負(fù)荷模型對(duì)仿真計(jì)算的影響

徐宏雷，霍錦霞，李學(xué)仕

(1.甘肅省電力公司調(diào)控中心，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

負(fù)荷模型對(duì)仿真計(jì)算的影響

徐宏雷1，霍錦霞2，李學(xué)仕2

(1.甘肅省電力公司調(diào)控中心，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

首先對(duì)靜態(tài)負(fù)荷模型和綜合負(fù)荷模型的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了介紹，然后基于西北電網(wǎng)的計(jì)算數(shù)據(jù)包進(jìn)行了穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算采用相同的靜態(tài)負(fù)荷模型和綜合負(fù)荷模型分別在兩種故障條件下進(jìn)行了計(jì)算，分別得到了兩種截然不同的計(jì)算結(jié)果。給出了應(yīng)重視電網(wǎng)負(fù)荷的建模工作，并選擇正確的負(fù)荷模型的建議。

負(fù)荷模型；電力系統(tǒng)仿真；穩(wěn)定計(jì)算；斷面極限

1 引言

電力系統(tǒng)仿真廣泛用于電網(wǎng)運(yùn)行和規(guī)劃中，電力系統(tǒng)元件的模型建立是仿真計(jì)算環(huán)節(jié)中至關(guān)重要的一步。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況的吻合程度取決于所采用的模型及其參數(shù)的準(zhǔn)確性。同步發(fā)電機(jī)組模型及輸電線(xiàn)路模型已較為成熟，相對(duì)而言，負(fù)荷模型的發(fā)展較為落后，成為影響計(jì)算精度的因素之一，導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)波形差別較大。

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷增大，各電網(wǎng)大區(qū)聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)逐漸開(kāi)展，電網(wǎng)發(fā)展方向向著高電壓等級(jí)、高輸電能力發(fā)展。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題和暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題變得更加復(fù)雜，穩(wěn)定性問(wèn)題突出，負(fù)荷模型的不同對(duì)電力系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果的影響越來(lái)越突大。大量的仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明：負(fù)荷模型對(duì)潮流、短路電流、暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定以及電壓穩(wěn)定的仿真計(jì)算結(jié)果影響越來(lái)越大。

2 負(fù)荷模型分類(lèi)

負(fù)荷隨電壓和頻率的變化而變化的特性稱(chēng)為負(fù)荷特性，用于描述負(fù)荷特性的數(shù)學(xué)方程稱(chēng)為負(fù)荷模型。許多專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)負(fù)荷模型的分類(lèi)進(jìn)行了研究[1-2]，從是否考慮電網(wǎng)狀態(tài)暫態(tài)過(guò)程的角度來(lái)看，負(fù)荷模型分為靜態(tài)負(fù)荷模型和動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型。

靜態(tài)負(fù)荷模型相當(dāng)較為簡(jiǎn)單，沒(méi)有考慮時(shí)間對(duì)系統(tǒng)特性因素的影響，一般用代數(shù)方程描述。動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型則考慮了時(shí)間對(duì)系統(tǒng)特性因素的影響，一般用微分方程或者差分方程描述。

3 靜態(tài)負(fù)荷模型

3.1 冪函數(shù)靜態(tài)負(fù)荷模型

冪函數(shù)模型負(fù)荷模型主要適用于電網(wǎng)電壓較為穩(wěn)定系統(tǒng)中，電壓只是在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，通常情況不超過(guò)額定電壓的10%。其模型數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式如式(1)所示。

(1)

P0、Q0、U0和ω0分別表示系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)有功功率、無(wú)功功率、電壓和角頻率的值，亦即初始值。而P、Q、U和ω則為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)負(fù)荷吸收的有功功率、無(wú)功功率、負(fù)荷母線(xiàn)電壓幅值和角率，為隨頻率、電壓波動(dòng)的變化值。Pu、Qu為負(fù)荷有功、無(wú)功的電壓靜態(tài)特征系數(shù)，Pf、Qf為負(fù)荷有功、無(wú)功的頻率靜態(tài)特征系數(shù)。

