基于节点电势法的舰船电力系统潮流计算方法.pdf

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1、基于节点电势法的舰船电力系统潮流计算方法第六图书馆针对舰船电力系统中非线性负载尤其是异步电动机负载较多,且发电机组数量多、容量小,需考虑其功率分配关系等特点,提出基于节点电势法的潮流计算改进算法。利用此算法对一个8节点的典型舰船电力系统模型进行计算,并通过Matlab软件仿真予以验证。结果表明,该算法具有计算精度高、收敛速度快等特点。针对舰船电力系统中非线性负载尤其是异步电动机负载较多,且发电机组数量多、容量小,需考虑其功率分配关系等特点,提出基于节点电势法的潮流计算改进算法。利用此算法对一个8节点的典型舰船电力系统模型进行计算,并通过Matlab软件仿真予以验证。结果表明,该算法具有计算精度

2、高、收敛速度快等特点。潮流计算 舰船电力系统 非线性 节点电势法 异步电动机船海工程冀欣 张晓锋海军工程大学电气与信息工程学院,武汉4300332007第六图书馆第六图书馆第 3 6卷第 5 期 2 0 0 7 年 l O月 船 海 工 程 S HI P&OCEAN ENGI NEERI NG Vo l|3 6 No 5 0c t 2 0 0 7 文章编号：1 6 7 1 7 9 5 3(2 0 0 7)0 5 0 1 3 2 0 4 基于节点 电势法 的舰船电力系统潮流计算方法 冀欣。张晓锋(海军_7-程大学 电气与信 息_7-程 学院 武汉 4 3 0 0 3 3)摘要：针对舰船电力系统中

3、非线性负载尤其是异步电动机负载较多，且发电机组数量多、容量小，需考虑 其功率分配关系等特点，提出基于节点电势法的潮流计算改进算法。利用此算法对一个 8 节点的典型舰船电力 系统模型进行计算，并通过 Ma t l a b软件仿真予以验证。结果表明，该算法具有计算精度高、收敛速度快等特点。关键词：潮流计算；舰船电力系统；非线性；节点电势法；异步电动机 中图分类号：T P 2 1 文献标识码：A A p o we r f l o w c a l c u l a t i o n a l g o r i t h m f o r s h i pb o a r d p o we r s y s t e m

4、b a s e d o n t h e no d e v o l t a g e m e t h o d J IXi n，Z I t ANG Xi a o-f e n g (S c h o o l o f El e c t r i c a n d I n f o r m a t i o n En g i n e e r i n g，Na v a l U n i v e r s i t y o f En g i n e e r i n g，W u h a n 4 3 0 0 3 3，Ch i n a)Ab s t r a c t：I n t h e s h i p b o a r d p o w

5、e r s y s t e m，t h e r e a r e ma n y n o n l i n e a r l o a d s，e s p e c i a l l y i n t h e a s y n c h r o n o u s mo t o r s，a n d i t h a s a n d i t h a s l o t s o f g e n e r a t o r s o f l o w c a p a b i l i t y，wh i c h ma k e s t h e r e l a t i o n s h i p o f p o we r d i s t r i b

6、 u t i o n t o b e c o n s i d e r e d Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r s o f t h e s h i p b o a r d p o we r s y s t e m，a n i mp r o v e d p o we r f l o w c a l c u l a t i o n a l g o r i t h m b a s e d o n t h e n o d e v o l t a g e me t h o d i s p r o p o s e d Th i s a l g o r

7、 i t h m i s u t i l i z e d t o s o l v e a t y p i c a l s h i p b o a r d p o we r s y s t e m wi t h 8 n o d e s，a n d t h e s o l u t i o n i s p r o v e d b y t h e s i mu l a t i o n o f Ma t l a b Th e r e s u l t s h o ws t h a t t h i s a l g o r i t h m h a s t h e t r a i t s o f h i g h

8、 a c c u r a c y a n d f a s t c o n v e r g e n c e Ke y wo r d s：po we r f l o w c a l c u l a t i o n；ma r i n e p o we r s y s t e m；n o n l i n e a r n o d e v o l t a g e me t h o d；a s y n c h r o n o u s mo t o r 舰船电力系统网络 的电压等级低，输 电线路 电气距离较短，供配电网络需 一齐考虑；同时，系 统的非线性负载较多，其中以电动机负载为主，网 络具有明显的非线性性

9、；另外，系统中电站的数量 较多且其容量有限，需考虑各发电机组之间的功 率分配关系。由于各种因素 的限制，无法设置足 够的传感器来监视各节点以及负载的电压、电流 状态，因此，需要寻求一种适用于舰船电力 网络的 潮流计算方法。本文所提出的基于节点电势法的 潮流计算改进算法能够较好解决上述 问题，并能 在需要调整各发 电机组的功率分配系数时，为其 提供可靠的参数依据。l 基于节点电势的潮流计算方法 1 1 网络拓扑表达 节点一 支路关联矩阵可 以反映整个网络中元 收稿 日期：2 0 0 6 1 0 1 1 修回日期：2 0 0 7 0 3 2 9 作者简介：冀欣(1 9 8 2 一)，男，硕士生。1

