（电力系统及其自动化专业论文）空调、电压调节设备的负荷特性及建模研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文基于动模试验，对影响电力系统电压稳定性的种特殊负荷一一空 调负荷进行了细致的研究，并分析了空调负荷的电压、频率静特性，启动特 性，停机特性以及在不同条件下的电压扰动特性，在此基础上建立了空调负 荷模型。本文还详细介绍了一种用于研究电力系统电压稳定性的试验中的变 压器有载调压装置的开发和应用过程，试验证明本装置能够很好的模拟系统 中实际使用的o l t c 装置的各项功能。试验结果达到了对数字仿真验证的目 的。 关键词：电压稳定，负荷特性，动模试验，空调负荷，o l t c a b s t r a c t t h ea i r c o n d i t i o n e r ，w h i c hi so n ek i n do fs p e c i a ll o a de f f e c t i n gt h ep o w e r s y s t e m s t a b i l i t yt oag r e a te x t e n t ，i sr e s e a r c h e dc a r e f u l l yi nt h et h e s i sb a s e do nt h el a b o r a t o r y t e s t i t sl o a dc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sw i t h r e s p e c tt o t h ev o l t a g ea n d f r e q u e n c yv a r i a t i o n s ，s t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，d r o po f f c h a r a c t e r i s t i c s ，a sw e l la si t sr e s p o n s e st ov o l t a g ed i p su n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n s ，t h e a i r - c o n d i t i o n e rl o a dm o d e li sa l s ob u i l ti nt h i st h e s i s t h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n o fac o n t r o ls y s t e mf o ro n - l o a dt a pc h a n g i n gt r a n s f o r m e r s ，w h i c hi su s e di nt h e e x p e r i m e n tf o rr e s e a r c h i n gt h ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t y ，i si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h e e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h a tt h ed e v e l o p e dd e v i c ec a ns i m u l a t ea l lf u n c t i o n so f o l t ci na p p l i c a t i o n t h ee x p e r i m e n t sc o n f o r mt ot h er e s u l t sf r o md i g i t a ls i m u l m i o n l iy i w e i ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f h er e n m u k e yw o r d s ：v o l t a g e s t a b i l i t y ，l o a dc h a r a c t e r i s t i c ，d y n a m i cs i m u l a t i o nt e s t ， a i r c o n d i t i o n e rl o a d ，o l t c 华北电力大学硕士学位论文 声明j 冈明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文空调、电压调节设备的负荷特 性及建模的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之 处外，沦文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蕉塞t 龟日期：趔 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定1 作者签名 日期： 导师签名：移幻 日 期：丝! ! ：! ：2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力系统是一个复杂的大规模非线性动态系统，其稳定性研究一直是电 力系统规划与运行的重要课题。