含小水電配網(wǎng)負(fù)荷模型實用化方法

張元勝，李欣然，肖園園，宋軍英，馬亞輝，劉乾勇

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082;2.湖南省電力公司通信調(diào)度局，湖南 長沙 410077）

含小水電配網(wǎng)負(fù)荷模型實用化方法

張元勝1，李欣然1，肖園園1，宋軍英2，馬亞輝1，劉乾勇1

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082;2.湖南省電力公司通信調(diào)度局，湖南 長沙 410077）

以含分布式電源的配網(wǎng)為主要研究對象，系統(tǒng)研究了分布式小水電的工作原理與運行特性，通過對湖南郴州小水電網(wǎng)絡(luò)的調(diào)查，利用PSASP仿真軟件構(gòu)建了相應(yīng)的含分布式小水電的仿真網(wǎng)絡(luò)。分析了10kV小水電并網(wǎng)方式及動態(tài)響應(yīng)特性，研究了小水電電源對配網(wǎng)側(cè)綜合負(fù)荷特性影響。在此研究基礎(chǔ)上，采用加權(quán)平均聚合的歸納算法以及利用實際電網(wǎng)運營信息，對考慮配網(wǎng)的分布式小水電系統(tǒng)進(jìn)行綜合等效建模，并確定模型參數(shù)。從模型等效功角特性及功率外特性的角度，驗證了所提等效模型及參數(shù)確定方法的合理性和實用性。

小水電;分布式發(fā)電;綜合負(fù)荷模型;加權(quán)聚合法;配網(wǎng)阻抗等值

1 引言

在電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與運行調(diào)度控制之基本決策依據(jù)的電力系統(tǒng)仿真中，負(fù)荷模型是指對主網(wǎng)變電站母線(通常是220kV變電站的110kV母線）“綜合負(fù)荷”特性的等值描述，這種綜合負(fù)荷成分自然也包括了分布式電源。隨著地方小水電等分布式發(fā)電設(shè)備分布廣泛、運行特性各異、容量比例的逐步增大，造成綜合負(fù)荷構(gòu)成復(fù)雜、特性隨機(jī)多變，精確描述其等效特性的難度很大，而分布式發(fā)電的發(fā)展必然使這些特點更加突出，描述難度進(jìn)一步增大。

在現(xiàn)有研究中，單個小水電系統(tǒng)仿真模型已能很好地描述實際小水電的動態(tài)特性［1］。但放在小水電所在的配電網(wǎng)中，小水電單機(jī)容量相對而言甚是微小，其對電網(wǎng)的影響，特別是在暫態(tài)穩(wěn)定計算中對電網(wǎng)動態(tài)過程的影響無法清晰地體現(xiàn)出來［2］。其次，小水電的分布受地理環(huán)境的影響很大，特別是受流域的影響比較明顯，往往以小水電集群的方式通過10kV或35kV交流線接入配網(wǎng)。因此，考慮110kV及以下配網(wǎng)綜合負(fù)荷等效研究很有必要。

在廣義配網(wǎng)綜合負(fù)荷等效研究中，已有一些文獻(xiàn)對其進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［3］在簡單仿真網(wǎng)絡(luò)中運用總體測辨的建模方法從參數(shù)辨識擬合效果的角度分析了分布式電源接入容量對傳統(tǒng)負(fù)荷模型適用性的影響。文獻(xiàn)［4］對比了廣義電力負(fù)荷的3種模型結(jié)構(gòu)各自的特點，并從總體測辨的角度提出了這三種模型結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的方法。但是，文獻(xiàn)［3-4］中應(yīng)用到的方法都離不開實際網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)擾動的測量數(shù)據(jù)。隨著對電網(wǎng)安全性的要求越來越高，通過在實際網(wǎng)絡(luò)中制造擾動來獲取動態(tài)數(shù)據(jù)的方法成本很高，而且風(fēng)險很大，并且事先必須對風(fēng)險性進(jìn)行評估，以確定不會影響電網(wǎng)的正常運行。另外總體測辨的方法在模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況下，模型的參數(shù)并不能唯一辨識，從而辨識出來的模型參數(shù)的不確定性也使得實際應(yīng)用起來的可信度降低。因此針對含小水電的配網(wǎng)綜合負(fù)荷建模需要一種實用性更強(qiáng)，準(zhǔn)確度更高的方法，本文所做工作以此而展開，提出了一套比較實用的等效建模方法，并與實際網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)過程進(jìn)行了比較，證明這種方法的可行性。

