負荷模型對電力系統仿真計算的影響

1、 負荷模型對電力系統仿真計算的影響abstract: this paper analysis the impact of load model on the power system transient stability, voltage stability, small-signal stability, and frequency stability simulation. point out that the load models impact depends on the load location, electric power network composition, gene

2、rator distribution, and etc. so it is necessary to build load model matching the actual network.key word: load model; power system simulation; transient stability, voltage stability, small-signal stability. 摘要：針對負荷模型對電力系統仿真計算的暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、小干擾穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定問題的影響進行了分析。指出負荷模型對電力系統的影響與負荷所處的位置、電網結構，電源分布等因素相關，因此必須根

3、據電網實際建立切合實際的負荷模型。關鍵詞：負荷模型；電力系統仿真；暫態(tài)穩(wěn)定；電壓穩(wěn)定；小干擾穩(wěn)定0 引言在進行電力系統分析時，不恰當地選取負荷模型，會使所得結果與系統實際情況不相一致。大量仿真計算結果表明：不同的負荷模型對系統暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定以及小干擾動態(tài)穩(wěn)定的仿真計算結果具有不同的影響，在臨界情況下，計算結果可能會發(fā)生質的變化1-4。1 負荷模型對暫態(tài)穩(wěn)定的影響在系統受到擾動后的第一、二功角搖擺周期內，一般會出現電壓降低的情況，特別是在振蕩中心。在此期間，負荷消耗的功率大小對系統功率平衡有很大影響，從而將影響功角搖擺和穩(wěn)定極限5-8。如果實際負荷為恒電流特性，在仿真計算中采用了恒

4、阻抗模型，負荷消耗的功率本來應該和電壓成線性關系，計算中卻表現為與電壓成平方關系。系統擾動后電壓降低時，負荷吸收功率的減少被夸大了：如果負荷位于加速機群附近，計算結果將偏保守，因為發(fā)電和用電的不平衡關系被夸大了；如果負荷遠離加速機群或靠近減速機群，則將得到樂觀的結論。反之，如果采用恒功率負荷模型描述實際的恒電流負荷，則會得到不同的結論。所以，很難找到某種負荷模型在系統中任何部分對于任何擾動都是保守的。 以往研究已經證明系統發(fā)生較為嚴重故障時（在電壓、頻率變化較為明顯），采用動態(tài)模型可顯著地提高仿真的準確性。另外，感應電動機對系統暫態(tài)穩(wěn)定的影響與感應電動機相對于故障點的位置、感應電動機的負荷特性

5、、感應電動機的暫態(tài)特性等因素相關。一般情況下，功角的第一擺穩(wěn)定取決于兩個因素：（1）短路期間發(fā)電機獲得的加、減速能量；（2）短路故障消失后加、減速能量的釋放。以一個單機無窮大系統（見圖1）來分析這兩種因素的影響，比較幾種負荷模型對這兩個因素的影響。本算例采用以下三種負荷模型：（1）東北大擾動試驗推薦的考慮配電網絡的綜合負荷模型，以下簡稱slm（東北）（2）50%iii型馬達+50%恒阻抗模型（3）靜態(tài)30%恒阻抗+40%恒電流+30%恒功率模型，簡稱靜態(tài)3-3-4zip模型slm（東北）模型參數如下：（1）配電系統網絡阻抗：j0.06 p.u.；（2）電動機比例：60，負載率：40；參數：，；

6、（3）靜態(tài)負荷比例：40，靜態(tài)負荷構成：30恒定阻抗、30恒定電流、40恒定功率；（4）靜態(tài)負荷功率因數：；iii型馬達參數如表1所示表1 iii型馬達參數tab.1 the parameters of iii type motor model0.020.183.50.020.1220.850其中：感應電動機定子電阻感應電動機定子電抗感應電動機激磁電抗感應電動機轉子電阻感應電動機轉子電抗感應電動機的慣性時間常數，單位：秒；a轉矩方程常數b轉矩方程常數 (1) 負荷模型對送端加速能量的影響功率從發(fā)電機側流向無窮大系統側，如圖1，分析負荷模型對送端機組短路期間獲得的加速能量的影響。圖1 單機無窮大

