考慮分布式發(fā)電的電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷建模方法研究

郭婭雯　李萌

摘 要：分布式發(fā)電因其清潔高效、對(duì)電網(wǎng)性能改善的潛力巨大，近些年來發(fā)展迅速。隨著分布式電源占比的提高，原本輻射狀的配電網(wǎng)逐漸變成系統(tǒng)與用戶互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變將影響配電網(wǎng)的運(yùn)行特性和綜合負(fù)荷特性，傳統(tǒng)的綜合負(fù)荷模型可能不再適用于描述該區(qū)域的負(fù)荷特性。因此，文章就含分布式電源的電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷建模方法展開研究，以期為電力系統(tǒng)仿真計(jì)算提供必要的模型支持。

關(guān)鍵詞：分布式電源；負(fù)荷建模；風(fēng)力發(fā)電；參數(shù)識(shí)別

電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行中所產(chǎn)生的一些問題，與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著莫大的聯(lián)系。在過去，我國電力系統(tǒng)的發(fā)展更注重主網(wǎng)，采用集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸送的形式實(shí)現(xiàn)了大電網(wǎng)互聯(lián)，有效解決了能源供需分布不均的問題。現(xiàn)今，一方面由于美國、倫敦、印度等國接連發(fā)生大停電事故，使得人們更加重視電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性問題。另一方面，能源危機(jī)與環(huán)境的日益惡化，使得與可再生能源發(fā)電相關(guān)的研究成為熱點(diǎn)。不同方式實(shí)現(xiàn)發(fā)電激起人們?cè)絹碓酱蟮呐d趣，這些電壓等級(jí)低且可連接到配電網(wǎng)的電源，能夠提高配電系統(tǒng)可靠性，且能夠沿輸電網(wǎng)絡(luò)改善電壓的分布。但同時(shí)，確定分布式發(fā)電電源的接入對(duì)電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性所造成的影響更具挑戰(zhàn)。

影響電壓穩(wěn)定性的因素中最重要的方面之一是對(duì)相關(guān)的負(fù)荷建模。在過去的幾十年里，輸電網(wǎng)絡(luò)的建模技術(shù)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，而負(fù)荷建模卻發(fā)展緩慢。顯然，電力負(fù)荷模型的建立與改善電力系統(tǒng)仿真精度有著密切的聯(lián)系。在許多研究中，配電系統(tǒng)可以看作是輸電系統(tǒng)中綜合負(fù)荷組成的靜態(tài)元素，如阻抗或恒功率負(fù)載，以及動(dòng)態(tài)元素，如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或恒溫控制的負(fù)載。如果一個(gè)分布式電源連接到配電系統(tǒng)，它的影響可能是相當(dāng)大的，且在建模時(shí)需要進(jìn)行特殊的處理。因此，文章對(duì)考慮分布式發(fā)電的電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷建模方法進(jìn)行探究，首先在第一部分對(duì)電力負(fù)荷模型進(jìn)行歸類，然后在第二部分總結(jié)和分析典型負(fù)荷建模的方法，并針對(duì)含分布式發(fā)電的系統(tǒng)提出綜合負(fù)荷建模的改進(jìn)方法，最后一部分進(jìn)行總結(jié)與展望。

1 電力負(fù)荷模型的分類

負(fù)荷建模是電流或綜合負(fù)荷的有功和無功功率隨母線電壓和頻率的變化而變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式[1]，一般將其分為靜態(tài)負(fù)荷模型和動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型。

1.1 靜態(tài)負(fù)荷模型。一般來說，靜態(tài)模型對(duì)系統(tǒng)特性起決定性的因素不隨時(shí)間改變而變化的系統(tǒng)模型。但靜態(tài)系統(tǒng)模型的建立只是對(duì)系統(tǒng)的一種簡化，實(shí)際情況下顯然不存在絕對(duì)靜止的系統(tǒng)。當(dāng)分析對(duì)象的主要特征在指定時(shí)段內(nèi)不發(fā)生顯著變化，或?qū)φw性質(zhì)不會(huì)造成顯著影響時(shí)，可以將模型看作是靜態(tài)的，有助于仿真計(jì)算。靜態(tài)負(fù)荷模型的物理意義是，反映母線有功、無功負(fù)荷功率隨模型的電壓和頻率的改變而改變的特性。其中，負(fù)荷隨電壓變化的規(guī)律稱作負(fù)荷電壓特性，負(fù)荷隨頻率變化的規(guī)律稱作負(fù)荷頻率特性。一般用于電力系統(tǒng)的潮流分析、靜態(tài)穩(wěn)定分析，用多項(xiàng)式模型和冪函數(shù)模型的代數(shù)方程來表示。

1.2 動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型。與靜態(tài)模型相對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間的變化而變化的模型被稱為動(dòng)態(tài)模型，分為兩類，一類是連續(xù)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，一類是離散型動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型的物理意義是，反映母線有功、無功負(fù)荷功率隨母線的電壓、頻率和時(shí)間的變化而變化的特性。與靜態(tài)負(fù)荷不同，一般用于電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)計(jì)算、穩(wěn)定分析，用微分或差分方程表示動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型來表示。

2 負(fù)荷建模的方法

2.1 負(fù)荷建模的典型方法。負(fù)荷建模一般通過兩種方法實(shí)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)綜合法是通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到典型負(fù)荷元件的數(shù)學(xué)模型，接著在一些負(fù)荷點(diǎn)上統(tǒng)計(jì)某些典型時(shí)刻各種負(fù)荷的組成，綜合這些數(shù)據(jù)來估計(jì)負(fù)荷的組成。總體測(cè)辯法則是將綜合負(fù)荷看作一個(gè)整體，從現(xiàn)場(chǎng)采集測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)辨識(shí)負(fù)荷模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)[2]。

