負(fù)荷模型對(duì)電力系統(tǒng)仿真計(jì)算的影響

邱麗萍，金小明，林勇，門錕，樊揚(yáng)，李勇

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192；2.中國(guó)南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州510623；3.廣東電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣州510086）

負(fù)荷模型對(duì)電力系統(tǒng)仿真計(jì)算的影響

邱麗萍1，金小明2，林勇3，門錕2，樊揚(yáng)3，李勇2

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192；2.中國(guó)南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州510623；3.廣東電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣州510086）

研究了負(fù)荷模型對(duì)電力系統(tǒng)仿真計(jì)算的影響。從暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定等多個(gè)角度出發(fā)，結(jié)合內(nèi)蒙電網(wǎng)等實(shí)際算例并采用BPA程序進(jìn)行仿真，綜合分析各種負(fù)荷模型可能對(duì)電力系統(tǒng)仿真結(jié)果造成的影響。結(jié)果表明，負(fù)荷模型對(duì)仿真結(jié)果的影響與負(fù)荷所處的位置、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電源分布等因素密切相關(guān)，所得結(jié)論揭示了負(fù)荷模型對(duì)電網(wǎng)仿真計(jì)算的重要性，有助于提高電網(wǎng)仿真的精度。

負(fù)荷模型；電力系統(tǒng)仿真；暫態(tài)穩(wěn)定；電壓穩(wěn)定

在進(jìn)行電力系統(tǒng)分析時(shí)，不恰當(dāng)?shù)剡x取負(fù)荷模型會(huì)使所得結(jié)果與系統(tǒng)實(shí)際情況不一致。大量仿真計(jì)算結(jié)果表明，不同的負(fù)荷模型對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定以及小干擾穩(wěn)定的仿真計(jì)算結(jié)果有不同的影響，在臨界情況下，計(jì)算結(jié)果可能會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化[1，3]。例如：美國(guó)太平洋西北系統(tǒng)（pacific northwest system）在電壓穩(wěn)定分析中，將冬季民用取暖負(fù)荷采用恒定阻抗，獲得了更高的極限，節(jié)省了投資；日本東京電力系統(tǒng)1987年出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰事故的原因就是在計(jì)算分析中沒(méi)有充分考慮到空調(diào)負(fù)荷對(duì)無(wú)功的消耗。

1 負(fù)荷模型

在系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，第一、二功角搖擺周期內(nèi)一般會(huì)出現(xiàn)電壓降低的情況，特別是在振蕩中心。在此期間，負(fù)荷消耗的功率大小對(duì)系統(tǒng)功率平衡有很大影響，從而影響功角搖擺和穩(wěn)定極限[4-5]。如果實(shí)際負(fù)荷為恒電流特性，在仿真計(jì)算中采用了恒阻抗模型，負(fù)荷消耗的功率與電壓的線性關(guān)系在計(jì)算中卻表現(xiàn)為與電壓成平方關(guān)系，系統(tǒng)擾動(dòng)后電壓降低，負(fù)荷吸收功率較實(shí)際降低更多。如果采用恒功率負(fù)荷模型描述實(shí)際的恒電流負(fù)荷，則會(huì)得到不同的結(jié)論。

以往研究證明系統(tǒng)發(fā)生較為嚴(yán)重故障時(shí)（電壓、頻率變化較為明顯），采用動(dòng)態(tài)模型可顯著地提高仿真準(zhǔn)確性。另外，馬達(dá)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響與馬達(dá)相對(duì)于故障點(diǎn)的位置、馬達(dá)的負(fù)荷特性、馬達(dá)的暫態(tài)特性等因素相關(guān)。

