含感應電動機配電網的綜合負荷模型分析

王迥源

摘 要：隨著全球能源互聯網的大力推進，電網將變得更加復雜，電網將會遇到各種運行的挑戰。電壓穩定性首當其沖成為電網穩定運行的關鍵問題，電網中負荷穩定性是電網穩定性的一個重要的方面，構建適合的負荷模型是電力行業人員進行電力系統穩定性分析的關鍵。電網系統綜合負荷最為主要的動態負荷是感應電動機，感應電動機的運行特性對電力系統的穩定運行極為重要。文章對國內外常用的綜合負荷模型進行了詳細介紹，并簡單介紹了現有的綜合負荷模型的不足之處，就現有的感應電動機的負荷模型進行了詳細分析。

關鍵詞：綜合負荷模型；電力系統穩定性；感應電動機模型

中圖分類號：TM714 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）06-0069-02

1 負荷建模的背景與意義

電力系統是由發電、輸電、配電、用電等環節組成的電能生產與消費系統，主要由發電廠、輸配電線路和電力負荷三大部分組成。配電網是電力系統重要的配電環節，能將電能輸送給各電力負荷。隨著科技與時代的發展，形形色色的電力負荷出現在配電網中，為了能充分保障配電網的穩定運行，必須對配電網進行良好的設計與規劃。

目前在配電網中一般采用數字仿真來實現對配電網的設計、運行與規劃，數字仿真的結果成為了實際中配電網管理的主要依據。為了得到精確的配電網系統的數字仿真，必須對配電網系統中的各個環節進行模型分析，建立精準是實現配電網系統精準管理的關鍵。

配電網系統的模型分析包含以下幾個環節得建模：電網系統的建模，輸電線路的建模，用電負荷的建模。配電網系統中負荷的建模是關鍵，隨著電力市場化日趨成熟與全球能源互聯網的發展，用電負荷模型的研究也越來越得到重視。大量的實驗與理論分析表明，負荷模型對配電網系統中的潮流分析、電壓穩定性分析以及配電網系統的安全性分析有重要的影響，甚至影響對整個配電網系統的運行狀態分析與判斷，以至于造成電力災害的發生。

配電網長時間的管理與維護經驗表明綜合負荷模型是一個重要工具，能有效的幫助電力工作者進行配電網系統維護、配電系統故障預測與診斷以及壽命的評估。現有的電力系統中綜合負荷模型十分的粗糙，進行更深入、更精準的研究是很有意義的。

隨著配電網的不斷發展與革新，系統中的發電機與輸電線路的建模技術已經比較成熟，由于電力負荷的分散性、間歇性、多樣性等特點，對電力負荷的精準建模相比電力網絡中的其他元件就顯得更加復雜與困難。隨著電網的不斷復雜化，現有的綜合負荷模型已經不能保障對電力網絡進行精準的計算與預測，對良好精準的負荷模型的研究迫在眉睫。

2 綜合負荷模型的發展歷程

隨著配電網絡的不斷壯大與數字電力仿真軟件不斷發展，人們逐漸意識到精準電力負荷模型對系統的安全穩定運行具有重要意義，系統中電力負荷的建模技術也越來越得到重視。

電力負荷建模技術發展至今，電力負荷建模的方法大致可以總結為兩類：①統計綜合法；②總體辨識法。

把系統中的電力負荷看成一個集合是綜合統計法的中心思想，然后統計出電力負荷中各種負荷所占的比例，計算出電力負荷的平均特性，根據所得的負荷平均特性以及負荷比例得出綜合負荷模型。相比于統計綜合法，總體辨識法不需要統計系統中各類電力負荷所占的比例以及負荷的特性，只需要研究每一負荷端口的電力特性。在利用總體辨識法進行建模的過程中可以將系統母線中的所有負荷視為一個集合，對系統中的各負荷端口的電壓、電流、頻率、功率等電氣量進行測量，利用所側的各負荷電氣量與系統辨識理論建立負荷模型。

負荷建模技術發展至今，各種各樣的負荷模型呈現在人們面前。根據所構建的模型是否能反映負荷工作過程中的動態特性，將電力負荷模型大致分為兩大類：①靜態負荷模型；②動態負荷模型。

