（电力系统及其自动化专业论文）空调负荷的特性分析与建模.pdf

r e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e i u s t i c a n dm o d e l o fa i rc o n d i t i o n e rl o a d b y “y u y a n ，f o r m a s t e rd e g r e eo fh o h a iu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h i st h e s i sl a y se m p h a s e so nt h ef o l l o w i n g q u e s t i o n sa b o u t t h ea i rc o n d i t i o n e rl o a d ： 1 o nt h eb a s i so ft h et e s ta b o u ta kc o n d i t i o n e r , i t s1 0 a dc h a r a c t e r i s t i c sa l ea n a l y z e d i n c l u d i n g t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，d r o po u tc h a r a c t e r i s t i c s ，s t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d i t sr e s p o n s e st ov o l t a g ed i p s i ts h o w st h a tt h ec m t e n ti m p a c tc a nr e a c hf i v et oe i g h t m u l t i p l e sw h e n t h ea i rc o n d i t i o n e rs t a r t e da n dc o m eb a c kw i t h i n0 3t o0 5s e c o n d 0 6 p uv o l t a g e i st h ec r i t i c a lv o l t a g ew h e t h e rt h ea i rc o n d i t i o n e rw i l ls t a l l 2 m o d e l i n g as i n g l ea i rc o n d i t i o n e ri sn e c e s s a r y c o m p a r e dw i t i lt h es t a t i cm o d e li n e l t o r s ，d y n a m i cd e g r e e sa n dr e s p o n s ec u r v e s ，d y n a m i cm o d e li sb e r e r w h e nv o l t a g e i sa b o v e0 6p u ，t h ek a r l s s o n h i l lm o d e li ss u i t a b l e w h e nb e l o w w i t ha i rc o n d i t i o n e r s t a l i e d an e ws u b s e c t i o nm o d e li se s t a b l i s b e d r e s u rs h o w st h a tt h en e wm o d e li s g o o d t os i m u l a t et h ed y n a m i co fa i rc o n d i t i o n e r 3 s e t t i n gt h es u b s e c t i o nm o d e l 船u s e r - d e f i n e dl o a dm o d e l c a l c u l a t i o n sa r ec a r r i e d o u tw i t hi t a tf i r s tt h eu s e r - d e f i n e dm o d e li sc o n f i r m e db ec o r r e c ta n d s t r o n g r o b u s t n e s s t h e ns i m u l a t i o i l sa r ed o n eu n d e rd i f f e r e n tf a u i t sa n dd i f f e r e n tn e t w o r k s t h u sd i f f e r e n td y n a m i cr e s p o n s e sa r eo b t a i n e da n da p p l i e dt o o b s e r v i n gt h et o t a l c h a r a c t e r i s t i c so fa i rc o n d i t i o n e rf