考慮分布式發(fā)電的電力系統(tǒng)綜合負荷建模方法研究

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)拓撲結(jié)構(gòu)的改變將影響配電網(wǎng)的運行特性和綜合負荷特性，傳統(tǒng)的綜合負荷模型可能不再適用于描述該區(qū)域的負荷特性。因此，文章就含分布式電源的電力系統(tǒng)綜合負荷建模方法展開研究，以期為電力系統(tǒng)仿真計算提供必要的模型支持。

關(guān)鍵詞：分布式電源；負荷建模；風(fēng)力發(fā)電；參數(shù)識別

電力系統(tǒng)規(guī)劃與運行中所產(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、遠距離輸送的形式實現(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)運行的穩(wěn)定性問題。另一方面，能源危機與環(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。不同方式實現(xiàn)發(fā)電激起人們越來越大的興趣，這些電壓等級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，確定分布式發(fā)電電源的接入對電力系統(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相關(guān)的負荷建模。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，而負荷建模卻發(fā)展緩慢。顯然，電力負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)中綜合負荷組成的靜態(tài)元素，如阻抗或恒功率負載，以及動態(tài)元素，如感應(yīng)電動機或恒溫控制的負載。如果一個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，且在建模時需要進行特殊的處理。因此，文章對考慮分布式發(fā)電的電力系統(tǒng)綜合負荷建模方法進行探究，首先在第一部分對電力負荷模型進行歸類，然后在第二部分總結(jié)和分析典型負荷建模的方法，并針對含分布式發(fā)電的系統(tǒng)提出綜合負荷建模的改進方法，最后一部分進行總結(jié)與展望。

1 電力負荷模型的分類

負荷建模是電流或綜合負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)表達式[1]，一般將其分為靜態(tài)負荷模型和動態(tài)負荷模型。

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

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

2 負荷建模的方法

2.1 負荷建模的典型方法。負荷建模一般通過兩種方法實現(xiàn)，統(tǒng)計綜合法是通過實驗和數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到典型負荷元件的數(shù)學(xué)模型，接著在一些負荷點上統(tǒng)計某些典型時刻各種負荷的組成，綜合這些數(shù)據(jù)來估計負荷的組成。總體測辯法則是將綜合負荷看作一個整體，從現(xiàn)場采集測量數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)辨識負荷模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)[2]。

文獻中針對總體測辯法提出了幾種不同的模型結(jié)構(gòu)。在文獻[3][4]提出了一種由靜態(tài)負荷模型與動態(tài)負荷模型并列連接的綜合負荷模型。建立該負荷模型，負荷總有功和無功功率的消耗是由靜態(tài)和動態(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 負荷建模的改進方法。上文中總結(jié)的負荷建模的典型方法，是考慮到負載在傳輸中的功率消耗，因此可以用靜態(tài)和動態(tài)模型組成的復(fù)合負荷模型來表示。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)合負荷模型，只考慮了連接到饋線上的耗能設(shè)備，如靜態(tài)負荷和感應(yīng)電機。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)電的負荷節(jié)點上定義負荷模型結(jié)構(gòu)。

文章提到的改進綜合負荷模型，其思想是將原始的負荷模型一般化，用異步電機來替代感應(yīng)電機。電動機負載所消耗的功率或是由分布式發(fā)電機提供的功率，可以用異步電機來表示，它可以作為電機或發(fā)電機運行。如果電機負載所消耗的功率大于分布式發(fā)電機提供電力，就可以表示為一個異步電機，即異步機作為電動機運行；否則，表示為一個異步發(fā)電機，即異步電機作為發(fā)電機運行。KPM表示的是電機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（無電機負載）變化到1（僅有電機負載）。為了表示分布式電源供電，注入功率看作是負的，也就是說，KPM的變化區(qū)間很寬，例如[-0.9 0.9]。

對于負荷建模，參數(shù)調(diào)整的思想是盡量減少從系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)和模型模擬的數(shù)據(jù)之間的平方差的總和。由此提出負載參數(shù)識別的目標函數(shù)，如下式（3）：

其中，PKM、QKM是測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)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這將影響配電網(wǎng)的運行特性和綜合負荷特性，傳統(tǒng)的綜合負荷模型可能不再適用于描述該區(qū)域的負荷特性。因此文章在總結(jié)負荷模型分類及典型負荷建模方法后，提出一種考慮分布式電源并網(wǎng)后可用的綜合負荷建模方法。這種方法需要獲取系統(tǒng)正常運行中或受擾動后的測量數(shù)據(jù)，通過參數(shù)識別來確定一組參數(shù)，負載參數(shù)識別所需的目標函數(shù)已在文中給出，該方法適用于電力系統(tǒng)測量中用來估計修改后的復(fù)合負荷模型的輸出功率。現(xiàn)階段，分布式發(fā)電尚在研究階段，暫時沒有獲取分布式電源實測運行數(shù)據(jù)的條件。因此，目前相關(guān)研究還在理論階段，未來條件成熟時再基于實測數(shù)據(jù)進一步驗證模型的有效性。

參考文獻

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

[2]楊靜.電力系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)與負荷模型辨識及其在電壓穩(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)劃與運行。