3.2 多項(xiàng)式靜態(tài)負(fù)荷模型

不同類(lèi)型的負(fù)荷消耗的功率大小隨端點(diǎn)電壓的變化而變化，根據(jù)這一特性可將電力系統(tǒng)負(fù)荷的類(lèi)型分為三種：恒阻抗負(fù)荷、恒電流負(fù)荷和恒功率負(fù)荷，也即是ZIP負(fù)荷模型。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，用電設(shè)備的多樣性決定了負(fù)荷組成的復(fù)雜性，通常按照這三類(lèi)負(fù)荷的不同比例組合構(gòu)成的綜合負(fù)荷來(lái)描述各種負(fù)荷的特性。其模型如式(2)所示。

(2)

式(2)中：Fp為有功頻率指數(shù);Fq為無(wú)功頻率指數(shù)；p1、p2、p3分別表示恒阻抗負(fù)荷、恒電流負(fù)荷和恒功率負(fù)荷在有功功率中所占的比例；系數(shù)q1、q2、q3分別表示恒阻抗負(fù)荷、恒電流負(fù)荷和恒功率負(fù)荷在無(wú)功功率中所占的比例。并且有如式(3)的關(guān)系。

(3)

4 綜合負(fù)荷模型

實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行中對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性影響較大的負(fù)荷主要是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，且感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷占總負(fù)荷達(dá)到一半以上，暫態(tài)計(jì)算條件下必須考慮負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性。在大區(qū)電網(wǎng)功率振蕩研究、發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁及同步扭振、負(fù)荷電壓穩(wěn)定性研究中，負(fù)荷的動(dòng)態(tài)過(guò)程是一個(gè)重要的考慮內(nèi)容。為了更接近電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際，學(xué)者對(duì)多種負(fù)荷模型進(jìn)行了研究，并對(duì)靜態(tài)負(fù)荷模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了含有電動(dòng)機(jī)模型的綜合負(fù)荷模型。綜合負(fù)荷模型由靜態(tài)的恒阻抗負(fù)荷、恒電流負(fù)荷和恒功率負(fù)荷與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷并聯(lián)組成，如圖1所示。

圖1 綜合負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其中電動(dòng)機(jī)模型部分為三階感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其物理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)可用圖2表示。

圖2 電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其數(shù)學(xué)模型為：

(4)

式中Rs、Xs、Rr、Xr、Xm分別是等值電動(dòng)機(jī)的定子電阻、定子漏抗、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子漏抗與電動(dòng)機(jī)激磁電抗，H為轉(zhuǎn)子的慣性時(shí)間常數(shù)，Tm為機(jī)械負(fù)載力矩，Te為電力矩。

5 不同負(fù)荷模型對(duì)仿真計(jì)算的影響

實(shí)際電網(wǎng)中每天的電力負(fù)荷是在不斷變化著的，每種負(fù)荷的構(gòu)成也是在變化的。因此，采用一種能夠具有代表性模型來(lái)表示電力負(fù)荷的特性，就具有十分重要的意義。下面分別就靜態(tài)負(fù)荷模型和綜合負(fù)荷模型分別進(jìn)行暫穩(wěn)計(jì)算，分析兩種負(fù)荷的特性對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響程度。

采用2014年西北電網(wǎng)計(jì)算數(shù)據(jù)包，分別采用靜態(tài)負(fù)荷和綜合負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。其中靜態(tài)負(fù)荷模型參數(shù)采用多項(xiàng)式負(fù)荷模型，具體參數(shù)如下：p1=1.33,p2=-1.86,p3=1.53,Fq=2,q1=6.66,q2=-9.32,q3=3.66,Fp=1。綜合負(fù)荷模型參數(shù)具體如下：Rs=0.02，Xs=0.18，Rr=0.02，Xr=0.12，Xm=3.5，H=2。