l o c k 4 b a s e do i lt h et o t a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ef l o c km o d e li sd i s c u s s e d s e v e r a lc o n d i t i o n s a r e a s s u m e d ，i n c l u d i n gt h a t a l la i rc o n d i t i o n e r ss t a r ta tt h e s a n e t i m e ，a l l a i r c o n d i t i o n e r ss t a r t b ye q u a b l yd i s t r i b u t i o n i nt h e r a n g eo f3t o 5s e c o n d s ，a l la i r c o n d i t i o n e r ss t a r tb yn o r m a ld i s t r i b u t i o ni nt h er a n g eo f3t o5s e c o n d s t h e nw i t h t h e s et h r e es u p p o s e st h r e ef l o c km o d e l s a r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y 5 t h ei n f l u e n c eo fa i rc o n d i t i o n e r so nt h ep r o b l e mo ft r a n s i e n ts t a b i l i t yi sd i s c u s s e d ， m a i n l yp u t t i n ge m p h a s i s o nt h er e s t a r t i n go fa i rc o n d i t i o n e r sa f t e rv o l t a g e sc o m e b a c k t h er e s u l ts h o w st h a tt h em o r ea i rc o n d i t i o n e r s c o l l e c t i o n ，o r t h em o r ea i r c o n d i t i o n e r s q u a n t i t i e ，t h eh e a v i e r i n f l u e n c ew i l lb eo nt h en e t w o r k r e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i sh e l pk n o w i n ga n di m p r o v i n gt h e s i t u a t i o nt h a ta i r c o n d i t i o n e r sd oah e a v yi n f l u e n c eo nt h ep o w e rn e t w o r k k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ，l o a dm o d e l ，a i rc o n d i t i o n e r , s t a b i l i t yc a l c u l a t i o n 诚信申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 杏香筮 日期：瑚牛年，月，1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 电力负荷建模的重要意义 电能需求的快速增长以及某些地区扩容所霰的资金限制等缀因使得提高电力 系统基础设施的利用率成为必要。由于电力系统的运行越来越接近紧戒状态，所以 精确的电力系统负旖建模已变褥日盏重要。教埋藏在用离线计算得到的稳定导则 和限度之下的安全裕度变得贵不可支，另一方耍，电力电子元件、计算装薰以及 外强设各性能的提离，使褥我们在较为全蘑地掌握系统动态和静态特性后，对系 绕进行实时控制成为可能。i | 莠以，对电力系统四大参数的实测成为电力系统豹遗 切需求。 魄力负荷模型对电力系统稳定性的计算结果影响较大，对潮流计算、短路计 算、安全分析莓也有一定的影嗨。在拯器情况下，还鸯可戆改变定性结论，或者 撼盏一些羹要现象。不恰当豹负荮模型会使箨计算结聚与实际情况不楣一致，或 偏乐观，或偏保守，从两构成系统的潜在危险或选成不必要豹浪费。 电力受葡建模豹重要性也逐步弓| 起生产部门的重视，溜内越来越多的单位认 识到必须开展这一王作。首先，在运行方式的选择上，各网、雀弱都鸯运行方式 科( 组) ，透过稳定计算来确定安全功率极浆，并以此保证系统的安全稳定运簿。在 计算巾人们发现负祷模型及其参数豹选取( 如电科院综合程序中电动机所占百分 比数) 对计算结果影晌缀大，成为鑫前运行方式选择计算中豹主要润题。