負荷模型對電力系統(tǒng)仿真計算的影響

邱麗萍，金小明，林勇，門錕，樊揚，李勇

（1.中國電力科學研究院，北京100192；2.中國南方電網科學研究院有限責任公司，廣州510623；3.廣東電網公司電網規(guī)劃研究中心，廣州510086）

負荷模型對電力系統(tǒng)仿真計算的影響

邱麗萍1，金小明2，林勇3，門錕2，樊揚3，李勇2

（1.中國電力科學研究院，北京100192；2.中國南方電網科學研究院有限責任公司，廣州510623；3.廣東電網公司電網規(guī)劃研究中心，廣州510086）

研究了負荷模型對電力系統(tǒng)仿真計算的影響。從暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定等多個角度出發(fā)，結合內蒙電網等實際算例并采用BPA程序進行仿真，綜合分析各種負荷模型可能對電力系統(tǒng)仿真結果造成的影響。結果表明，負荷模型對仿真結果的影響與負荷所處的位置、網架結構、電源分布等因素密切相關，所得結論揭示了負荷模型對電網仿真計算的重要性，有助于提高電網仿真的精度。

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

在進行電力系統(tǒng)分析時，不恰當地選取負荷模型會使所得結果與系統(tǒng)實際情況不一致。大量仿真計算結果表明，不同的負荷模型對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定以及小干擾穩(wěn)定的仿真計算結果有不同的影響，在臨界情況下，計算結果可能會發(fā)生質的變化[1，3]。例如：美國太平洋西北系統(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年出現系統(tǒng)崩潰事故的原因就是在計算分析中沒有充分考慮到空調負荷對無功的消耗。

1 負荷模型

在系統(tǒng)受到擾動時，第一、二功角搖擺周期內一般會出現電壓降低的情況，特別是在振蕩中心。在此期間，負荷消耗的功率大小對系統(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]。如果實際負荷為恒電流特性，在仿真計算中采用了恒阻抗模型，負荷消耗的功率與電壓的線性關系在計算中卻表現為與電壓成平方關系，系統(tǒng)擾動后電壓降低，負荷吸收功率較實際降低更多。如果采用恒功率負荷模型描述實際的恒電流負荷，則會得到不同的結論。

以往研究證明系統(tǒng)發(fā)生較為嚴重故障時（電壓、頻率變化較為明顯），采用動態(tài)模型可顯著地提高仿真準確性。另外，馬達對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響與馬達相對于故障點的位置、馬達的負荷特性、馬達的暫態(tài)特性等因素相關。

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

以單機－無窮大系統(tǒng)（見圖1）為例來分析負荷模型對這2個因素的影響。算例采用3種負荷模型：①東北大擾動實驗推薦的考慮配電網絡的綜合負荷模型，簡稱綜合負荷模型。綜合負荷模型參數為：配電系統(tǒng)網絡阻抗j0.06 p.u.，馬達比例60%，負載率40%，馬達參數見表1；靜態(tài)負荷比例40%；靜態(tài)負荷構成為30%恒阻抗+30%恒電流+ 40%恒功率；靜態(tài)負荷功率因數cos φ為0.85；②50%Ⅲ型馬達+50%恒阻抗模型，馬達負載率50%，參數見表1；③靜態(tài)30%恒阻抗+40%恒電流+30%恒功率模型，簡稱靜態(tài)3-4-3 ZIP模型。

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

表1 模型的馬達參數Tab.1Parameters of motor model p.u.

表1中：Rs為馬達定子電阻；Xs為馬達定子電抗；Xm為馬達激磁電抗；Rr為馬達轉子電阻；Xr為馬達轉子電抗；Tj為馬達的慣性時間常數。

2 負荷模型對暫態(tài)穩(wěn)定的影響

2.1 負荷模型對送端加速能量的影響

功率從發(fā)電機側流向無窮大系統(tǒng)側，分析負荷模型對送端機組短路期間獲得的加速能量的影響。在0 s時線路1母線2側發(fā)生三相短路故障，0.12 s時開關動作斷開線路1。負荷吸收的有功見圖2，在短路期間綜合負荷模型吸收有功最大，50%Ⅲ馬達＋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，動態(tài)負荷將在短路期間向系統(tǒng)提供容性無功，而靜態(tài)負荷吸收無功接近于0，短路期間系統(tǒng)電壓由高到低依次對應綜合負荷模型、50%Ⅲ型馬達+50%恒阻抗模型、靜態(tài)負荷模型，系統(tǒng)電壓越高越有利于發(fā)電機功率外送。

