常用電力負荷模型的分析研究

劉媛杰　李 霞　李云陽

(1 新疆塔里木大學機械與電氣工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 國家電網(wǎng)阿克蘇地區(qū)電力公司， 新疆 阿克蘇 843300)(3 遼寧職業(yè)學院， 遼寧 鐵嶺 112099)

?

常用電力負荷模型的分析研究

劉媛杰1李 霞2李云陽3*

(1 新疆塔里木大學機械與電氣工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 國家電網(wǎng)阿克蘇地區(qū)電力公司， 新疆 阿克蘇 843300)(3 遼寧職業(yè)學院， 遼寧 鐵嶺 112099)

摘要通過了解國內(nèi)外關(guān)于負荷模型的應用現(xiàn)狀，總結(jié)了負荷模型的結(jié)構(gòu)特點。討論了不同負荷模型的特點和應用背景。對現(xiàn)有的幾種常用的負荷模型進行比較分析，指出不同模型的適用范圍。

關(guān)鍵詞電力負荷模型； 靜態(tài)負荷模型； 動態(tài)負荷模型

電力負荷建模是系統(tǒng)建模的一種。常用的系統(tǒng)建模方法有兩種：一是機理建模；二是辨識建模。所謂機理建模是白箱建模，建立在對系統(tǒng)內(nèi)在特性和結(jié)構(gòu)有明細認知的基礎(chǔ)之上；辨識建模是黑箱建模或灰箱建模，是指對系統(tǒng)內(nèi)在特性不清楚，只是關(guān)心系統(tǒng)輸入輸出特性的建模方法。目前，對于電力負荷建模的研究主要有兩個方面，一是著眼于負荷建模內(nèi)涵方面，面向純粹負荷地區(qū)，即不考慮分布式電源的影響和新能源的接入；二是從實際工程應用角度看，負荷模型的選取和模型參數(shù)的確定直接影響系統(tǒng)仿真的結(jié)果，美國的西北WSCC電力系統(tǒng)重大停電的事故(1996)等故障仿真與重現(xiàn)結(jié)果表明，負荷模型的不同會對實際電網(wǎng)的運行結(jié)果造成相差甚遠的結(jié)果(艾芊等)。以往的純粹負荷已經(jīng)逐漸不能滿足電力系統(tǒng)仿真分析和工程設(shè)計的需要，周海強等進行了考慮配電網(wǎng)絡的綜合負荷模型的研究，鞠平等對廣義電力負荷(包含地方電廠、分布式電源及其新能源發(fā)電環(huán)節(jié)的負荷區(qū)域)的模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)做了確定。[1]應對于工程實踐應用，本文對常用的負荷模型進行了介紹和分析，涵蓋靜、動態(tài)模型、風力發(fā)電機模型等，并對不同模型的適用范圍做了簡要分析。

1電力負荷建模方法

1.1電力負荷建模方法分類

電力負荷建模方法有四種：統(tǒng)計綜合法(Component-based approach)、總體測辨法(Measurement-based approach)、故障仿真法(Fault Simulation Method)、混合方法建模(Hybrid methodology)。

1.2建模方法概述

統(tǒng)計綜合法是基于調(diào)查統(tǒng)計和計算綜合的過程。主要調(diào)查和統(tǒng)計的內(nèi)容包括區(qū)域內(nèi)主要類型用電設(shè)備的負荷參數(shù)、地區(qū)經(jīng)濟情況和由此而確定的行業(yè)比重、變電站的運行和分布等信息。

總體測辨法是基于在負荷點母線或變壓器出口側(cè)進行實際數(shù)據(jù)測量的方法。在測量負荷參數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇負荷模型的結(jié)構(gòu)類型并進行參數(shù)辨識，最后對模型的性能進行校驗。所需要測量的基本參數(shù)包括電壓、功率和頻率等。