其次， 弱前国内在调度员模拟培训器研制及使用方醢正处于蓬勃发展时期，而其中暂态 和中、长期动态仿真都与负祷模型裔密切联系。受蔫模型楚否正确，将会壹接影 响到培训的效梁。再次，进行电力系统勰划黠，聚用举同豹负旖模型，在精界情 况下计算结采霹能相差条线路豹投资，相蓑上千万元。在新颁布的电力系统 安全稳定导刚中明确指出在警态稳定计算条件中要考虑负荷特性。 在过去的几十年闻，发电橇及输电网络鑫鼋建模己取得了很大的发展，相比之 下，电力负荷建模剃发展较慢。邀力受荷建模所其有的时交性、随机性、分布性、 多样髅、释连续性等特点，使之成为电力界凡个最困难的研究领域之一，其发展 过程落是几起凡落。虽然如此，经过几十年的不獬努力己经取得相当多的成采， 河海大学硕士论文 文献超过两百斜“。我国电力工作者在电力负荷建模领域也开展了不少工作，取得 了富有创造性的成果。 1 2 研究现状 1 2 1 负荷模型研究概述 l 静态负荷模型 2 ，3 】 在电力系统的潮流分析、静态稳定分析以及研究长期动态过程中，以及负荷 以静态成分为主( 如商业、民用负荷) 的情况下，一般采用静态负荷模型。长期以来， 人们对静态负荷特性研究较为透彻。常用的有多项式和幂函数2 】两类，另外还有在 这两种模型基础上的变形或组合 2 物理动态负荷模型 a 感应电动机2 】 感应电动机在电力负荷( 尤其是工业负荷) 中占有较大比重，对电力系统运行分 析与控制具有相当大的影响，在不少电力系统计算软件包中均包含感应电动机模 型，因此成为电力系统模型中的重要部分。一般来说，感应电动机定子绕组的暂 态过程比转子绕组的电磁暂态要快得多，而更比电力系统暂态过程快得多。因此， 就感应电动机对电力系统的影响而言，是否计及定子的暂态过程影响不大，采用 三阶模型就能很好地反映感应电动机的性能。为了进一步减少计算量，在电力系 统机电暂态过程分析计算中还经常采用一阶的机械暂态模型。随着电力系统电压 稳定问题研究的发展，美国学者提出了一阶的电压暂态模型。 相应的还有采用两台或更多的等值感应电动机1 4 1 ，以及在感应电动机上并联有 关静态模型等几种形式。文献【5 】改进了传统的机理模型，忽略了励磁阻抗，并选 择动态负荷电阻r e 作为状态变量，在保持精度不变的条件下减少了参数个数，提 高了可辨识性。文献【6 】提出了一种新的负荷动态机理模型，该模型考虑了稳态约 束条件，即消除了稳态误差又减少了须辨识的参数个数。文献 7 】仿真比较了稳定 分析中使用感应电动机模型的高阶和低阶模型的区别，同时对感应电动机和恒电 流负荷不同组成的动特性也作了探讨，指出电动机负荷比例越大，系统的电压稳 定性就越脆弱。 b同步电动机 2 第一章绪论 同步电动机有时也用到，比如在抽水蓄能电站。同步电机模型人们非常熟悉， 程序中也都有。电动机与发电机所不同的是运行状态不同、机械转矩不同，同步 电动机的机械转矩可以采用与感应电动机一样的方程。 c 有载调压变压器 这在长期动态过程中需要考虑。 d 负荷减载及投圳8 】 在一些动态或准动态计算中需要考虑低频或低压减载及投切，最简单的情况 是按比例切除负荷。大部分低频减载继电器没有人为安排的时延，但有6 9 周波 的操作时间。低压减载继电器一般具有人为安排的时延。另外，开关动作时间为5 一1 5 周波。 3非物理动态负荷模型 非机理模型是从大量的系统建模中概括出来的，对一大类动态系统有很强的 描述能力。有时，负荷群中动态成分复杂，难以用物理模型描述。或者，为了降 低动态模型的阶次，突出主要矛盾。人们提出了非物理动态负荷模型，也就是将 整个负荷群当作一个从该节点看进去的“黑箱”或“灰箱”，用一个非物理模型来 描述其输入一输出特性。可以分为三种： a线性动态模型 线性动态模型可以采用传递函数、差分方程、状态方程等形式，互相之间可 以转换。典型的线性模型如s a b i r 和l e e 于1 9 8 2 年提出的工业负荷动态模型 9 1 ， h a n d s c h i n 等于1 9 8 8 年提出的工业负荷综合模型，w e l f o n d e r 等1 9 8 9 年提出的 工业负荷传递函数模型，m e y e r , l e e 1 2 1 等于1 9 8 2 年提出以及k a t a o k a ，y 于1 9 9 5 年2 3 1 改进的状态方程负荷模型。 b非线性动态模型 非线性动态模型也可以采用传递函数、差分方程、状态方程等形式，但互相 之间一般难以直接转换。典型的非线性模型如h i l l 于1 9 9 0 年提出的恢复型一阶模 型”】，d a v i dj h - 归纳总结了感应电动机、恒温负荷、含有载调压变压器负荷的特 性，提出了一种具有功率恢复特性的所谓非线性通用模型，在此基础上k a r l s s o n 于1 9 9 4 年又对其进行了改进，并验证了一定程度的电压降低情况下功率恢复现象 的存在，x u 和m a n s o u r t l 5 对上述模型稍加改进，并用该模型对电压稳定问题作了 河海大学硕士论文 全面的阐述。鞠平等于1 9 8 9 年提出、1 9 9 5 年扩展了一种动静综合负荷模型1 6 1 7 1 8 1 。 在文献 1 9 1 中，鞠平证明了h i l l 模型、k a r l s s o n 模型、动静综合负荷模型在本质上 是一致的，可以统一。