5.1 750kV河武雙回同桿異名相故障計(jì)算

分別采用如上靜態(tài)負(fù)荷模型和綜合負(fù)荷模型，對(duì)甘肅電網(wǎng)750kV河武雙回同桿異名相故障重合不成功計(jì)算。計(jì)算采用故障后0.3s切除風(fēng)電2500MW、切除負(fù)荷40MW的措施，計(jì)算時(shí)間40s，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 河武雙回同桿異名相故障重合不成功曲線(xiàn)對(duì)比

圖4 對(duì)比曲線(xiàn)局部放大

由圖4可以看出，在上述計(jì)算邊界條件下兩種負(fù)荷模型的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果較為相似，省際間發(fā)電機(jī)功角振蕩相差0.1894°。

5.2 酒泉單主變故障計(jì)算

采用如上負(fù)荷模型，在同一潮流作業(yè)基礎(chǔ)上對(duì)甘肅電網(wǎng)750kV酒泉變單主變330kV側(cè)三永故障故障跳主變進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算采用故障后0.3s切除風(fēng)電790MW的措施，計(jì)算時(shí)間30s，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。 由圖5可見(jiàn)，采用靜態(tài)負(fù)荷模型與綜合負(fù)荷模型的計(jì)算結(jié)果在故障前完全重合，在3.7s故障后第一擺最大值處產(chǎn)生差別，之后差別更為明顯。采用靜態(tài)負(fù)荷模型的計(jì)算，省際間發(fā)電機(jī)功角差最大值已經(jīng)大于500°，可判為系統(tǒng)失穩(wěn)，需進(jìn)一步下調(diào)斷面潮流，用以保證系統(tǒng)穩(wěn)定；而采用綜合負(fù)荷模型計(jì)算，功角收斂至正常范圍，可判為系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖5 750kV酒泉主變330kV側(cè)三永跳主變曲線(xiàn)對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)相同的靜態(tài)負(fù)荷模型參數(shù)和綜合負(fù)荷模型參數(shù)在兩種不同故障條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出，在電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算中，穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可能較為相似，也有可能截然不同，不同的計(jì)算條件可能導(dǎo)致造成完全不同的計(jì)算結(jié)果。專(zhuān)家和學(xué)者也就負(fù)荷建模方面做出了大量的研究[3-8]，因此，應(yīng)十分重視電網(wǎng)負(fù)荷的建模工作，并選擇正確的負(fù)荷模型，加強(qiáng)對(duì)負(fù)荷部分的組成及其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，提高負(fù)荷模型的精準(zhǔn)度，保證穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果的有效性。

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The Effect of the Load Model on the Simulation Calculation

XUHong-lei1,HUOJin-xia2,LIXue-shi2

(1.Regulation and Control Centre of Gansu Power Company, Lanzhou 730050,China;2.Lanzhou City College,Lanzhou 730050,China)

First,present the mathematical models for the static load model and integrated load model,then carry out stability calculation based on computer packet of Northwest grid.The calculation,which adopted the same static load model and integrated load model,carried out calculations under two kinds of fault conditions,respectively get two entirely different calculation results.The paper gives out modeling work to pay attention to the electric network load and select correct load model suggestion.

load model;electric power system simulation;stability calculation;sectional limit

1004-289X(2015)02-0097-03

甘肅省城市發(fā)展研究院項(xiàng)目(2013-GSCFY-KJ04)

TM71

B

2014-11-14

徐宏雷(1979-)，男，碩士，工程師，主要從事電網(wǎng)運(yùn)行控制、電網(wǎng)仿真計(jì)算方面的研究； 霍錦霞(1973-)，女，本科，副教授，主要從事數(shù)學(xué)教學(xué)、數(shù)學(xué)模型建模方面的研究； 李學(xué)仕(1967-)，女，碩士，講師，主要從事數(shù)學(xué)教學(xué)、數(shù)學(xué)模型建模方面的研究。