綜合上述兩方面的影響，采用綜合負荷模型時發(fā)電機的電磁功率最大而加速功率最小，發(fā)電機在短路期間獲得的加速能量最小，采用靜態(tài)負荷模型時發(fā)電機的加速功率最大，發(fā)電機獲得的加速能量最大，50%III型馬達+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)電機加速功率Fig.4Acceleration power of generator during short circuit

2.2 負荷模型對受端減速能量的影響

功率從無窮大系統(tǒng)側流向發(fā)電機側，分析負荷模型對受端機組短路期間減速功率的影響。在0 s時線路1母線2側發(fā)生三相短路故障，0.1 s時開關動作斷開線路1。短路期間負荷功率、系統(tǒng)電壓以及發(fā)電機減速功率見圖5～圖7。

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

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

圖7 短路期間發(fā)電機減速功率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荷模型、50%Ⅲ型馬達+50%恒阻抗模型、靜態(tài)負荷模型，負荷有功功率按由大到小的順序也是綜合負荷模型、50%Ⅲ型馬達+50%恒阻抗、靜態(tài)負荷模型，因此故障期間發(fā)電機減速功率由大到小的順序是綜合負荷模型、50%Ⅲ型馬達+50%恒阻抗、靜態(tài)負荷模型。

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

3 負荷模型對電壓穩(wěn)定的影響

電壓穩(wěn)定計算與電力系統(tǒng)其他的定量計算比較，對負荷模型的依賴程度更強。負荷模型是電壓失穩(wěn)過程中最活躍、最關鍵的因素[6-8]。

以內蒙古阿拉善受端電網為實際算例，分析受端電網負荷模型對電壓穩(wěn)定的影響。阿拉善地區(qū)僅通過吉蘭太500 kV主變與主網相連，其接線見圖8。阿拉善地區(qū)為典型的受端電網，當其主要供電電源線路吉蘭太-烏海線故障時，末端負荷站存在電壓穩(wěn)定問題。

圖8 阿拉善地區(qū)接線Fig.8Network of Alashan

阿拉善電網分別采用60%Ⅲ型馬達+40%恒阻抗、100%恒阻抗、100%恒電流、100%恒功率、100%Ⅲ型馬達、東北大擾動實驗推薦的考慮配電網絡的綜合負荷模型（簡稱綜合負荷模型）。故障點選擇在吉蘭太-烏海線烏海側，故障形式為三永故障，馬達模型為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種負荷模型時額濟納站的220 kV母線電壓如圖9所示。可以看出，采用靜態(tài)模型時電壓恢復較快，不存在電壓穩(wěn)定問題；采用100%馬達和綜合負荷模型時，故障后電壓無法恢復，直至出現電壓崩潰；采用的60%Ⅲ型馬達+40%恒阻抗模型時，故障后電壓恢復較慢，持續(xù)低于0.75 p.u.的時間超過1 s。故障后電壓恢復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+ 40%恒阻抗模型、綜合負荷模型和100%馬達?？傊?，受端系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平隨受端電網馬達比例的增加而下降。

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

圖9 額濟納220 kV母線電壓曲線Fig.9Voltage of Ejina station bus

（1）馬達負荷對電壓穩(wěn)定性的影響。馬達的有功、無功功率與滑差間的關系為

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

故障恢復階段馬達電磁轉矩減小，而馬達的機械功率還保持在較高的水平，造成馬達逐漸減速，滑差拉大，隨著滑差在短時間內的迅速增大，馬達將從系統(tǒng)內吸收大量無功。如果馬達能恢復穩(wěn)定，滑差減小，吸收的有功和無功將逐漸減小到穩(wěn)態(tài)前的水平。如果電壓降低較多（低于0.4 p.u.）導致許多馬達難以恢復，馬達滑差增大，吸收無功功率增大，引起系統(tǒng)電壓的進一步降低，造成受端電網電壓崩潰，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。

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

4 結論

（1）負荷模型在電壓能夠快速恢復的情況下對穩(wěn)定計算結果影響很小。

（2）負荷模型無功電壓效應越明顯，如恒阻抗模型，會促進電壓的恢復，有利于電網穩(wěn)定性。

（3）故障后送端機組加速、受端機組減速，送端負荷模型電壓效應低會提高穩(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，FAN 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，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制等。Email：qiulp@epri.sgcc.com.cn

2012-08-18；

2012-12-29

金小明（1963—），男，教授級高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與直流輸電技術。Email：jinxm@csg.cn

林勇（1973—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃。Email：linyong@csg.cn