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多小水電接入型10kV配電網電壓電氣控制策略研究

  • 發布日期:2018-11-01
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本文是一篇碩士電氣工程論文,電氣工程一級學科是湖北省重點學科和特色學科,是國內一流建設學科,電力與新能源學科群是湖北省優勢特色學科群。學院擁有電氣工程一級學科博士點、控制科學與工程一級學科碩士點,具有電氣工程、控制工程專業學位型碩士點,具有電氣工程領域、控制工程領域工程碩士學位授予權。(以上內容來自百度百科)今天為大家推薦一篇碩士電氣工程論文,供大家參考。
 
1 緒論
 
1.1 課題研究的背景及意義
小水電(Small Hydro Power, SHP)是綠色清潔可再生的能源,它既不會像煤炭、石油等化石燃料存在枯竭的問題,也不會污染環境。2014 年 11 月聯合國發布:為了避免產生非常嚴重的后果,2100 年前全球實現零碳排放量。2016 年 9 月 G20 峰會期間,我國簽署了《巴黎協定》,根據協定,我國在 2050 年后,要實現凈零碳排放。目前,小水電的開發受到國家的高度重視,具有良好的發展前景。小水電開發是作為水利資源利用重要的組成部分,相比于其它清潔能源,具有運行方式靈活、經濟性強以及成熟的開發技術,同時也是統籌城鄉發展的重要措施。我國水資源分布廣泛、數量眾多,我國裝機容量 300MW 以上的大型水電站,已經建成大約 130 座,中型水電站(裝機容量 50MW-300MW)現已建成 400 余座。但是,大中型水電站大多建在大江大河,不利于向農村偏遠地區遠距離供電。所以國家水利部提出無電人口光明工程,在無電但是小水電資源非常豐富的地方,大力開發小水電,解決偏遠山區農民用電困難的問題。同時,通過開發小水電,推動農村電氣化發展,有效治理河流決堤,提高其防洪能力,進而貫徹落實國家部署的深化改造農村配網結構和改革農村水電管理制度的措施。我國發展小水電不僅解決能源資源匱乏、環境污染的問題,還能改善偏遠地區農民的生活水平以及促進經濟與生態環境的協調發展。所以,研究小水電接入配電網對電力系統的影響有非常重要的意義。
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1.2 10kV 配電網無功補償分析
 
1.2.1 配電網的分類
一般來說,配電網是指在電力系統中,銜接電源和終端用戶的重要部分,負責向用戶傳輸和分配電能,是保證電能質量和用戶供電水平的最重要的組成部分。配電網由架空線路、桿塔、電纜、配電變壓器、開關設備、無功補償電容等配電設備及附屬設施組成,它在電力網中的主要作用是分配電能。從配電網性質角度來看,配電網設備還包括變電站的配電裝置。配電網的分類如下:(1)按電壓等級分類,配電網可分為:高壓配電網(6-110kV);低壓配電網(0.4kV)。(2)按供電區域分類,配電網可分為:城市配電網;農村配電網;工廠配電網。(3)按電網功能分類,配電網可分為:主網(66kV 及以上);配網(35kV 及以下)。66kV(110kV)電網的主要作用是連接區域高壓(220kV 及以上)電網。35kV及以下配網的主要作用是為各個配電站和各類用戶提供電源。10kV 及以上電壓等級的高壓用戶直接由供電(農電)變電站高壓配電裝置以及高壓用戶專用線提供電源[2]。
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2 小水電接入配電網的理論研究
 
傳統配電網一般呈輻射狀或者樹狀,配電系統的潮流總是單向流動,由變電站節點流向饋線上的各個負荷節點。因此當未接入小水電時,配電網的電壓沿著線路末端方向逐漸降低。而當小水電并入配網時,配電網由輻射狀網絡變為多電源網絡,改變了配電網潮流的大小和方向,配電網各個節點的電壓將發生變化。所以,將對小水電接入配電網進行潮流分析,分析小水電的接入容量、位置對配電網的影響。
 
2.1 配電網潮流計算概述
本文配電網的潮流計算是電力系統無功電壓優化必不可少的組成部分,也是研究配電系統安全穩定運行的基礎。通過潮流計算,可以得到配電系統的功率分配以及各個負荷節點的電壓,保證電力系統的電能質量和供電可靠性。配電網潮流計算的方法主要包括母線類算法、支路類算法、牛頓類算法三類算法,接下來簡單介紹一下這幾類算法[33-34]。前推回代潮流算法(Backward/Forward Sweep Algorithm)對于輻射狀配電網潮流計算非常有效。由于配電網線路電阻值不可忽略,應用于輸電網的潮流計算方法不再有效。前推回代法非常適用于配電網任意節點到根節點只有唯一的路徑,該算法不需要進行大量的矩陣運算,所以具有存儲占內存少、計算速度快、對初值的選取要求不高、收斂特性接近線性等特點,正因為該算法的這些優點,對于大規模輻射狀配電網潮流計算該算法具有很好的有效性。圖 2.2 所示為前推回代法的潮流計算流程圖[36]。
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2.2 含小水電接入的配電網潮流分析
 
