負荷模型對電力系統失步振蕩特性的影響

馬偉哲，程維杰，張仕鵬，許琴，?

（1. 深圳供電局有限公司，深圳518000；2. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663）

電力系統由發電機、輸電網絡和負荷終端等主要元件組成［1］。負荷作為最終消耗有功功率的部分，對系統的穩定起著十分重要的影響［2］。前期的大量研究表明，不同的負荷模型對系統功角穩定、電壓穩定、頻率穩定均有不同的影響，甚至會產生顛覆性的變化［3-4］。

目前，國內失步解列裝置中的失步判別原理主要有3 種：Ucosφ法、相位角法、循序阻抗法［5-8］。三種判據的數學表達式均與站點電壓及電壓、電流的相位角有關，另外，振蕩中心的位置變化也與兩側電壓幅值有關。因此，從理論角度分析，負荷模型對系統的失步振蕩特性同樣也具有重要影響。

為此，本文以某大型電網為研究對象，采用中國電力科學研究院的BPA 程序，開展仿真分析計算。重點從不同負荷模型對振蕩中心的位置及失步解列裝置的動作情況方面來分析對系統失步振蕩特性的影響程度。

1 負荷模型的介紹

負荷模型一般分為靜態負荷模型、動態負荷模型及綜合負荷模型［9-12］。

1.1 靜態負荷模型（ZIP）

靜態負荷模型通常采用恒定阻抗、恒定電流和恒定功率的線性組合來表示。某些時候，為了分析負荷的頻率特性，在ZIP 模型之中，可以加入一個頻率因子。ZIP靜態負荷模型如式（1）：

式中：P0為有功功率初始值（MW）；Q0為無功功率初始值（MW）；電壓二次項相當于恒定阻抗負荷，電壓一次相當于恒定電流負荷（I），電壓零次項相當于恒定功率負荷為負荷的頻率特性。

1.2 動態負荷模型

動態負荷模型結構由非機理式和機理式兩大類。機理式均是以感應電動機模型為基礎，有三階機電暫態模型和一階機械暫態模型等，其中三階模型能較好的反映感應電動機動態特性。

1.3 綜合負荷模型

采用三階感應電動機并聯負荷靜態特性的綜合負荷模型結構，是目前最常用的模型。通過設置不同的占比，產生不同的負荷模型。如華東電網采用的60%感應電動機并聯40%恒阻抗、南方電網采用的50%感應電動機并聯50%恒阻抗等。

2 算例仿真分析

2.1 仿真網絡

以某大型電網500 kV 主網架為例，如圖1 所示。選取直流1+直流2雙極閉鎖穩控拒動和XLS站三相故障主保護拒動出線全失2 個故障作為算例，重點研究對斷面1 的振蕩中心特性及失步解列裝置動作情況的影響。其中，直流1+直流2 雙極閉鎖穩控拒動故障導致大量潮流迂回到交流斷面上，引起區域間斷面1 失步振蕩；XLS 站三相故障主保護拒動出線失壓導致斷面1 的一個通道斷開，引起斷面其他通道失步振蕩。失步解列裝置動作判據采用Ucosφ軌跡法。主要算例采用3 種負荷模型：（1）綜合負荷模型：50%Ⅲ型馬達+50%恒阻抗模型；（2）靜態30%恒阻抗+40%恒電流+30%恒功率模型，簡稱靜態3-4-3ZIP 模型；（3）70%Ⅲ型馬達+30%恒阻抗模型。馬達參數為：定子電阻Rs0.02，定子電抗Xs0.18，激磁電抗Xm3.5，轉子電阻Rr0.02，轉子電抗Xr0.12，慣性時間常數Tj2。

圖1 某大型電網500 kV主網架示意圖Fig.1 Schematic diagram of the 500 kV main grid frame of a large grid

2.2 對振蕩中心的影響

以直流1+直流2 雙極閉鎖穩控拒動故障為例，經仿真分析，采用不同的負荷模型，振蕩中心均位于斷面1 附近（GL-XLS 線、LD-HZ 線、HZ-LUD線、LB-WZ 線及YL-MM 線），不同之處是在HZLUD通道上，采用不同的負荷模型振蕩中心的位置有所不一樣，詳見圖2。由圖2可知，采用ZIP模型時，振蕩中心在HZ-LUD 線上；采用50%Ⅲ型馬達+50%恒阻抗模型時，振蕩中心前2 周期在HZLUD 線后遷移至LD-HZ 線；采用70%Ⅲ型馬達+30%恒阻抗模型時，振蕩中心主要在HZ-LUD 線上。總之，負荷模型的不同將影響振蕩中心的遷移變化。