7、系統fig.1 single-machine and infinite power system故障類型：0秒線路1母線2側發(fā)生三永短路故障，0.12秒時開關動作斷開線路1。負荷吸收的有功方面，在短路期間slm（東北）吸收有功最大，50iii型馬達50恒阻抗其次，靜態(tài)343zip模型吸收有功最小（見圖2）。系統電壓方面，動態(tài)負荷模型和slm（東北）在短路期間向系統提供容性無功，而靜態(tài)負荷吸收無功接近于0，短路期間系統電壓由高到低依次對應slm（東北）、動態(tài)負荷模型、靜態(tài)負荷模型（見圖3），系統電壓越高越有利于發(fā)電機功率外送。綜合上述兩方面的影響，采用slm（東北）時發(fā)電機的電磁功率最大而加速功

8、率最小，發(fā)電機在短路期間獲得的加速能量最小，采用靜態(tài)負荷模型時發(fā)電機的加速功率最大，發(fā)電機獲得的加速能量最大，動態(tài)負荷模型在短路期間獲得的加速能量居中，見圖4。圖2 短路期間有功負荷fig.2 active power during short circuit 圖3 短路期間母線1電壓fig.3 voltage of bus 1 during short circuit圖4 短路期間發(fā)電機加速功率fig.4 boost power of generator during short circuit（2）負荷模型對受端減速能量的影響功率從無窮大系統側流向發(fā)電機側（見圖1），分析負荷模型對受端機組

9、短路期間減速功率的影響。故障類型：0秒線路1母線2側發(fā)生三永短路故障，0.1秒時開關動作斷開線路1。短路期間負荷功率、系統電壓以及發(fā)電機減速功率如圖5、6及圖7所示。圖5 短路期間母線1電壓fig.5 voltage of bus 1 during short circuit圖6 短路期間負荷有功功率fig.6 active power during short circuit圖7 短路期間發(fā)電機減速功率fig.7 braking power of generator during short circuit短路期間系統電壓按由高到低的順序依次為slm（東北）、動態(tài)負荷模型、靜態(tài)負荷模型，負荷

10、有功功率按由大到小的順序也是slm（東北）、動態(tài)負荷模型、靜態(tài)負荷模型，因此故障期間發(fā)電機減速功率由大到小的順序是slm（東北）、動態(tài)負荷模型、靜態(tài)負荷模型。造成以上結果的主要原因：故障后恢復階段感應電動機電磁轉矩減小、逐漸減速、滑差拉大，隨著滑差在短時間內的迅速增大，感應電動機將從系統內吸收額外功率，其后功率保持在較高的水平，在故障前的功率附近搖擺。對受端而言，故障后恒阻抗負荷吸收的有功功率隨電壓降低而減小，意味著受端機組的有功不平衡量減少，有利于系統功率平衡；而感應電動機負荷在故障后的增大，意味著受端機組的有功不平衡量增加，不利于系統功率平衡。對送端而言，馬達負荷和恒阻抗負荷對系統穩(wěn)定性的

11、影響與處于送端時的影響剛好相反。2 負荷模型對電壓穩(wěn)定的影響電壓穩(wěn)定計算與電力系統其他的定量計算比較，對負荷模型的依賴程度更強。負荷模型是電壓失穩(wěn)過程中最活躍、最關鍵的因素9-11。本節(jié)以內蒙古阿拉善受端電網為實際算例，分析受端電網負荷模型對電壓穩(wěn)定的影響。阿拉善地區(qū)僅通過吉蘭太500kv主變與主網相連，其接線圖見圖8。阿拉善地區(qū)為典型的受端電網，當其主要供電電源線路吉蘭太-烏海線故障時，末端負荷站存在電壓穩(wěn)定問題。圖 8 阿拉善地區(qū)接線圖fig.8 the network of alashan阿拉善電網分別采用華北電網目前采用的60%iii型馬達+40%恒阻抗、100%恒阻抗、100%恒電流

