空調(diào)負荷模型對電網(wǎng)仿真影響

王海潛，喬黎偉，張正利，李卓然，曹國芳，周榮玲（.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇南京　0008；.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京　00）

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空調(diào)負荷模型對電網(wǎng)仿真影響

王海潛1，喬黎偉1，張正利2，李卓然2，曹國芳2，周榮玲2
（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇南京210008；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京211100）

摘要：隨著空調(diào)負荷比例的日益增長，其對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定影響需要開展深入研究。為準確反應(yīng)空調(diào)負荷的特性，充分考慮了傳統(tǒng)空調(diào)及新型變頻空調(diào)的總體特性，建立了變頻空調(diào)為主的混合模型。對比研究了傳統(tǒng)空調(diào)負荷模型、混合模型以及目前工程上仍然采用的靜態(tài)負荷模型，分析了它們對電網(wǎng)仿真結(jié)果的差異。結(jié)果表明：一方面用靜態(tài)負荷描述空調(diào)設(shè)備，仿真結(jié)果過于樂觀；另一方面，變頻空調(diào)比例很大時，對局部電網(wǎng)的無功/電壓特性影響較大。

關(guān)鍵詞：空調(diào)負荷；變頻空調(diào)；電力系統(tǒng)；安全穩(wěn)定

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隨著社會與經(jīng)濟的快速發(fā)展，空調(diào)負荷所占比例日趨加大。據(jù)統(tǒng)計，2005年北京地區(qū)夏季空調(diào)負荷比例已達42.7%，比2004年增長了23.3%[1]。目前，廣州、上海等城市局部地區(qū)，夏季某些時段，空調(diào)負荷比例也已經(jīng)超過50%，且這一增長趨勢還會繼續(xù)。目前空調(diào)設(shè)備主要分為傳統(tǒng)空調(diào)和變頻空調(diào)，它們的特性是不一樣的。因此，在夏季極端形式下其對電網(wǎng)造成的影響研究成果很少。另外，在我國不少電網(wǎng)企業(yè)的實際生產(chǎn)過程中，仿真用的負荷模型還在采用靜態(tài)負荷，顯然與實際空調(diào)負荷的差異更為明顯。

近年來有關(guān)空調(diào)負荷對電網(wǎng)的影響已有一些研究成果，總體的結(jié)論是空調(diào)的特殊電氣特性會對電網(wǎng)穩(wěn)定性造成不利影響[2-7]。文獻[8]將負荷從低壓到高壓有層次地集結(jié)到高電壓節(jié)點。利用這種方法可以研究空調(diào)類負荷對高壓節(jié)點負荷特性是如何影響的。文獻[9]闡述了我國變頻空調(diào)技術(shù)現(xiàn)階段主要采用的技術(shù)，分析了變頻空調(diào)技術(shù)的不足，探討了變頻空調(diào)技術(shù)發(fā)展趨勢。文獻[10]的研究說明當(dāng)空調(diào)負荷較多時，發(fā)生故障后電壓恢復(fù)較慢。文獻[11]對普通傳統(tǒng)空調(diào)和變頻空調(diào)的動、靜態(tài)特性進行了實驗研究。

針對目前空調(diào)負荷包含了傳統(tǒng)空調(diào)與變頻空調(diào)的特點，本文采用了一種混合空調(diào)負荷模型。該模型仍然采用CLM結(jié)構(gòu)，并由詳細的動態(tài)仿真曲線進行了參數(shù)擬合。將該混合空調(diào)負荷模型，傳統(tǒng)空調(diào)負荷模型，以及靜態(tài)負荷模型分別帶入實際電網(wǎng)仿真算例，對比分析了各自對電網(wǎng)運行特性的影響。

1空調(diào)負荷模型對比分析

1.1空調(diào)負荷靜態(tài)模型

目前，我國不少電力企業(yè)的生產(chǎn)用仿真軟件中，還在使用靜態(tài)負荷進行暫態(tài)仿真計算，60%恒功率+40%恒阻抗?？照{(diào)設(shè)備主要包括傳統(tǒng)空調(diào)和變頻空調(diào)。傳統(tǒng)空調(diào)負荷中，其主體是電動機負荷；而變頻空調(diào)在電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，可近似控制其有功保持恒定，但其無功不受控。顯然，當(dāng)空調(diào)比例較高時，采用靜態(tài)負荷描述是不合理的。

