考慮牽引負(fù)荷模型的暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算

張 敏

（國網(wǎng)廣安供電公司，四川 廣安 638000）

一、牽引負(fù)荷數(shù)學(xué)模型

（一）牽引負(fù)荷整體結(jié)構(gòu)

牽引負(fù)荷模型總功率平衡關(guān)系如下，主要包括三部分，牽引電機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷、靜態(tài)負(fù)荷。

其中，Q、P是電網(wǎng)中綜合負(fù)荷吸收的無功功率和總有功功率，Ps、Qs是電網(wǎng)中靜態(tài)負(fù)荷吸收的有功和無功功率；Qim和Pim是電網(wǎng)中感應(yīng)電機(jī)吸收的無功功率和有功功率；Ptm是電網(wǎng)中牽引電機(jī)吸收的有功功率。

（二）數(shù)學(xué)描述牽引負(fù)荷

1 牽引電機(jī)數(shù)學(xué)模型

牽引電機(jī)方程式如下：

其中，R、L是牽引回路的電阻和電感；ω和Id是牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速以及電流；J是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；CT和CM是牽引電機(jī)廣義參數(shù)；Ud是牽引電機(jī)端電壓；TL是機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩，可以利用二次函數(shù)轉(zhuǎn)速模型表示：

2 數(shù)學(xué)描述靜態(tài)負(fù)荷和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

利用三階模式的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其中需要忽略電磁暫態(tài)，因此，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型相向量參數(shù)是[Rs，Xs，Rr ，Xr，Xm，Rm，Tj，n]，靜態(tài)負(fù)荷恒阻抗模型如下：

3 系統(tǒng)模型變化關(guān)系

系統(tǒng)側(cè)和牽引負(fù)荷模型基準(zhǔn)變換關(guān)系如下：

二、分析牽引負(fù)荷模型的暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算

依據(jù)電力機(jī)車實(shí)際運(yùn)行情況，牽引負(fù)荷可以分為牽引、惰行、停車以及制動(dòng)四種典型負(fù)荷結(jié)構(gòu)，下面把EPRI36結(jié)點(diǎn)作為基本案例，分析不同負(fù)荷模型對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響。結(jié)點(diǎn)參數(shù)模型如下：

（一）不同工況參數(shù)

在系統(tǒng)模型中19母線適當(dāng)接入牽引負(fù)荷，并在此處適當(dāng)設(shè)置三相短路，從O s 的時(shí)候開始出現(xiàn)故障，經(jīng)過16個(gè)周期后切除故障。利用相應(yīng)兩種工況參數(shù)合理計(jì)算，以此得到一定的仿真結(jié)果。經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，在使用第一種工況參數(shù)的過程中，能夠穩(wěn)定恢復(fù)母線電壓，在使用第二種工況參數(shù)的過程中，會(huì)很大程度降低母線電壓，并且出現(xiàn)相應(yīng)震蕩，不能及時(shí)恢復(fù)，導(dǎo)致失去穩(wěn)定性。可見，采用不同的參數(shù)模型可以形成不同仿真結(jié)果，第二種參數(shù)模型在出現(xiàn)大擾動(dòng)的情況下很難穩(wěn)定恢復(fù)，可以以此類參數(shù)模型來分析和研究其他負(fù)荷模型與牽引負(fù)荷模型之間的差異。

