（电力系统及其自动化专业论文）空调负荷电压动态特性分析与控制策略研究.pdf

华北电力大学硕1 ：学位论文 摘要 本文针对沙特阿拉伯西部电网公司空调比例高的情况展开研究，根据沙特 所提供的负荷调研数据并结合当地实际，利用统计综合法建立了能够适用于 p s s e 暂态仿真的空调动态模型。推导出了与p s s e 中c s v g n l 型s v c 控制模型相 一致的传递函数；并且通过p s c a d e m 圮建模仿真，验证了s v c 有效抑制电压不稳 定的可行性。最后，把所建空调负荷模型加入沙特西部电网数据中进行计算，发现空调 所占比例为8 0 不加无功动态补偿装置时，一旦系统发生故障，电压恢复将会比较缓慢。 把空调比例降低到4 0 ，电压恢复特性将会明显好转。可见空调比例过高是系统电压恢 复迟缓的“真正元凶”。为了解决空调比例偏高时系统故障后电压恢复缓慢的问题，我 们在该故障点加装无功补偿装置s v c ，采用所提出的控制策略，可以明显改善电网的电 压恢复特性。 关键词：电压稳定，空调负荷，统计综合，s v c ，p s s e a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed y n a m i cv o l t a g eb e h a v i o ra n dr e c o v e r ys t r a t e g ya r es t u d i e d ， b a s e do nt h es c e n a r i oo fh i g hp r o p o r t i o no fa i rc o n d i t i o n e rf o rs a u d ie l e c t r i c c o m p a n y - w e s t e r nr e g i o n ( s e c w r ) a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i cd a t ap r o v i d e db ys a u d i ， c o m p o n e n t b a s e dm e t h o di su s e dt od e v e l o pa na cd y n a m i cl o a dm o d e lw h i c hc a nb e a p p l i e d t ot r a n s i e n ts i m u l a t i o nf o rp s s e s v ci sm o d e l e da n ds i m u l a t e di n p s c a d e m t d ct ov a l i d a t ei t se f f e c t i v e n e s sf o rv o l t a g es t a b i l i t yc o n t r 0 1 at r a n s f e r f u n c t i o ni sd e d u c e df o rm o d e l i n go fs v ci np s s e f i n a l l y , t h r o u g ht h et r a n s i e n t s t a b i l i t ys i m u l a t i o ni np s s e ，w ef i n dt h a t ，w h e nt h ep r o p o r t i o no fa ci sg r e a t e rt h a n 8 0 a n dw i t h o u ts v c v o l t a g er e c o v e r yw i l lb ed e l a y e da f t e rf a u l t s i fw er e d u c et h e p r o p o r t i o no fa ct o4 0 ，v o l t a g er e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i cw i l lb em u c hb e t t e r t h i s s h o w st h a tt h eh i g hp r o p o r t i o no fa ci st h er e a lc a u s eo fd e l a y e dv o l t a g er e c o v e r y i n o r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，s v cw i t hp r o p e rc a p a c i t ya n di n s t a