1.2傳統(tǒng)空調(diào)負荷模型

傳統(tǒng)空調(diào)以電動機負載為主，空調(diào)的其他外圍器件可近似用ZIP模型來描述[12]，實際運行中的傳統(tǒng)空調(diào)負荷特性更接近于電動機負荷并聯(lián)恒阻抗的模型（電動機+Z）。傳統(tǒng)空調(diào)采用滯環(huán)控制方式，其啟動、停機的過程中，浪費大量的能量。此外，傳統(tǒng)空調(diào)的制冷功率是固定的，造成實際環(huán)境溫度波動較大，舒適性較差。隨著能源、環(huán)保的需求日益增大，以及科技水平的不斷提高，變頻空調(diào)已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)空調(diào)。

由于空調(diào)構(gòu)成的比例發(fā)生了變化，因此完全采用此前的傳統(tǒng)空調(diào)負荷模型也是不合理的。

1.3變頻空調(diào)負荷模型

變頻空調(diào)器采用了可連續(xù)自動調(diào)節(jié)的工作方式，克服了一般空調(diào)器采用通斷調(diào)節(jié)方式所帶來的缺陷，具有房間降溫快，溫度波動小，省電等優(yōu)勢。

變頻空調(diào)可根據(jù)溫度設(shè)定，調(diào)節(jié)相應(yīng)的制冷功率。若采用CLM結(jié)構(gòu)，其ZIP部分近似恒功率特性[11]。因此，選用三階感應(yīng)電動機模型與恒功率模型的組合形式來表達。

2混合空調(diào)模型建模

2.1變頻空調(diào)為主的混合模型結(jié)構(gòu)

對于當(dāng)前電網(wǎng)中負荷的非空調(diào)部分，通常也是由電動機加恒阻抗來描述的。根據(jù)它們的基本特性，可以歸并到傳統(tǒng)空調(diào)負荷中去。因此，對于空調(diào)負荷占主導(dǎo)的某些節(jié)點，本文將其所接的負荷分為2類，分別是傳統(tǒng)空調(diào)負荷和變頻空調(diào)負荷，即不再考慮非空調(diào)負荷。

2類空調(diào)負荷經(jīng)過某種比例的組合作為混合空調(diào)負荷模型并入電網(wǎng)，可以用如圖1所示的混合空調(diào)負荷模型來描述。將混合空調(diào)負荷直接連接在負荷母線上，混合空調(diào)負荷模型由等值靜態(tài)負荷和等值電動機并聯(lián)組成，將該負荷的詳細模型帶入PSCAD平臺仿真。

圖1變頻空調(diào)為主的混合空調(diào)模型結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of hybrid air conditioner mostlycomposed of inverter air conditioners

2.2混合空調(diào)負荷模型的參數(shù)辨識

在PSCAD平臺上搭建了變頻空調(diào)為主的混合空調(diào)詳細模型，其中80%為變頻空調(diào)，20%為傳統(tǒng)空調(diào)。在電網(wǎng)電壓波動的情況下，相應(yīng)的有功、無功曲線如圖2所示。

圖2混合空調(diào)模型的功率動態(tài)特性Fig. 2 Dynamic curves of hybrid air conditioning model

圖2中的4組有功、無功動態(tài)曲線，分別是在電壓跌落5%、10%、15%、20%后得到的。由于變頻空調(diào)比例較大，因此電壓跌落0.1 s后，有功開始抬升。而無功不僅開始回升，甚至超過原值?？梢姡?dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，若混合空調(diào)負荷中變頻空調(diào)的比例較大，其吸收的無功功率會反超正常時的無功功率，形成較大的沖擊。

由此可見，針對目前電網(wǎng)中的混合空調(diào)負荷，若變頻空調(diào)比例較高，適于采用CLM結(jié)構(gòu)（電動機M+恒功率P+恒阻抗Z）。以動態(tài)數(shù)據(jù)進行重點參數(shù)（Pmp、KL、Xs）辨識，即可得到相應(yīng)的模型。

相類似，采用CLM結(jié)構(gòu)（電動機M+恒阻抗Z），以相應(yīng)的動態(tài)數(shù)據(jù)進行重點參數(shù)辨識，即可得到傳統(tǒng)空調(diào)負荷模型。傳統(tǒng)空調(diào)負荷模型及混合空調(diào)負荷模型參數(shù)見表1。