上个世纪七十年代后期以来，世界范围内先 后发生了多起由电压崩溃引起的大面积停电事故，造成了巨大的经济损失和 严重的社会影响，由此，电压稳定的研究开始逐渐进入电力工业界和学术界 的视野，成为重要的理论研究部分。 在我国电压不稳定和电压崩溃出现的条件同样存在，而且我国电网更 薄弱，并联电容器的使用更甚，再加之城市中家用电器设备的巨增，我国 更有可能出现电压不稳定问题。目前国内电压稳定问题“暴露的不突出”，原 因之一可能是由于大多数有载调压变压器分接头( o n l o a dt a pc h a n g e r ，简 称o l t c ) 未投入自动和电力部门采用甩负荷的措施，而后一措施应该是防 止电压不稳定问题的最后一道防线，不应过早地或过分地使用。并且随着电 力市场化进程不断加深，甩负荷的使用将受到更大的约束和限制uj 。因此， 我们有必要对这类负荷特性对电压稳定的影响作进一步深入的研究。 1 2 电压稳定的研究 1 2 1 电压稳定的定义和分类 就电力系统电压稳定而言，虽然研究了很多年，但是到目前为止，学术 界对他还没有公认的严格定义。固际电工与电子工程师协会( i e e e ) 电压稳定 工作小组在1 9 9 0 年“电力系统电压稳定性：概念、分析工具和工业经验” 的报告l 纠中提出：电压稳定性是系统维持电压的能力，如果系统能维持电压 以确保负荷导纳增加时，负荷消耗的功率也增加，并且功率和电压都是可控 的，就称电压稳定，反之就称电压不稳定。c i g r et f 3 8 0 2 ，1 0 工作组在1 9 9 3 年指出电力系统是一个动态系统，电压稳定是电力系统稳定的一个子集。该 文献中还指出，电压崩溃和电压不稳定这两个术语经常可以互相替换：电压 稳定亦称负荷稳定：电压不稳定和电压崩溃几乎总由大扰动引起，如负荷的 大幅度增加l j j 。 i e e e c i g r e 联合工作组于2 0 0 3 年重新对电力系统稳定等问题进行了定 义：电压稳定是指系统经受扰动后所有节点保持稳定的电压的能力，同时电 华北电力大学硕士学位论文 压稳定可以按照扰动大小和时间框架分别进行划分l 制。目前这种定义和分类 已被国际电力界广泛采纳。 按扰动大小分，电压稳定可以分为小扰动电压稳定和大扰动电压稳定。 大扰动电压稳定性关心的是大扰动( 如系统故障、失去负荷、失去发电机等) 之后系统控制电压的能力；小扰动( 或小信号) 电压稳定性关心的是小扰动 ( 如负荷的缓慢变化) 之后系统控制电压的能力。 根据研究的时问范畴，还可以将电压稳定分为暂态电压稳定、中期电压 稳定和长期电压稳定。 表1 1按时间范畴电压稳定类型 分类时间范畴引起原因 感应电动机和直流换流设 暂态电压稳定 o 1 0 s 备等不良的快速反应负荷 元件 3 0 5 0 s ，典型者为o l t c 、配电电压调节器、 中期电压稳定 2 3 m i n发电机过励限制 薄弱的、严重过载的、结 长期电压稳定 2 0 3 0 m i r l 构不合理的网络中的负荷 恢复和快速增长 电压稳定性定义的多样性也说明了当前对电力系统稳定的认识存在着 差异。 1 2 2 电压失稳的机理探讨 电压失稳的机理探讨的目的是弄清楚主导电压失稳发生发展的物理本 质，这是整个电压稳定研究的基础。 在最初的研究中，电压稳定被认为是一个静态问题，人们主要从静态观 点来研究电压失稳的机理，提出了基于潮流方程或扩展潮流方程的分祈方 法。此后，人们逐渐看清电压稳定的动态本质，认识到如负荷、有载调压变 压器( o l t c ) ，无功补偿设备、交流一直流( a c d c ) 转换设备和发电机及其励 磁控制系统的动态特性在电压失稳的发生发展过程中起了关键作用，开始用 动态观点来探讨电压失稳的机理，提出了基于代数一微分方程的研究方法。 尽管电压稳定的动态本质已被公认，但人们对电压失稳机理的认识仍未 完全统一。从已有的经验教训来看，电压崩溃事故通常是出电源( 发电机) 、 传输网络( 电网) 、负荷及其控制系统共同作用的结果，其复杂性给研究带来 了很大的困难，在研究中，不同的研究角度甚至不同的研究对象都会得到不 同的结论。同时，已有的理论( 包括能量函数、中心流以及分岔理论) 对电压 华北电力大学硕士学位论文 失稳机理的解释都具有一定的局限性。因此，对电压失稳机理的研究仍需要 科研工作者的继续努力，使得研究方法和理论进一步深入和完善。 1 2 。3 负荷特性对电压稳定的影响 电压稳定问题是系统特性和负荷特性共同作用的结果：当系统工作点强 壮( 无功功率充足，线路传输功率较轻) 时，负荷特性影响不大：当系统出现 连续故障、处于较薄弱的情况时，电压是否失稳甚至崩溃，负荷特性将起决 定性作用 5 1 。