10、 32 件 的联接情况，为了便于拓扑识别和计算，需对节 点及支路进行编号和对支路进行分层。根据舰船电力 网络 自身的特点，采用文献E l i 的扩展关联矩阵法，具体方法为：从 0号电站的根 节点开始进行广度优先搜索，节点的编号按照由 顶及下顺序进行编号；支路由左至右顺序编号，同 时，由顶及下将支路进行编号分层，当对 0号电站 下的节点及支路 编号分层完毕后，对 1号电站重 复同样的操作，最后将 电站 问的跨接线依次编入 新的层。图 1 为一双电站电力 系统的网络结构，图 2 为对图 1中节点及支路进行编号和分层后的示意 图。图 1 双电站电力系统 网络结构图 维普资讯 http:/ http:

11、/ 第六图书馆第六图书馆基于节点电势法的舰船电力系统潮流计算方法冀欣，张晓锋 7Y IL 。厶 、一 s，J，L 1 1 8 1 J 9 21 身 ：易 第0 层 第1 层 第2 层 第3 层 第4 层 第5 层 第6 层 第7 层 一 图 2 节点支路编号及支路分层示意 图 最后形成节点 支路关联矩阵 C，r 1厂 C。：0 C O，。CI,O J 从图 1、2中可以清晰地看到各电站 内部及其 之间的节点支路关联关系。1 2 计算方法 1 2 1 第 k步迭代中的计算步骤及计算原理 对系统中各参数采用标幺值。已知条件为系 统 中各元件 的静态参数 及网络 的拓扑结构、0号 发电机组 的端 口

12、电压(设为 1 0。)、各发电机组 问的功率分配系数、各电动机转子的输出功率，并 且 由于电动机负载的非线性性，将电动机支路与 发电机支路均作为电流源处理。1)计算静态支路上消耗的总功率。静态支路上消耗的总功率为：丁 l I l 一R bi 1)-()i=0 一 0 一(l)(j I 1)*一(U”)y(U”)(2)式中：；支路 上所消耗 的复功率；、；按 照支路 i 的参 考 方 向 所 得 的压降及上面流过的电 流；”、支路电压及电流向量；U、j 节点电压及电流向量。2)计算 电动机支路上的负载 电流及其 消耗 的功率。将异步 电动机所带 负载作为恒功率 负载处 理。也可根据电动机的具体机

13、械特性设定其所等 效的负载类型。已知异步电动机折算到定子端的简化后的 T 形等效电路，见图 3。定子端后的转子绕组 电阻及转子 绕组 漏抗；、z 励 磁 电阻及励磁电抗；r 转差率；1定子端相电压。图 3 异步电动机简化等值 电路图 电阻 r 上消耗的功率即为转子转轴输出 的功率，因而可 由方程(3)计算 出转差率 S，且根 据异步电动机的机械特性，方程所得 的两个解 中 数值较小的一个为可行解。iv1 X 2 l+(z +)l z 式 中：P。已知的电动机转子转轴的输出功率。由 S 及电动机的 T形等效电路得到电动机支 路的等效阻抗为：一 L(4)e0一 一 L4 r +(z +z )电动机

14、支路的负载 电流为：(k 1)一-(5)支路上消耗的复功率为：；”一 一”(；”)(6)式中：Z e q,s s 号电动机支路的等效阻抗。3)计算发电机支路的输出电流。系统消耗的总功率为：j =j +j (7)由各发动机组间的功率分配关系，得到其输 出电流为：I 一 二 ：()一 墨 ：垦!垒 ：(_。)(8)式中：k 、是 r 号发电机组的有功功率和无功 功率的分配系数；1 3 3 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆基于节点电势法的舰船电力系统潮流计算方法冀欣，张晓锋 r号发电机组的输出电流。4)计算新的节点电压。各节点注入 电流为：；一 一(9)r(-2 式中：r

15、i、5 i 一一第 r 号发 电机支路和第 5 号 电动机支路分别与节点 i 相 连。新的节点电压为：U 一Y 2 r,1 卜”(1 0)为了避免对矩阵 的求逆，同时为了提高迭 代过程 中的收敛速度，采用高斯迭代 法 j 求解节 点电压向量：一 r 1 ，r 1 一 川 一 1 L ，L Y “L 一 0 ，一 r (11)式 中：Y 一 中第 i 行第 J列的元素。5)判断是否满足收敛条件 1。ma x 玉 一(k-”1(1 2)若不满足，则返 回到步骤 1)，继续迭代。6)判断是否满足收敛条件 2。l 一1 O)(1 4)0 将参考节点 电压 赋值为 1 0。，再将 作为 初始值，返回到步