2 小水電發(fā)電模型

在我國，小水電是指裝機(jī)容量在25MW及以下的水電站。小水電站的發(fā)電機(jī)主要采用凸極同步發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)適合于低轉(zhuǎn)速水力發(fā)電。因此，本文采用三階微分方程模型來描述小水電同步發(fā)電機(jī)的動態(tài)特性［5］，方程式為

式中，xd、xd'、xq分別為d軸同步電抗、暫態(tài)電抗、q軸同步電抗;Td'0、TJ分別為d軸勵磁繞組時間常數(shù)、轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù);Eq'、ω、δ分別為 q軸暫態(tài)電勢、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置角;Efd為勵磁繞組在定子繞組產(chǎn)生的電勢;D為阻尼系數(shù);KG為飽和系數(shù);為中心角頻率;PT為原動機(jī)輸入功率。

為簡化起見，對小水電勵磁系統(tǒng)采用比例反饋模型，其輸入輸出特性可表示為

調(diào)速器用來維持輸出功率的恒定，在暫態(tài)過程中，忽略其動態(tài)特性。

3 考慮小水電電源影響的配網(wǎng)側(cè)綜合負(fù)荷建模研究

3.1 典型的小水電網(wǎng)絡(luò)

典型的小水電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。小水電出口電壓經(jīng)過升壓之后接入10kV公用配電網(wǎng)絡(luò)末端，或采用專線并入35kV或110kV變電站的10kV母線側(cè)。

圖1 典型小水電網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a typical small hydro network

對大電網(wǎng)進(jìn)行仿真時，往往將負(fù)荷等效到110kV電壓等級，這樣，分布式的小水電將會對負(fù)荷模型的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。采用傳統(tǒng)的感應(yīng)電動機(jī)+恒阻抗模型或感應(yīng)電動機(jī)+ZIP模型將無法準(zhǔn)確描述實際網(wǎng)絡(luò)下的含配網(wǎng)的廣義負(fù)荷外特性。

3.2 等效模型結(jié)構(gòu)

針對上述小水電網(wǎng)絡(luò)的特點，本文采用廣義負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)來描述含小水電的配網(wǎng)綜合負(fù)荷，該等效模型由感應(yīng)電動機(jī)、靜態(tài)負(fù)荷、等值同步發(fā)電機(jī)、配網(wǎng)阻抗和無功補(bǔ)償組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 含小水電配網(wǎng)等值模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Equivalent model structure diagram of distribution network with small hydropower