对这一机理的理解主要包括以下两个方面： i 电压稳定性与系统无功功率平衡的关系 由于传输线路上的电压降落主要取决于其传输的无功功率，制约电压稳 定的关键是网络的无功传输能力，电力系统的静态电压稳定水平主要是由系 统和负荷间的无功功率平衡条件决定的，系统电压失稳的根本原因是系统不 能提供足以满足负荷所要求的无功功率，即系统缺乏无功功率。 i i 电压稳定性与负荷稳定性的关系 6 1 在影响电压稳定性的诸多因素中，负荷特性是最活跃、最关键帮最畜接 的因素，它从很大程度上决定了电压失稳和电压崩溃的进程。负荷特性对电 压稳定性的影响主要体现在其失稳特性和功率恢复特性上。 当负荷运行电压低于某极限时，负荷将不能继续其能量转换功能甚至 导致设备的损坏，这就是负荷的低电压失稳特性，即“负荷失稳”。而所谓 “功率恢复特性”是指这样一种物理特性：当因某种扰动使电压突然下降时， 负荷从电网吸收的功率首先随着电压的下降而突然减少，随后将逐渐上升， 直至恢复至电压下降前的负荷功率( 全部恢复) 或低于电压下降前的某稳 定的功率( 部分恢复) 。 由以上分析可以看出，负荷系统特性是电压稳定研究的关键，负荷的动 态特性对系统的电压稳定性有着十分显著的影响。 1 3 负荷特性的研究方法 目前在电压稳定研究中，普遍所使用的方法是系统的建模和仿真，这是 与电力系统的发电、输电、变电、配电、用户组成了始终处于连续工作和动 态平衡的整体的特性是分不玎的。为了保证系统运行的功能和质量。我们必 须确切、完整的了解实际系统的静态、动态特性。由于经济性、安全性、可 靠性等原因，在实际系统上进行试验和研究时，常常会遇到各种困难，有些 困难甚至是不可能解决的。因此利用模型系统进行试验和研究是一种有效的 华北电力大学硕士学位论文 途径。数字仿真技术的发展为研究系统在各种扰动下的稳定性、考察各种稳 定措施的效果以及稳定控制的性能提供了一个经济、方便的手段。 系统数字仿真的主要步骤为建立数学模型、建立数字仿真模型和进行仿 真试验。电力系统各元件的数学模型以及由其构成的全系统数学模型是数字 仿真的基础，其准确与否直接影响着仿真结果和以仿真结果为基础而产生的 决策方案。 电压稳定的计算与电力系统其他的定量计算相比较，对负荷模型的依赖 程度更强。在电压稳定问题分析的文献中，凡提及对电压稳定影响因素及仿 真元件模型时，必首推负荷特性和负荷模型，这是因为负荷特性是电压失稳 过程中最活跃、最关键的因素。在1 9 8 3 年瑞典电压崩溃事故的仿真计算中， 开始采用的简单的静态模型无法解释电压崩溃全过程，而后采用计及感应电 动机、照明、冰箱、空调等用电设备特性的比较详细的负荷模型时才给整个 过程以合理解释。 在电力稳定仿真中，负荷特性的研究以及准确的负荷模型的确立成为了 目前研究的迫切需求。 1 4 电力系统负荷建模的发展与现状 人们早在2 0 世纪3 0 、4 0 年代就已经认识到负荷模型对电力系统分析的 重要性，并开始研究负荷随电压和频率变化的静态和动态负荷特性，这一阶 段可以说是负荷建模的萌芽期。 到了6 0 7 0 年代，由于数字电子计算机及控制理论的发展，电力系统 这门工程学科焕发了新的活力。人们大量采用计算机进行复杂电力系统的仿 真，与其他系统元件模型一样，负荷建模工作有了相当的进展，除提出了最 常用的恒阻抗、恒电流和恒功率负荷模型以外，还在计算中采用了感应电动 机、多项式和幂函数等负荷模型。这些负荷模型参数的确定当时主要靠定性 估计，并辅以静态函数拟合，系统辨识理论尚处在发展阶段，还没有广泛引 入到电力负荷建模中来。 6 0 年代末7 0 年代初，由于对电力系统仿真计算精度要求的提高，发电 机、原动机和调速系统等元件的模型愈来愈精确，而负荷模型由于其特殊的 困难性基本上停留在原来的水平。 为了开创负荷建模的新局面，美国电力科学研究院( e p r i ) 主持了项 庞大的研究计划，其主要目的是致力于统计综合法( c o m p o n e n t b a s e d m o d e l i n ga p p r o a c h ) 负荷建模的研究。这一方法的基本思想是把综合负荷 看成各类用户的集合，首先在实验室确定各种典型负荷的平均特性，然后统 4 华北电力大学硕士学位论文 计处各类负荷如居民负荷、商业负荷、工业负荷等这些典型负荷的比例估计 出各类负荷的平均特性，最后在根据各类负荷所占比例，得出综合负荷的模 型。e p r i 经过多年的努力发表了许多研究报告，并且研制了到目前为止统计 综合法负荷建模中最具影响的软件包e p r il o a d s y n 。 8 0 年代前后，随着系统辨识理论的翻趋丰富与完善，加之计算机数据采 集与处理技术的发展，一种新的负荷建模方法一总体测辨法( m e a s u r e - 一 m e n t b a s e dm o d e l i n ga p p r o a c h ) 以其简单、实用、数据直接来源于实际系 统等多种优点受到广大电力负荷建模者的关注。该方法的基本思想是将负荷 群作为一整体，先在现场进行人为扰动试验或在线捕捉自然扰动，采集测量 数据，然后由现场采集的数据辨识负荷模型的结构和参数，最后，再用大量 的实测数据验证模型的外推内差效果。