負荷模型對電力系統動態穩定的影響①

鄒德旭， 賀仁睦， 司大軍

(1.華北電力大學與云南電網研究生工作站， 昆明 650217； 2.華北電力大學電氣與電子工程學院， 北京 100085； 3.云南電力試驗研究院(集團)有限公司， 昆明 650217)

負荷模型對電力系統動態穩定的影響①

鄒德旭1， 賀仁睦2， 司大軍3

(1.華北電力大學與云南電網研究生工作站， 昆明 650217； 2.華北電力大學電氣與電子工程學院， 北京 100085； 3.云南電力試驗研究院(集團)有限公司， 昆明 650217)

隨著大區電網的互聯，低頻振蕩在我國電力系統中已成為突出的問題。本文研究電力系統的負荷模型對電力系統動態穩定的影響。通過搭建單機無窮大系統，理論上研究送端負荷分別采用恒功率，恒電流及恒阻抗模型時，分析其與自動電壓調節器及電力系統穩定器的相互作用對電力系統動態穩定的影響。通過對一個兩區域四機系統的典型實例，利用PSD-BPA4.0版中小擾動程序對其進行仿真研究分析，結果表明，當電力系統進安裝AVR的情況下，送端負荷采用恒功率模型，更有利于系統的穩定；當系統安裝PSS的情況下，送端采用恒阻抗模型更有利于系統穩定。

負荷模型； 動態穩定； 自動電壓調節器； 電力系統穩定器

隨著電網規模的擴大和大區電網之間的互聯，電力系統的小干擾穩定性問題越來越突出。低頻振蕩在我國電力系統中仍然是突出的問題，并隨著我國大區電網互聯而更加凸現出來。

電力系統的主要元件有發電機、負荷和電力網絡，電力負荷模型對電力系統穩定性的計算結果影響較大[1～5]。文獻[6]指出當降低地區負荷對電壓的靈敏度時，如果該地區在送端，則聯絡線的傳輸功率極限將提高；反之，若該地區在收端，則聯絡線的傳輸功率極限將降低。但是當美國西部電網WSCC(western systems coordinating council)動態數據庫不能重現1996年8月10日大系統事故時，研究人員最后修改了功率送出端(加拿大側)的負荷模型，即從原來的恒電流模型改為恒功率模型，才仿真得到與實測比較接近的振蕩曲線[7]。文獻[7]從PSS輸入信號及輸出相位、幅值大小研究負荷模型對電力動態系統穩定的影響，通過分析表明由于PSS的影響導致原來認為保守的負荷模型變得樂觀了。

本文采用靜負荷特性分析送端負荷模型與自動電壓調節器AVR(automatic voltage regulation)及電力系統穩定器PSS(power system stabilizer)的相互作用對電力系統動態穩定的影響。研究基于特征值分析的方法，計算程序采用中國電力科學研究院的PSD-BPA4.0版程序。

1 負荷靜特性對電力系統穩定影響的原理

圖1所示為單機無窮大系統。

圖1 單機無窮大系統

(1)

拉普拉斯算子。當負荷接在送端時，PE=P1+PL。送端的負荷模型分別采用恒功率、恒電流以及恒阻抗模型。

靜態負荷模型為

(2)

P0、Q0分別為穩態運行時系統的負荷的有功與無功，np=nq=0，表示恒功率模型；np=nq=1，表示恒電流模型；np=nq=2，表示恒阻抗模型。

(3)

將式(2)代入式(3)，線性化可得

ΔPE=K1ΔUt+K2Δδ

(4)

設Δδ-Δθ=KΔδ，則有

式中Ut0、U0、δ0、θ0為系統穩態運行時的量。

設

Ut=Ud+jUq

(5)

因為

(6)

而

(7)

因為

ΔId=ΔIL,d+ΔILoad,d

(8)

(9)

推導得

(10)

(11)

將式(9)和式(10)代入式(7)得

(12)

將式(11)與式(6)代入式(5)得

(13)

由上面可見，K2、K4與K6的值與負荷模型沒有關系，但K1、K3與K5的值與負荷模型有關系。

1.1負荷模型與AVR相互作用對動態穩定影響

AVR對電力系統轉矩的影響為

(14)

因為ΔPE≈ΔTE[7]，則有

(15)

由上面的分析可以看出，當送端機組僅裝AVR時，恒功率的負荷模型的阻尼轉矩最大，恒電流次之，恒阻抗最差。

1.2負荷模型與PSS相互作用對動態穩定影響

當勵磁系統加裝PSS后，假設PSS的傳遞函數為Gpss(p)，輸入信號選用Δω，因為

(16)