另外李欣然等于1 9 9 9 年2 0 蟪出了一种具有全电压范围适应 性的非机理综合负荷模型。 c人工神经网络模型1 2 1 黜3 1 从理论上讲，人工神经网络可以描述复杂的映射关系。近年来，国内外学者 将a n n 用作负荷模型。基本上都采用离散形式，有点类似于复杂的差分方程。对 于其适应性、实用性等问题仍然有待深入研究。 4 适用于电压稳定的负荷模型研究概况 适用于全电压范围的负荷模型目前尚不完善，实地测量数据也比较困难，所 以，建立用于电压稳定分析的负荷模型是目前负荷建模研究的一个方向型【3 “。文 献【2 4 】指出了负荷模型中关于状态变量的速率函数的非线性和非单调特性是模型 既能描述负荷的功率恢复特性，又能描述其低压失稳行为的必要条件，确定了电 压稳定分析中综合负荷的基本结构。文献【2 5 】介绍了瑞典的电压稳定控制措施和系 统的详细负荷模型，并研究了一次全电压扰动实测( 包含2 0 0 0 m w 负荷的系统) 的数据。文献( 2 6 】提出了进行电压稳定分析负荷实测建模的一套可行方法。电压稳 定中综合负荷建模的思路和原则是： a 模型的状态变量：描述负荷的动态行为应当选择能其内在本质特征的状态 变量，不应只以负荷的输入或输出变量来作为状态变量。 b 模型的阶数：应抓住负荷中起主导作用的结构和主要变量，而不应当过分强调 其非本质特征的细节描述。 e 动态与静态的关系：综合负荷的静态与动态行为是负荷系统在不同外部条件 ( 扰动或激励) 下的两种固有的行为，二者本质上是同一动态系统特性的不同 表现形式。负荷模型应当能揭示动态与静态之间的内在联系。 d 有功功率和无功功率的关系：从能量转换的本质来讲，负荷从电网吸收的无功 是为其提供间接的内部转换条件，吸收无功的多少是依赖于其能量也即有功输 出的。因此，模型应能够实现有功功率和无功功率的统一综合描述而不是相互 独立描述。 5负荷模型的选择 4 第一章绪论 负荷模型的评判是困难的，因为不同的应用目的对负荷的要求不同，不同的 研究人员看问题的出发点可能也不一样。一般来说，需要考虑以下几个方面：( 1 ) 精确度；( 2 ) 计算量；( 3 ) 物理背景；( 3 ) 参数获取；( 4 ) 应用方便。可以说，目前没有 一种负荷模型在各方面都优。事实上，上述几个方面有的有时甚至是互相矛盾的。 因此，往往要根据应用者关心的主要方面，选择一种折中的负荷模型。 1 2 2 负荷模型参数的获取 迄今为止，负荷建模的方法可以归结为两大类【2 】：一类是统计综合法即基 于元件特性综合的间接法；一类是总体测辨法即基于现场辨识的直接法。 l 统计综合法 2 7 】 这一方法的基本思想是把综合负荷看成成千上万用户的集合，首先在实验室确 定各种典型负荷的平均特性( 如日光灯、电机、空调器等的平均电气特性) ，然后 统计出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，最后再根据各类负荷所占的比例，得出综合负荷的模型， 如图1 1 所示。 枢 纽 母 线 混合负荷电器分类 图统计综台法建模过程示意围 用统计综合法得到的负荷模型具有物理概念清晰，易于被现场工作人员理解 的优点，但其核心是建立在“统计资料齐全，负荷特性精确”的基础之上的，而 这一点往往是很难做到的。而且不可能经常进行，从而无法考虑负荷随时间变化 的特性。 2总体测辨法 就综合电力负荷而言，只要负荷模型能反映出真实系统的输入一输出特性，就 可以认为模型是合理的，而不必拘泥于模型的形式。总体测辨法的基本思想正是 把负荷看成一整体，作为一个随机系统来考虑。先利用数据采集装置，从现场采 集负荷所在母线的电量，然后根据系统辨识理论确定综合负荷模型，如图1 2 所示。 河海大学硕上论文 图1 2 总体测辨法建模过程示意图 这种方法避免了大量的统计工作，具有强有力的理论依据辨识理论。所 依据的测量技术和辨识理论发展很快，已基本趋于成熟。随着测量速度的加快和 数字处理技术的完善，我们将有可能得到随时间变化的在线实时负荷特性，这是 统计综合法所不可能的。从数据采集角度看，总体测辨法有两种数据来源：即人 为干扰下采集数据和自然扰动下采集数据。从参数辨识角度看，可分为在线辨识 和离线辨识两种方式。后一种方法能够较好反映负荷特性随时间的变化，但在线 计算量大，要做到实时性，对计算方法和硬件要求较高。总体测辨法的困难之一 是信噪比小，要从信号处理技术和辨识方法入手，尽量避免噪声的影响。另一个 困难是参数的不确定性，这要从可辨识性和辨识方法方面去解决，另外就是要进 一步加深动态负荷特性的分类与综合方面的研究0 3 1 。 通过对统计综合法和总体测辨法的比较，可以看出只有总体测辨法才可能把 负荷特性随时间变化的性质反映出来，这样的结果才更具有说服力。现代化数据 收集手段及数字滤波、辨识理论的发展，为其提供了理论支撑。因此，负荷建模 正朝着以总体测辨法为主、统计综合法为辅的方向发展。 1 2 3 可辨识性分析阻8 ”。“ 在负荷参数辨识研究中人们常常发现：即使同一试验，负荷参数有时变化较 大，但不同参数模型的动态响应却相差不大，而且与实测的结果也吻合甚好。这 证明该模型能够描绘负荷动态行为，但可能不唯一。