美国、加拿大、中国等国相继研制了 大批电力负荷特性记录仪用来记录负荷扰动数据，并以这些测量数据作为依 据和最终检验标准开展负荷特性研究工作，不断吸收系统辨识理论的最新成 果，推动负荷建模工作不断向前发展。 1 5 空调、电压调节设备的负荷特性对电压稳定的影响的研究 空调负荷，作为对电压稳定影响较大的- - i t 负荷，目前已经引起国内外 专家学者的广泛关注。1 9 8 7 年7 月2 3 日发生的东京电网事故，造成了停电2 0 1 分钟，地铁铁路停运，2 8 0 万用户受到影响。在事故后的分析过程发现，造 成电压崩溃的部分原因是由于该地区存在着大量空调负荷所引起的。 文献 7 、8 中指出在空调使用的高峰期，系统多重事故发生后电压难以 恢复，这种情况主要是由于空调堵转现象所致。在对空调压缩机特性及保护 装置研究的基础上，文献的作者建立了空调负荷的模型，并将其用于事故的 模拟。文献 9 的作者研究了三种不同的单相空调( 两种定频空调，一种变 频空调) 在正常电压附近( 0 9 1 1 p u ) 的电压静特性、频率静特性和高电 压和低电压启动特性，以k a n s a ie l e c t r i cp o w e rc o m p a n y 采集到的数据建 立了一种负荷模型。文献 1 0 、n 在以上研究基础上提出了用摄动原理在z 矿空间中，对空调阻抗模值变化与电压稳定的关联作了理论解析，并从防 灾减灾的角度讨论了空调有关问题；同时对空调负荷密集地区的空调类负荷 对高压节点负荷特性的影响，空调类负荷比重发生增加后，高电压节点的负 荷特性的参数是怎样随之变化的方法做了研究。文献 1 2 建议空调负荷在正 常电压下可以假定为恒阻抗负荷，当电压下降时可假定为恒功率负荷。文献 13 中明确了空调负荷的定量计算方法，并通过具体运用，依此提出了具体 的调节夏季空调负荷的措施。 华北电力大学硕士学位论文 从以上对空调负荷的研究经过看，目前针对空调负荷还没有形成比较完 整和细致的研究，同时对于电压稳定的影响的研究也显得比较散乱，因此我 们有必要对空调负荷对电压稳定的影响做进一步全面的研究。 相对于空调负荷，电压调节设备一一0 l t c 的研究工作进展的比较深入 了。在文献 1 中提到了在我国目前情况下尚未出现大规模的电压稳定问题 是因为系统中尚未安装大量的o l t c 以及安装的0 l t c 在电压波动时并未完全 投入运行的结果，可以预见，在未来随着电力市场的改革，用户对电力产品 质量要求的进一步提高，能快速有效的调节电压水平的o l t c 装置将在电力 系统中发挥越来越大的作用，因此我们有必要在其未对电力系统构成破坏之 前，对其特性进行具体分析，找出相应对策，避免电网系统电压崩溃的大事 故在我国电力事业发展过程中出现的情况发生。 许多学者对o l t c 在电压失稳过程中所起的重要作用从不同方面进行了 研究。文献 1 4 用离散模型研究了o l t c 的作用，认为o l t c 的不连续动作可 能使系统由电压稳定区域跳变到不稳定区域，从而导致电压崩溃。而文献 1 5 的研究认为低电压时o l t c 动作使副边电压上升，负荷功率恢复，同时使原边 电压下降，电流增大，当o l t c 的连续动作使发电机无功越限或使动态负荷( 如 电动机) 失稳时，造成电压水平的急剧下降，从而引起电压崩溃。文献 1 6 的 仿真计算表明o l t c 的动态会恶化感应电动机负荷的电压稳定性，并用动态 p u 曲线作了解释。文献 1 7 利用分叉理论，在静态范围内讨论了有载调压 变压器分接头调整弓1 起电力系统电压失稳静分叉曲线“迁移”问题。文献【1 8 用e u r o s t a g 对系统进行中长期仿真，初步分析了有载调压变压器与不同的 负荷特性相互作用表现出来的“正调压效应”或者“负调压效应”。 目前对o l t c 对电压稳定的影响的研究基本上都基于数字仿真方法，而 数字仿真在多大程度上能真实地反映系统中出现的动态过程还未得到验证， 本试验的目的就是在仿真研究的基础上，在动模实验室条件下，对o l t c 在 电压稳定过程中的影响，进行动态模拟仿真，以得到真实或近似真实情况的 结果。 1 6 本文所做工作 本文基于次动模试验过程，详细地研究了空调负荷、o l t c 的负荷特性 并对空调负荷的建模进行了研究。 具体内容如下： i 进行空调动模试验。对空调器进行了电压静特性，频率静特性、启动特 6 华北电力大学硕士学位论文 性，停机特性以及不同条件下的电压扰动特性试验。并对本试验获得数 据进行了理论分析，得到了空调负荷对电压稳定性影响的一般结论，并 为后续的空调负荷建模提供了依据。 i i 分析了空调负荷的工作机理，通过对拟合有效性的比较，确立了空调负 荷的模型，并对负荷模型的泛化能力作了初步研究。 1 1 1 介绍了一种试验用变压器有载调压装置的设计开发，并以此进行了o l t c 对电压稳定性影响的动模试验，得到了有效数据，对所得到的数据初步 进行了分析。 华北电力大学硕士学位论文 第二章空调试验及特性分析 1 9 0 2 年，美国工程师w h 卡里尔设计制造出了世界上第一套空调系统， 经过一百多年的发展，空调器早已从最初的调节温度、湿度的基本功能发展 到对能空气的温度、湿度、纯净度、气流速度进行处理，以满足人们生产、 生活需要的设备，并且性能更加优秀，功能更加完善，逐渐成为人们必不可 少的生活需求。 