含感應(yīng)電動(dòng)機(jī)配電網(wǎng)的綜合負(fù)荷模型分析

王迥源

摘 要：隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)的大力推進(jìn)，電網(wǎng)將變得更加復(fù)雜，電網(wǎng)將會(huì)遇到各種運(yùn)行的挑戰(zhàn)。電壓穩(wěn)定性首當(dāng)其沖成為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題，電網(wǎng)中負(fù)荷穩(wěn)定性是電網(wǎng)穩(wěn)定性的一個(gè)重要的方面，構(gòu)建適合的負(fù)荷模型是電力行業(yè)人員進(jìn)行電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵。電網(wǎng)系統(tǒng)綜合負(fù)荷最為主要的動(dòng)態(tài)負(fù)荷是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行極為重要。文章對(duì)國(guó)內(nèi)外常用的綜合負(fù)荷模型進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并簡(jiǎn)單介紹了現(xiàn)有的綜合負(fù)荷模型的不足之處，就現(xiàn)有的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷模型進(jìn)行了詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：綜合負(fù)荷模型；電力系統(tǒng)穩(wěn)定性；感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型

中圖分類號(hào)：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）06-0069-02

1 負(fù)荷建模的背景與意義

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、輸電、配電、用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)，主要由發(fā)電廠、輸配電線路和電力負(fù)荷三大部分組成。配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)重要的配電環(huán)節(jié)，能將電能輸送給各電力負(fù)荷。隨著科技與時(shí)代的發(fā)展，形形色色的電力負(fù)荷出現(xiàn)在配電網(wǎng)中，為了能充分保障配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)與規(guī)劃。

目前在配電網(wǎng)中一般采用數(shù)字仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與規(guī)劃，數(shù)字仿真的結(jié)果成為了實(shí)際中配電網(wǎng)管理的主要依據(jù)。為了得到精確的配電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字仿真，必須對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行模型分析，建立精準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)系統(tǒng)精準(zhǔn)管理的關(guān)鍵。

配電網(wǎng)系統(tǒng)的模型分析包含以下幾個(gè)環(huán)節(jié)得建模：電網(wǎng)系統(tǒng)的建模，輸電線路的建模，用電負(fù)荷的建模。配電網(wǎng)系統(tǒng)中負(fù)荷的建模是關(guān)鍵，隨著電力市場(chǎng)化日趨成熟與全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，用電負(fù)荷模型的研究也越來(lái)越得到重視。大量的實(shí)驗(yàn)與理論分析表明，負(fù)荷模型對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)中的潮流分析、電壓穩(wěn)定性分析以及配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性分析有重要的影響，甚至影響對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)分析與判斷，以至于造成電力災(zāi)害的發(fā)生。

配電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間的管理與維護(hù)經(jīng)驗(yàn)表明綜合負(fù)荷模型是一個(gè)重要工具，能有效的幫助電力工作者進(jìn)行配電網(wǎng)系統(tǒng)維護(hù)、配電系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷以及壽命的評(píng)估?，F(xiàn)有的電力系統(tǒng)中綜合負(fù)荷模型十分的粗糙，進(jìn)行更深入、更精準(zhǔn)的研究是很有意義的。

隨著配電網(wǎng)的不斷發(fā)展與革新，系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)與輸電線路的建模技術(shù)已經(jīng)比較成熟，由于電力負(fù)荷的分散性、間歇性、多樣性等特點(diǎn)，對(duì)電力負(fù)荷的精準(zhǔn)建模相比電力網(wǎng)絡(luò)中的其他元件就顯得更加復(fù)雜與困難。隨著電網(wǎng)的不斷復(fù)雜化，現(xiàn)有的綜合負(fù)荷模型已經(jīng)不能保障對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算與預(yù)測(cè)，對(duì)良好精準(zhǔn)的負(fù)荷模型的研究迫在眉睫。

