基于暫態(tài)特征的廣義電力負荷參數(shù)辨識方法研究

程 琳， 都小利， 錢 文， 徐 華

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學院， 安徽 合肥 230051；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓中心， 安徽 合肥 230022；3.國網(wǎng)亳州供電公司， 安徽 亳州 236800)

0 引言

近年來，隨著特高壓交直流在我國以及其他許多國家和地區(qū)電網(wǎng)中的大力地推進，以及新能源分布式發(fā)電的大力發(fā)展，對大電網(wǎng)的實時控制變得越來越復(fù)雜[1]。由于電網(wǎng)本身電路狀態(tài)的復(fù)雜性，以及電網(wǎng)的運行狀態(tài)的時變性和負荷狀態(tài)的隨機性，這都使得電網(wǎng)具有復(fù)雜的動態(tài)特性[2]。目前，負荷建模的研究落后于電力系統(tǒng)其他部件的建模，嚴重制約了電力系統(tǒng)的健康和可持續(xù)發(fā)展。負荷特性的差異性，一定程度上影響了電力系統(tǒng)研究中的暫態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定[3]。在復(fù)雜的動態(tài)特性下，研究負荷參數(shù)辨識方法，使電網(wǎng)能穩(wěn)定運行具有重要的意義[4]。因電力系統(tǒng)負荷的不確定等特性，研究時不易精準模擬各節(jié)點負荷和節(jié)點電壓，所以開展負荷建模是一項研究難點。文獻[5]提出靜態(tài)負荷模型也稱為ZIP模型，即恒阻抗、恒電流、恒功率模型。文獻[6]提出感應(yīng)電動機的并聯(lián)靜特性下的負荷結(jié)構(gòu)模型，該模型符合多數(shù)應(yīng)用場合下的負荷特性。但在分布式電源比例較大或離負荷母線較近時，會給系統(tǒng)帶來比較大的計算誤差[7]。

為更好地表示廣義電力負荷的各種特性，本文提出基于暫態(tài)特征的廣義電力負荷模型。該模型利用大電網(wǎng)中關(guān)鍵節(jié)點電壓變化的特性作為負荷動態(tài)特性的等效值，通過區(qū)間聯(lián)絡(luò)線的功率波動、關(guān)鍵節(jié)點的電壓變化來實時表征等效負荷的動態(tài)特性，同時利用動態(tài)負荷的計算、靈敏度最高的聯(lián)絡(luò)線下的母線線電壓來表征等效發(fā)電機的動態(tài)特性和一系列負荷參數(shù)的特性量。

1 含感應(yīng)電動機的等值負荷模型

電力系統(tǒng)負荷模型通常被等效為為一個動態(tài)模型和一個靜態(tài)負荷模型，等值的靜態(tài)負荷模型一般用多項式模型表示，如式(1)所示。

(1)

式(1)中V為實際運行電壓；P0、Q0是當電壓V等于額定電壓V0時的有功功率和無功功率，稱為額定負荷功率；P、Q為負荷實際消耗的功率；ap(aQ)、bp(bQ)、cp(cQ)為負荷有功(無功)功率的系數(shù),分別代表負荷的恒定阻抗、恒定電流、恒定功率部分的比例，它們之間滿足ap+bp+cp=1，aQ+bQ+cQ=1的關(guān)系式。該模型也稱為ZIP模型，即恒阻抗、恒電流、恒功率模型[8]。

負荷的動態(tài)模型可以等效于感應(yīng)電動機模型，在d,q旋轉(zhuǎn)坐標系下的感應(yīng)電動機的模型如式(2)所示。

(2)

(3)