据有关部门统计2 0 0 3 年，全国城市住宅房间空调器拥有量为7 4 0 0 万台， 空调电力需求约为7 5 0 0 万千瓦，占2 0 0 3 年全国发电能力的2 0 左右。再加 上中央空调的用电负荷，总计1 2 5 亿千瓦，占全国装机容量的3 3 。另据国 家电网公司电力需求侧管理指导中心有关统计，华东电网2 0 0 4 年夏季高峰 负荷中，空调降温负荷的比例已超过3 0 ，其中上海市空调负荷约为6 5 7 万 千瓦，约占统调最高用电负荷的4 4 ；江苏省空调负荷约1 0 0 0 万千瓦，约占 最大用电需求的3 3 。可见，空调负荷，尤其在夏季，已经成为主要的用电 负荷类型，并且是对电力系统稳定性产生较大影响的重要因素之一。因此我 们通过动模试验以及对试验结果的分析，对空调负荷的负荷特性进行了细致 地研究。 2 1 空调介绍 2 1 1 空调基本构造及工作原理 空调器主要由三部分组成： i 制冷系统：由压缩机、冷凝器、蒸发器等部件组成，系统内充注有制冷 剂。 i i 空气循环通风系统：由贯流风扇、轴流风扇、电动机以及风门、风道等 组成。 h i 电气控制系统：由温度控制器、各种过载保护器等组成。 整体式空调器的所有零部件都装在一个箱体内，分体式空调器由室外机 和室内机两部分构成，室外机主要由压缩机、冷凝器、毛细管、轴流风扇等 组成，室内机主要由蒸发器、贯流风扇、电路板等组成。 下面以普通热泵型家用空调器为例来说明空调器的工作原理： 华北电力大学硕士学位论文 嚏i 黼暇硼胛 宣鹿机 暇通婚，s h i 暇 寓 i l l i 图2 1 普通热泵型空调工作原理图 当热泵型空调器运行于制冷工况时，四通阀换向使图2 1 中实线接通。 这时，室内换热器成为蒸发器，而室外换热器成为冷凝器。从室内换热器来 的低温低压过热气经四通阀和消声器进入气液分离器，分离出液体后，干过 热气被压缩机吸入压缩成为高温高压的气体排出，气体经四通阀进入室外换 热器放热冷凝，成为过冷液。过冷液经毛细管阻力降压后成为氐温氐压飘媳 流体，进入室内换热器蒸发吸热( 此时室内空气被降温) ，再次经四通阀和 气液分离器进入下一循环。图中过滤器主要用于制冷剂与压缩机油的分离， 以保证换热器的换热效率。 当热泵型空调机运行于制热工况时，四通阀换向使图中虚线接通。这时， 室内换热器成为冷凝器，室外换热器成为蒸发器。从室外换热器来的低温低 压过热气经四通阀和消声器进入气液分离器，分离出液体后，干过热气被压 缩机吸入压缩成为高温高压的气体排如，气体经四通阀进入室内换热器放热 冷凝( 此时，室内空气被加热) ，成为过冷液。过冷液经毛细管阻力降压后成 为低温低压两相流体，进入室外换热器蒸发吸热，随后过热气经四通阀和气 液分离器进入下一循环。 2 1 2 空调种类和特点 根据使用场所和制冷量空调分窗式空调、柜式空调、分体式空调、大型 系统空调等。其中窗式空调的制冷量一般为1 4 0 0 5 6 0 0k c a l h ( 1 k c a l h = 1 1 6 3 w ) ，室温调节为1 8 2 8o c ：制热量为2 0 0 0 3 0 0 0k c a l h ， 冬天室温调节为1 8 2 0 。柜式空调体积较大，制冷量为6 d 0 0 1 2 0 0 0 k c a l h 。分体式制冷量为1 6 0 0 1 2 0 0 0k c a l h ，其中1 6 0 0 7 1 0 0k c a l h 的 多为冷热两用，8 1 0 。1 2 0 0 0k c a l h 多为单制冷空调。 根据制冷制热效果可分为单冷式( 只能制冷的空调器) 、冷暖式( 既能 制冷，又能制热的空调) 、 热泵式( 依靠四通电磁换向阀，改变制冷剂的流 一，；一 华北电力大学硕士学位论文 动方向，使空调器的制冷循环换向，实现一机两用，夏季制冷，冬季制热) 以及电热式( 在单冷型空调器上增设一组电热丝的加热装置达到制热的目 的) 和热泵辅助电加热式( 将上述两种形式结合起来的空调器) ；按系统各 部分组合状态可分为分体式( 将空调器分为室内部分和室外部分) 和整体式 ( 包括窗机和柜机两种机型) ；根据压缩机工作频率是否可调还可分为定频 空调和变频空调。 在空调制冷( 或制热) 过程中，压缩机电机始终按照固定转速运转来获取 制冷量( 或制热量) 的空调，称之为定频空调，即传统空调。而通过某种装置 改变供给压缩机电机的电源频率来调节压缩机电机旋转速度，称之为变频空 调。变频空调器因其房间降温快，温度波动小，省电等等优点逐步受到越来 越多的消费者的欢迎。变频空调器这些优点是由于采用了可连续自动调节的 工作方式而得，它克服了一般空调器采用通断调节方式所带来的缺陷。 空调器的制冷量是与压缩机的转速成正比的，传统空调的压缩机的转速 是由系统电压频率决定的：压缩机转速s = 6 0 f p ( 电动机定子的极对数) ， 我国电网的系统频率为5 0 h z ，而电动机的定子绕组在生产时已经确定，电 动机转子仅以很小的转差随定子磁场转动，因此，压缩机就只能以特定的转 速工作，制冷量( 或制热量) 也相应是恒定的了。