l l i n gs i t ei sp r o p o s e df o r t h ev o l t a g er e c o v e r yc o n t r 0 1 a d o p t i n gt h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g y , v o l t a g er e c o v e r y c h a r a c t e r i s t i cc a l lb eg r e a t l yi m p r o v e d c u ij u n l i ( p 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 a nm i n x i a o k e yw o r d s ：v o l t a g es t a b i l i t y , a cl o a d ，c o m p o n e n t - b a s e dm e t h o d ，s v c ，p s s e t 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文空调负荷电压动态特性分析与控制策 略研究，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，论文中不包含其 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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丝匕兰日期：坦星：2 ：野 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) 作者签名： 日期： 稚乙 f 。一 口矿3 佴 导师签名： 日 盐吵 期：! 竺：! ：t 中 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力负荷所吸收的有功功率和无功功率是随负荷母线电压和频率变动而变化 的，即负荷的电压，频率特性。用于描述负荷特性的数学方程称为负荷模型。建立 负荷模型就是确定描述负荷特性的数学方程的形式及其中的参数，简称为负荷建 模。 保证系统运行的安全可靠性是电力系统规划和运行的首要任务。研究电力系统 受到扰动后的动态特性可以及时发现系统的薄弱环节，进而采取各种加强和控制措 施，或者从中得到可以避免发生严重后果的运行经验，从而提高电力系统的安全性。 由于安全运行的限制，在研究电力系统在扰动后的行为时，不能采用直接在实际系 统中进行各种实验的方法，通常在模拟系统上来研究电力系统的动态特性。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。耳前，数字仿真已成为电力系统规划， 设计，运行的主要工具，相应的加强系统的措施和调度中采取的操作大多以数字仿 真的结果为依据，数字仿真结果的准确度直接影响运行和规划中决策的正确性。如 果仿真分析结果过于悲观，则会在规划设计方面因不必要的加强系统结构和反事故 措施投入过多的资金造成浪费，在运行方面采取过分保守的策略限制功率传输极 限，使设备不能充分利用。如果仿真分析结果过于乐观，则会在规划设计方面将会 导致系统结构和反事故措施方面投入资金不足，给系统运行造成许多限制，在运行 方面将导致系统处于危险的临界状态或疏于防范而造成严重事件。 负荷特性对电力系统仿真结果有重要影响，不同的负荷特性对电力系统的潮流 分布、暂态稳定等具有不同程度影响，在临界情况下，计算结果可能发生质的变化。 例如对于暂态稳定来说，在故障后发电机功角第一摇摆过程中系统电压通常下降， 负荷消耗的功率随电压的变化将影响发电机的输入输出功率的不平衡，进而影响功 角的偏移和系统第一摆的稳定性。由于电力系统的复杂性，同一负荷特性处于系统 不同地点和在不同的故障条件下对系统稳定的影响不同，很难找到一个负荷模型使 得系统的分析结果总是偏于乐观或者偏于悲观。所以有必要针对所分析系统中的负 荷特性进行具体研究，不能根据经验一概采取某种负荷特性。电压稳定是指在给定 的初始运行状态下，电力系统遭受扰动后系统中所有母线维持稳定电压的能力，它 依赖于负荷需求与系统向负荷供电之问保持恢复平衡的能力。因此，电压稳定本 质上属于负荷稳定问题，负荷特性自然就是影响电压稳定重要因素。因此，负荷特 性的准确度对电力系统稳定性的研究有着至关重要的影响。 1 华北电力大学硕士学位论文 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，学术界对它 还没有公认的严格定义。