含小水電配網負荷模型實用化方法

張元勝，李欣然，肖園園，宋軍英，馬亞輝，劉乾勇

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

含小水電配網負荷模型實用化方法

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.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082;2.湖南省電力公司通信調度局，湖南 長沙 410077）

以含分布式電源的配網為主要研究對象，系統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絡的調查，利用PSASP仿真軟件構建了相應的含分布式小水電的仿真網絡。分析了10kV小水電并網方式及動態響應特性，研究了小水電電源對配網側綜合負荷特性影響。在此研究基礎上，采用加權平均聚合的歸納算法以及利用實際電網運營信息，對考慮配網的分布式小水電系統進行綜合等效建模，并確定模型參數。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確定方法的合理性和實用性。

小水電;分布式發電;綜合負荷模型;加權聚合法;配網阻抗等值

1 引言

在電網規劃設計與運行調度控制之基本決策依據的電力系統仿真中，負荷模型是指對主網變電站母線(通常是220kV變電站的110kV母線）“綜合負荷”特性的等值描述，這種綜合負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電設備分布廣泛、運行特性各異、容量比例的逐步增大，造成綜合負荷構成復雜、特性隨機多變，精確描述其等效特性的難度很大，而分布式發電的發展必然使這些特點更加突出，描述難度進一步增大。

在現有研究中，單個小水電系統仿真模型已能很好地描述實際小水電的動態特性［1］。但放在小水電所在的配電網中，小水電單機容量相對而言甚是微小，其對電網的影響，特別是在暫態穩定計算中對電網動態過程的影響無法清晰地體現出來［2］。其次，小水電的分布受地理環境的影響很大，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。因此，考慮110kV及以下配網綜合負荷等效研究很有必要。

在廣義配網綜合負荷等效研究中，已有一些文獻對其進行了研究，文獻［3］在簡單仿真網絡中運用總體測辨的建模方法從參數辨識擬合效果的角度分析了分布式電源接入容量對傳統負荷模型適用性的影響。文獻［4］對比了廣義電力負荷的3種模型結構各自的特點，并從總體測辨的角度提出了這三種模型結構參數確定的方法。但是，文獻［3-4］中應用到的方法都離不開實際網絡的動態擾動的測量數據。隨著對電網安全性的要求越來越高，通過在實際網絡中制造擾動來獲取動態數據的方法成本很高，而且風險很大，并且事先必須對風險性進行評估，以確定不會影響電網的正常運行。另外總體測辨的方法在模型結構比較復雜的情況下，模型的參數并不能唯一辨識，從而辨識出來的模型參數的不確定性也使得實際應用起來的可信度降低。因此針對含小水電的配網綜合負荷建模需要一種實用性更強，準確度更高的方法，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，并與實際網絡的動態過程進行了比較，證明這種方法的可行性。

2 小水電發電模型

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

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

為簡化起見，對小水電勵磁系統采用比例反饋模型，其輸入輸出特性可表示為

調速器用來維持輸出功率的恒定，在暫態過程中，忽略其動態特性。

3 考慮小水電電源影響的配網側綜合負荷建模研究

3.1 典型的小水電網絡

典型的小水電網絡拓撲結構如圖1所示。小水電出口電壓經過升壓之后接入10kV公用配電網絡末端，或采用專線并入35kV或110kV變電站的10kV母線側。

圖1 典型小水電網絡示意圖Fig.1 Schematic diagram of a typical small hydro network

對大電網進行仿真時，往往將負荷等效到110kV電壓等級，這樣，分布式的小水電將會對負荷模型的結構產生一定的影響。采用傳統的感應電動機+恒阻抗模型或感應電動機+ZIP模型將無法準確描述實際網絡下的含配網的廣義負荷外特性。

3.2 等效模型結構

針對上述小水電網絡的特點，本文采用廣義負荷模型結構來描述含小水電的配網綜合負荷，該等效模型由感應電動機、靜態負荷、等值同步發電機、配網阻抗和無功補償組成。其結構如圖2所示。

圖2 含小水電配網等值模型結構圖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的確定方法

4.1 等值同步發電機參數的確定

對于一個含小水電的配電網來說，其網絡中小水電的總容量、裝機臺數、發電機型號均是可以統計的，結合相關機組數據手冊即可計算出每種型號發電機組的參數。小水電網絡機組之間基本同調:首先小水電機群要么接在配電網絡末端，要么通過T接的方式接入配電網絡，其對外部系統來說呈現放射狀接入的特點;其次，對小水電作等值研究是為了研究小水電給主網帶來的影響，當等值模型確定后，各種分析都是針對主網進行，因此在主網中設置的各種運行情況相對于小水電網絡來說都是外部擾動或故障。本文采用加權平均的方法對發電機及其調節器模型的參數進行聚合，這種方法是以同調機群中的各同步發電機額定容量占機群總容量的比值為機組權重，對發電機各參數予以加權［6］。如式(3）所示，G表示待聚合的發電機集群集合;Sj表示第 j臺機組的容量;Xj表示待聚合機組的參數。

該方法不依賴于動態擾動下的實測數據，通過對所研究網絡進行調查統計就能獲取原始數據，實用性較強。

4.2 等值配網阻抗的確定

配網阻抗是綜合負荷模型中的重要組成部分，同時，配網阻抗的存在正是電力系統受端電壓失穩的原因之一［7］。確定配網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數據，實用性不強;第二種是網絡化簡等值法，該方法需要統計所有線路信息，工作量大;第三種是根據網損情況確定等值阻抗，相對于前兩種方法易于實現。