16、骤 1)，继续迭代，直至结果收敛。1 2 2 改进后的算法 也可对步骤 3)作少许改动，而得到改进后 的 算法。其具体方法是将电动机支路作为参数可变 的静态负载处理，其参与节点导纳阵的形成，而不 作为电流源处理。每一步迭代时，根据上一次迭 代 中的计算结果 卜”计算 出电动机支路此时所 对应的等效阻抗，然后重新形成节点导纳矩阵。并且，在步骤 4)中求节点注入电流 时不再 计入电动机支路的负载电流。此改动本质上与原算法差别在于：原算法是 利用上一次迭代计算得到的节点电压”计算 电动机支路 的负载电流：J 一 厂(一”)(1 5)1 3 4 而改进后的算法则是利用本次迭代计算得到 的新的节点电压

17、来计算 电动机支路的负载 电流：，一 厂()(1 6)式中：_厂()节点 电压与 电动机 支路负载 电流 之间的函数关系。因而改进后的算法较原算法具有更快的收敛 速度，但由于每次迭代都需重新形成节点导纳 阵 并对其求逆，导致计算量显著增加。2 算例 分析 文献-3 3 根据大型舰船电力系统特点，整定 了 一套具有代表性的系统网络模型，对其进行简化后 得到 1 2节点的电力系统网络模型，见图 4。L 一 电站间跨接 线；M-异步 电动机；I-静态 负载；G-发 电机组；F-各级母线间馈线；下标一 元件编号。图 4 典型舰船电力系统网络结构模型 各元件具体参数见表 1、2，各数采用标 幺值。表 1

18、 系统静态元件参数表 元件类型 阻抗 F(O 8)L(O 2)J(O 5)0 0 02 0 01 0 8 0 0 0+6 0 0 0 表 2 异步 电动机静 态参数表 电动机 定王绕组 王缝塑 励磁转子额定 编号电阻 漏抗 电阻 漏抗电抗输出功率 0，2 01 0 9 0 08 5 0 08 5 0 43 0 8 22 0 0 2 00 1，3 0 08 8 0 30 0 0 06 8 0 34 3 6 5 8 0 0 2 00 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆基 丁节点 电势法 的舰船 电力 系统潮 流计算方法冀欣，张晓锋 2 1 仿真方法及步骤 以 Ma t l

19、a b做为试验环境，应用上述所建网络 模型，系统的运行状态进行仿真，并将结果与本文 中算法及其改进后算法的计算结果进行 比较，以 检验其计算方法的准确性。1)将 0号发电机 的出 口端 电压作为参考电 压，其数值设 定为 1 0。，各发 电机 组问 的有功、无功功率分配系数设定为 0 1 6 6 6 6，各 电动机转 子的输 出功率均设定为 0 2；2)收敛条件中的 e 、e：均设定为 1 0；3)跨接线 L 所在的断路器断开，其他各元 件 的断路器闭合，以保证系统的开环运行；4)计算系统 的各节点 的电压及各元件上 的 电流，并仿真 以验证。2 2仿真结果 表 3 各元件电流计算结果 元件及

20、 亘 真一 苴 电垫篁 篁选 编号 电流值 电流值 误差 电流值 误差 1)各元件上 的电流有效值及其与仿真 的比 较结果见表 3，利用本文算法及其改进后算法得 到的 结 果 与 仿 真 结 果 之 间 的 平 均 误 差 均 为 0 9 0 3 ；2)各节点 的电压有效值及其与仿真 的比较 结果见表 4，利用本文算法及其改进后算法得到 的结果与仿真结果之问的平均误差均为0 2 7 7 。可见，计算结果与仿真结果非常吻合，具有较 高的精确度，充分体现了本文基于节点 电势法的 潮流计算方法及其改进算法的准确性。表 4 节点电压计算结果 节占 真 堇 皇塑篁法 选 篁法 电压值 电压值误差 电压值误差 3 结 束语 基于节点电势法的舰船电力系统潮流计算算 法及其改进算法具有计算精度高、收敛速度快、易 于编程等特点，对于舰船电力 系统的分析具有较 高的实用价值。参考文献 1 杨秀霞，张晓锋，张毅 独立电力网络拓扑分析及其 在故障恢复中的应用 J 电力 自动化设备，2 0 0 5，2 5 (5)：1 0 1 4 2 李庆扬，关治，白峰杉 数值计算原理E M 北京：清 华大学 出版社，2 0 0 0 3 杨秀霞 大型舰船电力网络故障恢复研究 D_ 武汉：海军工程大学，2 0 0 4 1 3 5 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