国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”的报告川中提出：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 e t 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【2 1 。 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。同时电压稳定可以按 照扰动大小和时间框架分别进行划分【3 】。目前这种定义和分类己被国际电力界广泛 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。 根据研究的时白j 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。 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。 在晟初的研究中，电压稳定被认为是一个静态问题，人们主要从静态观点束研 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析方法。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己被公认，但人们对电压失稳机理的认识仍未完全统 2 华北电力人学硕+ 学位论文 一。从已有的经验教i ) l i 来看，电压崩溃事故通常是由电源( 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，己有的 理论( 包括能量函数、中心流以及分岔理论) 对电压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 负荷动态特性对电压稳定的影响 在影响电压稳定性的诸多因素中，负荷特性是最活跃、最直接的因素，它从很 大程度上决定了电压失稳和电压崩溃的进程，目前电压稳定研究中受到重视的负荷 动态特性有以下3 个方面： ( 1 ) 随着负荷母线电压下降，负荷从系统吸收的无功功率反而增加的特性会恶 化系统的区域无功平衡状况，形成导致电压下降的正反馈机制。 ( 2 ) 动态负荷功率恢复特性，即在电压下降以后，各类负荷吸收的有功功率和 无功功率会以或快或慢的速度恢复到一定的水平。极端情况下，甚至完全恢复到电 压下降以前的水平。对于系统送端来说，当系统无功不足时，负荷恢复特性会引起 系统电压下降，发电机无功功率越限，从而进一步加剧系统无功不足的状况。而对 于受端来说，当系统无功不足时，负荷恢复特性会引起负荷电压下降，甚至引起负 荷失稳。 ( 3 ) 动态负荷为实现输入输出的有功功率平衡自动调整导纳的内在特性。负荷 稳定运行时，表现为一个恒定的等值导纳。当运行状态发生变化后，表现为一个动 态导纳。 综合以上三个方面，从定性的角度来看，负荷动态特性中与电压稳定问题有关 的本质特征是其处于给定运行点的电力系统在经受任意小的扰动后，负荷附近的电 压保持不变或几乎不变；它对应为维持有功功率平衡而自动调整导纳的特性。当负 荷输入的电磁功率少于输出的其他形式的功率时，负荷会减少其等效电阻，使输入 的电流增大，因而各种元件的漏抗上的无功损耗增加，所以需要吸收更多的无功功 率，从而使系统电压进一步下降。 1 3 负荷建模的国内外研究现状及前景 人们早在2 0 世纪3 0 、4 0 年代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特性，这一阶段可以说是负荷建模的萌 芽期。 5 0 年代到6 0 年代中期，电力系统数字模拟计算处于发展初期。在这段时间内， 3u 华北电力大学硕士学何论文 负荷模型与其他电网元件一样，有过相当大的发展。人们不仅使用恒定阻抗，恒定 电流，恒定功率来表示负荷，还提出了用静特性方程表示负荷，如多项式或幂函数 方程。 这些模型的参数在当时是定性估计的。由此得到的负荷模型尽管不准确，但相 对于当时粗略的发电机等其他模型以及人们对电网计算的定性要求来说还是相适 应的。 到了6 0 年代末及7 0 年代初，发电机及其调节系统等模型都向前发展了一步， 但负荷模型却因其困难性而在原有的水平上停滞不前。为了打破负荷建模研究上的 困难局面，1 9 7 6 年美国电力研究院制定了一个庞大的研究计划。其主要目的是为电 力公司建立一套基于统计综合法的负荷建模方法。根据这个计划，研究工作将在美 国和加拿大同时展开。整个工作进行了严密计划和组织，在理论，现场实验以及数 据采集系统的软，硬件开发和数据处理程序等几个方面全面展开。