12、、100%恒功率、100%iii型馬達、東北大擾動試驗推薦的slm（簡稱slm（東北）。故障選擇在吉蘭太-烏海線烏海側，故障形式為三永故障，馬達模型為iii型。阿拉善地區(qū)的受電極限如表2所示。表2 阿拉善地區(qū)受電極限tab.2 the maximum receiving power of alashan network負荷模型受電極限（mw）系統失穩(wěn)形式60%iii型馬達+40%恒阻抗170電壓恢復慢，持續(xù)低于0.75p.u.超過1秒恒阻抗190同上恒電流190同上恒功率185同上100%iii型馬達145同上slm（東北）150同上圖9為阿拉善地區(qū)受電171mw，分別采用6種負荷模型時額濟納

13、站的220kv母線電壓曲線?？梢钥闯?，采用靜態(tài)模型時電壓恢復較快，不存在電壓穩(wěn)定問題；采用100%馬達和slm（東北）時，故障后電壓無法恢復，直至出現電壓崩潰；采用華北電網現有的60%馬達+40%恒阻抗模型時，故障后電壓恢復較慢，持續(xù)低于0.75p.u.超過1秒。分別采用6種負荷模型，電壓恢復水平由高到低的順序依次為恒阻抗模型、恒電流模型、恒功率模型、華北電網現有模型、slm（東北）和100%馬達模型?？傮w上表現為受端系統電壓穩(wěn)定水平隨受端電網的馬達比例的增加而下降。圖9額濟納220kv母線電壓曲線fig.9 the voltage curve of ejina station bus 馬達負

14、荷對電壓穩(wěn)定性的影響：馬達的有功、無功功率與滑差間的關系如式（1）所示。 （1）式中：pmax為一定電壓水平下感應電動機可吸收的最大有功功率；p、q為感應電動機吸收的有功和無功；scr 為感應電動機臨界滑差；s為感應電動機滑差。 故障后恢復階段感應電動機電磁轉矩減小，而感應電動機的機械功率還保持在較高的水平，造成感應電動機逐漸減速，滑差拉大，隨著滑差在短時間內的迅速增大，感應電動機將從系統內吸收大量無功。如果感應電動機能恢復穩(wěn)定，滑差減小的同時，吸收有功和無功將逐漸減小到穩(wěn)態(tài)前的水平，但如果電壓降低較多（低如于0.4p.u.）導致許多感應電動機難以恢復，感應電動機滑差增大，吸收無功功率增大，引

15、起系統電壓的進一步降低，造成受端電網電壓崩潰，系統失穩(wěn)模式表現為電壓失穩(wěn)。靜態(tài)模型對電壓穩(wěn)定性的影響：靜態(tài)負荷吸收的功率主要受電壓變化影響，靜態(tài)負荷在故障后不會像感應電動機負荷那樣吸收更多的無功。恒阻抗、恒電流負荷吸收的無功功率還會在故障后的恢復期間隨著系統電壓的下降而下降，這樣可以在一定程度上緩解受端系統的無功缺額，有利于系統電壓的恢復。3 負荷模型對動態(tài)穩(wěn)定的影響在以往的小干擾穩(wěn)定性分析中，負荷模型通常采用有功恒電流、無功恒阻抗的靜態(tài)負荷。研究表明，負荷特性對電力系統的小干擾穩(wěn)定性有相當大的影響。區(qū)域間低頻振蕩過程中常常引起當地的電壓和頻率變化，在這些情況下，負荷的電壓和頻率特性對振蕩阻尼

16、特性計算有明顯的影響，特別是在參與因子較高機組附近的負荷，其特性對系統的阻尼計算結果有很大影響12。本節(jié)以西北電網作為實際算例分析陜西甘肅、青海、寧夏之間的振蕩模式受送端、受端感應電動機負荷比例及感應電動機慣性時間常數的影響。西北電網冬大方式下甘肅、青海、寧夏電網為送端電網，陜西電網為受端電網。以下簡稱陜西甘肅、青海、寧夏模式為陜西甘青寧模式。感應電動機模型為iii型，感應電動機負載率為65%。1.感應電動機比例對動態(tài)穩(wěn)定的影響1.1受端感應電動機比例的影響逐漸增加受端陜西電網的感應電動機負荷比例，感應電動機負荷比例從0逐步增加到100%，靜態(tài)負荷部分為恒阻抗。分析受端感應電動機負荷比例的變化