故障仿真方法是基于人為重設(shè)故障，根據(jù)故障時負荷參數(shù)的變化規(guī)律，對假定的負荷模型進行修正，得到更加可靠的模型。

混合方法是結(jié)合多種方法，根據(jù)負荷區(qū)域的具體特點，得到可靠的負荷模型及其參數(shù)。

從負荷建模發(fā)展歷史的角度來看，最早的負荷模型的建立是在20世紀60年代，常用的負荷模型是ZIP模型，即恒功率、恒阻抗、恒電流模型，還采用了感應電動機模型和多項式模型、冪函數(shù)模型等。統(tǒng)計綜合法是出現(xiàn)在70年代末期，之后出現(xiàn)了LOADSYN 軟件，專門用于負荷模型的分析。

2常用負荷模型

2.1靜態(tài)負荷模型(Static load models-SLM)

常用的靜態(tài)負荷模型包括多項式類負荷模型和冪函數(shù)負荷模型兩大類。

2.1.1恒阻抗模型

如式(2-1)所示。

(2-1)

式中P為有功功率，Q為無功功率，P0為有功功率的初值，Q0為無功功率的初值，V為電壓，V0為電壓初值。電壓比平方選項表示負荷中的阻抗參數(shù)恒定，電阻類負荷一般滿足此類特性。

2.1.2恒電流模型

如式(2-2)所示。

(2-2)

式中P為有功功率，Q為無功功率，P0為有功功率的初值，Q0為無功功率的初值，V為電壓，V0為電壓初值。電壓比選項表示負荷中的電流參數(shù)恒定，恒電流類負荷一般滿足此類特性。

2.1.3恒功率模型

如式(2-3)所示。

P=P0；Q=Q0

(2-3)

式中P為有功功率，Q為無功功率，P0為有功功率的初值，Q0為無功功率的初值。此式表明負荷功率恒定的情況。

2.1.4ZIP模型

如式(2-4)所示。

(2-4)

式中P為有功功率，Q為無功功率，P0為有功功率的初值，Q0為無功功率的初值。三個系數(shù)是表明三個分量所占的比重。此式表明負荷功率恒定、電流恒定、阻抗恒定三種類型負荷混合存在的情況。

2.1.5通用形式的多項式模型

如式(2-5)所示。

(2-5)

式中P為有功功率，Q為無功功率，P0為有功功率的初值，Q0為無功功率的初值。系數(shù)用通用形式表示出來。此式表明負荷功率恒定、電流恒定、阻抗恒定三種類型負荷單獨存在或混合存在的通用情形。

靜態(tài)負荷模型反映的是電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時負荷吸收的有功功率、無功功率與電壓和頻率的緩慢變化的關(guān)系，主要用于潮流計算和以潮流計算為基礎(chǔ)的穩(wěn)態(tài)分析，一般適用于電壓擾動不太復雜且擾動不太大、計算結(jié)果對負荷模型不太敏感的負荷點。靜態(tài)負荷模型側(cè)重于表達輸入量(電壓和頻率)與輸出量(功率和電流)之間的關(guān)系，屬于輸入-輸出式模型，是動態(tài)負荷模型的特例。目前國內(nèi)電力系統(tǒng)潮流計算多采用恒功率模型或典型參數(shù)電動機模型，暫態(tài)計算多采用40%的恒功率模型加上60%的恒恒阻抗模型的多項式模型，[2]在用戶負荷點上，也有采用50%電動機模型加50%恒阻抗模型來計算。[3]

2.2動態(tài)負荷模型(Dynamic load models-DLM)

2.2.1感應電動機模型

動態(tài)負荷模型常見的是感應電動機模型，是一種機理模型。由于異步電動機在負荷中占的比重較大，負荷中常用電動機模型的不同表達方式，常見的有五階電磁暫態(tài)模型、三階機電暫態(tài)模型和一階機械暫態(tài)模型三種。其中五階模型考慮的電動機的因素較多，例如定子繞組暫態(tài)、轉(zhuǎn)子繞組暫態(tài)和機械特性；三階模型是在五階模型的基礎(chǔ)上忽略了定子的暫態(tài)特性；一階模型又進一步忽略了轉(zhuǎn)子的電磁暫態(tài)特性。

