
一般来说,配电网是指在电力系统中,衔接电源和终端用户的重要部分,负责向用户传输和分配电能,是保证电能质量和用户供电水平的最重要的组成部分。配电网由架空线路、杆塔、电缆、配电变压器、开关设备、无功补偿电容等配电设备及附属设施组成,它在电力网中的主要作用是分配电能。从配电网性质角度来看,配电网设备还包括变电站的配电装置。配电网的分类如下:(1)按电压等级分类,配电网可分为:高压配电网(6-110kV);低压配电网(0.4kV)。(2)按供电区域分类,配电网可分为:城市配电网;农村配电网;工厂配电网。(3)按电网功能分类,配电网可分为:主网(66kV 及以上);配网(35kV 及以下)。66kV(110kV)电网的主要作用是连接区域高压(220kV 及以上)电网。35kV及以下配网的主要作用是为各个配电站和各类用户提供电源。10kV 及以上电压等级的高压用户直接由供电(农电)变电站高压配电装置以及高压用户专用线提供电源[2]。
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2 小水电接入配电网的理论研究
 
传统配电网一般呈辐射状或者树状,配电系统的潮流总是单向流动,由变电站节点流向馈线上的各个负荷节点。因此当未接入小水电时,配电网的电压沿着线路末端方向逐渐降低。而当小水电并入配网时,配电网由辐射状网络变为多电源网络,改变了配电网潮流的大小和方向,配电网各个节点的电压将发生变化。所以,将对小水电接入配电网进行潮流分析,分析小水电的接入容量、位置对配电网的影响。
 
2.1 配电网潮流计算概述
本文配电网的潮流计算是电力系统无功电压优化必不可少的组成部分,也是研究配电系统安全稳定运行的基础。通过潮流计算,可以得到配电系统的功率分配以及各个负荷节点的电压,保证电力系统的电能质量和供电可靠性。配电网潮流计算的方法主要包括母线类算法、支路类算法、牛顿类算法三类算法,接下来简单介绍一下这几类算法[33-34]。前推回代潮流算法(Backward/Forward Sweep Algorithm)对于辐射状配电网潮流计算非常有效。由于配电网线路电阻值不可忽略,应用于输电网的潮流计算方法不再有效。前推回代法非常适用于配电网任意节点到根节点只有唯一的路径,该算法不需要进行大量的矩阵运算,所以具有存储占内存少、计算速度快、对初值的选取要求不高、收敛特性接近线性等特点,正因为该算法的这些优点,对于大规模辐射状配电网潮流计算该算法具有很好的有效性。图 2.2 所示为前推回代法的潮流计算流程图[36]。
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2.2 含小水电接入的配电网潮流分析
 
2.2.1 小水电接入配电网对系统电压的影响
小水电并网后1U 电压明显抬升,抬升的多少,与并入小水电的容量是相关的,并且不同容量的小水电并入电网,会影响各个节点的电压幅值。同时,由于输电线路的阻抗与线路的长度相关,小水电接入的位置会对电压损造成影响,进而各个节点的电压幅值也会发生变化。根据分析可得,小水电接入配电网会改变原有系统的潮流流向,并且小水电接入配电网的容量和位置都会影响配电网各个节点的电压幅值。传统的配电网并没有分布式电源的接入,而小水电的接入使得配电网的潮流分布发生改变,从而配电网的网络损耗也发生了变化。从以下的公式中可以看出配电网的线路损耗与线路传输的视在功率的平方成正比,同时可以看出线路的阻抗与线路损耗也成正比关系。所以,可以通过减小线路的阻抗来降低线路损耗。当小水电在接近负荷的位置引入,负荷从配电网吸收的功率将大幅减少,从而线路的损耗也会降低。
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3 粒子群算法及其改进算法...........23
3.1 粒子群算法概述.........23
3.1.1 粒子群算法的发展 ............23
3.1.2 粒子群算法的基本原理......23
3.1.3 粒子群算法的参数设置......24
3.1.4 粒子群算法的流程.....25
3.2 改进粒子群算法.........27
3.3 本章小结............28
4 多小水电接入配电网无功电压优化及算例分析..........29
4.1 含小水电接入配电网无功优化的基本概念..........29
4.2 含小水电接入配电网无功电压优化的措施..........29
4.3 含小水电接入配电网无功优化的数学模型..........29
4.4 IEEE33 节点系统仿真的基本参数......31
4.5 IEEE33 节点系统无功优化及分析......32
4.6 本章小结............36
5 配电网中小水电站 SCADA 监控系统设计..........37
5.1 水电站控制系统结构设计...........37
5.2 系统硬件选择....38
5.3 通信手段及其通信协议的选择............41
5.4 系统工程运行案例.....43
5.5 本章小结............48
 