4 考慮小水電的等效模型參數(shù)的確定方法

4.1 等值同步發(fā)電機(jī)參數(shù)的確定

對于一個含小水電的配電網(wǎng)來說，其網(wǎng)絡(luò)中小水電的總?cè)萘?、裝機(jī)臺數(shù)、發(fā)電機(jī)型號均是可以統(tǒng)計的，結(jié)合相關(guān)機(jī)組數(shù)據(jù)手冊即可計算出每種型號發(fā)電機(jī)組的參數(shù)。小水電網(wǎng)絡(luò)機(jī)組之間基本同調(diào):首先小水電機(jī)群要么接在配電網(wǎng)絡(luò)末端，要么通過T接的方式接入配電網(wǎng)絡(luò)，其對外部系統(tǒng)來說呈現(xiàn)放射狀接入的特點;其次，對小水電作等值研究是為了研究小水電給主網(wǎng)帶來的影響，當(dāng)?shù)戎的Ｐ痛_定后，各種分析都是針對主網(wǎng)進(jìn)行，因此在主網(wǎng)中設(shè)置的各種運行情況相對于小水電網(wǎng)絡(luò)來說都是外部擾動或故障。本文采用加權(quán)平均的方法對發(fā)電機(jī)及其調(diào)節(jié)器模型的參數(shù)進(jìn)行聚合，這種方法是以同調(diào)機(jī)群中的各同步發(fā)電機(jī)額定容量占機(jī)群總?cè)萘康谋戎禐闄C(jī)組權(quán)重，對發(fā)電機(jī)各參數(shù)予以加權(quán)［6］。如式(3）所示，G表示待聚合的發(fā)電機(jī)集群集合;Sj表示第 j臺機(jī)組的容量;Xj表示待聚合機(jī)組的參數(shù)。

該方法不依賴于動態(tài)擾動下的實測數(shù)據(jù)，通過對所研究網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計就能獲取原始數(shù)據(jù)，實用性較強(qiáng)。

4.2 等值配網(wǎng)阻抗的確定

配網(wǎng)阻抗是綜合負(fù)荷模型中的重要組成部分，同時，配網(wǎng)阻抗的存在正是電力系統(tǒng)受端電壓失穩(wěn)的原因之一［7］。確定配網(wǎng)阻抗的方法主要有三種:第一種是總體測辨法，該方法需要實測動態(tài)數(shù)據(jù)，實用性不強(qiáng);第二種是網(wǎng)絡(luò)化簡等值法，該方法需要統(tǒng)計所有線路信息，工作量大;第三種是根據(jù)網(wǎng)損情況確定等值阻抗，相對于前兩種方法易于實現(xiàn)。

如圖1所示，A點為供電關(guān)口計量點，此處記錄有下屬網(wǎng)絡(luò)最大負(fù)荷 Pmax，年供電量 Wg，年售電量Ws，根據(jù)最大負(fù)荷利用小時數(shù) Tmax、最大負(fù)荷 Pmax、年供電量Wg之間的關(guān)系，可以確定系統(tǒng)在最大負(fù)荷下的電網(wǎng)損耗功率ΔP為

然后可以根據(jù)配網(wǎng)的整體線路狀況，主要是配網(wǎng)線路的線徑，來確定線路電抗和電阻之間的比值α，進(jìn)而確定無功線損為

從而可求出等效配網(wǎng)阻抗

5 實例研究

為了驗證上述等效方法的有效性，本文以湖南省郴州市的小水電網(wǎng)絡(luò)作為研究對象，該地區(qū)水力資源豐富，小水電裝機(jī)容量大，屬于典型的密集型小水電網(wǎng)絡(luò)，以桂陽縣一個小水電網(wǎng)絡(luò)為例，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 實際典型小水電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Topology of typical actual small hydro network

5.1 配網(wǎng)綜合等效參數(shù)確定

利用PSASP仿真軟件，選取圖3中B區(qū)所標(biāo)記的小水電網(wǎng)絡(luò)作為研究區(qū)域，對包括負(fù)荷、小水電、配電網(wǎng)在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)按照文中方法進(jìn)行等值分析，等效示意圖如圖4所示。

圖4 B區(qū)域小水電網(wǎng)絡(luò)等效示意圖Fig.4 Equivalent diagram of small hydropower in region B

等效前的負(fù)荷模型為傳統(tǒng)的感應(yīng)電動機(jī)+靜態(tài)負(fù)荷模型，等效后，小水電發(fā)電機(jī)的等值參數(shù)以及配網(wǎng)阻抗參數(shù)見表1和表2。對于感應(yīng)電動機(jī)、靜態(tài)負(fù)荷以及無功補(bǔ)償?shù)膮?shù)采用常規(guī)的負(fù)荷模型等值方法或典型參數(shù)來確定，湖南省電網(wǎng)靜態(tài)負(fù)荷與動態(tài)感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷的比例分別為35%和65%［8］。