人们在根据测量数据进行参 数辨识的过程中自然很关心能否成功地辨识出来，当模型本身的结构决定了参数 不能唯一地辨识出来，则仅通过测量数据来辨识参数多半是不会成功的。因此， 第一章绪论 电力负荷模型的可辨识性问题应该得到深入的研究和广泛的重视。 对于非线性负荷模型，其参数的可辨识性研究的主要方法有： a 输出量高阶求导法 b 线性化分析，非线性辨识方法验证 c 等高线法 文献【2 9 】讨论了非机理负荷的可辨识性，文献【3 0 】提出了增加后稳态条件来辨 识某些不可辨识的参数。 1 2 4 空调类负荷的研究 如今，由于经济快速发展，人民的生活水平普遍有了很大的改善，城网的负 荷水平和负荷构成发生了许多变化，尤其是空调类的负荷有了迅速的增长，并且 以后这种增长的趋势还会加快。 文献 3 4 、3 7 指出，因为空调类负荷对电压稳定有较大的影响，因此空调类 比重较大的地区是我们应该注意的重点地区；另外还首次应用摄动原理，在z v 空间中，对空调阻抗模值变化与电压稳定的关联做了理论解析，并从防灾减灾的 角度讨论了空调的有关问题。文献 3 5 、3 6 的作者注意到空调使用的高峰期，系 统多重事故发生后电压难以恢复，他们认为这种情况主要是由于空调堵转现象所 致，并且对空调压缩机特性及其保护装置进行研究，还将其用于了事故的模拟中。 文献 4 3 曾就国外的三种单相空调进行过研究，并且应用了一种从k e p c o 电 网居民负荷特性研究中综合提取出来的负荷模型【5 2 1 ，但是这种模型并不适合在低 压后的空调停枫状态。而且对于我国的空调以及电网的现状并不见得适合。 另外文献 5 1 、5 3 从温度的角度，针对包含空调在内的整个气候敏感负荷建 立了一种气温敏感负荷模型，根据季节的不同、温度的不同选取不同的参数变量。 当然，这就需要对已往大量负荷值分析研究的基础上，而且这种模型更适合用来 作为短期负荷预测的一种手段。 可见目前针对空调的单机负荷特性以及电网中多机集合所反应的负荷特性进 行的研究还很不够，这更促使我们加大在这方面研究的力度，并且更应该在对市 场空调的研究基础上对其模型的构造做进一步的分析论证。 7 河海大学硕士论文 1 3 本文所做的工作 1 3 1 空调建模中存在的问题 由于空调类负荷迅速增长，并且以后这种增长的趋势还会加快。而目前针对 空调的单机负荷特性以及电网中多机集合所反应的负荷特性进行的研究还很不 够，所以有必要加大在这方面研究的力度。空调建模中尚有以下问题需要解决： 1 在国内尚无对空调单机负荷特性的具体详细分析，更难以综合总结其多机 的集结负荷特性，这对于分析空调类负荷对电压稳定的影响是不利的。 2 空调分析应该建立在国内普通空调的基础之上，应该适应我国的国情。 3 应该在全电压范围内进行空调特性的分析，而不是局限在较小的电压扰动 范围之内。 4 应该研究多空调集结负荷特性。 1 3 2 本文主要工作 1 进行空调试验，在此基础上分析空调的静特性、停机特性、启动特性以及 电压扰动特性。本文第二章中详细分析了这些空调负荷特性，这一章也是后续工 作的基础。 2 在实测空调负荷特性的基础上构造单台空调的负荷模型，其中还涉及到是 否需要用动态模型、何时采用动态模型等等，另外因为空调在电压跌落到o 6 u 。的 时候会发生停机，所以仍需进一步分析空调在停机到电压恢复后重新启动的过程 以及模型。这些内容将在第三章中详细分析。 3 在建立单台空调负荷模型的基础上，运用于大电网中进行仿真分析，第四 章结合河南全省电网，加入带空调负荷的配电网络进行仿真；第五章进一步分析 其空调群的负荷特性以及负荷模型的构造。 4 本文第六章分析了仿真中空调对电网的影响，强调了空调负荷对电网的重 要影响。 第二章单台空调自甘实测响应及其特性分析 第二章单台空调的实；9 1 | i 响应及其特性分析 近年来，随着我国国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，空调器的 使用已经越来越普及，新品种越来越多，性能也越来越优良。由于空调器具有 控温、控湿以及净化空气等功能，故可为精密仪器提供适宜的温、湿度工作条 件，还可为宾馆、餐厅以及家居等创造舒适的生活环境。 2 1 空调简介 空调主要由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器四个基本部件构成，并由 紫铜管将四个基本部件连接成一个封闭的系统。系统中充注着制冷剂r 2 2 ( 氟 科昂2 2 ) 。除了这四个基本部件外，根据需要制冷系统可以加入以下部件：四 通换向阀、单向阀、干燥过滤器、储液器、截止阀等部件，这些部件用来增加 空调器的功能或提高其性能。 2 1 1 空谓器制冷原理1 在上述空调器部件的基础上，由压缩机的压缩和节流阀的节流而完成整个 系统的循环工作。 田2 1空调器制冷工作过程图2 2 分体立柜式空调器制冷系统 制冷剂在循环中经过四个热力变化过程，这四个热力过程分别由四个部件 来完成，其工作过程如图2 1 所示： ( 1 ) 蒸发过程：低压制冷剂进入蒸发器中即进行汽化，变成低压蒸气 吸收被冷却物的热量使被冷却物温度降低进行制冷。 ( 2 ) 压缩过程：蒸发器中的制冷剂低压蒸气被压缩机吸入到气缸中进 行压缩，压力和温度都升高后被排入到冷凝器中。 