表1空調(diào)負荷模型辨識參數(shù)Tab. 1 Parameters of air conditioning model

3空調(diào)負荷模型對實際電網(wǎng)的影響

某省級電網(wǎng)主網(wǎng)架仿真場景中，包含若干條特高壓交流輸電線路，同時還有特高壓直流輸電線路，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動時，采用不同負荷模型，對電網(wǎng)造成的影響可能會有所不同。因此，將不同負荷模型帶入該實際電網(wǎng)進行仿真，對比研究靜態(tài)負荷模型、傳統(tǒng)空調(diào)負荷模型以及混合空調(diào)負荷模型對電網(wǎng)仿真計算的影響。

3.1某市中心城區(qū)采用空調(diào)負荷模型

在某市中心城區(qū)的若干負荷變電所，分別接入傳統(tǒng)空調(diào)負荷模型、混合空調(diào)負荷模型以及靜態(tài)負荷模型，對比研究這3種負荷模型對電網(wǎng)仿真計算的影響。

3.1.1節(jié)點電壓與功率對比

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障擾動后，研究幾類負荷模型的對節(jié)點電壓/功率的影響，其對應(yīng)的母線電壓如圖3所示，負荷吸收的有功和無功功率如圖4所示。

圖3負荷母線電壓Fig. 3 Voltage of load bus

由圖3可知，在該中心城區(qū)的若干變電站點采用不同的空調(diào)負荷模型，當(dāng)附近發(fā)生擾動后，若電壓跌落幅值在一定范圍以內(nèi)，總體電壓動態(tài)響應(yīng)特性較一致。即電壓動態(tài)響應(yīng)不僅與負荷特性相關(guān)，還與整個電網(wǎng)狀態(tài)相關(guān)。采用靜態(tài)負荷模型時，電壓跌落更嚴重一些，說明靜態(tài)負荷模型的恒功率部分占比較大，對電壓的自調(diào)節(jié)能力較弱。

圖4負荷動態(tài)特性曲線Fig. 4 Dynamic curves of loads

圖4（a）為負荷節(jié)點的有功功率響應(yīng)曲線。由圖4（a）可知，若采用靜態(tài)負荷模型（60%恒功率+40%恒阻抗），在故障后有功功率變化較小。傳統(tǒng)空調(diào)負荷模型其有功功率的過沖比采用混合空調(diào)負荷模型時大。當(dāng)擾動結(jié)束后，靜態(tài)負荷模型吸收的功率很快恢復(fù)穩(wěn)定，而局部采用傳統(tǒng)空調(diào)和混合空調(diào)負荷模型吸收的有功經(jīng)振蕩后恢復(fù)平穩(wěn)。

圖4（b）為負荷節(jié)點的無功功率響應(yīng)曲線。同樣，若采用靜態(tài)負荷模型，在故障后無功功率變化較小?；旌峡照{(diào)負荷模型由于其特殊的調(diào)節(jié)特性，在電壓跌落后，要吸收更多的無功，因此其無功功率的過沖比采用傳統(tǒng)空調(diào)負荷模型時大。這2類空調(diào)負荷模型在擾動過程中都要吸收大量的無功，可對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定造成不利影響，混合空調(diào)負荷模型影響更大。當(dāng)擾動結(jié)束后，靜態(tài)負荷模型吸收的功率很快恢復(fù)穩(wěn)定，而局部采用傳統(tǒng)空調(diào)和混合空調(diào)負荷模型吸收的有功經(jīng)振蕩后恢復(fù)平穩(wěn)。

3.1.2電網(wǎng)功率波動特性

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障擾動后，研究幾類負荷模型的對線路功率振蕩特性的影響，發(fā)電機相對功角曲線如圖5所示，某線路的傳輸功率的波動如圖6所示。

圖5相對功角曲線Fig. 5 Curves of power angle

圖6傳輸線路有功Fig. 6 Active power of line

圖5表明系統(tǒng)在發(fā)生擾動時，僅在某市局部區(qū)域使用3類不同的負荷模型時，系統(tǒng)的功角波動曲線差異不大。但是，總體上采用混合模型時，功角振蕩范圍以及線路功率的波動范圍都稍大，說明混合空調(diào)模型，電動機比例較低，對系統(tǒng)的阻尼較小。

3.2某市全部采用空調(diào)負荷模型

在整個地區(qū)電網(wǎng)采用靜態(tài)負荷模型，傳統(tǒng)空調(diào)負荷及混合空調(diào)負荷模型，對比研究其對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響。