5 配电网中小水电站 SCADA 监控系统设计
 
5.1 水电站控制系统结构设计
重庆市鸡冠石污水处理厂尾水电站和大多数电厂相同,采用 SCADA 电力监控系统实现电厂中数据的采集和监控,GPRS 技术实现和调度中心得信息交流。该 SCADA 系统采用 QT Creator 进行开发,该 IDE 采用 C++语言进行模块化的编程手段。该设计使用了 SQL Server 数据库,对该系统运行的历史数据和实时数据进行处理,采用 OLE 技术和 ActiveX 控件。采用 Office 文档自动生成文档报表。该控制系统实现多种控制方法,能够实现电力系统可靠的运行。该系统的主要模块有以下几个模块:数据库初始化、系统集成、调度工作台、系统转发、系统维护[59]。表 5.1 对各各模块进行了详细说明。该系统结构图为电站内部网络结构,由图 5.1 可知,在机组 LCU 柜中有两条通道,分别为通信管理机通道和机组 PLC 通道。通信管理机通道应用通信管理机实现了对交流采样(电力仪表)、调速器、转速仪、温度巡检仪、发电机电量、发电机保护、励磁的有效数据的采集;机组 PLC 通道主要实现对电机设备的开停机及其电机运行过程中对有功无功的调节。
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结论
 
近来,全国性的雾霾问题日益严重,国家提出了节能减排工程,小水电作为绿色清洁能源,为保证中国农村偏远地区的供电提供了强有力的支持,同时对于促进农村的经济与生态环境协调发展有着显著的作用。但是随着大量小水电接入配电网,也带来了诸多问题,小水电是季节性发电,丰水期大负荷时会引起配电网线路部分节点电压越下限,并且小水电大部分没有配置监视系统,难以对小水电进行远程操控及维护。为此本文从多小水电接入配电网对系统的网损、电压等方面进行了研究,具体内容如下:
(1)分析了小水电接入配电网的研究背景和意义。由于煤炭、石油等化石能源的枯竭以及全国性的污染问题越来越严重,迫切需要小水电、光伏等清洁能源的大量接入配电网改变如今的能源结构。介绍了小水电的发展现状与前景以及小水电接入配电网的运行特点,并且介绍了配电网的分类、无功优化的意义、小水电无功电压优化和无功优化算法的研究现状。
(2)小水电接入对配电网影响的理论研究。对传统配电网潮流计算方法的原理进行简单阐述,并且建立了小水电接入配电网的理想数学模型,以 IEEE33 节点配电系统为算例进行仿真分析,得出一定容量的小水电靠近线路末端接入配电网,能够有效的改善各个节点的电压并且降低配电网系统的网络损耗。
(3)对粒子群算法的发展以及原理进行了简单介绍,根据粒子群算法的特点和缺陷,提出了考虑线性递减惯性权重、收缩因子、动态加速因子的改进粒子群算法。接下来以配电网的网络损耗最小为目标函数,考虑了小水电的无功出力以及机端电压水平,建立了含小水电的配电网无功优化的数学模型。并且用改进粒子群算法对小水电接入配电网进行无功电压优化,对不同数量的小水电接入配电网对系统的网损和电压进行了仿真分析,结果表明,改进粒子群算法相比于粒子群算法收敛速度更快、寻求最优解更准确。最后证明,多小水电接入配电网对于降低配电网的网络损耗更加有效,并且对于整个配网的电压水平有明显的提高。
(4)以重庆市鸡冠石污水处理厂尾水电站为例,完成该小水电站的 SCADA 监控系统的设计,对小水电进行了远程控制及调度。通过 Modbus 通信规约及 GPRS技术和调度中心进行信息交互,然后调度中心对各个子站的信息进行处理和存储,并通过计算系统对各子站进行无功优化。
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