負荷模型對仿真計算的影響

徐宏雷，霍錦霞，李學(xué)仕

(1.甘肅省電力公司調(diào)控中心，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

負荷模型對仿真計算的影響

徐宏雷1，霍錦霞2，李學(xué)仕2

(1.甘肅省電力公司調(diào)控中心，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

首先對靜態(tài)負荷模型和綜合負荷模型的數(shù)學(xué)模型進行了介紹，然后基于西北電網(wǎng)的計算數(shù)據(jù)包進行了穩(wěn)定計算。計算采用相同的靜態(tài)負荷模型和綜合負荷模型分別在兩種故障條件下進行了計算，分別得到了兩種截然不同的計算結(jié)果。給出了應(yīng)重視電網(wǎng)負荷的建模工作，并選擇正確的負荷模型的建議。

負荷模型；電力系統(tǒng)仿真；穩(wěn)定計算；斷面極限

1 引言

電力系統(tǒng)仿真廣泛用于電網(wǎng)運行和規(guī)劃中，電力系統(tǒng)元件的模型建立是仿真計算環(huán)節(jié)中至關(guān)重要的一步。計算結(jié)果與實際情況的吻合程度取決于所采用的模型及其參數(shù)的準(zhǔn)確性。同步發(fā)電機組模型及輸電線路模型已較為成熟，相對而言，負荷模型的發(fā)展較為落后，成為影響計算精度的因素之一，導(dǎo)致仿真結(jié)果與實測波形差別較大。

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷增大，各電網(wǎng)大區(qū)聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)逐漸開展，電網(wǎng)發(fā)展方向向著高電壓等級、高輸電能力發(fā)展。電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定問題和暫態(tài)穩(wěn)定問題變得更加復(fù)雜，穩(wěn)定性問題突出，負荷模型的不同對電力系統(tǒng)仿真計算結(jié)果的影響越來越突大。大量的仿真計算和試驗結(jié)果表明：負荷模型對潮流、短路電流、暫態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定以及電壓穩(wěn)定的仿真計算結(jié)果影響越來越大。

2 負荷模型分類

負荷隨電壓和頻率的變化而變化的特性稱為負荷特性，用于描述負荷特性的數(shù)學(xué)方程稱為負荷模型。許多專家和學(xué)者對負荷模型的分類進行了研究[1-2]，從是否考慮電網(wǎng)狀態(tài)暫態(tài)過程的角度來看，負荷模型分為靜態(tài)負荷模型和動態(tài)負荷模型。

靜態(tài)負荷模型相當(dāng)較為簡單，沒有考慮時間對系統(tǒng)特性因素的影響，一般用代數(shù)方程描述。動態(tài)負荷模型則考慮了時間對系統(tǒng)特性因素的影響，一般用微分方程或者差分方程描述。

3 靜態(tài)負荷模型

3.1 冪函數(shù)靜態(tài)負荷模型

冪函數(shù)模型負荷模型主要適用于電網(wǎng)電壓較為穩(wěn)定系統(tǒng)中，電壓只是在較小范圍內(nèi)波動，通常情況不超過額定電壓的10%。其模型數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式如式(1)所示。

(1)

P0、Q0、U0和ω0分別表示系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時有功功率、無功功率、電壓和角頻率的值，亦即初始值。而P、Q、U和ω則為系統(tǒng)實際運行時負荷吸收的有功功率、無功功率、負荷母線電壓幅值和角率，為隨頻率、電壓波動的變化值。Pu、Qu為負荷有功、無功的電壓靜態(tài)特征系數(shù)，Pf、Qf為負荷有功、無功的頻率靜態(tài)特征系數(shù)。

3.2 多項式靜態(tài)負荷模型

不同類型的負荷消耗的功率大小隨端點電壓的變化而變化，根據(jù)這一特性可將電力系統(tǒng)負荷的類型分為三種：恒阻抗負荷、恒電流負荷和恒功率負荷，也即是ZIP負荷模型。在實際電力系統(tǒng)中，用電設(shè)備的多樣性決定了負荷組成的復(fù)雜性，通常按照這三類負荷的不同比例組合構(gòu)成的綜合負荷來描述各種負荷的特性。其模型如式(2)所示。

(2)

式(2)中：Fp為有功頻率指數(shù);Fq為無功頻率指數(shù)；p1、p2、p3分別表示恒阻抗負荷、恒電流負荷和恒功率負荷在有功功率中所占的比例；系數(shù)q1、q2、q3分別表示恒阻抗負荷、恒電流負荷和恒功率負荷在無功功率中所占的比例。并且有如式(3)的關(guān)系。

(3)

4 綜合負荷模型

實際電力系統(tǒng)運行中對電網(wǎng)的動態(tài)特性影響較大的負荷主要是感應(yīng)電動機負荷，且感應(yīng)電動機負荷占總負荷達到一半以上，暫態(tài)計算條件下必須考慮負荷的動態(tài)特性。在大區(qū)電網(wǎng)功率振蕩研究、發(fā)電機自勵磁及同步扭振、負荷電壓穩(wěn)定性研究中，負荷的動態(tài)過程是一個重要的考慮內(nèi)容。為了更接近電網(wǎng)運行實際，學(xué)者對多種負荷模型進行了研究，并對靜態(tài)負荷模型進行了改進，提出了含有電動機模型的綜合負荷模型。綜合負荷模型由靜態(tài)的恒阻抗負荷、恒電流負荷和恒功率負荷與感應(yīng)電動機負荷并聯(lián)組成，如圖1所示。

