負荷模型對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的影響①

鄒德旭， 賀仁睦， 司大軍

(1.華北電力大學與云南電網(wǎng)研究生工作站， 昆明 650217； 2.華北電力大學電氣與電子工程學院， 北京 100085； 3.云南電力試驗研究院(集團)有限公司， 昆明 650217)

負荷模型對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的影響①

鄒德旭1， 賀仁睦2， 司大軍3

(1.華北電力大學與云南電網(wǎng)研究生工作站， 昆明 650217； 2.華北電力大學電氣與電子工程學院， 北京 100085； 3.云南電力試驗研究院(集團)有限公司， 昆明 650217)

隨著大區(qū)電網(wǎng)的互聯(lián)，低頻振蕩在我國電力系統(tǒng)中已成為突出的問題。本文研究電力系統(tǒng)的負荷模型對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的影響。通過搭建單機無窮大系統(tǒng)，理論上研究送端負荷分別采用恒功率，恒電流及恒阻抗模型時，分析其與自動電壓調節(jié)器及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的相互作用對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的影響。通過對一個兩區(qū)域四機系統(tǒng)的典型實例，利用PSD-BPA4.0版中小擾動程序對其進行仿真研究分析，結果表明，當電力系統(tǒng)進安裝AVR的情況下，送端負荷采用恒功率模型，更有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定；當系統(tǒng)安裝PSS的情況下，送端采用恒阻抗模型更有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

負荷模型； 動態(tài)穩(wěn)定； 自動電壓調節(jié)器； 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴大和大區(qū)電網(wǎng)之間的互聯(lián)，電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性問題越來越突出。低頻振蕩在我國電力系統(tǒng)中仍然是突出的問題，并隨著我國大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)而更加凸現(xiàn)出來。

電力系統(tǒng)的主要元件有發(fā)電機、負荷和電力網(wǎng)絡，電力負荷模型對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的計算結果影響較大[1～5]。文獻[6]指出當降低地區(qū)負荷對電壓的靈敏度時，如果該地區(qū)在送端，則聯(lián)絡線的傳輸功率極限將提高；反之，若該地區(qū)在收端，則聯(lián)絡線的傳輸功率極限將降低。但是當美國西部電網(wǎng)WSCC(western systems coordinating council)動態(tài)數(shù)據(jù)庫不能重現(xiàn)1996年8月10日大系統(tǒng)事故時，研究人員最后修改了功率送出端(加拿大側)的負荷模型，即從原來的恒電流模型改為恒功率模型，才仿真得到與實測比較接近的振蕩曲線[7]。文獻[7]從PSS輸入信號及輸出相位、幅值大小研究負荷模型對電力動態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，通過分析表明由于PSS的影響導致原來認為保守的負荷模型變得樂觀了。

本文采用靜負荷特性分析送端負荷模型與自動電壓調節(jié)器AVR(automatic voltage regulation)及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS(power system stabilizer)的相互作用對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的影響。研究基于特征值分析的方法，計算程序采用中國電力科學研究院的PSD-BPA4.0版程序。

1 負荷靜特性對電力系統(tǒng)穩(wěn)定影響的原理

圖1所示為單機無窮大系統(tǒng)。

圖1 單機無窮大系統(tǒng)

(1)

拉普拉斯算子。當負荷接在送端時，PE=P1+PL。送端的負荷模型分別采用恒功率、恒電流以及恒阻抗模型。

靜態(tài)負荷模型為

(2)

P0、Q0分別為穩(wěn)態(tài)運行時系統(tǒng)的負荷的有功與無功，np=nq=0，表示恒功率模型；np=nq=1，表示恒電流模型；np=nq=2，表示恒阻抗模型。

(3)

將式(2)代入式(3)，線性化可得

ΔPE=K1ΔUt+K2Δδ

(4)

設Δδ-Δθ=KΔδ，則有

式中Ut0、U0、δ0、θ0為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的量。

設

Ut=Ud+jUq

(5)

因為

(6)

而

(7)

因為

ΔId=ΔIL,d+ΔILoad,d

(8)

(9)

推導得

(10)

(11)

將式(9)和式(10)代入式(7)得

(12)

將式(11)與式(6)代入式(5)得

(13)

由上面可見，K2、K4與K6的值與負荷模型沒有關系，但K1、K3與K5的值與負荷模型有關系。

1.1負荷模型與AVR相互作用對動態(tài)穩(wěn)定影響

AVR對電力系統(tǒng)轉矩的影響為

(14)

因為ΔPE≈ΔTE[7]，則有

(15)

由上面的分析可以看出，當送端機組僅裝AVR時，恒功率的負荷模型的阻尼轉矩最大，恒電流次之，恒阻抗最差。

1.2負荷模型與PSS相互作用對動態(tài)穩(wěn)定影響

當勵磁系統(tǒng)加裝PSS后，假設PSS的傳遞函數(shù)為Gpss(p)，輸入信號選用Δω，因為

(16)

推導得到由PSS增加的系統(tǒng)的轉矩為

ΔTE=

(17)