空调器启动后，在环境温度 达到设定温度时，压缩机就停止工作；当环境温度逐渐上升或下降到一定温 度时，压缩机又重新启动运转，如此反复工作。( 以制冷为例当室外温度为 3 5 时，设定温度为2 5 时，当空调运转使室内温度达到了设定温度之后压 缩机就停止运转，这个时候随着环境温度的变化，室内的温度高于2 5 ，压 缩机就再次开始运转) 。 这种运行方式的缺陷在于电动机启动力矩一般都比运行力矩大得多，因 为它要克服转子从静止到额定转速的加速过程中所产生的巨大转动惯量，尤 其是带着负荷启动时，启动力矩要高出运行力矩很多倍。其结果不仅要额外 耗费电力，还对电力系统会造成冲击。 而变频空调由于采用了变频电源，可以根据外部环境温度的变化自动调 节压缩机的转速，改变压缩机的功率输出，从而控制空调制冷量。 变频电源可分为交流变频和直流调速。交流变频的工作原理是首先将 2 2 0 v 交流电通过整流器，变为直流电 换成频率在定范围内可调的交流电 再经微电脑控制的变频器将直流电转 去控制压缩机的感应电机，从而控制 压缩机的转速，转速改变会导致冷媒流量的改变，流量改变，也就达到了改 变制冷、制热量的要求。直流调速的工作原理是指压缩机电机采用直流电机， 空调上的变频器需要将公用电网的单相2 2 0 v 5 0 h z 的交流电整流为直流电， o 华北电力大学硕士学位论文 然后通过调节输出脉冲的占空比来调节输出电压的大小，从而改变压缩机中 的直流电机的转速。 图22 交流变频电源 目前，变频空调在国内处于刚刚上市阶段，并且由于价格和技术问题， 在我国居民家庭中普遍使用的仍然是传统的定频空调。因此我们将研究重点 也放在对传统定频空调的研究上。 2 2 空调试验装置 2 2 1 试验电气接线图 发电机组 2 2 2 试验用空调 图2 3 空调试验电气接线图 圈 本试验采用的是海信牌分体冷风型挂壁式房间空调器，型号为 k f 一2 3 0 1 6 ，单冷，定频，额定工作电压为2 2 0 v 5 0 h z ，额定电流为3 9 a ，最 大输入功率1 0 6 k w 。分为室内机和室外机。 2 2 3 动模试验装置 动模实验室的发电部分是由模拟发电机组与升压变压器构成，发电机组 由一组励磁机、直流发电机、直流电动机和同步发电机构成。励磁机提供直 流发电机的励磁电流，直流发电机带动直流电动机，替代实际发电厂的动力 部分，为发电机提供机械能输入，直流电动机与同步发电机同轴，带动发电 机转子旋转，产生定子电流，向模拟系统发出有功和无功。发电机组输出的 华北电力大学硕士学位论文 电压幅值由同步发电机的励磁电流控制，电压的频率可由调节与同步发电机 同轴的支流电动机的输入电压从而调节直流电动机的转速进行控制。本试验 选用的是。：6 2 5 k v a 。u ，= 2 3 0 v ，1 = 1 5 7 a ，功率因数c o so = 0 8 5 的发 电机组。发电机组的出口电压经升压变压器后为u = 5 0 0 v ，再通过调压变压 器调整为空调器的额定工作电压。调压变压器选用三相自耦变压器。 试验使用的录波仪为“中国电力科学研究院”设计的i ) f 1 0 2 4 便携式波 形记录仪，可测量8 路模拟量信号和1 6 路开关量信号，多通道同步采样速 率可达5 0 k s p s ，采样速率可调，通过标准并口实现录波仪与计算机连接。利 用计算机可以进行各项操作，如测量、录波、波形显示、信号分析和处理、 录波数据的储存、波形打印等。录波仪记录的是空调器的工作电压和电流瞬 时值。 2 3 试验内容及数据分析 由于空调器在启动时要克服电动机转子从静止到额定转速的加速过程 中所产生的巨大转动惯量，需要很大的启动功率，试验发现空调器的启动电 流大大超出了动模实验室发电机的所能承受的最大电流。如果针对启动问题 来选择发电机的容量，结果将导致所用同步发电机容量过大。为解决空调器的 启动问题，我们采用了文献 1 0 中提供的负荷转移方法来解决电源负荷匹配 与启动电流的矛盾。方法如下：先由系统电源为空调器供电，启动空调器， 相对于单个空调器，系统电源足够坚强，能够承受较大的冲击电流。待空调 器稳定工作一段时间后，启动动模实验室的发电机组，调整同步发电机的输 出电压幅值和频率与系统电源的电压幅值和频率接近，借助并网装置，使发 电机组与系统电源并列运行，共同带动空调器的运行。之后切除系统电源， 过渡到由发电机独立带动空调器运行的阶段，至此试验的前期准备完成。 调节与同步发电机转予同轴的直流电动机的输入电压改变发电机组的 输出电压的频率进行空调负荷的频率特性的试验。调节调压变压器的变比， 改变调压变压器的二次测得电压或者通过凋节发电机组的励磁电压以及电 压扰动发生装置改变空调器的工作电压，进行电压扰动特性试验。 2 3 1 电压静特性 通过测量空调器在不同的电压等级下稳定运行时的电流值、有功功率值 和无功功率值数据，研究空调负荷的电压静特性( 功率的基准值为在额定工 作电压2 2 0 v 、额定频率5 0 h z 条件下的功率) 。 