綜合負荷模型參數對系統頻率特性的影響

靳濤 萬航羽

摘要：電力系統仿真的基礎是負荷模型，而負荷模型的選擇對系統仿真結果影響巨大，特別是對于系統容量較小的系統更是如此。負荷的動態特性主要體現在電壓特性和頻率特性，在一定程度上影響了系統的頻率特性。頻率是電力系統重要的運行參數，也是衡量電能質量的主要指標之一，使頻率能在所要求的范圍里波動是十分重要的工作。通過對負荷模型參數的合理選擇，可以更加有效地準確地對系統進行仿真計算。

關鍵詞：負荷模型 ?頻率特性 ?系統穩定

1前言

電力系統數字仿真已經深入應用到電力系統規劃、設計、運行、調度等各個領域，仿真結果的準確性直接影響著電力有關部門的決策。而電力系統數字仿真的基礎就是組成電力系統的各元件（發電機、變壓器、輸電線路和電力負荷）所使用的數學模型，上述各個元件模型結構的有效程度和參數的精確程度很大程度上決定了仿真結果能否有效的模擬現實運行狀況。越來越多的實例表明仿真在僅僅擁有精確的發電機、勵磁調速和輸電網絡的模型和參數的條件下也很難重現系統故障，負荷模型的準確性對電力系統仿真結果影響巨大。負荷模型不準確而導致的仿真結果失真可能會對電網的規劃及安全造成極其負面的影響。

如果電力系統容量較小，當發生故障導致系統功率失衡時，系統頻率穩定問題凸顯。針對系統容量較小的電網，負荷模型應同時考慮電壓特性和頻率特性才能更真實的反映負荷的動態特性，使暫態穩定仿真中負荷的動態更加逼近真實負荷的特性，避免仿真結果與實際情況不一致，或偏樂觀，或偏保守，從而構成系統的潛在危險或造成不必要的浪費。

頻率是電力系統重要的運行參數，也是衡量電能質量的主要指標之一。通過準確的系統仿真對系統進行安全規劃和穩定計算，使得頻率能在所要求的范圍里波動是十分重要的工作，尋找產生仿真曲線和實際的頻率動態過程曲線差異的原因從而修正仿真模型及其參數以得到更準確的結果是工作的重要部分。

2基礎負荷模型的建立

電力系統由發電廠、傳輸網絡以及負荷三大部分組成。負荷可以指系統中的電力設備、所有用電設備吸收的總的有功和無功功率、發電機組的出力以及母線負荷。本文涉及負荷建模的負荷指的是最后一種，即母線負荷。由下圖可知，負荷包括主變壓器、輸配電線路、配電變壓器以及各種用電設備。負荷有功功率P、無功功率Q和負荷母線的電壓U以及負荷母線的頻率f之間的關系就叫做負荷模型的建立，即負荷建模。負荷建模就是確定這些參數之間的數學方程，以及方程中的各個參數。負荷模型有復雜性，分布性，不連續性，時變性以及多樣性等特點。

電力系統負荷模型可以分為動態模型（DM）和靜態模型（SM）兩類，這個分類基于負荷模型能否反應實際負荷的動態特性，靜態模型可以用代數方程來表示，而動態模型一般用微分方程、差分方程來表示。

3綜合負荷模型對系統頻率的影響

3.1綜合負荷模型的建立

研究結果表明，采用靜態負荷模型不足以準確描述系統在電壓和頻率變化較大情況下的負荷特性。負荷模型需要同時考慮電壓特性和頻率特性進行建模才能更真實的反映負荷的動態特性，仿真中開始采用靜態負荷模型+三階感應電動機的動態綜合負荷模型。某電網異步聯網前、后，采用原靜態負荷模型和綜合負荷模型的區別如下圖3.1-1所示。可以看出，異步后采用綜合負荷模型，使故障仿真曲線更加接近實測曲線。

含頻率特性的靜態負荷模型是由關于頻率的一次項和來表征，表達式如下所示：

式中，，。U和分別為母線實際電壓與母線額定電壓;、和分別為靜態有功和無功功率，、、分別為負荷有功功率中與電壓平方成關系、與電壓成線性關系以及與電壓無關的恒阻抗、恒電流以及恒功率的組成比例;、、與之類同;為頻率變化1%引起的有功變化百分數，與之類同。

含頻率特性的三階感應電動機模型由如下方程描述：

其中，;A+B+C=1。

上式中，、、、、分別是等值電動機的定子電阻、定子漏抗、轉子電阻、轉子漏抗和電動機激磁電抗，為轉子的轉速，H為轉子的慣性時間常數，和分別為為電動機d軸和q軸的暫態電動勢，和分別為定子d軸和q軸的電流。

