考慮分布式發電的電力系統綜合負荷建模方法研究

郭婭雯　李萌

摘 要：分布式發電因其清潔高效、對電網性能改善的潛力巨大，近些年來發展迅速。隨著分布式電源占比的提高，原本輻射狀的配電網逐漸變成系統與用戶互聯互通的網絡。電網拓撲結構的改變將影響配電網的運行特性和綜合負荷特性，傳統的綜合負荷模型可能不再適用于描述該區域的負荷特性。因此，文章就含分布式電源的電力系統綜合負荷建模方法展開研究，以期為電力系統仿真計算提供必要的模型支持。

關鍵詞：分布式電源；負荷建模；風力發電；參數識別

電力系統規劃與運行中所產生的一些問題，與電力系統的穩定性有著莫大的聯系。在過去，我國電力系統的發展更注重主網，采用集中發電、遠距離輸送的形式實現了大電網互聯，有效解決了能源供需分布不均的問題?，F今，一方面由于美國、倫敦、印度等國接連發生大停電事故，使得人們更加重視電力系統運行的穩定性問題。另一方面，能源危機與環境的日益惡化，使得與可再生能源發電相關的研究成為熱點。不同方式實現發電激起人們越來越大的興趣，這些電壓等級低且可連接到配電網的電源，能夠提高配電系統可靠性，且能夠沿輸電網絡改善電壓的分布。但同時，確定分布式發電電源的接入對電力系統的電壓穩定性所造成的影響更具挑戰。

影響電壓穩定性的因素中最重要的方面之一是對相關的負荷建模。在過去的幾十年里，輸電網絡的建模技術已經取得了很大的發展，而負荷建模卻發展緩慢。顯然，電力負荷模型的建立與改善電力系統仿真精度有著密切的聯系。在許多研究中，配電系統可以看作是輸電系統中綜合負荷組成的靜態元素，如阻抗或恒功率負載，以及動態元素，如感應電動機或恒溫控制的負載。如果一個分布式電源連接到配電系統，它的影響可能是相當大的，且在建模時需要進行特殊的處理。因此，文章對考慮分布式發電的電力系統綜合負荷建模方法進行探究，首先在第一部分對電力負荷模型進行歸類，然后在第二部分總結和分析典型負荷建模的方法，并針對含分布式發電的系統提出綜合負荷建模的改進方法，最后一部分進行總結與展望。

1 電力負荷模型的分類

負荷建模是電流或綜合負荷的有功和無功功率隨母線電壓和頻率的變化而變化的數學表達式[1]，一般將其分為靜態負荷模型和動態負荷模型。

1.1 靜態負荷模型。一般來說，靜態模型對系統特性起決定性的因素不隨時間改變而變化的系統模型。但靜態系統模型的建立只是對系統的一種簡化，實際情況下顯然不存在絕對靜止的系統。當分析對象的主要特征在指定時段內不發生顯著變化，或對整體性質不會造成顯著影響時，可以將模型看作是靜態的，有助于仿真計算。靜態負荷模型的物理意義是，反映母線有功、無功負荷功率隨模型的電壓和頻率的改變而改變的特性。其中，負荷隨電壓變化的規律稱作負荷電壓特性，負荷隨頻率變化的規律稱作負荷頻率特性。一般用于電力系統的潮流分析、靜態穩定分析，用多項式模型和冪函數模型的代數方程來表示。

1.2 動態負荷模型。與靜態模型相對應，系統的狀態隨時間的變化而變化的模型被稱為動態模型，分為兩類，一類是連續性動態系統模型，一類是離散型動態系統模型。動態負荷模型的物理意義是，反映母線有功、無功負荷功率隨母線的電壓、頻率和時間的變化而變化的特性。與靜態負荷不同，一般用于電力系統的動態計算、穩定分析，用微分或差分方程表示動態負荷模型來表示。

2 負荷建模的方法

2.1 負荷建模的典型方法。負荷建模一般通過兩種方法實現，統計綜合法是通過實驗和數學推導得到典型負荷元件的數學模型，接著在一些負荷點上統計某些典型時刻各種負荷的組成，綜合這些數據來估計負荷的組成?？傮w測辯法則是將綜合負荷看作一個整體，從現場采集測量數據，根據這些數據辨識負荷模型的結構和參數[2]。