圖1 綜合負荷模型結(jié)構(gòu)簡圖

其中電動機模型部分為三階感應(yīng)電動機，其物理結(jié)構(gòu)簡化結(jié)構(gòu)可用圖2表示。

圖2 電動機負荷模型部分結(jié)構(gòu)簡圖

其數(shù)學(xué)模型為：

(4)

式中Rs、Xs、Rr、Xr、Xm分別是等值電動機的定子電阻、定子漏抗、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子漏抗與電動機激磁電抗，H為轉(zhuǎn)子的慣性時間常數(shù)，Tm為機械負載力矩，Te為電力矩。

5 不同負荷模型對仿真計算的影響

實際電網(wǎng)中每天的電力負荷是在不斷變化著的，每種負荷的構(gòu)成也是在變化的。因此，采用一種能夠具有代表性模型來表示電力負荷的特性，就具有十分重要的意義。下面分別就靜態(tài)負荷模型和綜合負荷模型分別進行暫穩(wěn)計算，分析兩種負荷的特性對計算結(jié)果的影響程度。

采用2014年西北電網(wǎng)計算數(shù)據(jù)包，分別采用靜態(tài)負荷和綜合負荷進行計算。其中靜態(tài)負荷模型參數(shù)采用多項式負荷模型，具體參數(shù)如下：p1=1.33,p2=-1.86,p3=1.53,Fq=2,q1=6.66,q2=-9.32,q3=3.66,Fp=1。綜合負荷模型參數(shù)具體如下：Rs=0.02，Xs=0.18，Rr=0.02，Xr=0.12，Xm=3.5，H=2。

5.1 750kV河武雙回同桿異名相故障計算

分別采用如上靜態(tài)負荷模型和綜合負荷模型，對甘肅電網(wǎng)750kV河武雙回同桿異名相故障重合不成功計算。計算采用故障后0.3s切除風(fēng)電2500MW、切除負荷40MW的措施，計算時間40s，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 河武雙回同桿異名相故障重合不成功曲線對比

圖4 對比曲線局部放大

由圖4可以看出，在上述計算邊界條件下兩種負荷模型的穩(wěn)定計算結(jié)果較為相似，省際間發(fā)電機功角振蕩相差0.1894°。

5.2 酒泉單主變故障計算

采用如上負荷模型，在同一潮流作業(yè)基礎(chǔ)上對甘肅電網(wǎng)750kV酒泉變單主變330kV側(cè)三永故障故障跳主變進行計算。計算采用故障后0.3s切除風(fēng)電790MW的措施，計算時間30s，計算結(jié)果如圖5所示。 由圖5可見，采用靜態(tài)負荷模型與綜合負荷模型的計算結(jié)果在故障前完全重合，在3.7s故障后第一擺最大值處產(chǎn)生差別，之后差別更為明顯。采用靜態(tài)負荷模型的計算，省際間發(fā)電機功角差最大值已經(jīng)大于500°，可判為系統(tǒng)失穩(wěn)，需進一步下調(diào)斷面潮流，用以保證系統(tǒng)穩(wěn)定；而采用綜合負荷模型計算，功角收斂至正常范圍，可判為系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖5 750kV酒泉主變330kV側(cè)三永跳主變曲線對比

6 結(jié)語

通過對相同的靜態(tài)負荷模型參數(shù)和綜合負荷模型參數(shù)在兩種不同故障條件下的計算結(jié)果進行對比，可以看出，在電網(wǎng)穩(wěn)定計算中，穩(wěn)定計算結(jié)果可能較為相似，也有可能截然不同，不同的計算條件可能導(dǎo)致造成完全不同的計算結(jié)果。專家和學(xué)者也就負荷建模方面做出了大量的研究[3-8]，因此，應(yīng)十分重視電網(wǎng)負荷的建模工作，并選擇正確的負荷模型，加強對負荷部分的組成及其數(shù)學(xué)模型進行分析，提高負荷模型的精準(zhǔn)度，保證穩(wěn)定計算結(jié)果的有效性。

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The Effect of the Load Model on the Simulation Calculation

XUHong-lei1,HUOJin-xia2,LIXue-shi2

(1.Regulation and Control Centre of Gansu Power Company, Lanzhou 730050,China;2.Lanzhou City College,Lanzhou 730050,China)

First,present the mathematical models for the static load model and integrated load model,then carry out stability calculation based on computer packet of Northwest grid.The calculation,which adopted the same static load model and integrated load model,carried out calculations under two kinds of fault conditions,respectively get two entirely different calculation results.The paper gives out modeling work to pay attention to the electric network load and select correct load model suggestion.

load model;electric power system simulation;stability calculation;sectional limit

1004-289X(2015)02-0097-03

甘肅省城市發(fā)展研究院項目(2013-GSCFY-KJ04)

TM71

B

2014-11-14

徐宏雷(1979-)，男，碩士，工程師，主要從事電網(wǎng)運行控制、電網(wǎng)仿真計算方面的研究； 霍錦霞(1973-)，女，本科，副教授，主要從事數(shù)學(xué)教學(xué)、數(shù)學(xué)模型建模方面的研究； 李學(xué)仕(1967-)，女，碩士，講師，主要從事數(shù)學(xué)教學(xué)、數(shù)學(xué)模型建模方面的研究。