华北电力大学硕士学位论文 图2 4 电压静特性曲线( 有功响应)圈2 5 电压静特性龃线( 无功响应) 从以上一组电压静特性试验结果数据曲线中可以看出，空调负荷的有功 功率在输入电压缓慢变化时变化的趋势也是趋于平缓，当电压在1 pu 0 6 口u 之间变化时，有功功率的波动范围从l p u o 8 6 p u 。相对有功功率的 变化，无功功率的变化则比较明显。无功功率在输入电压从1 p u o 6 p u 变 化过程中，波动范围为1 pt u o 5 p u 。并且在整个电压波动中，无功功率经 历了一个由低到高的过程，这与空调器的主要无功消耗负荷一异步电动机 的特性相吻合。由此可见，空调负荷的电压静特性在一定程度上反映了电动 机的特性，这也为后续的空调负荷建模提供了机理特性上的有力论据。 2 3 2 频率静特性 通过测量空调器在不同的输入电压频率下稳定运行时的电流值、有功功 率值和无功功率值数据，研究空调负荷的频率静特性( 功率的基准值为各电 压等级下的额定频率5 0 h z 时的功率) 。 下图中为空调器工作在1 8 0 v 、2 2 0 v 、2 4 0 v 三个电压等级时的响应曲线： 图26 频率静特性曲线( 有功响应)图2 7 频率静特性曲线( 无功响，| 立) 从以上一组频率静特性试验结果数据曲线中可以看出，空调器的有功功 率随频率的增加而上升，当频率在4 5 h z 5 5 h z 之间波动时，有功功率从 o 9 7 p 1 1 上升到1 1 p u 以上。相对于有功功率随频率的增加而上升的趋势，无 功功率是随频率的上升而下降的趋势，当频率在4 5 h z 5 5 h z 之问变化时。 无功功率从2 2 p u 快速下降当频率增大到5 5 h z 时，空调器所吸收的无功 华北电力大学硕士学位论文 功率已经降到了一个很低的水平。 2 3 3 启动特性 通过测量空调器在不同电压等级下的启动时的电流值、有功功率值和无 功功率值数据，研究空调器的启动特性( 功率的基准值为额定电压2 2 0 v 、额 定频率5 0 h z 时的稳态功率) 。 下图中为空调器工作在2 0 0 v 、2 2 0 v 、2 4 0 v 三个电压等级时启动的响应 曲线： 图2 8启动特性曲线( 有功响应)图2 9启动特性曲线( 无功响应) 图2 1 0 启动特性曲线( 电流响应) 从以上一组启动特性试验结果数据曲线可以看出，空调器在启动时有一 个很大的冲击电流，冲击倍数在3 - 5 倍，有功冲击倍数为2 4 倍，无功冲 击倍数为4 7 倍。在额定电压附近启动时，则对电网冲击较大，这可能是 由于空调器在设计时是按照额定条件设计的，在额定条件下启动可以达到最 大的启动转矩。此冲击在0 5 秒内可以达到平息，此后空调器进入稳定运行 状态。 2 3 4 停机特性 通过测量空调器在不同电压等级下的停机时的电流值、有功功率值和无 功功率值数据，研究空调器的停机特性( 功率的基准值为额定电压2 2 0 v 、额 定频率5 0 h z 时的稳念功率) 。 兰i ! 皇垄盔堂堡主堂堡堡苎 一 一 下图为空调器在不同电压跌落情况下停机的响应曲线： 匿 j - x 、 ：烹i 二_ i i l i ： 三二隶j 。葶； r 。o 丈广 图2 1 1停机特性曲线( 电压) 图2 1 2 停机特性曲线( 电流响应) * 机* * ( t # ) 图2 1 3停机特性曲线( 有功响应) 图2 1 4 停机特性曲线( 无功响应) 从以上一组停机特性试验结果数据曲线可以看出，当电压下降到额定电 压的o 6 倍左右时，空调系统开始不稳定，吸收的电流、有功功率和无功功 率急剧上升。在维持了l s 左右时间以后，空调器自动停机，从电翮中脱离， 电流、有功功率和无功功率迅速跌落至零，端电压恢复到之前的工作电压等 级。可见空调器的工作电压在o 6 p - u 以上可以保持基本稳定的运行，在o 6 p | u 左右，由于电动机的堵转特性，开始大量吸收无功功率，同时电流也快速上 升，最终使空调器的热继电器动作，从电网中被切除。 2 。3 5 电压扰动特性 电压扰动特性研究是空调电压特性研究的重点，集中体现了空调负荷的 电压动态特性。在系统中，常常会发生由于线路故障、发电机故障，系统控 制和保护设备的动作，以及s v c 、h v d c 和f a c t s 的使用都会对系统电压 的稳定产生较大的影响。并且负荷本身的特性也会由于电压的波动表现出不 同的动态特性响应，从而对系统造成影响。因此，我们有必要研究空调负荷 的电压扰动特性，即空调的动特性试验。 本试验采用调压器与扰动发生器相结合的手段，对空调器的电压进行调 节和改变。通过测量空调器在不同的电压等级、不同的扰动程度和时间以及 不同的频率条件下发生的扰动中所得到的电流值、有功功率值和无功功率值 ”哺 吨 们 她 卟 嘴 ” 华北电力大学硕士学位论文 数据，研究空调的动特性( 功率基准值为额定工作电压2 2 0 v ，额定频率5 0 h z 条件下的稳态功率，电压为额定电压2 2 0 v ) 。 