動態負荷模型能充分的反映負荷的動態特性，一般在進行建模的過程中通常用微分方程、狀態方程描述。電力負荷建模技術發展之初，人們首先提出了恒功率、恒電流、恒阻抗等靜態負荷模型，隨著計算機技術不斷地發展，在這三種靜態模型的基礎上提出了更精準的靜態模型，更加精準的描述電力負荷的靜態特性，主要包括：冪函數負荷模型，多項式負荷模型。

動態負荷模型主要包括機理式負荷模型與非機理式負荷模型，在動態建模的過程中若負載的動態過程能用物理模型對其動態過程進行描述，一般采用機理式負荷模型；若所建模的負荷對象，動態過程較為復雜，面對此類型的負載時通常采用非機理式的負荷模型，即將整個負荷整體看成一個節點，利用非機理模型來描述負荷的性質與動態過程。

隨著電網復雜化，單一的靜態與動態負荷模型很難精準的反映系統中的電力負荷，且在配電網絡中無功補償和網絡阻抗對系統的負荷建模也會產生一定的影響，面對現有模型的不足有關學者提出了綜合負荷模（SLM）。

綜合負荷模型是一種將靜態負荷模型與動態負荷模型結合的技術，綜合負荷模型中充分反映了電動機負荷、無功補償等對負荷特性的影響。

3 配電網中感應電動機模型

隨著工業不斷發展，感應電動機是配電網中最為常見的負荷，對整個系統的安全穩定運行具有深遠的影響。根據感應電動機所應用的領域，多種感應電動機的模型相繼被提出，最為常見的有以下幾種：①五階電磁暫態模型；②三階機電暫態模型；③一階機械暫態模型；④一階電壓暫態模型。

其中五階電磁暫態模型不僅充分考慮了感應電動機的定子與轉子繞組中的電磁的暫態過程而且還充分體現了感應電動機的機械暫態過程。相比之下三階機電暫態模型忽略了對感應電動機內部定子的電磁的暫態過程，若在三階機電模型的基礎上進一步忽略感應電機轉子繞組內部的電磁暫態過程，則將得到我們比較熟悉的一階模型。

不同的感應電動機模型都有自己的優勢與劣勢之處，針對不同的應用領域在對感應電動機建模時，選用最適合的感應電動機模型進行建模。對配電網系統中感應電機的建模中計算量不是大問題，一般會采用三階的電機模型，既能很好的展現電機轉子繞組的電磁暫態過程又能相應的減少建模過程中的計算量；若為了體現和解決系統內部的無功動態問題時，一般采用一階的電壓暫態模型；若為了體現和解決系統內部的有功動態問題時，一般采用一階的機械暫態模型對感應電動機進行建模。至今一般在配電網系統中，對感應電動機的綜合負荷系統建模時一般采用的感應電動機模型，如圖1所示。

4 結 語

配電網中綜合負荷建模是對配電網進行潮流分析、故障預測與診斷的關鍵工具，精準的負荷建模能很好的體現負載的實際特性，更加準確的反映實際應用中的負荷的動態與靜態特性。本文詳細闡述了負荷建模技術的發展歷程，經過幾代科研工作者的不斷努力，從最初的恒功率、恒阻抗、恒電流的靜態建模發展到能充分體現實際負荷的動態與靜態特性的綜合負荷建模，并介紹了實際數字仿真中常用的綜合負荷模型的物理結構。感應電動機是配電網系統中最為常見的負荷之一，但由于其結構與實際工作過程較為復雜，單一的靜態或動態建模很難充分體現感應電動機的實際工作狀態，必須采用綜合負荷模型對感應電動機進行建模。

文章中總結了現有的感應電動機模型，主要包括：五階電磁暫態模型；三階機電暫態模型；一階機械暫態模型；一階電壓暫態模型，并簡單介紹了每一種感應電動機模型優劣勢與每一種模型的實際應用領域。隨著電網的不斷發展，系統中的負荷也會變得更加的復雜，現有的負荷建模技術必須緊跟電網的發展，以保障能充分體現隨機多變的負荷的實際靜態與動態特性，保障數字仿真能更加精準的反映實際模型，保障能安全有效的管理整個系統。

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