2 綜合負(fù)荷模型的發(fā)展歷程

隨著配電網(wǎng)絡(luò)的不斷壯大與數(shù)字電力仿真軟件不斷發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到精準(zhǔn)電力負(fù)荷模型對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，系統(tǒng)中電力負(fù)荷的建模技術(shù)也越來(lái)越得到重視。

電力負(fù)荷建模技術(shù)發(fā)展至今，電力負(fù)荷建模的方法大致可以總結(jié)為兩類：①統(tǒng)計(jì)綜合法；②總體辨識(shí)法。

把系統(tǒng)中的電力負(fù)荷看成一個(gè)集合是綜合統(tǒng)計(jì)法的中心思想，然后統(tǒng)計(jì)出電力負(fù)荷中各種負(fù)荷所占的比例，計(jì)算出電力負(fù)荷的平均特性，根據(jù)所得的負(fù)荷平均特性以及負(fù)荷比例得出綜合負(fù)荷模型。相比于統(tǒng)計(jì)綜合法，總體辨識(shí)法不需要統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中各類電力負(fù)荷所占的比例以及負(fù)荷的特性，只需要研究每一負(fù)荷端口的電力特性。在利用總體辨識(shí)法進(jìn)行建模的過(guò)程中可以將系統(tǒng)母線中的所有負(fù)荷視為一個(gè)集合，對(duì)系統(tǒng)中的各負(fù)荷端口的電壓、電流、頻率、功率等電氣量進(jìn)行測(cè)量，利用所側(cè)的各負(fù)荷電氣量與系統(tǒng)辨識(shí)理論建立負(fù)荷模型。

負(fù)荷建模技術(shù)發(fā)展至今，各種各樣的負(fù)荷模型呈現(xiàn)在人們面前。根據(jù)所構(gòu)建的模型是否能反映負(fù)荷工作過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，將電力負(fù)荷模型大致分為兩大類：①靜態(tài)負(fù)荷模型；②動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型。

動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型能充分的反映負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性，一般在進(jìn)行建模的過(guò)程中通常用微分方程、狀態(tài)方程描述。電力負(fù)荷建模技術(shù)發(fā)展之初，人們首先提出了恒功率、恒電流、恒阻抗等靜態(tài)負(fù)荷模型，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷地發(fā)展，在這三種靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上提出了更精準(zhǔn)的靜態(tài)模型，更加精準(zhǔn)的描述電力負(fù)荷的靜態(tài)特性，主要包括：冪函數(shù)負(fù)荷模型，多項(xiàng)式負(fù)荷模型。

動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型主要包括機(jī)理式負(fù)荷模型與非機(jī)理式負(fù)荷模型，在動(dòng)態(tài)建模的過(guò)程中若負(fù)載的動(dòng)態(tài)過(guò)程能用物理模型對(duì)其動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行描述，一般采用機(jī)理式負(fù)荷模型；若所建模的負(fù)荷對(duì)象，動(dòng)態(tài)過(guò)程較為復(fù)雜，面對(duì)此類型的負(fù)載時(shí)通常采用非機(jī)理式的負(fù)荷模型，即將整個(gè)負(fù)荷整體看成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用非機(jī)理模型來(lái)描述負(fù)荷的性質(zhì)與動(dòng)態(tài)過(guò)程。

隨著電網(wǎng)復(fù)雜化，單一的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型很難精準(zhǔn)的反映系統(tǒng)中的電力負(fù)荷，且在配電網(wǎng)絡(luò)中無(wú)功補(bǔ)償和網(wǎng)絡(luò)阻抗對(duì)系統(tǒng)的負(fù)荷建模也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，面對(duì)現(xiàn)有模型的不足有關(guān)學(xué)者提出了綜合負(fù)荷模（SLM）。

綜合負(fù)荷模型是一種將靜態(tài)負(fù)荷模型與動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型結(jié)合的技術(shù)，綜合負(fù)荷模型中充分反映了電動(dòng)機(jī)負(fù)荷、無(wú)功補(bǔ)償?shù)葘?duì)負(fù)荷特性的影響。