2.2.1 小水電接入配電網對系統電壓的影響
小水電并網后1U 電壓明顯抬升,抬升的多少,與并入小水電的容量是相關的,并且不同容量的小水電并入電網,會影響各個節點的電壓幅值。同時,由于輸電線路的阻抗與線路的長度相關,小水電接入的位置會對電壓損造成影響,進而各個節點的電壓幅值也會發生變化。根據分析可得,小水電接入配電網會改變原有系統的潮流流向,并且小水電接入配電網的容量和位置都會影響配電網各個節點的電壓幅值。傳統的配電網并沒有分布式電源的接入,而小水電的接入使得配電網的潮流分布發生改變,從而配電網的網絡損耗也發生了變化。從以下的公式中可以看出配電網的線路損耗與線路傳輸的視在功率的平方成正比,同時可以看出線路的阻抗與線路損耗也成正比關系。所以,可以通過減小線路的阻抗來降低線路損耗。當小水電在接近負荷的位置引入,負荷從配電網吸收的功率將大幅減少,從而線路的損耗也會降低。
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3 粒子群算法及其改進算法...........23
3.1 粒子群算法概述.........23
3.1.1 粒子群算法的發展 ............23
3.1.2 粒子群算法的基本原理......23
3.1.3 粒子群算法的參數設置......24
3.1.4 粒子群算法的流程.....25
3.2 改進粒子群算法.........27
3.3 本章小結............28
4 多小水電接入配電網無功電壓優化及算例分析..........29
4.1 含小水電接入配電網無功優化的基本概念..........29
4.2 含小水電接入配電網無功電壓優化的措施..........29
4.3 含小水電接入配電網無功優化的數學模型..........29
4.4 IEEE33 節點系統仿真的基本參數......31
4.5 IEEE33 節點系統無功優化及分析......32
4.6 本章小結............36
5 配電網中小水電站 SCADA 監控系統設計..........37
5.1 水電站控制系統結構設計...........37
5.2 系統硬件選擇....38
5.3 通信手段及其通信協議的選擇............41
5.4 系統工程運行案例.....43
5.5 本章小結............48
 
5 配電網中小水電站 SCADA 監控系統設計
 
5.1 水電站控制系統結構設計
重慶市雞冠石污水處理廠尾水電站和大多數電廠相同,采用 SCADA 電力監控系統實現電廠中數據的采集和監控,GPRS 技術實現和調度中心得信息交流。該 SCADA 系統采用 QT Creator 進行開發,該 IDE 采用 C++語言進行模塊化的編程手段。該設計使用了 SQL Server 數據庫,對該系統運行的歷史數據和實時數據進行處理,采用 OLE 技術和 ActiveX 控件。采用 Office 文檔自動生成文檔報表。該控制系統實現多種控制方法,能夠實現電力系統可靠的運行。該系統的主要模塊有以下幾個模塊:數據庫初始化、系統集成、調度工作臺、系統轉發、系統維護[59]。表 5.1 對各各模塊進行了詳細說明。該系統結構圖為電站內部網絡結構,由圖 5.1 可知,在機組 LCU 柜中有兩條通道,分別為通信管理機通道和機組 PLC 通道。通信管理機通道應用通信管理機實現了對交流采樣(電力儀表)、調速器、轉速儀、溫度巡檢儀、發電機電量、發電機保護、勵磁的有效數據的采集;機組 PLC 通道主要實現對電機設備的開停機及其電機運行過程中對有功無功的調節。
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結論
 
近來,全國性的霧霾問題日益嚴重,國家提出了節能減排工程,小水電作為綠色清潔能源,為保證中國農村偏遠地區的供電提供了強有力的支持,同時對于促進農村的經濟與生態環境協調發展有著顯著的作用。但是隨著大量小水電接入配電網,也帶來了諸多問題,小水電是季節性發電,豐水期大負荷時會引起配電網線路部分節點電壓越下限,并且小水電大部分沒有配置監視系統,難以對小水電進行遠程操控及維護。為此本文從多小水電接入配電網對系統的網損、電壓等方面進行了研究,具體內容如下:
(1)分析了小水電接入配電網的研究背景和意義。由于煤炭、石油等化石能源的枯竭以及全國性的污染問題越來越嚴重,迫切需要小水電、光伏等清潔能源的大量接入配電網改變如今的能源結構。介紹了小水電的發展現狀與前景以及小水電接入配電網的運行特點,并且介紹了配電網的分類、無功優化的意義、小水電無功電壓優化和無功優化算法的研究現狀。
(2)小水電接入對配電網影響的理論研究。對傳統配電網潮流計算方法的原理進行簡單闡述,并且建立了小水電接入配電網的理想數學模型,以 IEEE33 節點配電系統為算例進行仿真分析,得出一定容量的小水電靠近線路末端接入配電網,能夠有效的改善各個節點的電壓并且降低配電網系統的網絡損耗。
(3)對粒子群算法的發展以及原理進行了簡單介紹,根據粒子群算法的特點和缺陷,提出了考慮線性遞減慣性權重、收縮因子、動態加速因子的改進粒子群算法。接下來以配電網的網絡損耗最小為目標函數,考慮了小水電的無功出力以及機端電壓水平,建立了含小水電的配電網無功優化的數學模型。并且用改進粒子群算法對小水電接入配電網進行無功電壓優化,對不同數量的小水電接入配電網對系統的網損和電壓進行了仿真分析,結果表明,改進粒子群算法相比于粒子群算法收斂速度更快、尋求最優解更準確。最后證明,多小水電接入配電網對于降低配電網的網絡損耗更加有效,并且對于整個配網的電壓水平有明顯的提高。
(4)以重慶市雞冠石污水處理廠尾水電站為例,完成該小水電站的 SCADA 監控系統的設計,對小水電進行了遠程控制及調度。通過 Modbus 通信規約及 GPRS技術和調度中心進行信息交互,然后調度中心對各個子站的信息進行處理和存儲,并通過計算系統對各子站進行無功優化。
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