推導得到由PSS增加的系統的轉矩為

ΔTE=

(17)

從上面的分析可以看出，當勵磁系統加裝PSS后，若PSS的參數設計合理，由PSS而增加的系統的阻尼轉矩恒阻抗最大，恒電流次之，恒功率最差。

2 算例分析

系統的單線圖如圖2所示，該系統有兩個對稱的區域組成，每個區域有兩臺容量為600 MW的同步發電機。區域1與區域2的負荷分別為980 MW和1350 MW，區域1向區域2送電210 MW。

圖2 兩區域四機系統圖

系統條件如下：

(1)發電機模型，本次研究采用考慮次暫態過程的、變化的詳細模型；

(2)勵磁系統模型，采用自并勵勵磁系統模型；

(3)PSS模型，采用PSS-2A模型。

通過小擾動程序計算發現，送端負荷模型的變化對區域間的振蕩模式的影響比較大，對區域內振蕩模式的影響較小。其主要原因是，區域間的電氣距離較大，即XL的值較大，由前一章計算的各個系數的結果可以看出，此時負荷模型的變化對K1、K3與K5的值影響較大；而區域內的振蕩XL值較小，此時負荷模型的變化對K1、K3與K5的值影響較小。為了節省篇幅，計算結果僅列出區域間的振蕩模式。

表1 送端發電機無勵磁系統振蕩模式

表2 送端發電機安裝AVR振蕩模式

表1～表3分別給出了送端機組無勵磁系統，送端機組安裝AVR及勵磁系統加裝PSS時系統的振蕩模式，在此計算過程中受端機組一直裝有勵磁系統并加裝PSS。

表3 送端發電機勵磁系統加裝PSS系統振蕩模式

從表1～表3的結果可以看出，送端機組不安裝勵磁系統時，送端采用恒阻抗負荷模型最有利于系統動態穩定，恒電流次之，恒功率最差；送端發電機安裝AVR后，系統的阻尼減弱，此時送端采用恒功率負荷模型最有利于系統動態穩定，恒電流次之，恒阻抗最差；若送端機組的勵磁系統加裝PSS后，系統的阻尼后增強，此時送端采用恒阻抗負荷模型最有利于系統動態穩定，恒電流次之，恒功率最差。此結果與上章的推理吻合。

3 結論

(1)當送端機組安裝快速勵磁系統時，自動電壓調節器(AVR)無論送端采用何種靜態負荷模型，系統的阻尼都會降低，但是采用恒功率模型時，系統阻尼降低的最少，恒電流次之，恒阻抗最多，此時送端采用恒功率模型更有利于電力系統的穩定。

(2)當送端機組的勵磁系統加裝PSS后，無論送端采用何種靜態負荷模型，系統的阻尼都會加強，而采用恒阻抗的負荷模型時，系統的阻尼增加的最多，恒電流次之，恒功率最差，此時送端采用恒阻抗模型更有利于系統的穩定。

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EffectsofLoadModelonDynamicStabilityinPowerSystem

ZOU De-xu1， HE Ren-mu2， SI Da-jun3

(1.North China Electric Power University & Yun Nan Power Grid Graduate Workstation, Kunming 650217, China; 2.School of Electrical & Electronic Engineering,North China Electric Power University, Beijing 100085, China; 3.Yunnan Electric Power Test & Research Institute Group Company Limited, Kunming 650217, China)

This paper researches on effects of load model on dynamic stability in power system. Through constructing single-machine-infinite-bus system, interactions among different load models, automatic voltage regulator (AVR) and power system stabilizer(PSS) on dynamic stability of the power system are analyzed with sending-end loads using models of constant power, constant current and constant impedance. A typical two-area-four-machine system is used as the case study by using small perturbations program of PSD-BPA4.0. The results show that when the power system installs AVR, the sending-end loads with constant power model are helpful to the stability of the system, and when the system installs PSS, the sending-end loads with constant impedance model are helpful to the stability of system.

load model； dynamic stability； automatic voltage regulation(AVR)； power system stabilizer(PSS)

2009-09-25

2009-10-19

TM7

A

1003-8930(2011)01-0118-05

鄒德旭(1984-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統動態穩定分析及控制。Email:zdxdb@126.com 賀仁睦(1944-)，女，教授，博士生導師，研究方向為動態電力系統分析控制和負荷建模。Email:xiaomin@public3.bta.net.cn 司大軍(1976-)，男，博士，主要從事電力系統的運行分析、控制與研究工作。Email:dajunsi1976@163.com