i 额定工作电压等级( 2 2 0 v ) 时的电压扰动( 图中曲线代表不同次试验数据， 数字为试验顺序，下同) 图2 1 5 电压扰动特性一电压( 未停机)图2 自e n 目# f 自l 丁m ) 1 6 电压扰动特性一电压( 停机) 自# 自# ( w 目向) ( * m ) 图2 1 7 电压扰动特性一电流( 未停机) 图2 1 8 电压扰动特性一电流( 停机) ，0 一一一一。d ； ，l 一3 卢2 。2 2 2 2 2 7 j l 2 图2 1 9 电压扰动特性一有功( 未停机) 图2 2 0 电压扰动特性一有功( 停机) 1 6 0 0 a o 华北电力大学硕士学位论文 自蜃自# * 无日一i 亨月 i屠 j 1 i 舡 要! = ：= ：要譬礴：警! 篓霉 图2 2 l 电压扰动特性一无功( 未停机)图2 2 2 电压扰动特性一无功( 停机) 从以上两组电压扰动试验结果数据曲线上看，在空调器端电压突然跌落 时，发生的动态效果明显，电流急剧上升，有功也略有上升，而无功则出现 比较复杂的振荡过程，这与电动机在端电压下降时会先释放无功，而在电压 恢复时吸收无功的现象一致。从跌落时间也可以看出当故障时间比较长时， 空调器特性变化比较平缓，而在故障发生和切除比较快时，容易出现比较剧 烈的情况。需要关注的是电压扰动的停机这一组曲线。当电压下降到o 6 u 时，空调器都从电源上自动脱离了。这说明空调器在o 6 u 时，是停机的临界 点，虽然在此前空调器已经不能正常工作，但是还尚未从系统中脱离。当空 调器从系统中切除以后，其端电压则恢复到一个较高的水平，此时空调器并 不能再次启动，这与传统的空调情况不同。分析原因是由于新型的空调器都 加装了电子控制电路，当空调器断电之后，继电器并不能自己恢复，必须通 过电子电路的控制器使其再次启动工作。因此新型的空调器不存在停机后的 重新启动问题，避免了当重新供电时可能发生的群机启动的情况，这对于系 统来说无疑是有利的。 i i 不同频率下的电压扰动( d a t a l 、d a t a 2 、d a t a 3 为每次试验的数据曲线) 】) 4 5 h z 图2 2 34 5 h z 时电压扰动曲线( 电压)图2 2 44 5 h z 时电压扰动曲线( 电流) 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 54 5 h z 时电压扰动曲线( 有功) 图2 2 64 5 h z 时电压扰动曲线( 无功) 2 ) 5 i h z g h z ”e e “蝻n ( t g 自蛳 。一 、t i i f 一( f = 二= 二：二7 。 1 1 。f = i 订 d l d i 。 “1 4r 日h z b 电橇目# t f t “自链 j ：1 ：萨摹。警 ：二：刮二二二k ：二：二二 图2 2 75 1 h z 时电压扰动曲线( 电压) 图2 2 85 1 h z 时电压扰动曲线( 电流) 图22 95 1 h z 时电压扰动曲线( 有功) 圈2 3 05 1 h z 时电压扰动曲线( 无功) 3 ) 5 5 h g hz h 自“自# h i e n 自1 一。1 z 二= = = - - 急 1 _ 一_ _ _ 一 一 ，z 二7 。一 警釜i i 域： 图2 3 15 5 1 t z 时电压扰动曲线( 电压) 图2 3 2 5 5 h z 时电压扰动曲线( 电流) 华北电力大学硕士学位论文 t t e 巍# # ；t # 女拽 ， 一 一 一 三荔醛一 、m f 图2 3 35 5 1 4 z 时电压扰动曲线( 有功)图2 3 45 5 h z 时电压扰动曲线( 无功) 由以上几组在不同频率下的电压扰动试验结果数据曲线可以看到，在不 同的频率条件下，电压发生扰动基本上是与在额定频率条件下的扰动响应一 致，但是在这些频率等级下得到的扰动响应情况要比额定频率下复杂的多。 这可能是由于空调器的设计是根据额定值来确定的，当空调器工作在额定条 件下时，可以达到最佳的运行状况。同时可以看到，在偏离额定频率的工作 条件下，空调器更容易发生负荷失稳现象，因此应该避免空调器在过分偏离 额定频率条件下运行。 2 4 小结 本章首先介绍了空调器的结构和工作原理，然后对单台空调器进行了实 测动模试验，获得了电压静特性，频率静特性，启动特性，停机特性以及不 同电压等级、不同频率条件下的电压扰动特性的数据曲线，并详细分析了各 类特性对电压稳定的影响。 在研究中发现，空调器工作在1 1 u o 6 u 之间时，可以保持比较稳定的 工作状态，电流、有功功率随电压波动变化不大，而无功功率则随着电压的 下降需要经历一个先下降后上升的过程，说明空调器吸收的无功功率对电压 的灵敏度比较高，这是由空调器的电动机特性决定的。 试验中，当空调器工作在不同的频率等级下( 4 5 h z 5 5 h z ) 时，消耗的 有功功率和无功功率表现出明显的不同。空调器吸收的有功功率随工作电压 的频率上升丽上升；无功功率则相反，随频率的上升快速下降，当频率接近 5 5 h z 时，无功消耗已经非常小了。可以想见，这是由于空调器中的压缩机是 恒转矩负荷，输出的有功功率与压缩机的拖动电机的转子转速成正比，而电 动机的转子转速与工作电压的频率相关，因此空调器的消耗的有功功率与输 入电压的频率也相关。当电压频率升高时