式(2)，式(3)中iq、id和uq、ud分別為d,q的電流和電壓，RS、Lq、Ld分別為定子繞組的電阻和d,q軸的電感，Ψf、Ψq、Ψd分別是勵磁磁鏈和定子在d,q磁鏈的分量，ωe為轉(zhuǎn)子的電角速度。由于感應(yīng)電動機在實際負荷中占很大比例，相對于其他部件而言，感應(yīng)電動機對電力系統(tǒng)的影響也很大，因此在計算和分析中，我們通常將負荷模型等效為一個感應(yīng)電動機和一個靜態(tài)負荷的等值靜態(tài)模型。隨著新能源和智能微電網(wǎng)的發(fā)展，受端電力系統(tǒng)中包含大量電源，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。對于這種既有電力系統(tǒng)電源并且仍然以電力負荷為主的區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)，稱為廣義電力負荷，其模型結(jié)構(gòu)稱為廣義電力負荷模型[9,10]。

2 廣義電力負荷模型

廣義電力負荷模型在含感應(yīng)電動機的等值負荷模型的基礎(chǔ)之上加入了同步發(fā)電機，從而展現(xiàn)電力系統(tǒng)負荷模型的發(fā)電特性。廣義電力負荷模型如圖1所示。圖1中樞紐母線連接了靜態(tài)負荷和感應(yīng)電動機以及同步發(fā)電機的模型。我們考慮配電網(wǎng)支路的廣義電力負荷模型時，除了在含感應(yīng)電動機的等值負荷模型系統(tǒng)中加入等值的同步發(fā)電機之外，還加入了一條母線UI，母線UI與電路實際母線US之間的阻抗需要阻抗匹配，否則當虛擬母線等值電壓UI與實際母線電壓US不等時，線路就會被燒毀甚至被擊穿?？紤]配電網(wǎng)支路的廣義電力負荷模型的簡化圖為圖2所示。圖2中加入了一條虛擬母線UI并且配上配電網(wǎng)等值阻抗，加入了三相變壓器以及電容，與原母線相連的有配電網(wǎng)無功補償、等值靜態(tài)負荷、等值電動機和等值發(fā)電機。

圖1 廣義電力負荷模型 圖2 考慮配電網(wǎng)支路的廣義電力負荷模型

3 負荷模型參數(shù)求解

在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定中我們主要關(guān)注功角穩(wěn)定，也就是說，如果在某一個時刻，當電力系統(tǒng)中遭到一個很大的擾動時，發(fā)電機的輸入功率和輸出的電磁功率將失去原有的平衡，從而直接引起發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的轉(zhuǎn)角發(fā)生變化，各發(fā)電機之間會相互的震蕩和搖擺。因此我們在暫態(tài)穩(wěn)定下分析廣義電力負荷模型就首先需要在電力系統(tǒng)模型中保證功角平衡。

在同步發(fā)電機建模中，我們從慣量中心的理論出發(fā)，我們可利用加權(quán)聚合法將某一部分區(qū)域的一群同步發(fā)電機等效為一個同步發(fā)電機進行等值測量。式(4)和式(5)分別是發(fā)電機等效的時間常數(shù)和等效的暫態(tài)電抗的計算方法。

(4)

(5)

(6)

在受端電力系統(tǒng)模型中功率輸入進入電力系統(tǒng)的受端的觀測線路中總共有五條，分別是線路1、線路2、線路3、線路4和線路6，我們將這五條線路等效為外部電源，而從電力系統(tǒng)中受端流出的功率線功率輸出聯(lián)絡(luò)線為線路5，因此將線路5等效為廣義電力負荷，在計算等值的廣義電力負荷中需減去或加上相應(yīng)的部分，除此之外，我們也假設(shè)這些線路1、2、3、4、6它們是虛擬斷開的，也就是它們并互不相連，但是我們在第一步中提到了線路2要予以保留，所以按照上圖電力系統(tǒng)下的受端系統(tǒng)的流向示意圖列寫公式，可以得到式(7)。

SLeq=SL+S5-S1-S2-S3-S4-S6

(7)