圖2 LD-HZ線和HZ-LUD線的兩側相角差曲線Fig.2 Phase difference curve of both sides of the LD-HZ and HZ-LUD lines

其主要原因是由于負荷模型的不同，將導致線路兩側的電壓幅值差值不等，從而影響到振蕩中心的位置。

2.3 對失步解列裝置動作的影響

以直流1+直流2 雙極閉鎖穩控拒動故障時GLXLS 線XLS 側、HZ-LUD 線HZ 側、WZ-LUD 線WZ 側、YL-MM 線MM 側Ucosφ曲 線 為 例 進行分析。由圖3 可知，采用ZIP 靜態負荷模型，線路Ucosφ曲線周期完整性最好，兩廣斷面所有線路均能正確判出并解列斷面；但隨著感應電動機類型負荷的占比增加，Ucosφ曲線周期完整性變差，甚至會導致失步解列裝置能否動作的結論發生顛覆性變化。如WZ-LUD 線WZ 側Ucosφ曲線，采用ZIP 負荷模型，第二周期幅值范圍為［-1，1］，采用70%Ⅲ型馬達+30%恒阻抗模型，第二周期Ucosφ幅值范圍為［-0.26，0.42］。根據裝置的邏輯判別原理，Ucosφ幅值從大于0.3的值穿越到小于-0.3，才算完成一個周期，因此，存在采用70%Ⅲ型馬達+30%恒阻抗模型時，周期定值整定為2 時，WZ 側失步解列裝置不能解開WZ-LUD線的情況。

以XLS 站三相故障主保護拒動出線全失時LUD-WZ 線LUD 側Ucosφ曲線為例進行分析。由圖4 可知，采用ZIP 靜態負荷模型，線路Ucosφ曲線周期完整性最好，但隨著感應電動機類型負荷的占比增加，Ucosφ曲線周期完整性變差。與直流1+直流2雙極閉鎖穩控拒動故障算例結論一致。

其主要原因是因為故障恢復階段馬達電磁轉矩減小，但機械功率依然保持在較高的水平，隨著馬達逐漸減小，滑差在短時間內逐漸拉大，馬達將從系統內吸收大量無功，導致系統電壓降低，所以Ucosφ曲線的周期完整性差；而ZIP 負荷吸收的無功功率與電壓同方向變化，在故障后的恢復期間會隨著系統電壓的下降而下降，在一定程度上緩解了系統的無功缺額，有利于電壓的恢復，所以Ucosφ的周期完整性較好。

圖3 直流1+直流2雙極閉鎖穩控拒動故障時GL-XLS線XLS側、HZ-LUD線HZ側、WZ-LUD線WZ側、YL-MM線MM側Ucosφ曲線Fig.3 Ucosφ curve of XLS side of GL-XLS Line，HZ side of HZLUD Line，WZ side of WZ-LUD Line，MM side of YL-MM Line when DC1+DC2 bipolar blocking failure that stability control device refused to move

圖4 XLS站三相故障主保護拒動出線全失時LUD-WZ線LUD側Ucosφ曲線Fig.4 Ucosφ curve of LUD side of LUD-WZ Line when XLS station three-phase failur，main protection refusing to operate and failure of all outgoing lines happened

3 結 論

負荷作為電力系統的一個重要組成部分，其模型和參數選擇與實際負荷的吻合程度對電力系統相應的失步振蕩特性分析結論具有重要影響。

不同模型結構對系統失步振蕩特性分析影響很大。以對失步解列裝置動作情況的影響為例，采用ZIP 靜態負荷模型，線路Ucosφ曲線周期完整性最好；隨著感應電動機類型負荷的占比增加，Ucosφ曲線周期完整性變差，甚至會導致失步解列裝置能否動作的結論發生顛覆性變化。由仿真結果可知，感應電動機模型所在比重越大，分析結論越偏于保守，甚至有可能是截然相反的。因此，采用最反映實際情況的負荷模型才能有效保證仿真結果的可信度，即不能過于樂觀，也不能過于保守。