在实验室中确定 各种典型负荷( 如电冰箱，工业电动机负荷，荧光灯) 的平均特性方程，然后统计 每个负荷点上在一些特殊时刻( 如冬季峰值，夏季峰值) 负荷的组成，即每种典型 负荷所占的比例，以及配电线路和变压器的数据，最后综合这些数据得出该负荷点 的负荷模型。e p r i 经过多年的努力发表了许多有价值的报告，并且研制完成了到目 前为止统计综合法负荷建模中最具影响力的软件包e p r il o a d s y n 。在这项工作的 推动下，1 9 8 0 年前后的几年里，负荷模型的研究又有了新的发展。在此期间，人们 主要研究如何定量确定负荷模型的系数。 1 9 8 2 年国际大电网会议成立了有关负荷的工作小组，研究负荷建模及其动态特 性。该小组认为，许多工程师对这个研究领域还比较陌生，而这个领域在电力系统 分析中的重要性应该得到强调。1 9 8 4 年在芬兰召开的第八界电力系统会议将负荷建 模列为重要课题。负荷建模问题也开始引起了我国电力工作者的重视，一些学者也 在这一领域做出了贡献【4 1 。 1 4 空调负荷特性对电压稳定性影响的研究 空调负荷，作为对电压稳定影响较大的一种负荷，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中发现，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 4 华北电力人学硕士学位论文 ( 0 9 1 o 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 i e 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 ，1 1 在以上 研究基础上提出了用摄动原理在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 1 3 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。 沙特阿拉伯西部电网公司( s e c w r ) 在过去几年之间经历了高负荷增长，作为 这种高负荷增长的结果，架空线路、地下电缆以及变压器已经越发接近满负荷运行， 这种现象在吉达地区( j e d d a ha r e a ) 尤为严重。 沙特阿拉伯以热带沙漠气候为主，沙漠广布，是一个典型的热带沙漠国家，夏 季气温可以高达5 0 1 2 以上，沙特西部电网公司的负荷高蜂季节( 夏季) 负荷主要由 空调组成，比例高达8 0 ，鉴于空调的负荷特性和沙特的电网状况，一旦系统发生 故障，电网电压恢复比较缓慢，甚至不能恢复，引发系统电压崩溃，导致大面积停 电。当前沙特西部电网公司所使用的动态仿真负荷模型是不准确的，不能真正反应 空调的动态负荷特性，因此建立准确可靠的负荷模型特别是空调负荷模型就显得尤 为重要。另一方面，针对高空调负荷比例的电压恢复控制措旖，己成为该电网公司 关心的核心问题。 为解决上述空调负荷建模、影响分析及电压恢复控制策略等关键技术问题，由 华北电力大学、加拿大s t i 公司及沙特阿拉伯西部电网公司联合组成课题组，对上 述问题展开系列研究，本文内容正是基于作者所参与的部分工作形成的。 1 5 本文所做工作 本论文所涉及的项目名称为“s e c - - w r 电网电压恢复仿真的空调动态模型”，基 于统计综合法建立了空调的动态仿真模型，并把所建模型用于沙特阿拉伯西部电网 的电压稳定计算中去，为了改善电网在故障后缓慢的电压恢复特性，提出了加装s v c 的解决办法。下面是对本文所做工作的阐述： 1 首先介绍了空调的结构、工作原理和分类，然后阐述了空调的静特性和动特 性实验测试结果，接着又给出了空调的静特性数学模型和动特性的电动机机理模 型，并把电动机的机理模型和p s s e 中的电动机模型无缝的衔接起来。还给出了各 种典型空调的电动机模型参数。这部分工作将在第二章中给出。 2 阐述了电动机综合的三种方法和静特性的综合方法。采用有功功率求和，电 5 华北电力大学硕士学位论文 气参数加权方法实现了空调模型的综合，并在p s c a d 中结合一个实际的例子验证了 该方法的合理性：采用最d x - - 乘法拟合静负荷数字扰动实验数据曲线得到综合静负 荷参数。另外，还提出了一种将变压器作为无功负荷进行等值的新思路。这部分工 作将在第三章中给出。 3 介绍了s v c 的一次系统和二次控制原理，推导出了与p s s e 中c s v g n l 型s v c 控制模型相一致的传递函数；并且通过p s c a d e m t d c 建模的电磁暂态仿真，验证了 s v c 有效抑制电压不稳定的可行性；为后面的机电仿真模型的搭建奠定了基础。