電動機三階機電暫態(tài)模型狀態(tài)方程如式2-6、2-7、2-8、2-9所示：

(2-6)

(2-7)

(2-8)

ωr=1-S

(2-9)

三階模型中電磁力矩方程如式2-10所示：

(2-10)

三階模型中機械力矩方程如式2-11、2-12所示：

(2-11)

(2-12)

以上三階模型各式中：

(2-13)

(2-14)

X=Xs+Xm

(2-15)

(2-16)

(2-17)

上述公式中的變量和參數(shù)都是以電機自身容量為基值的條件下的標么值表示，且角速度ω的標幺值和頻率的標幺值f相等。基于上述的電動機三階模型公式，首先確定方程初始化，列出并求解狀態(tài)方程，最后利用數(shù)值優(yōu)化方法得到負荷模型的相關(guān)參數(shù)。與傳統(tǒng)的電動機三階負荷模型相比，這種模型新定義了電動勢變量，其中電動勢與磁鏈是線性關(guān)系，并且不包含頻率項從而得到上述新的三階模型。[4]

通常，相對來說，電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程較慢，感應電動機轉(zhuǎn)子繞組的暫態(tài)過程要快些，而其定子繞組的暫態(tài)過程要比前兩者快得多，因此在進行電力系統(tǒng)暫態(tài)分析時，忽略定子繞組的暫態(tài)過程對分析結(jié)果影響不大，一般采用三階模型就能較好的反映感應電動機的動態(tài)特性。這種模型的缺點是難以描述負荷內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復雜性，因而使用范圍受到限制。[2]

2.2.2雙饋發(fā)電機模型

目前雙饋發(fā)電機是風力發(fā)電機中得到普遍應用的一種類型，其模型方程式如式2-18所示：

(2-18)

2.3通用非線性動態(tài)(Generic NonLinear Dynamic，GNLD) 模型

GNLD模型是動態(tài)非線性模型中有代表性的模型方法，其核心思想是反映當電壓變化時功率變化表現(xiàn)出來的功率恢復特性。如圖1所示。

圖1　GNLD模型中的功率恢復特性

圖1中，Pr是有功功率恢復數(shù)值；P0是電壓變化前有功功率初始值；P1是有功功率消耗值。當電壓變化的情況下，V0表示電壓初始值，V表示電壓變化后的數(shù)值。功率變化隨著電壓變化呈現(xiàn)出一種恢復特性。

GNLD模型中的有功模型如式2-19和2-20所示。

(2-19)

(2-20)

式2-19和2-20中，參數(shù)含義同圖1中的符號。Tp表示有功恢復時常；αs表示穩(wěn)態(tài)有功電壓系數(shù)，αt表示有功穩(wěn)態(tài)值和電壓值之間的關(guān)系； 表示暫態(tài)有功電壓系數(shù)，表示有功暫態(tài)值和電壓值之間的關(guān)系。

根據(jù)上式，可以求出有功功率響應表達式，如(2-21)所示。

(2-21)

和有功特性相似，無功功率響應表達式如式(2-22)所示。

(2-22)

式中Ql表示無功消耗值，Q0是無功初值；Tq表示無功恢復時常；βs表示穩(wěn)態(tài)無功電壓系數(shù)，表示無功穩(wěn)態(tài)值和電壓值之間的關(guān)系；βt表示暫態(tài)無功電壓系數(shù)，表示無功暫態(tài)值和電壓值之間的關(guān)系。

當遇到需要反映負荷吸收的功率隨著電壓的波動動態(tài)的改變的情況時，靜態(tài)模型就不再適用，而應使用動態(tài)負荷模型反映功率與電壓的關(guān)系，來描述負荷的一般特性。動態(tài)負荷模型的優(yōu)點在于能夠全面準確的描述電力系統(tǒng)從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過渡過程，在這個過程中以時間為變量，是功率對時間的微分運算，不但可以描述瞬間波動，也可以表達恢復過程。[5]