17、對陜西-甘青寧模式的振蕩頻率及阻尼比的影響。振蕩頻率及阻尼比與陜西受端電網感應電動機負荷比例的影響如圖11、12所示，可以看出：對于振蕩頻率：隨著受端陜西電網的感應電動機負荷比例的增大，陜西-甘青寧電網區(qū)間振蕩模式的振蕩頻率逐步降低。對于阻尼比：隨著受端陜西電網的感應電動機負荷比例的增加，區(qū)域振蕩的阻尼比呈現兩個變化趨勢。感應電動機負荷比例從0增加到40%的過程中，區(qū)域振蕩阻尼比逐漸降低；在感應電動機負荷比例從40%增加到100%的過程中，阻尼顯著增加。感應電動機負荷比例為40%時，區(qū)域振蕩模式的阻尼最弱；感應電動機負荷比例達到100%時，區(qū)域振蕩模式的阻尼最強。 1.2 送端感應電動機比例的

18、影響逐步增加送端甘肅、青海、寧夏電網的感應電動機負荷比例，感應電動機負荷比例從0逐步增加到100%，靜態(tài)負荷部分取恒阻抗。感應電動機模型仍選取iii型。振蕩頻率及阻尼比受送端甘青寧電網感應電動機負荷比例的影響如圖11、12所示，可以看出：對于振蕩頻率：送端電網感應電動機負荷比例從0增加到40%的過程中，陜西甘青寧振蕩模式的振蕩頻率逐步降低；感應電動機負荷比例從50%增加到100%的過程中，區(qū)域振蕩模式的振蕩頻率升高，整個過程中，送端電網感應電動機負荷比例取為40%和50%時，陜西甘青寧振蕩模式的振蕩頻率最低。對于阻尼比：送端電網感應電動機負荷比例從0增加到80%的過程中，陜西甘青寧振蕩模式的阻

19、尼逐步升高；在感應電動機負荷比例從80%增加到100%的過程中，阻尼略有降低，但送端電網負荷為100%感應電動機時，區(qū)域振蕩模式的阻尼比仍較100%恒阻抗模型下的阻尼比高54.2%。整個過程中，送端電網感應電動機負荷比例取為80%時，陜西甘青寧振蕩模式的阻尼比最高。圖11 振蕩頻率受感應電動機比例的影響fig.11 the oscillation frequency response to the motor percent 圖12 阻尼比受感應電動機比例的影響fig.12 the damping ratio response to the motor percent1）當受端陜西電網感應電動

20、機負荷的比例逐漸增加時，陜西-甘青寧區(qū)域振蕩模式的振蕩頻率隨之降低。而當送端甘肅、青海、寧夏電網的感應電動機負荷比例逐漸增加時，區(qū)域振蕩頻率的變化幅度很小，總體上呈現先降低后增加的趨勢。2）當送、受端電網感應電動機負荷比例不斷增加時，阻尼比的變化趨勢剛好相反。隨著送端電網感應電動機負荷比例的增加，區(qū)域振蕩模式的阻尼比出現先增加后降低的趨勢；而當受端電網感應電動機負荷比例不斷增加時，區(qū)域模式的阻尼比出現先降低后增加的趨勢。3）整個仿真過程中，送端和受端感應電動機負荷比例達到一定值后（80%），系統表現較高的阻尼特性。結語：負荷特性對電力系統的暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、小干擾穩(wěn)定特性均有較大影響，其影響

21、又與負荷所處的位置、電網結構、電源的分布等因素相關。以往的仿真計算中常常試圖采用某種“保守”的負荷模型，這種做法對現代復雜電力系統往往是危險的。因為負荷模型對現代復雜電力系統的總體影響事先難以確定，在某些臨界情況下“保守”的負荷模型可能產生“樂觀”的結果，因此必須建立和推廣切合實際的負荷模型。參考文獻：1 ieee, computer analysis of power systems working group of the computer and analytical methods subcommitteepower system engineering committee,“syst

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