一般情況下，功角的第一擺穩(wěn)定取決于2個(gè)因素：①短路期間發(fā)電機(jī)獲得的加速、減速能量；②短路故障消失后加速、減速能量的釋放。

以單機(jī)－無(wú)窮大系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）為例來(lái)分析負(fù)荷模型對(duì)這2個(gè)因素的影響。算例采用3種負(fù)荷模型：①東北大擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)推薦的考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型，簡(jiǎn)稱綜合負(fù)荷模型。綜合負(fù)荷模型參數(shù)為：配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)阻抗j0.06 p.u.，馬達(dá)比例60%，負(fù)載率40%，馬達(dá)參數(shù)見(jiàn)表1；靜態(tài)負(fù)荷比例40%；靜態(tài)負(fù)荷構(gòu)成為30%恒阻抗+30%恒電流+ 40%恒功率；靜態(tài)負(fù)荷功率因數(shù)cos φ為0.85；②50%Ⅲ型馬達(dá)+50%恒阻抗模型，馬達(dá)負(fù)載率50%，參數(shù)見(jiàn)表1；③靜態(tài)30%恒阻抗+40%恒電流+30%恒功率模型，簡(jiǎn)稱靜態(tài)3-4-3 ZIP模型。

圖1 單機(jī)－無(wú)窮大系統(tǒng)Fig.1Single-machine and infinite bus power system

表1 模型的馬達(dá)參數(shù)Tab.1Parameters of motor model p.u.

表1中：Rs為馬達(dá)定子電阻；Xs為馬達(dá)定子電抗；Xm為馬達(dá)激磁電抗；Rr為馬達(dá)轉(zhuǎn)子電阻；Xr為馬達(dá)轉(zhuǎn)子電抗；Tj為馬達(dá)的慣性時(shí)間常數(shù)。

2 負(fù)荷模型對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

2.1 負(fù)荷模型對(duì)送端加速能量的影響

功率從發(fā)電機(jī)側(cè)流向無(wú)窮大系統(tǒng)側(cè)，分析負(fù)荷模型對(duì)送端機(jī)組短路期間獲得的加速能量的影響。在0 s時(shí)線路1母線2側(cè)發(fā)生三相短路故障，0.12 s時(shí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作斷開(kāi)線路1。負(fù)荷吸收的有功見(jiàn)圖2，在短路期間綜合負(fù)荷模型吸收有功最大，50%Ⅲ馬達(dá)＋50%恒阻抗模型其次，靜態(tài)3－4－3 ZIP模型吸收有功最小。系統(tǒng)電壓方面，動(dòng)態(tài)負(fù)荷將在短路期間向系統(tǒng)提供容性無(wú)功，而靜態(tài)負(fù)荷吸收無(wú)功接近于0，短路期間系統(tǒng)電壓由高到低依次對(duì)應(yīng)綜合負(fù)荷模型、50%Ⅲ型馬達(dá)+50%恒阻抗模型、靜態(tài)負(fù)荷模型，系統(tǒng)電壓越高越有利于發(fā)電機(jī)功率外送。

綜合上述兩方面的影響，采用綜合負(fù)荷模型時(shí)發(fā)電機(jī)的電磁功率最大而加速功率最小，發(fā)電機(jī)在短路期間獲得的加速能量最小，采用靜態(tài)負(fù)荷模型時(shí)發(fā)電機(jī)的加速功率最大，發(fā)電機(jī)獲得的加速能量最大，50%III型馬達(dá)+50%恒阻抗模型在短路期間獲得的加速能量居中，如圖4所示。

圖2 短路期間有功負(fù)荷Fig.2Active power during short circuit

圖3 短路期間母線1電壓Fig.3Voltage of bus 1 during short circuit

圖4 短路期間發(fā)電機(jī)加速功率Fig.4Acceleration power of generator during short circuit

2.2 負(fù)荷模型對(duì)受端減速能量的影響

功率從無(wú)窮大系統(tǒng)側(cè)流向發(fā)電機(jī)側(cè)，分析負(fù)荷模型對(duì)受端機(jī)組短路期間減速功率的影響。在0 s時(shí)線路1母線2側(cè)發(fā)生三相短路故障，0.1 s時(shí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作斷開(kāi)線路1。短路期間負(fù)荷功率、系統(tǒng)電壓以及發(fā)電機(jī)減速功率見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 短路期間母線1電壓Fig.5Voltage of bus 1 during short circuit