这 部分工作将在第四章中给出。 4 介绍了沙特阿拉伯西部电网公司的基本情况，根据沙方的调研数据，在第二 章和第三章的基础上，利用统计综合法建立了加达地区( j e d d a ha r e a ) 的负荷模 型，并把所建立的负荷模型加入沙特西部电网数据中进行计算，发现空调所占比例 为8 0 。1 不加无功补偿装置时，一旦系统发生故障，电压恢复将会比较缓慢。把空 调比例降低到4 0 ，电压恢复特性将会明显好转。可见空调比例过高是系统电压恢 复迟缓的“真正元凶”。为了改善空调比例偏高时系统故障后电压恢复缓慢的现象， 我们在该放障点加装无功补偿装置s v c 后，电压恢复特性明显得到改善。这部分工 作将在第五章中给出。 5 最后是对整个论文工作的总结，并对课题未来进一步的研究方向进行了展 挚。 6 华北电力人学硕卜学位论文 2 1 空调简介 第二章空调的负荷特性分析 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( 如氟利昂r 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。在空调类负荷内，一般都有压缩机、风扇电机、温控器等器件，其中压缩 机的耗电量最大。 2 1 1 空调器制冷原理 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m 1 。 “ 。 ； 。j 鸳蔫i i 图2 - 1 空调器制冷工作过程 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。 ( 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 华北电力人学硕 = 学位论文 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 0 k c a l h ( k 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 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 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 5 mk 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。 图2 - 2分体，莎柜式空调器制冷系统 另外热泵型的空调就是在普通堆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。 8 华北电力大学硕士学位论文 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。变频空调有许多优点， 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，它克服了一般空调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 c i 供电频率交流旋转磁场的极对数( 转分) ，沙特电网的频率为 6 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 予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问的需要随时改变。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。由于在当今节约能源越来越受关注， 所以变频空调是今后空调应用和发展的方向，沙特电网变频空调的比例已经达到了 9 0 以上，日本电网在1 9 9 9 年的时候变频空调的普及率已经达到了8 6 1 2 “。 2 2 单台空调的负荷特性 电网的频率一般比较稳定或者变化很小，空调的频率特性可以忽略不计，电压 特性是我们研究的重点，空调的负荷特性还与运行在制冷或制热状态有关。本文是 基于沙特阿拉伯空调负荷项目基础之上进行的，只关注空调的制冷特性，而制热特 性不予研究。 9 华北电力大学硕十学位论文 2 2 1 空调的静特性 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i i8 , 1 9 , 2 3 1 ，研究空调负荷的电压静特性。 从大量的电压静特性试验数据曲线可以看出，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l p u o 6 p u 之间变化时，有功 功率的波动范围从l p u o 8 6 p 1 1 。