表1 B區(qū)小水電機(jī)組參數(shù)Tab.1 Parameters of small hydropower in region B

表2 等效后的其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Tab.2 Other network parameters after equivalence

5.2 仿真分析

在上網(wǎng)饋線距離2063母線50%的位置處發(fā)生相同程度的三相短路故障，故障發(fā)生時間為2～2.2s，持續(xù)時間0.2s。為了比較等效前后的機(jī)組對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定影響，主要進(jìn)行兩方面的分析:搖擺曲線分析和功率外特性分析。

5.2.1 搖擺曲線分析

分別觀察等值區(qū)域等效前后附近兩個小水電站(甘水電站和光明電站）的相對搖擺曲線，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5看出，在12s的仿真時間內(nèi)，在對該區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等值前后，其他電站之間功角曲線有比較好的相似性，這說明該等值方法效果較好。

5.2.2 功率外特性分析

圖5 母線2063#下屬網(wǎng)絡(luò)等值前后發(fā)電機(jī)相對功角曲線Fig.5 Relative rocking curve of bus 2063 of original and equivalent model

分別觀察B區(qū)域小水電網(wǎng)絡(luò)等效前后，上網(wǎng)點2063#母線功率的變化情況，仿真結(jié)果如圖6所示。等值前后的功率在電壓下降的過程中的變化曲線基本吻合，可見機(jī)組等值后的外特性是與等值前一致的，證明這種等值方法的正確性。

圖6 等值前后2063#母線有功功率對比Fig.6 Comparison of active power of bus 2063 of original and equivalent model

通過以上分析表明，按照上述的等值方法來對含小水電的配網(wǎng)進(jìn)行等值是合理的。

6 結(jié)論

本文結(jié)合實際小水電網(wǎng)數(shù)據(jù)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運用PSASP搭建仿真模型;并將發(fā)電機(jī)模型參數(shù)加權(quán)聚合的方法應(yīng)用到了小水電網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)組等值中，同時根據(jù)正常的電網(wǎng)運營信息來確定配網(wǎng)線路等值阻抗。結(jié)果表明，該等值方法能很好地反映實際小水電動態(tài)特性，精度較高，方法的實用性較強(qiáng)，對實際小水電網(wǎng)絡(luò)的研究有很強(qiáng)的可行性。

References）:

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A practical method for determining parameters of load model of distributed network with small hydro power

ZHANG Yuan-sheng1，LI Xin-ran1，XIAO Yuan-yuan1，SONG Jun-ying2，MA Ya-hui1，LIU Qian-yong1
(1.College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;2.Hunan Power Dispatcher and Communications Center，Changsha 410077，China）

This paper takes the distributed network with small hydro power as research subject and the operating characteristics were studied.The typical 10kV small hydro simulation network of Chenzhou power grid in Hunan province was constructed in PSASP simulation environment，and the grid-connection style and the influence on the characteristic of the synthesis load modeling of the distribution network were analysed.On this basis，in order to find a better model to apply to this kind of distributed network，the weighted aggregation method was applied to get the parameters of generator of the equivalent small hydropower network model.And the operation information of the actual grid was used to determine the equivalent impedance of distribution network.The results showed that，the equivalent method can well reflect the dynamic characteristic of the hydropower，and the method has high accuracy，strong practicability and strong feasibility on the research of the actual small hydropower system.

small hydro;distributed generation;synthesis load model;weighted average method;distribution network impedance equivalent

TM743

A

1003-3076(2012）04-0083-05

2011-09-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(50977023）;湖南省自然科學(xué)基金重點資助項目(10JJ2043）

張元勝 (1986-），男，湖南籍，碩士研究生，研究方向:分布式發(fā)電理論研究、負(fù)荷建模;

李欣然 (1957-），男，湖南籍，教授/博導(dǎo)，研究方向:負(fù)荷建模，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與控制。