圖6 短路期間負(fù)荷有功功率Fig.6Active power during short circuit

圖7 短路期間發(fā)電機(jī)減速功率Fig.7Braking power of generator during short circuit

短路期間系統(tǒng)電壓按由高到低的順序依次為綜合負(fù)荷模型、50%Ⅲ型馬達(dá)+50%恒阻抗模型、靜態(tài)負(fù)荷模型，負(fù)荷有功功率按由大到小的順序也是綜合負(fù)荷模型、50%Ⅲ型馬達(dá)+50%恒阻抗、靜態(tài)負(fù)荷模型，因此故障期間發(fā)電機(jī)減速功率由大到小的順序是綜合負(fù)荷模型、50%Ⅲ型馬達(dá)+50%恒阻抗、靜態(tài)負(fù)荷模型。

造成以上結(jié)果的主要原因是：故障后恢復(fù)階段馬達(dá)電磁轉(zhuǎn)矩減小、逐漸減速、滑差拉大，隨著滑差在短時(shí)間內(nèi)的迅速增大，馬達(dá)將從系統(tǒng)內(nèi)吸收額外功率，其后功率保持在較高的水平，在故障前的功率附近搖擺。對(duì)受端而言，故障后恒阻抗負(fù)荷吸收的有功功率隨電壓降低而減小，意味著受端機(jī)組的有功不平衡量減少，有利于系統(tǒng)功率平衡；而馬達(dá)負(fù)荷在故障后的增大，意味著受端機(jī)組的有功不平衡量增加，不利于系統(tǒng)功率平衡。對(duì)送端而言，馬達(dá)負(fù)荷和恒阻抗負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響與處于送端時(shí)的影響剛好相反。

3 負(fù)荷模型對(duì)電壓穩(wěn)定的影響

電壓穩(wěn)定計(jì)算與電力系統(tǒng)其他的定量計(jì)算比較，對(duì)負(fù)荷模型的依賴程度更強(qiáng)。負(fù)荷模型是電壓失穩(wěn)過(guò)程中最活躍、最關(guān)鍵的因素[6-8]。

以內(nèi)蒙古阿拉善受端電網(wǎng)為實(shí)際算例，分析受端電網(wǎng)負(fù)荷模型對(duì)電壓穩(wěn)定的影響。阿拉善地區(qū)僅通過(guò)吉蘭太500 kV主變與主網(wǎng)相連，其接線見(jiàn)圖8。阿拉善地區(qū)為典型的受端電網(wǎng)，當(dāng)其主要供電電源線路吉蘭太-烏海線故障時(shí)，末端負(fù)荷站存在電壓穩(wěn)定問(wèn)題。

圖8 阿拉善地區(qū)接線Fig.8Network of Alashan

阿拉善電網(wǎng)分別采用60%Ⅲ型馬達(dá)+40%恒阻抗、100%恒阻抗、100%恒電流、100%恒功率、100%Ⅲ型馬達(dá)、東北大擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)推薦的考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型（簡(jiǎn)稱綜合負(fù)荷模型）。故障點(diǎn)選擇在吉蘭太-烏海線烏海側(cè)，故障形式為三永故障，馬達(dá)模型為Ⅲ型。阿拉善地區(qū)的受電極限如表2所示。

阿拉善地區(qū)受電為171 MW，分別采用6種負(fù)荷模型時(shí)額濟(jì)納站的220 kV母線電壓如圖9所示。可以看出，采用靜態(tài)模型時(shí)電壓恢復(fù)較快，不存在電壓穩(wěn)定問(wèn)題；采用100%馬達(dá)和綜合負(fù)荷模型時(shí)，故障后電壓無(wú)法恢復(fù)，直至出現(xiàn)電壓崩潰；采用的60%Ⅲ型馬達(dá)+40%恒阻抗模型時(shí)，故障后電壓恢復(fù)較慢，持續(xù)低于0.75 p.u.的時(shí)間超過(guò)1 s。故障后電壓恢復(fù)水平由高到低的順序依次為恒阻抗模型、恒電流模型、恒功率模型、60%Ⅲ型馬達(dá)+ 40%恒阻抗模型、綜合負(fù)荷模型和100%馬達(dá)。總之，受端系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平隨受端電網(wǎng)馬達(dá)比例的增加而下降。