從上面的分析可以看出，當勵磁系統(tǒng)加裝PSS后，若PSS的參數(shù)設計合理，由PSS而增加的系統(tǒng)的阻尼轉矩恒阻抗最大，恒電流次之，恒功率最差。

2 算例分析

系統(tǒng)的單線圖如圖2所示，該系統(tǒng)有兩個對稱的區(qū)域組成，每個區(qū)域有兩臺容量為600 MW的同步發(fā)電機。區(qū)域1與區(qū)域2的負荷分別為980 MW和1350 MW，區(qū)域1向區(qū)域2送電210 MW。

圖2 兩區(qū)域四機系統(tǒng)圖

系統(tǒng)條件如下：

(1)發(fā)電機模型，本次研究采用考慮次暫態(tài)過程的、變化的詳細模型；

(2)勵磁系統(tǒng)模型，采用自并勵勵磁系統(tǒng)模型；

(3)PSS模型，采用PSS-2A模型。

通過小擾動程序計算發(fā)現(xiàn)，送端負荷模型的變化對區(qū)域間的振蕩模式的影響比較大，對區(qū)域內振蕩模式的影響較小。其主要原因是，區(qū)域間的電氣距離較大，即XL的值較大，由前一章計算的各個系數(shù)的結果可以看出，此時負荷模型的變化對K1、K3與K5的值影響較大；而區(qū)域內的振蕩XL值較小，此時負荷模型的變化對K1、K3與K5的值影響較小。為了節(jié)省篇幅，計算結果僅列出區(qū)域間的振蕩模式。

表1 送端發(fā)電機無勵磁系統(tǒng)振蕩模式

表2 送端發(fā)電機安裝AVR振蕩模式

表1～表3分別給出了送端機組無勵磁系統(tǒng)，送端機組安裝AVR及勵磁系統(tǒng)加裝PSS時系統(tǒng)的振蕩模式，在此計算過程中受端機組一直裝有勵磁系統(tǒng)并加裝PSS。

表3 送端發(fā)電機勵磁系統(tǒng)加裝PSS系統(tǒng)振蕩模式

從表1～表3的結果可以看出，送端機組不安裝勵磁系統(tǒng)時，送端采用恒阻抗負荷模型最有利于系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定，恒電流次之，恒功率最差；送端發(fā)電機安裝AVR后，系統(tǒng)的阻尼減弱，此時送端采用恒功率負荷模型最有利于系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定，恒電流次之，恒阻抗最差；若送端機組的勵磁系統(tǒng)加裝PSS后，系統(tǒng)的阻尼后增強，此時送端采用恒阻抗負荷模型最有利于系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定，恒電流次之，恒功率最差。此結果與上章的推理吻合。

3 結論

(1)當送端機組安裝快速勵磁系統(tǒng)時，自動電壓調節(jié)器(AVR)無論送端采用何種靜態(tài)負荷模型，系統(tǒng)的阻尼都會降低，但是采用恒功率模型時，系統(tǒng)阻尼降低的最少，恒電流次之，恒阻抗最多，此時送端采用恒功率模型更有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。

(2)當送端機組的勵磁系統(tǒng)加裝PSS后，無論送端采用何種靜態(tài)負荷模型，系統(tǒng)的阻尼都會加強，而采用恒阻抗的負荷模型時，系統(tǒng)的阻尼增加的最多，恒電流次之，恒功率最差，此時送端采用恒阻抗模型更有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

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EffectsofLoadModelonDynamicStabilityinPowerSystem

ZOU De-xu1， HE Ren-mu2， SI Da-jun3

(1.North China Electric Power University & Yun Nan Power Grid Graduate Workstation, Kunming 650217, China; 2.School of Electrical & Electronic Engineering,North China Electric Power University, Beijing 100085, China; 3.Yunnan Electric Power Test & Research Institute Group Company Limited, Kunming 650217, China)

This paper researches on effects of load model on dynamic stability in power system. Through constructing single-machine-infinite-bus system, interactions among different load models, automatic voltage regulator (AVR) and power system stabilizer(PSS) on dynamic stability of the power system are analyzed with sending-end loads using models of constant power, constant current and constant impedance. A typical two-area-four-machine system is used as the case study by using small perturbations program of PSD-BPA4.0. The results show that when the power system installs AVR, the sending-end loads with constant power model are helpful to the stability of the system, and when the system installs PSS, the sending-end loads with constant impedance model are helpful to the stability of system.

load model； dynamic stability； automatic voltage regulation(AVR)； power system stabilizer(PSS)

2009-09-25

2009-10-19

TM7

A

1003-8930(2011)01-0118-05

鄒德旭(1984-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定分析及控制。Email:zdxdb@126.com 賀仁睦(1944-)，女，教授，博士生導師，研究方向為動態(tài)電力系統(tǒng)分析控制和負荷建模。Email:xiaomin@public3.bta.net.cn 司大軍(1976-)，男，博士，主要從事電力系統(tǒng)的運行分析、控制與研究工作。Email:dajunsi1976@163.com