如圖1所示，A點為供電關口計量點，此處記錄有下屬網絡最大負荷 Pmax，年供電量 Wg，年售電量Ws，根據最大負荷利用小時數 Tmax、最大負荷 Pmax、年供電量Wg之間的關系，可以確定系統在最大負荷下的電網損耗功率ΔP為

然后可以根據配網的整體線路狀況，主要是配網線路的線徑，來確定線路電抗和電阻之間的比值α，進而確定無功線損為

從而可求出等效配網阻抗

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絡作為研究對象，該地區水力資源豐富，小水電裝機容量大，屬于典型的密集型小水電網絡，以桂陽縣一個小水電網絡為例，其結構如圖3所示。

圖3 實際典型小水電網絡拓撲結構圖Fig.3 Topology of typical actual small hydro network

5.1 配網綜合等效參數確定

利用PSASP仿真軟件，選取圖3中B區所標記的小水電網絡作為研究區域，對包括負荷、小水電、配電網在內的網絡按照文中方法進行等值分析，等效示意圖如圖4所示。

圖4 B區域小水電網絡等效示意圖Fig.4 Equivalent diagram of small hydropower in region B

等效前的負荷模型為傳統的感應電動機+靜態負荷模型，等效后，小水電發電機的等值參數以及配網阻抗參數見表1和表2。對于感應電動機、靜態負荷以及無功補償的參數采用常規的負荷模型等值方法或典型參數來確定，湖南省電網靜態負荷與動態感應電動機負荷的比例分別為35%和65%［8］。

表1 B區小水電機組參數Tab.1 Parameters of small hydropower in region B

表2 等效后的其他網絡參數Tab.2 Other network parameters after equivalence

5.2 仿真分析

在上網饋線距離2063母線50%的位置處發生相同程度的三相短路故障，故障發生時間為2～2.2s，持續時間0.2s。為了比較等效前后的機組對系統暫態穩定影響，主要進行兩方面的分析: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，仿真結果如圖5所示。由圖5看出，在12s的仿真時間內，在對該區域網絡等值前后，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#下屬網絡等值前后發電機相對功角曲線Fig.5 Relative rocking curve of bus 2063 of original and equivalent model

分別觀察B區域小水電網絡等效前后，上網點2063#母線功率的變化情況，仿真結果如圖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進行等值是合理的。

6 結論

本文結合實際小水電網數據及拓撲結構，運用PSASP搭建仿真模型;并將發電機模型參數加權聚合的方法應用到了小水電網絡中的機組等值中，同時根據正常的電網運營信息來確定配網線路等值阻抗。結果表明，該等值方法能很好地反映實際小水電動態特性，精度較高，方法的實用性較強，對實際小水電網絡的研究有很強的可行性。

References）:

［1］朱建國，李咸善，胡翔勇 (Zhu Jianguo，Li Xianshan，Hu Xiangyong）.水輪發電機組動態全過程仿真模塊化建模研究 (Modularization for whole dynamic process simulation of hydro-generators）［J］.三峽大學學報(自然科學版）(Journal of China Three Gorges University(Natural Sciences）），2006，28(1）:27-31.

［2］趙書強，常鮮戎，潘云江 (Zhao Shuqiang，Chang Xianrong，Pan Yunjiang）.電力系統同調機群識別的一種模糊聚類方法 (A fuzzy clustering method for coherent generator groups recognition in power system）［J］.電網技術 (Power System Tech.），2001，25(4）:10-13.

［3］金艷，鞠平，吳峰 (Jin Yan，Ju Ping，Wu Feng）.地方電廠對區域負荷建模的影響 (The effects of the local power plants on regional load modeling）［J］.水利水電科技進展(Advances In Science and Technology of Water Re-sources），2002，22(5）:35-37.

［4］鞠平，何孝軍，黃麗，等 (Ju Ping，He Xiaojun，Huang Li，et al）.廣義電力負荷的模型結構與參數確定(Model structures and parameter estimation of generalized loads）［J］.電力系統自動化 (Automation of Electric Power Systems），2006，30(23）:11-13.

［5］倪以信，陳壽孫，張寶霖 (Ni Yixin，Chen Shousun，Zhang Baolin）.動態電力系統的理論和分析 (Dynamic power system theory and analysis）［M］.北京:清華大學出版社 (Beijing:Tsinghua University Press），2002.46-50.

［6］胡杰，余貽鑫 (Hu Jie，Yu Yixin）.電力系統動態等值參數聚合的實用方法 (A practical method of parameter aggregation for power system dynamic equivalence）［J］.電網技術 (Power System Tech.），2006，30(24）:26-30.

［7］潘文霞，陳允平，沈祖詒 (Pan Wenxia，Chen Yunping，Shen Zuyi）.電力系統電壓穩定性研究綜述 (A survey of voltage stability studies）［J］.電網技術 (Power System Tech.），2001，25(9）:51-54.

［8］宋軍英，陳輝華，唐外文 (Song Junying，Chen Huihua，Tang Waiwen）.不同負荷模型對湖南電網暫態穩定水平的影響 (Influence of different load models on transient stability level of Hunan power grid）［J］.電網技術(Power System Tech.），2007，31(5）:29-33.

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

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

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

李欣然 (1957-），男，湖南籍，教授/博導，研究方向:負荷建模，電力系統穩定性分析與控制。