3小結(jié)

電力系統(tǒng)負荷模型的研究是電力系統(tǒng)仿真研究的基礎(chǔ)。負荷模型和發(fā)電機模型、變壓器模型、輸電線路模型相比，沒有在不同環(huán)境和條件下的通用的可靠模型可以應用。對負荷模型的研究對于提高電力系統(tǒng)分析的水平和電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計具有重要的意義。電力負荷模型是分析電力系統(tǒng)的重要依據(jù)，對穩(wěn)態(tài)計算的精確度有著重要的影響。隨著電網(wǎng)互聯(lián)程度的不斷提高，隨機性電源負荷也在不斷增加，對負荷模型的分析總結(jié)研究有助于工程技術(shù)人員根據(jù)實際情況選擇可靠可信的負荷模型，進行電網(wǎng)運行的相關(guān)計算研究。

參考文獻

[1]周海強，茆超，鞠平，等.考慮配電網(wǎng)絡的綜合負荷模型可辨識性分析[J].電力系統(tǒng)自動化.2008，32(16)：16-19.

[2]夏少輝.電力負荷模型建立的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學.2006,(6):8-20.

[3]張鵬飛，羅承廉，孟遠景，等，動態(tài)負荷模型比例對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響分析[J].繼電器.2006,6(11)：24-26

[4]梁偉，鞠平，余一平．考慮頻率特性的感應電動機負荷模型的對比研究[J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42(9)：132-136.

[5]張紅斌，李黎，賀仁睦.動靜態(tài)負荷模型在電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定計算中的應用[J].電力自動化設(shè)備.2003,6(6):49-53.

[6]鄭小雨,鄭靜媛,王彥博．智能電網(wǎng)中實時負荷模型建立研究[J].電力與能源.2015，36(1)：42-45.

[7]鞠平, 謝會玲, 陳謙. 電力負荷建模研究的發(fā)展趨勢 [J]. 電力系統(tǒng)自動化. 2007，31(2): 1-4.

[8]鞠平, 何孝軍等. 廣義電力負荷的模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)確定. 電力系統(tǒng)自動化. 2006， 30(23): 11-13, 32.

[9]李娟, 丁堅勇. 電力系統(tǒng)負荷建模和算法的研究及進展[J]. 高電壓技術(shù). 2008, 34(10):2209-2214.

[10]邱麗萍，金小明，林勇等.負荷模型對電力系統(tǒng)仿真計算的影響[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報.2014，26(11)：87-90.

[11]王立地，何昕，樸在林.通用動態(tài)負荷模型電壓階躍檢測和參數(shù)辨識方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014.38(9)：2479-2483.

[12]艾芊,陳陳,沈善德，等. 簡化前饋網(wǎng)絡用于負荷模型參數(shù)辨識的研究[J]. 中國電機工程學報. 2005,25(5):21-27.

Analysis of Commonly Used Power Load Model

Liu Yuanjie1Li Xia2Li Yunyang3*

(1 College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarin University ,Alar, Xinjiang 843300)

(2 State Grid Electric Power Company of Aksu , Aksu, Xinjiang 843300)

(3 Liaoning Vocational College, Tie Ling, Liaoning 112099)

AbstractThrough research on the current status of application of the load model at home and abroad, summarized the structure characteristics of load model. The characteristics and application background of different load model are discussed. Compared with the existing several common used load model, the applicable scope of different models are pointed out.

Key wordspower load model; static load model; dynamic load model

中圖分類號：TM744

文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2015.04.016

文章編號：1009-0568(2015)04-0099-06

通訊作者*為E-mail：824239977@qq.com

作者簡介：劉媛杰(1982-)，女，講師,碩士，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動化方面的教學與研究工作。E-mail：liuyuanjie2005@163.com

基金項目：塔里木大學校長基金項目(TDZKSS201412)。

收稿日期：2015-04-13