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 0 6 p t 1 变化过程中，波动范围为l p 1 1 0 5 p t l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。文献 2 3 在研究空调静特性的同时，也 研究了电动机的静特性，两者相比较后发现，空调与电动机的静特性非常相似，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。 表2 - 1 空调的电压静特性 电压( p u )有功( p u )无功( p u ) 1 o1 o l - o o 9 50 9 5o 8 1 o 9 00 9 1 0 6 7 o 8 50 8 7o 5 8 0 8 0 0 8 5o 5 6 0 7 50 8 3 0 5 7 o 7 00 8 30 6 0 0 6 50 8 4 0 7 2 0 6 00 9 4 1 1 4 2 2 。2 空调的动态特性 选用不同的空调器实验，观察空调的各种动态特性，包括空调的启动特性，停 机特性以及扰动特性 1 5 , 1 9 2 3 1 。 2 2 2 1 停机特性 使空调在额定工况下正常运行，然后调节源电压u 以不同的速率从原运行电压 跌落至零，测量此过程中的有功和无功响应p 、q 。由大量的测量数据可知，不论电 压以何种速率降落到零，空调在停机电压( 0 6 “) 附近都发生了有功和无功功率的 突降，且迅速降至零。文献 z 3 的实验结果与文献 1 9 1 非常接近。 l 0 华北电力大学硕士学位论文 2 2 。2 2 启动特性 设定不同电压水平时启动空调，测量有功功率p 和无功功率q 。结果表明，空调 启动时都将产生一个功率冲击，冲击倍数一般为5 1 0 倍，且冲击时间很短，一般在 0 3 0 5s 之内就平息达到稳态。随着启动电压的降低，启动时问也随之增加【z 引。 2 2 2 3 全电压范围的电压扰动特性 当电网中因为各种故障而引起电压的波动甚至崩溃时，电压会迅速下降。通过 各种措施，电压又可能恢复。随着电压的大范围波动，空调负荷表现出来的动态特性 响应值得关注。实验中，调节电压调节器使源电压出现各种不同的扰动，测量对应的 空调有功和无功响应p 、q ，大量的实测数据表明： ( 1 ) 当电压在停机电压睨( 额定电压的0 6 倍) 以上变化时，有功功率变化较小， 也正由于此原因有文献将空调粗略地当作是恒功率型负荷：但是另一方面无功功率 变化非常大，其影响不容忽视。 ( 2 ) 当电压降落到停机电压睨以下时，空调就会发生停机。 ( 3 ) 当电压又恢复到正常水平之后的某个时刻，空调会重新启动。由于空调功率 的突升，对电压会产生一定的冲击。一般来说，国内空调的启动电压u ，为1 8 7y 。因 为感应电动机的启动转矩与外加电压的平方成正比，电压过低就会造成启动转矩急 剧下降而无法正常启动。但大量实验测试所得的数据表明，并非电压一恢复到1 8 7 v 空调就马上启动，而要经过一段延时后才重新启动，因为停机时关闭在压缩机气室 中的高压气体需要泄压以平衡内部压力，但是这段时间间隔并不是一个定常数，而 在某个范围内变化。一般在电压恢复到1 8 7v 后再经过3 5s 空调启动。 2 3 单机空调的数学模型 2 3 1 空调的静特性模型 下y , j 模型可以很好的模拟空调的静态特性【9 1 。 i p ：1 4 - ( z v d v + 吩矽 ( 2 1 ) e 虽- 1 + 屏d y + 乃矽 ( 2 - 2 ) 其中v 和f 分别以额定电压和额定频率为基值，文献 9 还推荐了空调静态性参 数的一些典型值，其中 q p = 0 5 6 ，a r = 0 ，p y = q 1 4 ，8 f = o 4 6 华北电力大学硕士学位论文 当不考虑空调的频率特性时，吩= o ，乃= 0 。 2 3 2 空调的动特性模型 2 3 2 1 感应电动机的几种模型 根据分析电动机特性不同场合的需要，人们普遍采用三种常用的模型。从精细 到粗略依次为电磁暂态模型、机电暂态模型和机械暂态模型。 i 电磁暂态模型 对感应电动机，通过一定的基本假设，即可列出其a b c 坐标系统上的基本方程。 然后将其通过p a r k 变换转换至d q o 坐标系统( 以同步旋转速) 。 由于异步电机在绝大多数情况下是作为电动机运行的，所以这里按电动机惯例 规定其正方向：电流流入电机时为正。向电机方向看时，其电压降的正方向与电流 的正方向一致。且规定这一方向下电流产生的磁链也为正值。 由此得到下列方程： 1 电压方程： = 九一致站+ 足屯i ：丸+ q 九+ r o j 2 。 