（二）不同負(fù)荷模型

在EPRI系統(tǒng)中，19母線的位置上合理設(shè)置三相接地短路故障，故障時(shí)間在1s～1.28s之內(nèi)，1.28s的時(shí)候切除故障。在母線21上接入牽引符合模型，使用的實(shí)際參數(shù)見表1。使用不同負(fù)荷模型來接入母線21電壓。HZK是恒阻抗模型；QY是牽引負(fù)荷模型，35%HZK+IM是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與35%恒阻抗并聯(lián)，利用三階模型分析感應(yīng)電機(jī)，典型參數(shù)錄入PSASP仿真。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)故障的時(shí)候，不同時(shí)段負(fù)荷模型母線電壓具有一致的下降幅度，因此，主要區(qū)別方式實(shí)際上就是恢復(fù)以后的電壓特性，也就是電壓擾動(dòng)存在的敏感程度。從清除故障曲線可以發(fā)現(xiàn)，恒阻抗模型具有比較快的恢復(fù)電壓速度，牽引負(fù)荷模型第二，35%HZK+IM模型具有最慢的速度。在大部分牽引負(fù)荷模型中，需要利用恒阻抗來合理平衡無功功率，在恒阻抗模型中，牽引負(fù)荷無功功率具有很大的作用。因此，牽引負(fù)荷模型具有二者之間的電壓恢復(fù)特性，在完成故障以后，對于不同模型具有一致平息電壓震蕩曲線時(shí)間，能夠恢復(fù)到相同水準(zhǔn)的電壓值。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 不同情況模型參數(shù)

（三）不同比例牽引負(fù)荷

圖2 恢復(fù)特性

在原來潮流基礎(chǔ)作業(yè)上，適當(dāng)改變其中某部分負(fù)荷結(jié)點(diǎn)類型，把全網(wǎng)中牽引符合提高到20%、35%、50%，分析不同比例牽引負(fù)荷給暫態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)造成的影響。故障一：母線22-23中，在鄰近母線22一側(cè)的出口形成短路，切除故障0.2s。經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，在不斷提高牽引負(fù)荷比例的時(shí)候，會(huì)增加系統(tǒng)功角阻尼比，并且也會(huì)適當(dāng)增加擺動(dòng)功角曲線的幅度，能夠看出相比較恒阻抗模型來說，牽引符合模型功角阻尼模型在計(jì)算暫態(tài)穩(wěn)定的時(shí)候具有相對優(yōu)越的特性。并且越高比例的牽引負(fù)荷模型，就會(huì)擁有更大的阻尼特性。

故障二：母線9-23的位置鄰近母線9時(shí)候，設(shè)置一定的三相短路故障。因此，可以發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的時(shí)候，不同牽引符合比例具有不同參數(shù)情況，在電網(wǎng)中不斷增加牽引負(fù)荷比重，就會(huì)降低切除故障極限時(shí)間，利用牽引負(fù)荷模型的過程中，會(huì)在一定程度上增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

總之，可以得出以下結(jié)論：（1）在電力機(jī)車不同運(yùn)行工況的過程中計(jì)算系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定，需要利用機(jī)車多種運(yùn)行工況實(shí)際參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，參數(shù)的選擇會(huì)很大程度影響電網(wǎng)的整體暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。（2）在不同引負(fù)荷模型中計(jì)算系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的時(shí)候，母線電壓恢復(fù)的過程中具有很大差異，對于電壓擾動(dòng)敏感度來說，牽引負(fù)荷模型處于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型和恒阻抗模型之間。（3）在穩(wěn)定計(jì)算的時(shí)候，不斷提高電網(wǎng)中牽引負(fù)荷端計(jì)算比例，最大限度降低切除故障極限的時(shí)間，可以在一定程度上增加阻尼比和搖擺功角幅度。但如果僅僅只是少量改變母線負(fù)荷類型的過程中，會(huì)有限的影響系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算仿真結(jié)果。

結(jié)語

通過不同參數(shù)來分析電力機(jī)車牽引負(fù)荷模型對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的過程時(shí)，需要充分考慮動(dòng)態(tài)負(fù)荷差異、負(fù)荷比例等因素，選擇合適的計(jì)算參數(shù)和負(fù)荷模型，能夠通過PSASP得出較準(zhǔn)確的牽引負(fù)荷暫態(tài)穩(wěn)定仿真計(jì)算結(jié)果，在含有電力牽引負(fù)荷的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算分析中有重要意義。

[1]李金鑫，李欣然，張永旺，等.考慮牽引負(fù)荷模型的暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（04）：109-113.

[2]徐家俊，王曉茹，王天鈺，等.基于ADPSS 的電力系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（07）.