文獻中針對總體測辯法提出了幾種不同的模型結構。在文獻[3][4]提出了一種由靜態負荷模型與動態負荷模型并列連接的綜合負荷模型。建立該負荷模型，負荷總有功和無功功率的消耗是由靜態和動態部分消耗的功率組成，如式（1）所示：

其中a1*、a2*、a3*分別表示恒定阻抗，恒定電流和恒定電源組件的有功功率系數，a4*、a5*、a6*分別表示恒定阻抗，恒定電流和恒定電源組件的無功功率系數。

2.2 負荷建模的改進方法。上文中總結的負荷建模的典型方法，是考慮到負載在傳輸中的功率消耗，因此可以用靜態和動態模型組成的復合負荷模型來表示。隨著電力系統的發展，電網中接入越來越多的分布式發電設備，而多數分布式發電中的風電電源連接到配電系統，因此有必要考慮從配電系統輸送到輸電系統的功率。而上文中提出的復合負荷模型，只考慮了連接到饋線上的耗能設備，如靜態負荷和感應電機。現在，有必要考慮注入饋線的功率。分布式發電設備被看作是注入功率到饋線的電源。因此，有必要在含分布式風電的負荷節點上定義負荷模型結構。

文章提到的改進綜合負荷模型，其思想是將原始的負荷模型一般化，用異步電機來替代感應電機。電動機負載所消耗的功率或是由分布式發電機提供的功率，可以用異步電機來表示，它可以作為電機或發電機運行。如果電機負載所消耗的功率大于分布式發電機提供電力，就可以表示為一個異步電機，即異步機作為電動機運行；否則，表示為一個異步發電機，即異步電機作為發電機運行。KPM表示的是電機載荷占總功率載荷的比例。在耗能設備作用的情況下，所消耗的功率被假定為正，所以此參數從0（無電機負載）變化到1（僅有電機負載）。為了表示分布式電源供電，注入功率看作是負的，也就是說，KPM的變化區間很寬，例如[-0.9 0.9]。

對于負荷建模，參數調整的思想是盡量減少從系統測量的數據和模型模擬的數據之間的平方差的總和。由此提出負載參數識別的目標函數，如下式（3）：

其中，PKM、QKM是測得的有功和無功功率，PKS、QKS分別表示仿真出的有功和無功功率。a和b是改善有功和無功功率匹配的加權因子。

3 總結與展望

隨著分布式電源的日益增多，電網拓撲結構發生改變，這將影響配電網的運行特性和綜合負荷特性，傳統的綜合負荷模型可能不再適用于描述該區域的負荷特性。因此文章在總結負荷模型分類及典型負荷建模方法后，提出一種考慮分布式電源并網后可用的綜合負荷建模方法。這種方法需要獲取系統正常運行中或受擾動后的測量數據，通過參數識別來確定一組參數，負載參數識別所需的目標函數已在文中給出，該方法適用于電力系統測量中用來估計修改后的復合負荷模型的輸出功率。現階段，分布式發電尚在研究階段，暫時沒有獲取分布式電源實測運行數據的條件。因此，目前相關研究還在理論階段，未來條件成熟時再基于實測數據進一步驗證模型的有效性。

參考文獻

[1]王吉利，賀仁睦，馬進.配網側接入電源對負荷建模的影響[J].電力系統自動化，2007，31（20）：22-26，40.

[2]楊靜.電力系統傳輸網絡與負荷模型辨識及其在電壓穩定分析中的應用[D].湖南：中南大學，2012.

[3]湯涌.電力負荷的數學模型與建模技術[M].北京：科學出版社，2012，63-65.

[4]湯涌，張紅斌，侯俊賢，等.考慮配電網絡的綜合負荷模型[J].電網技術，2007，31（5）：34-38.

作者簡介：郭婭雯（1993-），女，漢族，湖北武漢市人，研究生在讀，電氣工程碩士，單位：武漢理工大學電氣工程專業，研究方向：電力系統規劃與運行。

李萌（1993-），女，漢族，河南濮陽市人，研究生在讀，電氣工程碩士，單位：武漢理工大學電氣工程專業，研究方向：電力系統規劃與運行。