3.2.1節(jié)點電壓與功率對比

在同樣的故障情景下，研究幾類負荷模型對節(jié)點電壓/功率的影響，其對應(yīng)的母線電壓如圖7所示，負荷吸收的有功和無功功率如圖8所示。

若在該市整個電網(wǎng)采用不同的空調(diào)負荷模型，當(dāng)附近發(fā)生擾動后，3類負荷模型的電壓動態(tài)響應(yīng)差異變大了?；旌峡照{(diào)負荷模型的電壓跌落幅度比傳統(tǒng)空調(diào)大；而采用靜態(tài)負荷模型時，電壓跌落最為嚴重?？梢?，當(dāng)接入較多的空調(diào)負荷模型時，總體上電網(wǎng)的電壓響應(yīng)受影響更大。

圖8（a）有功功率響應(yīng)曲線與圖4（a）一致。圖8（b）負荷端無功響應(yīng)曲線規(guī)律也與圖4（b）一致。因此，當(dāng)空調(diào)負荷模型大面積接入該地區(qū)電網(wǎng)后，擾動過程中需要吸收大量的無功，對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定較為不利，且混合空調(diào)負荷模型的影響更大。

圖7負荷母線電壓Fig. 7 Voltage of load bus

圖8負荷動態(tài)特性曲線Fig. 8 Dynamic curves of loads

3.2.2電網(wǎng)功率波動特性

同樣，2臺發(fā)電機功角曲線如圖9所示，某線路的傳輸功率的波動如圖10所示。

圖9與圖5的結(jié)論類似，當(dāng)某市全網(wǎng)采用不同的負荷模型時，其對應(yīng)的功角和線路功率波動更明顯一些。所以，當(dāng)更多的混合空調(diào)負荷接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)的功角穩(wěn)定特性會受到一定的影響。

圖9相對功角曲線Fig. 9 Curves of power angle

圖10傳輸線路有功Fig. 10 Active power of line

4　結(jié)論

由以上的仿真分析可知，采用不同的空調(diào)負荷模型，對系統(tǒng)的仿真結(jié)果具有明顯的差異：

1）若采用靜態(tài)模型，在相同的擾動下，對電網(wǎng)的影響較小，因此采用靜態(tài)負荷顯得過于樂觀。

2）由于目前電網(wǎng)中，變頻空調(diào)的比例越來越大，在不同的動態(tài)模型中是否考慮變頻空調(diào)因素，對仿真的結(jié)果影響較大。因此，在今后的空調(diào)負荷研究中，應(yīng)當(dāng)著重考慮變頻空調(diào)的因素。

3）考慮變頻空調(diào)的混合空調(diào)負荷模型，對電網(wǎng)的影響，與其在電網(wǎng)中的應(yīng)用范圍密切相關(guān)。如果只是局部較少的負荷節(jié)點采用該模型，則對電網(wǎng)的總體影響不大，只是對局部的電壓問題產(chǎn)生一些影響。若其應(yīng)用范圍較廣，則對電網(wǎng)的總體影響也較明顯。

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（編輯馮露）

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王海潛（1963—），本科，高級工程師，研究方向為新能源建模與仿真。

（編輯董小兵）

Influence of Air Conditioners Load Model on Simulation of Power Grid

WANG Haiqian1，QIAO Liwei1，ZHANG Zhengli2，LI Zhuoran2，CAO Guofang2，ZHOU Rongling2
（1. State Grid Jiangsu Economic Research Institute，Nanjing 210008，Jiangsu，China；2. College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，Jiangsu，China）

ABSTRACT：With the growing of air-conditioning load，further research should be done on the security and stability of power grid. In order to accurately consider the characteristics of conventional air conditioners and inverter air conditioners，the paper adopts hybrid air conditioning model mostly composed of inverter air conditioners，and analyzes the difference of system’s security and stability affected by two types of air conditioning model and static load. The results show that it is too optimistic to use static load model，and with the proportion of inverter air conditioners increasing，it will have a deep impact on the characteristic of reactive/voltage in local area.

KEY WORDS：air conditioning load；inverter air conditioners；power system；security and stability

作者簡介：

收稿日期：2015-08-25。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51377046）。

文章編號：1674- 3814（2016）02- 0031- 05

中圖分類號：TM714

文獻標(biāo)志碼：A