負(fù)荷模型對(duì)電力系統(tǒng)失步振蕩特性的影響

馬偉哲，程維杰，張仕鵬，許琴，?

（1. 深圳供電局有限公司，深圳518000；2. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663）

電力系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、輸電網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷終端等主要元件組成［1］。負(fù)荷作為最終消耗有功功率的部分，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定起著十分重要的影響［2］。前期的大量研究表明，不同的負(fù)荷模型對(duì)系統(tǒng)功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定均有不同的影響，甚至?xí)a(chǎn)生顛覆性的變化［3-4］。

目前，國(guó)內(nèi)失步解列裝置中的失步判別原理主要有3 種：Ucosφ法、相位角法、循序阻抗法［5-8］。三種判據(jù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式均與站點(diǎn)電壓及電壓、電流的相位角有關(guān)，另外，振蕩中心的位置變化也與兩側(cè)電壓幅值有關(guān)。因此，從理論角度分析，負(fù)荷模型對(duì)系統(tǒng)的失步振蕩特性同樣也具有重要影響。

為此，本文以某大型電網(wǎng)為研究對(duì)象，采用中國(guó)電力科學(xué)研究院的BPA 程序，開(kāi)展仿真分析計(jì)算。重點(diǎn)從不同負(fù)荷模型對(duì)振蕩中心的位置及失步解列裝置的動(dòng)作情況方面來(lái)分析對(duì)系統(tǒng)失步振蕩特性的影響程度。

1 負(fù)荷模型的介紹

負(fù)荷模型一般分為靜態(tài)負(fù)荷模型、動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型及綜合負(fù)荷模型［9-12］。

1.1 靜態(tài)負(fù)荷模型（ZIP）

靜態(tài)負(fù)荷模型通常采用恒定阻抗、恒定電流和恒定功率的線性組合來(lái)表示。某些時(shí)候，為了分析負(fù)荷的頻率特性，在ZIP 模型之中，可以加入一個(gè)頻率因子。ZIP靜態(tài)負(fù)荷模型如式（1）：

式中：P0為有功功率初始值（MW）；Q0為無(wú)功功率初始值（MW）；電壓二次項(xiàng)相當(dāng)于恒定阻抗負(fù)荷，電壓一次相當(dāng)于恒定電流負(fù)荷（I），電壓零次項(xiàng)相當(dāng)于恒定功率負(fù)荷為負(fù)荷的頻率特性。

1.2 動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型

動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)由非機(jī)理式和機(jī)理式兩大類。機(jī)理式均是以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型為基礎(chǔ)，有三階機(jī)電暫態(tài)模型和一階機(jī)械暫態(tài)模型等，其中三階模型能較好的反映感應(yīng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性。

1.3 綜合負(fù)荷模型

采用三階感應(yīng)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)負(fù)荷靜態(tài)特性的綜合負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)，是目前最常用的模型。通過(guò)設(shè)置不同的占比，產(chǎn)生不同的負(fù)荷模型。如華東電網(wǎng)采用的60%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)40%恒阻抗、南方電網(wǎng)采用的50%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)50%恒阻抗等。

2 算例仿真分析

2.1 仿真網(wǎng)絡(luò)

以某大型電網(wǎng)500 kV 主網(wǎng)架為例，如圖1 所示。選取直流1+直流2雙極閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)和XLS站三相故障主保護(hù)拒動(dòng)出線全失2 個(gè)故障作為算例，重點(diǎn)研究對(duì)斷面1 的振蕩中心特性及失步解列裝置動(dòng)作情況的影響。其中，直流1+直流2 雙極閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)故障導(dǎo)致大量潮流迂回到交流斷面上，引起區(qū)域間斷面1 失步振蕩；XLS 站三相故障主保護(hù)拒動(dòng)出線失壓導(dǎo)致斷面1 的一個(gè)通道斷開(kāi)，引起斷面其他通道失步振蕩。失步解列裝置動(dòng)作判據(jù)采用Ucosφ軌跡法。主要算例采用3 種負(fù)荷模型：（1）綜合負(fù)荷模型：50%Ⅲ型馬達(dá)+50%恒阻抗模型；（2）靜態(tài)30%恒阻抗+40%恒電流+30%恒功率模型，簡(jiǎn)稱靜態(tài)3-4-3ZIP 模型；（3）70%Ⅲ型馬達(dá)+30%恒阻抗模型。馬達(dá)參數(shù)為：定子電阻Rs0.02，定子電抗Xs0.18，激磁電抗Xm3.5，轉(zhuǎn)子電阻Rr0.02，轉(zhuǎn)子電抗Xr0.12，慣性時(shí)間常數(shù)Tj2。

圖1 某大型電網(wǎng)500 kV主網(wǎng)架示意圖Fig.1 Schematic diagram of the 500 kV main grid frame of a large grid

2.2 對(duì)振蕩中心的影響

以直流1+直流2 雙極閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)故障為例，經(jīng)仿真分析，采用不同的負(fù)荷模型，振蕩中心均位于斷面1 附近（GL-XLS 線、LD-HZ 線、HZ-LUD線、LB-WZ 線及YL-MM 線），不同之處是在HZLUD通道上，采用不同的負(fù)荷模型振蕩中心的位置有所不一樣，詳見(jiàn)圖2。由圖2可知，采用ZIP模型時(shí)，振蕩中心在HZ-LUD 線上；采用50%Ⅲ型馬達(dá)+50%恒阻抗模型時(shí)，振蕩中心前2 周期在HZLUD 線后遷移至LD-HZ 線；采用70%Ⅲ型馬達(dá)+30%恒阻抗模型時(shí)，振蕩中心主要在HZ-LUD 線上?？傊?，負(fù)荷模型的不同將影響振蕩中心的遷移變化。