表2 阿拉善地區(qū)受電極限Tab.2Maximum receiving power of Alashan network

圖9 額濟(jì)納220 kV母線電壓曲線Fig.9Voltage of Ejina station bus

（1）馬達(dá)負(fù)荷對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響。馬達(dá)的有功、無(wú)功功率與滑差間的關(guān)系為

式中：P、Q分別為馬達(dá)吸收的有功和無(wú)功功率；Pmax為一定電壓水平下馬達(dá)可吸收的最大有功功率；s為馬達(dá)滑差；scr為馬達(dá)臨界滑差。

故障恢復(fù)階段馬達(dá)電磁轉(zhuǎn)矩減小，而馬達(dá)的機(jī)械功率還保持在較高的水平，造成馬達(dá)逐漸減速，滑差拉大，隨著滑差在短時(shí)間內(nèi)的迅速增大，馬達(dá)將從系統(tǒng)內(nèi)吸收大量無(wú)功。如果馬達(dá)能恢復(fù)穩(wěn)定，滑差減小，吸收的有功和無(wú)功將逐漸減小到穩(wěn)態(tài)前的水平。如果電壓降低較多（低于0.4 p.u.）導(dǎo)致許多馬達(dá)難以恢復(fù)，馬達(dá)滑差增大，吸收無(wú)功功率增大，引起系統(tǒng)電壓的進(jìn)一步降低，造成受端電網(wǎng)電壓崩潰，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。

（2）靜態(tài)模型對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響。靜態(tài)負(fù)荷吸收的功率主要受電壓變化影響，靜態(tài)負(fù)荷在故障后不會(huì)像馬達(dá)負(fù)荷那樣吸收更多的無(wú)功。恒阻抗、恒電流負(fù)荷吸收的無(wú)功功率還會(huì)在故障后的恢復(fù)期間隨著系統(tǒng)電壓的下降而下降，在一定程度上緩解受端系統(tǒng)的無(wú)功缺額，有利于系統(tǒng)電壓的恢復(fù)。

4 結(jié)論

（1）負(fù)荷模型在電壓能夠快速恢復(fù)的情況下對(duì)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果影響很小。

（2）負(fù)荷模型無(wú)功電壓效應(yīng)越明顯，如恒阻抗模型，會(huì)促進(jìn)電壓的恢復(fù)，有利于電網(wǎng)穩(wěn)定性。

（3）故障后送端機(jī)組加速、受端機(jī)組減速，送端負(fù)荷模型電壓效應(yīng)低會(huì)提高穩(wěn)定性，受端相反。

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Impact of Load Model on Power System Simulation

QIU Li-ping1，JIN Xiao-ming2，LIN Yong3，MEN Kun2，F(xiàn)AN Yang3，LI Yong2
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.China Southern Power Grid Science Reserch Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510623，China；3.Grid Planning and Research Center of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou 510086，China）

This paper studies the influence of load model on power system simulation is investigated in this paper.For the sake of the transient stability，voltage stability，etc.the practical example of Inner Mongolia power grid is simulated by BPA，and the influence of various load models on power system simulation result is studied.On the basis of practical examples，it can be asserted that the effect of load modeling is closely related to the place，structure of power grid and power distribution.The results indicate that the importance of load models for power system simulation，which is beneficial to enhance the power system simulation accuracy.

load model；power system simulation；transient stability；voltage stability

TM711

A

1003-8930（2014）11-0087-04

邱麗萍（1979—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制等。Email：qiulp@epri.sgcc.com.cn

2012-08-18；

2012-12-29

金小明（1963—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃與直流輸電技術(shù)。Email：jinxm@csg.cn

林勇（1973—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃。Email：linyong@csg.cn