圖3 等效系統(tǒng)潮流流向示意圖

其中：SLeq為系統(tǒng)等效廣義電力負荷模型；SL為系統(tǒng)實際負荷；S5為同步發(fā)電機模型，其余為聯(lián)絡(luò)線傳輸功率。為較好地描述系統(tǒng)在電壓、頻率變化較大情況下的廣義電力負荷特性，本文原始負荷SL使用差分方程負荷模型，如式(8)所示。

Y(k)=ay1Y(k-1)+ay2Y(k-2)+bu0U(k)+bu1U(k-1)+bu2U(k-2)

(8)

4 仿真分析

3機10節(jié)點的系統(tǒng)原始圖形如圖4所示。在該等值的系統(tǒng)中參數(shù)分別為：

(1)變壓器LTC1：525/13.8 kV，X=0.003 p.u.，分接頭變化范圍為500～550 kV，基本運行狀態(tài)下變壓器分接頭位置為533 kV。

(2)變壓器LTC2：525/115 kV，X=0.003 p.u.，分接頭變化范圍為500～550 kV，基本運行狀態(tài)下變壓器分接頭位置為530 kV。

(3)變壓器LTC1：115/13.8 kV，X=0.001 p.u.，分接頭變化范圍為103.5～126.5 kV，基本運行狀態(tài)下變壓器分接頭位置為112.1 kV。

(4)變壓器T4：13.2/540 kV，X=0.002 p.u.。

(5)變壓器T5：13.2/540 kV，X=0.0045 p.u.。

(6)變壓器T6：13.2/530 kV，X=0.00625 p.u.。

(7)發(fā)電機1：平衡節(jié)點，V=0.98 p.u.。

(8)發(fā)電機2：PV節(jié)點，V=0.964 p.u.；無功功率極限為200～725 Mvar。

(9)發(fā)電機3：PV節(jié)點，V=0.972 p.u.；無功功率極限為200～700 Mvar。

(10)500 kV輸電線路：Z=0.0015+j0.02880 p.u.，B/2=1.173 p.u.。

(11)如圖4中所標的數(shù)據(jù)中，并聯(lián)電容器的無功功率值對應(yīng)于相應(yīng)的額定工作電壓。

等值發(fā)電機群的參數(shù)為：

1號機：無窮大母線；

2號機：H=2.09，MVA容量=2200 MVA；

3號機：H=2.33，MVA容量=1400 MVA；

電機阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)D=2.0。

利用這些數(shù)據(jù)對電路進行搭線和仿真，搭線圖如圖5所示。

圖4 3機10節(jié)點的原始狀態(tài)搭線圖

圖5 3機10節(jié)點的PSASP的仿真搭線圖

辨識后得到的參數(shù)為：

ay1=0.9024，ay2=-0.4306，bu0=0.7806，bu1=0.2012，bu2=0.0732

在Bus2母線上調(diào)節(jié)電壓降為10%，再進行仿真。將獲得的參數(shù)帶入模型進行驗證，有功功率仿真結(jié)果如圖6所示，無功功率仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 廣義電力負荷模型有功功率響應(yīng) 圖 7 廣義電力負荷模型無功功率響應(yīng)

從圖6和圖7的廣義電力負荷模型辨識出的參數(shù)擬合曲線與實際曲線比較，廣義電力負荷的動態(tài)辨識特性較好，通過廣義電力負荷模型辨識出的參數(shù)擬合的有功功率曲線和無功功率曲線接近實測得到的負荷有功無功數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文研究了考慮配電網(wǎng)支路的廣義電力負荷模型，在負荷模型中不僅考慮了靜態(tài)負荷，感應(yīng)電動機動態(tài)負荷，還考慮了同步發(fā)電機的相關(guān)參數(shù)。通過暫穩(wěn)分析模型對廣義電力負荷模型進行簡化，將其簡化成成含同步發(fā)電機的動態(tài)負荷求解，從而使得模型參數(shù)求取方便。利用3機10節(jié)點系統(tǒng)仿真，模型通用性強，且電路簡單方便理解，該簡化模型的仿真結(jié)果和實際測量值間誤差較小。