圖2 LD-HZ線和HZ-LUD線的兩側(cè)相角差曲線Fig.2 Phase difference curve of both sides of the LD-HZ and HZ-LUD lines

其主要原因是由于負(fù)荷模型的不同，將導(dǎo)致線路兩側(cè)的電壓幅值差值不等，從而影響到振蕩中心的位置。

2.3 對(duì)失步解列裝置動(dòng)作的影響

以直流1+直流2 雙極閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)故障時(shí)GLXLS 線XLS 側(cè)、HZ-LUD 線HZ 側(cè)、WZ-LUD 線WZ 側(cè)、YL-MM 線MM 側(cè)Ucosφ曲 線 為 例 進(jìn)行分析。由圖3 可知，采用ZIP 靜態(tài)負(fù)荷模型，線路Ucosφ曲線周期完整性最好，兩廣斷面所有線路均能正確判出并解列斷面；但隨著感應(yīng)電動(dòng)機(jī)類型負(fù)荷的占比增加，Ucosφ曲線周期完整性變差，甚至?xí)?dǎo)致失步解列裝置能否動(dòng)作的結(jié)論發(fā)生顛覆性變化。如WZ-LUD 線WZ 側(cè)Ucosφ曲線，采用ZIP 負(fù)荷模型，第二周期幅值范圍為［-1，1］，采用70%Ⅲ型馬達(dá)+30%恒阻抗模型，第二周期Ucosφ幅值范圍為［-0.26，0.42］。根據(jù)裝置的邏輯判別原理，Ucosφ幅值從大于0.3的值穿越到小于-0.3，才算完成一個(gè)周期，因此，存在采用70%Ⅲ型馬達(dá)+30%恒阻抗模型時(shí)，周期定值整定為2 時(shí)，WZ 側(cè)失步解列裝置不能解開(kāi)WZ-LUD線的情況。

以XLS 站三相故障主保護(hù)拒動(dòng)出線全失時(shí)LUD-WZ 線LUD 側(cè)Ucosφ曲線為例進(jìn)行分析。由圖4 可知，采用ZIP 靜態(tài)負(fù)荷模型，線路Ucosφ曲線周期完整性最好，但隨著感應(yīng)電動(dòng)機(jī)類型負(fù)荷的占比增加，Ucosφ曲線周期完整性變差。與直流1+直流2雙極閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)故障算例結(jié)論一致。

其主要原因是因?yàn)楣收匣謴?fù)階段馬達(dá)電磁轉(zhuǎn)矩減小，但機(jī)械功率依然保持在較高的水平，隨著馬達(dá)逐漸減小，滑差在短時(shí)間內(nèi)逐漸拉大，馬達(dá)將從系統(tǒng)內(nèi)吸收大量無(wú)功，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓降低，所以Ucosφ曲線的周期完整性差；而ZIP 負(fù)荷吸收的無(wú)功功率與電壓同方向變化，在故障后的恢復(fù)期間會(huì)隨著系統(tǒng)電壓的下降而下降，在一定程度上緩解了系統(tǒng)的無(wú)功缺額，有利于電壓的恢復(fù)，所以Ucosφ的周期完整性較好。

圖3 直流1+直流2雙極閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)故障時(shí)GL-XLS線XLS側(cè)、HZ-LUD線HZ側(cè)、WZ-LUD線WZ側(cè)、YL-MM線MM側(cè)Ucosφ曲線Fig.3 Ucosφ curve of XLS side of GL-XLS Line，HZ side of HZLUD Line，WZ side of WZ-LUD Line，MM side of YL-MM Line when DC1+DC2 bipolar blocking failure that stability control device refused to move

圖4 XLS站三相故障主保護(hù)拒動(dòng)出線全失時(shí)LUD-WZ線LUD側(cè)Ucosφ曲線Fig.4 Ucosφ curve of LUD side of LUD-WZ Line when XLS station three-phase failur，main protection refusing to operate and failure of all outgoing lines happened

3 結(jié) 論

負(fù)荷作為電力系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其模型和參數(shù)選擇與實(shí)際負(fù)荷的吻合程度對(duì)電力系統(tǒng)相應(yīng)的失步振蕩特性分析結(jié)論具有重要影響。

不同模型結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)失步振蕩特性分析影響很大。以對(duì)失步解列裝置動(dòng)作情況的影響為例，采用ZIP 靜態(tài)負(fù)荷模型，線路Ucosφ曲線周期完整性最好；隨著感應(yīng)電動(dòng)機(jī)類型負(fù)荷的占比增加，Ucosφ曲線周期完整性變差，甚至?xí)?dǎo)致失步解列裝置能否動(dòng)作的結(jié)論發(fā)生顛覆性變化。由仿真結(jié)果可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型所在比重越大，分析結(jié)論越偏于保守，甚至有可能是截然相反的。因此，采用最反映實(shí)際情況的負(fù)荷模型才能有效保證仿真結(jié)果的可信度，即不能過(guò)于樂(lè)觀，也不能過(guò)于保守。