河海大学硕士论文 ( 3 )冷凝过程：此过程由冷凝器来完成，蒸气状态的制冷剂在冷凝器 中把所吸收的热量排出系统，同时制冷剂蒸气冷凝为液体，以便 再循环使用。冷凝器是一个散热器，它应该放在室外以便将热量 排放到室外环境空气中。 ( 4 )节流过程：节流过程也可以认为是降压过程。它是用节流元件来 减小其流量，降低其压力。在小型空调器中，一般采用毛细管来实现节流 过程，也有用热力膨胀阀进行节流。 在压缩机不停的运行中，上述四个热力过程连续不断地进行循环完成空调 器的制冷过程。 2 1 2 空调的种类 空调分窗式空调、柜式空调、分体式空调、汽车空调、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 ( 1k c a l h = 1 1 6 3 w ) ，室温调 节为1 8 2 8 ；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 0 0 0 1 2 0 0 0k c a l h 。分体式制冷量为1 6 0 0 1 2 0 0 0 k 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 0 1 2 0 0 0k c a l h 多为 单制冷空调。汽车空调中是由汽车发电机带动电磁离合器，再由离合器带动压 缩机。大型系统空调器是指产冷量在3 5m k c a l h 以上的组装式空调。 例如图2 2 为分体立柜式空调器制冷系统，由室内机组和室外机组构成。 室内机组安装在室内，它由蒸发器、离心风扇、毛细管、控制开关、箱体等构 成。室外机组安装于室外，它主要由冷凝器、压缩机、轴流风扇、箱体等构成。 空调器制冷时，压缩机将高温、高压的气态制冷剂冷凝成为高压的液体制冷剂， 通过室内、外机组的连接管进入节流装置( 毛细管或膨胀阀) ，节流降压后再进 入蒸发器中蒸发，吸收室内空气中的热量，室内空气冷却降温后再由离心风扇 吹至室内。蒸发器内汽化后的制冷剂气体，通过室内、外机组的连接管，被压 缩机吸入，经压缩后变成高温高压的制冷剂气体，再排入冷凝器中冷凝放热， 这样周而复始，循环不断，完成连续的制冷过程。 另外热泵型的空调就是在普通单制冷型的基础上多装了一个四通电磁换向 阀。当电磁阀线圈通电后，吸引阀芯，改变制冷剂的流动方向，从而起到制热 的效果。电热型的空调则是在单冷却型的基础上配置一套电热丝和一个冷热切 1 0 第二章单台空调的实测响麻及其特性分析 换开关，在制热的时候能起到辅助加热的功能。 2 1 3 定频与变频 上述所指的都是一般空调器，相对于变频空调而言称之为定频空调。近两 年来，市场上出现了家用变频空调器，引起了不少消费者的兴趣。一些文献4 “ 歹4 举了变频空调器的许多优点，诸如房间降温快，温度波动小，省电等等。其 实这些优点都是由于变频空调器采用了可连续自动调节的工作方式而得，它克 服了一般空谓器采用通断调节方式所带来的缺陷。 一般定频空调压缩机的转速基本不变，是因为带动压缩机工作的交流电动 机定子的磁场转速= 6 0 供电频率交流旋转磁场的极对数= ( 转分) ，我国电 网的频率为5 0 h z s ，所以，只要电动机的定子绕组一经确定，该转速也就随之 而定“。电动机转子仅以一很小的转差率随磁场转动，因此，压缩机就只能在 特定的转速下工作。又因为空调器的制冷量与压缩机的转速成正比，转速定了， 制冷量也就确定了。对于一个变化中的房间空调负荷来说，只能通过设定温度 控制器的值点来控制压缩机的通断。当压缩机停止工作后，房间的温度又会逐 渐回升，当温度到达设定的上限时温度控制器又能将电源自动接通，令压缩机 重新投入运行。这种自动调节方式即为通断调节( 或起停调节) 。 通断调节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 负荷起动时，起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， 而且会加剧机器运动部件的磨损，因此所有机器理论上都应尽量避免频繁起停。 为了达到这一目的，最好的办法就是将机器的通断调节变成连续调节。对 于空调器而言，就是要使其制冷量随房间的需要随时改变。变频空调的原理就 是取房间的实际温度与设定温度的差值作为连续控制信号，输入到变频器中， 就能自动改变所输出的交流电的频率，从而解决变速问题。 从我国目前的市场供需上来说，由于技术以及经济的原因，如今占主导地 位的依旧是一般定频空调。也正因为它的起停、运行对电网有着比较大的影响， 而且在夏季用电紧张的时候空调的使用越多，势必影响成为电网稳定与否的一 个重要成分，所以，本文将主要对定频空调的静态、动态特性做一个详细的分 析，从而大家能有一个更为清晰的认识。 河海大学硕上论文 2 2 空调实验装置 选用空调为华凌分体式房间空调器，型号k f r 一1 2 0 l w s ：表示辅助电热型 分体落地式房间空调器；额定制冷量为1 2 0 0 0 w ，制冷总输入功率4 5 k w ，制热 量1 6 7 0 0 w ，制热总输入功率7 4 k w ；室内为单相电源，2 2 0 v ，5 0 h z ，室内机组 输入功率0 2 8 k w ，辅助电加热器2 7 k w ；室外为三相电源，3 8 0 v ，5 0 h z ，室外 机组输入功率( 制冷制热) 4 0 2 4 4 2 k w ； 空调实验接线如下图2 3 ： 丁：频电源 调压器，可控制产生电压的波动，从而观察空调负荷在不同的电压扰动下 的动态响应。