3 配電網(wǎng)中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型

隨著工業(yè)不斷發(fā)展，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是配電網(wǎng)中最為常見(jiàn)的負(fù)荷，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有深遠(yuǎn)的影響。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)所應(yīng)用的領(lǐng)域，多種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的模型相繼被提出，最為常見(jiàn)的有以下幾種：①五階電磁暫態(tài)模型；②三階機(jī)電暫態(tài)模型；③一階機(jī)械暫態(tài)模型；④一階電壓暫態(tài)模型。

其中五階電磁暫態(tài)模型不僅充分考慮了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子繞組中的電磁的暫態(tài)過(guò)程而且還充分體現(xiàn)了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械暫態(tài)過(guò)程。相比之下三階機(jī)電暫態(tài)模型忽略了對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部定子的電磁的暫態(tài)過(guò)程，若在三階機(jī)電模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步忽略感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部的電磁暫態(tài)過(guò)程，則將得到我們比較熟悉的一階模型。

不同的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型都有自己的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)之處，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域在對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)建模時(shí)，選用最適合的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行建模。對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)中感應(yīng)電機(jī)的建模中計(jì)算量不是大問(wèn)題，一般會(huì)采用三階的電機(jī)模型，既能很好的展現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的電磁暫態(tài)過(guò)程又能相應(yīng)的減少建模過(guò)程中的計(jì)算量；若為了體現(xiàn)和解決系統(tǒng)內(nèi)部的無(wú)功動(dòng)態(tài)問(wèn)題時(shí)，一般采用一階的電壓暫態(tài)模型；若為了體現(xiàn)和解決系統(tǒng)內(nèi)部的有功動(dòng)態(tài)問(wèn)題時(shí)，一般采用一階的機(jī)械暫態(tài)模型對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模。至今一般在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的綜合負(fù)荷系統(tǒng)建模時(shí)一般采用的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型，如圖1所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

配電網(wǎng)中綜合負(fù)荷建模是對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行潮流分析、故障預(yù)測(cè)與診斷的關(guān)鍵工具，精準(zhǔn)的負(fù)荷建模能很好的體現(xiàn)負(fù)載的實(shí)際特性，更加準(zhǔn)確的反映實(shí)際應(yīng)用中的負(fù)荷的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)特性。本文詳細(xì)闡述了負(fù)荷建模技術(shù)的發(fā)展歷程，經(jīng)過(guò)幾代科研工作者的不斷努力，從最初的恒功率、恒阻抗、恒電流的靜態(tài)建模發(fā)展到能充分體現(xiàn)實(shí)際負(fù)荷的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)特性的綜合負(fù)荷建模，并介紹了實(shí)際數(shù)字仿真中常用的綜合負(fù)荷模型的物理結(jié)構(gòu)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是配電網(wǎng)系統(tǒng)中最為常見(jiàn)的負(fù)荷之一，但由于其結(jié)構(gòu)與實(shí)際工作過(guò)程較為復(fù)雜，單一的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)建模很難充分體現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，必須采用綜合負(fù)荷模型對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模。

文章中總結(jié)了現(xiàn)有的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型，主要包括：五階電磁暫態(tài)模型；三階機(jī)電暫態(tài)模型；一階機(jī)械暫態(tài)模型；一階電壓暫態(tài)模型，并簡(jiǎn)單介紹了每一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型優(yōu)劣勢(shì)與每一種模型的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)中的負(fù)荷也會(huì)變得更加的復(fù)雜，現(xiàn)有的負(fù)荷建模技術(shù)必須緊跟電網(wǎng)的發(fā)展，以保障能充分體現(xiàn)隨機(jī)多變的負(fù)荷的實(shí)際靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性，保障數(shù)字仿真能更加精準(zhǔn)的反映實(shí)際模型，保障能安全有效的管理整個(gè)系統(tǒng)。

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