除了以上的常規的參數外，為了使模型參數的基準容量能夠動態的跟蹤負荷初始功率的變化進而消除因負荷幅值變化引起的負荷時變性對建模的影響，特別定義了兩個參數、，即用來定義等值電動機負荷在總負荷中所占的比例，為初始負荷率系數，即額定電壓下感應電動機的消耗的功率與其容量的比值，分別為：

上式中為負荷總的初始有功功率，為等值感應電動機負荷所消耗的初始有功;為感應電動機的額定容量，它也是電動機各個參數的基準容量。

綜上所述，含頻率的改進綜合負荷模型共有16個參數。其中，三階感應電動機部分待辨識的參數有8個，這些參數都是電動機容量基準下的標么值，它們分別是定子電阻、定子電抗、轉子電阻、轉子電抗、電動機激磁電抗、轉子慣性時間常數H、轉矩方程常數A、B;擴展ZIP模型有6個參數、、、、、;加上定義的兩個參數（等值電動機負荷在總負荷中所占的比例）、（初始負荷率系數），一共是16個參數。

3.2負荷模型參數對系統頻率的影響

綜上所述，綜合負荷模型采用三階感應電動機并聯負荷靜特性的模型結構，包含16個參數，其中三階感應電動機待辨識的參數有7個（B始終為0），定義的2個參數及擴展ZIP模型有6個參數。根據仿真研究，分析得到以下結論：

1）經過對負荷模型所有參數進行攝動分析，感應電動機參數H、A、Kpm以及擴展ZIP模型參數PZ、Pp、LDP等共計6個參數對頻率的靈敏度比較大;其余參數值對系統頻率的靈敏度比較小，因此在參數調整的過程中優先考慮靈敏度高的參數進行范圍修正。

2）參數H越大，感應電動機的等值慣性越大，故障后系統頻率偏差越小，但在故障剛發生時候會有一個遲滯，在故障后由于慣性的關系系統頻率穩定恢復的較慢，因此，參數H越大，對系統頻率恢復穩定越不利。

3）從感應電動機的第三個狀態方程中可以看出，在A發生變化的時候會對頻率有較大的影響，增大參數A可降低系統頻率偏差和縮短頻率恢復穩定時間。

4）參數變化越大，意味著感應電動機所占比例越大。因此，對頻率的影響也越大，的增大一方面縮短了頻率恢復穩定時間、另一方面增大了系統頻率偏差。

5）參數是頻率變化1%引起的有功變化百分數，參數越大，越有利于提高系統穩定性。

6）、、是負荷有功功率的恒阻抗、恒電流、恒功率參數，由靜態負荷模型可以看出，恒阻抗負荷的比例越大，系統故障后頻率偏差越小，但同時又延長了系統頻率穩定的恢復時間。

4 建議

通過理論仿真，研究負荷模型各參數對頻率動態過程影響的程度，提出了負荷模型參數辨識靈敏度。結合地區負荷特性對負荷模型進行修正，并為后續負荷特性校核提供參考依據。

本研究主要對負荷模型參數對系統頻率穩定的影響進行了研究分析，在參數調整過程中可以發現，負荷參數對系統暫態穩定也會產生一定的影響。建議進一步開展綜合負荷模型對電網的重要輸送斷面和局部電網穩定性影響，從電網暫態穩定、動態穩定和電壓穩定三個方面對比調整后的綜合負荷模型與現有模型之間影響差異，并建立負荷模型基礎數據庫的長效優化機制。

參考文獻

[1] 鞠 平 ?馬大強 ?著， 《電力系統負荷建模》第二版，2007年;

[2]?梁冰冰?，適用于電力系統可靠性解析的負荷模型，?《農村電氣化》，2009年第1期?;

[3]?張紅斌，李 黎，賀仁睦，動靜態負荷模型在電網暫態穩定計算中的應用，《電力自動化設備》，2003年6月?;

[4]?王立地??李云陽??史俊生??海鵬，電網動態負荷有功模型參數辨識研究，《沈陽農業大學學報》，2011年03期;

[5]?賀仁睦;電力系統精確仿真與負荷模型實用化;《電力系統自動化》，2004年16期;

[6]?賀仁睦??葉靜??徐歡??郎斌斌，計及頻率特性的實測負荷建模，《電工技術學報》，2011年5月;

作者簡介

靳濤（1983--），男，工程師，研究方向：直流項目管理及系統規劃。

萬航羽（1984--），女，工程師，研究方向：電力系統分析及規劃設計。