另外因为实验中调频器无法带动4 k w 以上的负荷，故改为采用发 电机发电带动空调启动与运行，并调节电源的频率大小从而观察空调负荷的频 率特性，接线如下图2 4 ： 回 兰 2 3 空调实测数据 如无特别说明，则是考虑没有电加热。下面是进行各项试验。 为了考察空调负荷的静特性，在实验中使空调运行在不同的电压水平 ( 1 9 0 v 2 4 2 v ) 以及不同的频率( 4 8 h z 5 2 h z ) 下，测量其有功和无功的稳态值， 如图2 5 2 8 所示，其中有功和无功都是以v o 为基值( p o 为空调运行在额定 电压2 2 0 v 、额定频率5 0 h z 条件下的有功值) a 围2 5 不同电压等级下的籀率特性( 制冷，有功) 图2 6 不耐电压等级下的频率特性( 制冷，无功) 图27 不同电压等级- f f i e 捞l l 率特性( 制热，有功) 图2 8 不同电压等级下的频率特性( 制热，无功) 从上面四图看来，有功变化不如无功变化有规律，这可能跟每时每刻空调 的不同工况有关。表2 1 、2 2 分别列出了制冷和制热的具体数值： 表2 1制冷工况时不同电压不同撅率下的有功和无功 制冷有功 电压 频 率( i - t z ) ( v )4 9 04 9 74 9 84 9 95 0 05 0 15 0 2 5 0 35 1 1 9 83 1 6 63 0 4 02 9 9 02 7 5 42 9 6 3 2 9 6 1 3 7 1 2 3 7 0 8 3 5 8 8 2 2 02 7 3 32 8 5 73 0 7 53 1 1 33 1 3 4 3 1 3 5 3 1 9 2 3 2 5 03 3 6 0 2 4 23 6 3 93 7 0 53 5 6 23 5 3 13 4 9 l 3 4 0 63 4 9 03 4 5 43 5 7 5 制冷无功 电压频率( h z ) ( v )4 9 04 9 74 9 84 9 95 0 05 0 15 0 25 0 35 1 1 9 81 9 7 41 9 0 51 9 1 61 8 8 31 9 0 31 9 0 61 9 4 61 8 6 5 1 8 6 9 2 2 03 1 5 43 2 1 62 9 8 33 0 0 02 9 9 83 0 0 52 9 5 l2 9 6 4 2 8 5 5 2 4 2 4 2 3 24 3 8 l4 2 8 44 1 0 84 3 9 74 3 2 54 1 8 74 3 1 44 2 3 7 河海大学硕十论文 衰2 2 制热工况时不同电压不同频率下的有功和无功 制热有功 电压频 率( h z ) ( v ) 4 9 0 4 9 74 9 84 9 95 0 o 5 0 15 0 25 0 35 l 1 9 8 5 1 5 l 5 2 6 95 2 6 55 3 4 85 3 5 7 5 3 9 2 5 3 5 65 3 8 75 8 3 5 2 2 0 5 1 3 0 5 2 1 35 2 0 25 2 1 7 5 2 2 l5 0 6 45 2 0 25 1 5 95 3 2 6 2 4 26 1 3 86 2 0 86 2 5 26 2 7 36 4 4 0 6 4 2 26 4 5 l6 4 2 46 4 3 8 制热无功 电压 频率( h z ) ( v ) 4 9 0 4 9 7 4 9 84 9 95 0 o5 0 15 0 25 0 35 l 1 9 8 2 1 9 82 2 2 02 2 2 62 1 3 42 1 5 l2 1 3 32 1 3 22 1 2 32 2 0 9 2 2 02 9 2 72 8 9 2 2 8 6 83 0 4 42 7 7 52 8 9 32 6 8 42 8 7 l 2 7 9 2 2 4 24 0 0 34 0 1 74 0 9 4 4 1 1 84 0 2 8柏1 14 1 6 24 1 6 5 4 2 3 0 文献【4 3 】指出，下列模型可以适用于此类实测数据： 万p = 1 + 嘶d y + 吩彤 ( 2 1 ) 詈= q o ( 1 + , o v 6 t v + p ：a f ) ( 2 2 ) 0 其中v 和f 分别是以额定电压和额定频率为基值。 例如，从静特性实测数据辨识出制热时无功的静态模型参数如下表2 3 表2 3 静态无功模型参数 k昂q 08 。 f 制冷参数值 2 2 03 1 3 4 0 9 5 6 64 1 5 9 52 _ 3 8 4 7 制热参数值 2 2 0 5 2 2 10 5 3 1 53 3 8 2 0 o 3 0 7 0 2 3 2 停机特性 使源电压以不同的速率从原运行电压跌落至0 ，如图2 9 、2 1 0 、2 1 5 所示 测量此过程中的有功和无功响应，如图2 1 1 、2 1 2 、2 1 6 ( 有功) 、图2 1 3 、 2 1 4 、2 1 7 ( 无功) 所示。 