电流注入型NR潮流算法不同PV节点模型在潮流分析应用中的对比研究文献综述

 2022-11-20 15:28:02

文献综述(或调研报告):

电力系统的潮流计算是一种基本的电气计算,主要运用于研究电力系统的稳态运行状况。只要依据网络拓扑中各节点的检测数据,通过潮流计算就可以确定整个系统运行的状态,比如母线节点上的电压幅值与相位、网络中的功率分布等。电力系统的潮流计算为电力系统的故障分析、经济成本分析提供了坚实的基础。

最早期建立电网的时候,由于电网中母线较少,需要测量的节点数目少,电网结构简单,人们通常使用比较简单的前推回代算法,进行人工计算。而后,随着用电设备的逐渐增多,电网规模不断扩大,国家中的各个小电网开始连接到一起。前推回代算法开始逐渐不能适应电网中多节点多环网的环境,于是,便兴起了另一种能对多节点环网进行计算的潮流计算方式——高斯-赛德尔迭代法。

高斯赛德尔迭代法是数学上著名的代数方程求解方法,主要用于求解线性代数方程式。高斯赛德尔迭代法在电网潮流计算中一般以电压作为计算目标,根据节点的导纳方程进行多次迭代运算,从而得到较为准确的电压解。但是由于高斯赛德尔迭代法收敛性相当差,在实际运用中效果不佳。

在人们使用了一段时间高斯赛德尔法后,由于计算机得到了飞越式的发展,内存与计算速度慢不再成为对多节点电网计算的问题,人们转而使用以节点阻抗形式表达的逐次迭代法。这种迭代方法的矩阵是满矩阵,因此每次计算的量非常大,所占内存也颇巨。然而,随着电网的进一步扩大,阻抗迭代法计算速度慢的弊端逐渐暴露,人们开始思考一种新的方案以实现电网的计算——牛顿拉夫逊法。

牛顿拉夫逊法起源于线性化求解非线性方程的一种计算方法——牛顿法。牛顿法最初由艾萨克·牛顿于1736年在 Method of Fluxions 中公开提出,而事实上方法此时已经由Joseph Raphson于1690年在Analysis Aequationum中提出。牛顿法是一种用于对方程实部与虚部进行求解的方法,是一种利用泰勒展开使非线性方程转变为线性方程,从而进行逼近求解的方法。牛顿拉夫逊计算方法的引入,使导纳矩阵重新获得了重视。同时,由于导纳矩阵为稀疏矩阵,使得利用牛顿拉夫逊法求解问题的计算效率大幅提高。

但是,随着电网的进一步扩大,由于常规牛顿拉夫逊在计算过程中要求形成迭代方程并且每计算一次都需要更新雅克比矩阵,导致常规牛顿拉夫逊算法在实时计算方面逐渐不能满足电网需求。人们开始探索新的计算方法,以满足快速潮流计算的要求。于是,注入电流型的牛顿拉夫逊法被提出(以下简称电流牛拉法)。

电流牛拉法利用电流不平衡量作为牛顿法的计算因素,从而简化了方程中的系数矩阵,使得系数矩阵能够分为不变的部分与变化的部分两块同时,对于不变的部分不需要进行重复计算,对于变的部分需要每次迭代更新计算,但有时也可以进行有条件的省略,这种做法使得潮流计算的效率大大提升。但是由于电流牛拉法的计算因素的电流不平衡量,而电网中的PV节点因为检测数据不足,无法直接得到准确的电流不平衡量。因此,电气行业的许多学者提出了许多不同的PV模型,用以对电流牛拉法进行完善和补充。

在被提出的PV模型中,有一类较为简单的模型[1-4]。因为PV节点提供的测量量不能满足计算电流不平衡量的条件,而电网中PV节点的数量相对较少,所以PV节点直接使用原牛顿拉夫逊方法计算。这虽然是一种比较简单的办法,但是对于部分电网模型,采用原牛顿拉夫逊算法对PV模型进行计算,同样可以达到比原方法更快的计算速度。

有一类直角坐标系表示的PV模型[4-5]则是利用PV节点测量电压幅值V与其无功功率Q的一定关系,获得一个变换方程。使Q作为状态变量,电压不平衡量作为计算值。从而可以获得一个分块的系数矩阵,矩阵中同样具有电流牛拉法部分不变的特性。但是,由于变换方程的引入,矩阵中加入了PV节点的修正变换方程,使得矩阵的存贮量与计算量变多了。但由于系数矩阵增加的部分高度稀疏,采用稀疏技术后,增加的存贮量和计算量并不明显,在处理PV节点与PQ节点相互转换时非常方便。

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