文獻(xiàn)中針對(duì)總體測(cè)辯法提出了幾種不同的模型結(jié)構(gòu)。在文獻(xiàn)[3][4]提出了一種由靜態(tài)負(fù)荷模型與動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型并列連接的綜合負(fù)荷模型。建立該負(fù)荷模型，負(fù)荷總有功和無功功率的消耗是由靜態(tài)和動(dòng)態(tài)部分消耗的功率組成，如式（1）所示：

其中a1*、a2*、a3*分別表示恒定阻抗，恒定電流和恒定電源組件的有功功率系數(shù)，a4*、a5*、a6*分別表示恒定阻抗，恒定電流和恒定電源組件的無功功率系數(shù)。

2.2 負(fù)荷建模的改進(jìn)方法。上文中總結(jié)的負(fù)荷建模的典型方法，是考慮到負(fù)載在傳輸中的功率消耗，因此可以用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型組成的復(fù)合負(fù)荷模型來表示。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)中接入越來越多的分布式發(fā)電設(shè)備，而多數(shù)分布式發(fā)電中的風(fēng)電電源連接到配電系統(tǒng)，因此有必要考慮從配電系統(tǒng)輸送到輸電系統(tǒng)的功率。而上文中提出的復(fù)合負(fù)荷模型，只考慮了連接到饋線上的耗能設(shè)備，如靜態(tài)負(fù)荷和感應(yīng)電機(jī)。現(xiàn)在，有必要考慮注入饋線的功率。分布式發(fā)電設(shè)備被看作是注入功率到饋線的電源。因此，有必要在含分布式風(fēng)電的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)上定義負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)。

文章提到的改進(jìn)綜合負(fù)荷模型，其思想是將原始的負(fù)荷模型一般化，用異步電機(jī)來替代感應(yīng)電機(jī)。電動(dòng)機(jī)負(fù)載所消耗的功率或是由分布式發(fā)電機(jī)提供的功率，可以用異步電機(jī)來表示，它可以作為電機(jī)或發(fā)電機(jī)運(yùn)行。如果電機(jī)負(fù)載所消耗的功率大于分布式發(fā)電機(jī)提供電力，就可以表示為一個(gè)異步電機(jī)，即異步機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；否則，表示為一個(gè)異步發(fā)電機(jī)，即異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。KPM表示的是電機(jī)載荷占總功率載荷的比例。在耗能設(shè)備作用的情況下，所消耗的功率被假定為正，所以此參數(shù)從0（無電機(jī)負(fù)載）變化到1（僅有電機(jī)負(fù)載）。為了表示分布式電源供電，注入功率看作是負(fù)的，也就是說，KPM的變化區(qū)間很寬，例如[-0.9 0.9]。

對(duì)于負(fù)荷建模，參數(shù)調(diào)整的思想是盡量減少從系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)和模型模擬的數(shù)據(jù)之間的平方差的總和。由此提出負(fù)載參數(shù)識(shí)別的目標(biāo)函數(shù)，如下式（3）：

其中，PKM、QKM是測(cè)得的有功和無功功率，PKS、QKS分別表示仿真出的有功和無功功率。a和b是改善有功和無功功率匹配的加權(quán)因子。

3 總結(jié)與展望

隨著分布式電源的日益增多，電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這將影響配電網(wǎng)的運(yùn)行特性和綜合負(fù)荷特性，傳統(tǒng)的綜合負(fù)荷模型可能不再適用于描述該區(qū)域的負(fù)荷特性。因此文章在總結(jié)負(fù)荷模型分類及典型負(fù)荷建模方法后，提出一種考慮分布式電源并網(wǎng)后可用的綜合負(fù)荷建模方法。這種方法需要獲取系統(tǒng)正常運(yùn)行中或受擾動(dòng)后的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過參數(shù)識(shí)別來確定一組參數(shù)，負(fù)載參數(shù)識(shí)別所需的目標(biāo)函數(shù)已在文中給出，該方法適用于電力系統(tǒng)測(cè)量中用來估計(jì)修改后的復(fù)合負(fù)荷模型的輸出功率。現(xiàn)階段，分布式發(fā)電尚在研究階段，暫時(shí)沒有獲取分布式電源實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)的條件。因此，目前相關(guān)研究還在理論階段，未來?xiàng)l件成熟時(shí)再基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證模型的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]王吉利，賀仁睦，馬進(jìn).配網(wǎng)側(cè)接入電源對(duì)負(fù)荷建模的影響[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（20）：22-26，40.

[2]楊靜.電力系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)與負(fù)荷模型辨識(shí)及其在電壓穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[D].湖南：中南大學(xué)，2012.

[3]湯涌.電力負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型與建模技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2012，63-65.

[4]湯涌，張紅斌，侯俊賢，等.考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（5）：34-38.

作者簡介：郭婭雯（1993-），女，漢族，湖北武漢市人，研究生在讀，電氣工程碩士，單位：武漢理工大學(xué)電氣工程專業(yè)，研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行。

李萌（1993-），女，漢族，河南濮陽市人，研究生在讀，電氣工程碩士，單位：武漢理工大學(xué)電氣工程專業(yè)，研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行。