交流電網(wǎng)現(xiàn)代負(fù)荷有功特性實(shí)驗(yàn)研究

黃興華 林少堅(jiān) 楊國欽 鄭植煌

摘要：在現(xiàn)代交流電網(wǎng)中，電力電子技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于各類電器，并構(gòu)成了現(xiàn)代負(fù)荷區(qū)別于傳統(tǒng)負(fù)荷的一大特征。電力電子的調(diào)節(jié)特性使得電力負(fù)荷特性發(fā)生改變。本研究通過實(shí)驗(yàn)，測試了傳統(tǒng)和現(xiàn)代負(fù)荷中幾種代表性電器的有功特性。研究表明，電力電子的使用使得負(fù)荷特性趨向于恒功率。研究結(jié)果為現(xiàn)代交流電網(wǎng)的運(yùn)行控制提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代負(fù)荷 電力電子 有功特性 恒功率

電力電子技術(shù)在用電環(huán)節(jié)的使用，使得傳統(tǒng)電力負(fù)荷的特性發(fā)生改變。正確掌握負(fù)荷特性是電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行工作有效開展的重要基礎(chǔ)。在總電力負(fù)荷中，照明負(fù)荷占比20%左右[1]，感應(yīng)電動機(jī)（交流異步電機(jī)）占比60%以上[2]，兩者構(gòu)成了電力負(fù)荷的主要成分。本文選取照明和感應(yīng)電機(jī)這兩類代表性負(fù)荷，對電力負(fù)荷的有功功率特性展開實(shí)驗(yàn)研究。

1 負(fù)荷特性測試實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用變頻器作為測試電壓源，產(chǎn)生幅值、頻率可調(diào)的電壓。測試用負(fù)荷包括照明和感應(yīng)電機(jī)。在選擇具體的負(fù)荷形式時，本文兼顧傳統(tǒng)負(fù)荷形式和未來應(yīng)用前景廣闊的發(fā)展趨勢[3-4]：

（1） 照明負(fù)荷，包括白熾燈、電感鎮(zhèn)流器熒光燈、電子鎮(zhèn)流器熒光燈和LED。

（2） 電動機(jī)負(fù)荷，包括直接接入測試電源的感應(yīng)電機(jī)和通過變頻器接入測試電源的感應(yīng)電機(jī)，后者即為變頻調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中感應(yīng)電機(jī)拖動直流發(fā)電機(jī)，直流發(fā)電機(jī)外接電阻器。

負(fù)荷實(shí)物如圖1，銘牌參數(shù)示于表1。

2有功-頻率特性動模實(shí)驗(yàn)

被測負(fù)荷在實(shí)驗(yàn)前，首先在額定電壓下預(yù)熱。待測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，再開展頻率特性測試。實(shí)驗(yàn)中頻率調(diào)節(jié)范圍為0.95～1.05p.u。利用測試數(shù)據(jù)作最小二乘擬合，繪出有功功率-頻率特性曲線如圖2所示。

由圖2的頻率特性曲線可得如下結(jié)論：

照明負(fù)荷中，電阻型負(fù)荷白熾燈有功功率與頻率無關(guān)，這與一般的認(rèn)知是一致的;電感鎮(zhèn)流器熒光燈的有功功率對于頻率的變化較為敏感，而含電力電子的兩種照明負(fù)荷電子鎮(zhèn)流器熒光燈與LED均表現(xiàn)出與工作頻率基本無關(guān)的有功功率特性。

電動機(jī)負(fù)荷中，若感應(yīng)電機(jī)直接與電源相接，其吸收的有功功率與電源頻率成正相關(guān)變化;而當(dāng)感應(yīng)電機(jī)通過變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)，則有功功率對頻率的敏感性明顯降低，近似為恒功率負(fù)荷。

由上述的頻率特性動模實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，電力電子技術(shù)在用電環(huán)節(jié)的應(yīng)用使得負(fù)荷的頻率敏感性大為降低，可以認(rèn)為電子鎮(zhèn)流器熒光燈、LED與變頻調(diào)速系統(tǒng)呈現(xiàn)與頻率無關(guān)的恒功率特性。

3有功-電壓特性動模實(shí)驗(yàn)

與第2節(jié)實(shí)驗(yàn)相同，首先在額定電壓下預(yù)熱，待測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再開展測試。由于當(dāng)變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸入電壓低于190V（0.86p.u.）時，變頻器執(zhí)行保護(hù)策略自動停止工作，故變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電壓調(diào)節(jié)范圍為0.86～1.1p.u。其余實(shí)驗(yàn)中電壓調(diào)節(jié)范圍為0.8～1.1p.u。利用測試數(shù)據(jù)作最小二乘擬合，繪出有功功率-電壓特性曲線如圖3所示。

由圖3的電壓特性曲線可得如下結(jié)論：

照明負(fù)荷中，電阻型負(fù)荷白熾燈有功功率與電壓成正相關(guān)，這與一般的認(rèn)知吻合;電感鎮(zhèn)流器熒光燈和電子鎮(zhèn)流器熒光燈的有功功率對于電壓的變化較為敏感，而作為照明領(lǐng)域趨勢的LED則表現(xiàn)出與電壓基本無關(guān)的有功功率特性。

電動機(jī)負(fù)荷中，若感應(yīng)電機(jī)直接接入電源，其吸收的有功功率與電壓成正相關(guān)變化;而當(dāng)感應(yīng)電機(jī)通過變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)，則有功功率對電壓的敏感性明顯降低，可認(rèn)為是恒功率負(fù)荷。

由上述的電壓特性動模實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，電力電子技術(shù)在用電環(huán)節(jié)的應(yīng)用使得負(fù)荷的電壓敏感性大為降低， LED與變頻調(diào)速系統(tǒng)呈現(xiàn)出恒功率特性。

4 總結(jié)

電力電子技術(shù)已廣泛應(yīng)用于用電設(shè)備中。電力電子的調(diào)節(jié)特性會顯著影響負(fù)荷特性。照明和感應(yīng)電機(jī)是電力負(fù)荷中最主要的組成部分。本文選取照明和感應(yīng)電機(jī)中的典型負(fù)荷形式，開展動模實(shí)驗(yàn)測試其有功功率特性。研究結(jié)果表明，電力電子的引入使負(fù)荷有功趨向于與頻率和電壓無關(guān)，表現(xiàn)出恒功率特性。本文分析結(jié)果為后續(xù)研究電網(wǎng)各單元協(xié)調(diào)控制策略奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫萌，余方召，周榮玲，黃奇，曹國芳，陳謙. 節(jié)能燈及LED燈的負(fù)荷特性研究[J]. 陜西電力，2015，43（12）：57-61.

[2] 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.

[3] 尹項(xiàng)根，程漢湘. 變頻調(diào)速展望[J]. 電力自動化設(shè)備，2002，（04）：61-66.

[4] 邵旭敏. LED關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究[D]. 浙江大學(xué)，2011.