1 无电加热、制冷与制热情况下 1 4 第二章单台空调的实测响应及其特性分析 田2 9 无电加热、镧冷时的电压时间田2 1 0 无电加热、制热时的电压时间 圈21 1 无电加热、制冷时的有功时间图2 1 2 无电加热、制热时的有功时间 图2 1 3 无电加热、制冷时的无功时间 圈2 1 4 无电加热、制热时的无功时间 可以看出，在无电加热的情况下，不论是制冷还是制热，不论电压以何 种速率降落到o ，空调在0 6 倍额定电压附近都发生了功率的突降，且为迅速至 o ，表现为停机状态。 2 有电加热制热情况下 河海大学硕士论文 田2 1 5 有电加热、制热时的电压时间 图2 1 6 有电加热、制热时的有功时间 图2 17 有电加热、制热时的无功时问 可以看出，和无电加热情况类似，空调在0 6 倍额定电压附近都发生了功率 的突降，但是所不同的是其有功并没有突降至0 ，而是在迅速降落一大段后再 慢慢降至0 。其实，这就是电加热所导致。 2 3 3 启动特性 设定在不同的电压水平时空调启动，测量得到的有功和无功如图2 1 8 2 2 3 所示： 1 无电加热、制冷情况下 圈21 8 无电加热、制冷工况下启动时的有功 图2 1 9 无电加热、制冷工况下启动时的无功 第二章单台窄调的实测响应及其特性分析 2 无电加热、制热情况下 田2 2 0 无电加热、橱热工况下启动时的有功图2 2 1 无电加热、制热工况下启动时的无功 3 有电加热、制热情况下 田2 2 2 有电加热、制热工况下启动时的有功围2 2 3 有电加热、制热工况下启动时的无功 从数据图形发现，空调启动时必将发生一个冲击，冲击倍数一般为5 8 倍， 其中有电加热情况下有功基值比较大( 因为其中包含了电加热功率) ，冲击倍数 相对就比较小。另外，冲击时间很短，且一般在0 3 0 5 秒之内就平息了达到 稳定状态。 2 3 4 电压扰动特性 电压扰动特性即为通常所说空调的动态特性。当电网中因为各种线路故障、 发电机故障或是负荷的增减等等，引起电网中电压的波动甚至崩溃，此时随着 电压的波动，不同负荷表现出来的动态特性响应也各不一样，空调也不例外。 这里研究的就是空调的电压扰动特性。 实验中，调节电压调节器使源电压出现各种不同的波动，测量对应的空调 有功和无功响应，如图2 2 4 2 4 1 所示( 三种情况l 制冷、2 无电加热制热、 3 有电加热制热) 。 河海大学硕士论文 1 无电加热、制冷情况下 图2 2 4 无电加船、制冷工况下电压扰动( 未停机) 圈2 2 5 无电加热、制冷工况下电压扰动( 发生停机) 图2 2 6 无电加热、制冷工况下对应有功( 末停机) 图2 2 7 无电加热、制冷工况下对应有功( 发生停机) 图2 2 8 无电加热、制冷工况下对应无功( 未停机) 图2 2 9 无电加热、制冷工况下对应无功( 发生停机) 可以发现有功的变化是较小的，也难怪有的文献将空调粗略地当作是恒功率型 负荷；但是另一方面无功的变化是非常大的，其影响不容忽视。 1 8 第二章单台空调的实测响麻及其特性分析 2 无电加热、制热情况下 田2 3 0 无电加鼎、制热工况下电压扰动( 未停机)母2 3 1 无电加热、制热工况下电压扰动( 发生停机) 图2 3 2 无电加热、制热工况下对应有功( 未停机)图23 3 无电加热、制热工况下对应有功( 发生停机) 田2 3 4 无电加热、褂热工况下对应无功( 未停机) 田2 3 5 无电加热、制热工况下对应无功( 发生停机) 比较制冷和制热情况下的响应，两者是非常类似的，只不过两者的功率基值不 同，且带4 热情况下的功率要大于制冷情况。 1 9 河海大学硕士论文 3 有电加热、制热情况下 图23 6 有电加热、制热工况下电压扰动( 未停机) 图2 3 7 有电加热、制热工况下电压扰动( 发生停机) 图23 8 有e g i j n 热、制热工况下对应有功( 未停机) 图2 3 9 有电加热、制热工况下对应有功( 发生停机) 图2 4 0 有电加热、制热- r ；p , t 对应无功( 未停机) 图2 4 1 有电加热、制热工况下对应无功( 发生停机) 有电加热的情况和无电加热的情况也是非常类似的。 从试验中可以发现，空调在电压降落到额定电压的0 6 倍左右就会发生停 机，而当此后电压又恢复到正常水平之后某时刻空调就又会重新启动，所以， 空调的电压扰动特性可以分为两种情况：一为较小扰动情况下空调尚未停机时 第二章单台空调的实测响应及其特性分析 的动态；另一为大扰动导致空调停机时的动态，下面将做进一步的分析。 2 4 本章总结 本章先简单介绍空调的结构、工作原理，然后用单台空调进行实测，分析 其负荷特性，其中包括静特性、停机特性、启动特性以及电压扰动特性，又分 成无电加热制冷状态、无电加热制热状态以及有电加热带4 热状态。经实测分析 发现，空调启动时电流冲击倍数可达5 8 倍，冲击时间较短，一般在0 3 0 5 秒之内就平息了达至q 稳定状态；在电压降落n o 6 u 。的时候空调会发生停机； 所以，空诃的电压扰动特性可以分为两种情况：一为较小扰动情况下空调尚未 停机时的动态；另一为大扰动导致空调停机时的动态。这些都是对单台空调进 行建模的基础。 河海大