芝：象：i 二三；乏：乏 c z t ， = 办+ ( q 一哆) 屯+ 耳0j 式中，“为电压，i 为电流，矿为磁链，r 为电阻，珊为转速。p 表示求导。下标d ，q 分别代表直轴、交轴。下标r ，j 分别代表转子和定子侧的量。 2 磁链方程 2 毪戡凇 ( 2 - 5 ，虹= ( 上缸+ ) t + 0 i 屯= ( k + o ) 0 + 喽i 争q r = q r d + l s r ￥l r + l s j q s ( 2 - 6 ) 3 转子运动方程 西，= 互已( 2 7 ) 式中为惯性时间常数，i 为电磁转矩，按下式计算： 正= 一九，0 + 丸，i d r ( 2 8 ) 华北电力大学硕士学位论文 互为机械转矩，常设为： 瓦= a r z + 屏 ( 2 9 ) i i 机电暂态模型： 忽略过程极短的电动机定子暂态过程，即令式( 2 - 3 ) 中的导数项为零，经推倒， 可得： 1 电压方程： u d = r , i d + x 乞+ 历1 h q = r j q x i 。+ e q ( 2 - 1 0 ) 式中的d ，q 量分别为定子侧量，下标j 已省略，项f 为暂态电抗： 鸪心一铲若犁 日，e 为暂态电势： 局2 瓦 专q 力 2 电势方程： = 丧q 缸+ k ( 2 q 1 ) 式中，x 为电抗，即：x = 略( ，+ o ) ，乃i 为转子绕组时间常数，即： 。= ( ，+ o ) 耳 3 功率方程： 此时的电磁转矩可表示为： 互= ( p 1 2 r , ) t c o 令：雷= e + 属，t t = v ，+ 儿，= + 弼，则( 2 1 0 ) 式变为： 事= t r 。+ j x l ：i + 雹 1 3 ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 、rj 0 0巧巧乓e、，、， q q 一 一 q q ，l + 一 心心 f f 一 一 x x ，l c + 砭 一 一 = = 一所或 0 o 巧巧 ) 2i q 0l 屹 + 一 0 0 咯 j j = p q 兰些皇垄查堂堡主兰垡丝茎 ( 2 - 1 1 ) 式变为： 。面d e = 一豆+ j ( x 一瑚+ 胞一致) 甄 ) 机械暂态模型： 在机电暂态模型的基础上，进一步忽略转予暂态，即令( 2 一t 5 ) 中的导数为零， 则得出e 、i 相量的关系： 豆= 7 ，( x x ) 【1 一歹( q q ) o 】) ( 2 1 6 ) 将( 2 - 1 6 ) 代入( 2 - 1 4 ) ，并整理得： 矿= z ，j( 2 1 7 ) 忍= z + 丽l z ( 2 一1 8 ) 其中，z ：r + 。为定子阻抗，乙= j 为互阻抗，z ，= 争+ j x , 。为转子电抗，其 中5 为滑差：j ：竺二生 ，由此可得如图2 - 3 所示的等值电路。 q 7ekk 图2 - 3 机械暂态模型的等值电路 2 3 2 2 空调的动态负荷模型 空调一般都由压缩机、风扇电机、温控器等器件组成，其中压缩机的耗电量最 大，占到了空调耗电量的9 0 以上。压缩机负荷本质上是感应电动机负荷。在实验 室中比较空调和电动机的各种特性，包括静特性、启动特性、扰动特性和停机特性， 结果发现两者非常相似，这就为用感应电动机模型来代替空调模型提供了强有力的 支持【2 3 1 。 一般来说，感应电动机定予绕组的暂态过程比转子绕组的电磁暂态过程要快得 多，且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。由于空调压缩电机有比较小的惯性时问常数( i 一般取0 5 左右) 1 4 华北电力大学硕十学位论文 和比较快的电磁动态特性，像这类的小电机如果用一阶的模型去研究是不够的，特 别当电压变化比较大时要谨慎使用。 综上所述，感应电动机的三阶模型既能较好的反应空调的动态性能，又有适中 的计算量，而且b p a 、p s a s p 、p s s e 等电力系统仿真软件中的电动机模型都是三阶 模型，这样所建模型就能很好的与这些仿真软件无缝连接。图2 4 是p s s e 中的三 阶感应电动机模型。 r l + i x t 图2 - 4p s s e 中的感应电动机模型 主要参数有： e ，置，k ，墨，五，j r 2 ，五，h ，巧，互，五，d ，乙，其中 矗。是定子电阻，工。是转予电抗，墨转子电阻，五转子电抗，以是定转子互感 抗，日是电机的惯性时间常数，足，墨都取0 时表示单鼠龙式电动机。 当电压的标幺值低于玎时，低压切电机的计时器开始计时。当电压持续低于 巧互个周波后，低压切电机的继电器开始动作，继电器经过瓦个周波的延时把电机 切除。p s s e 提供的这个功能可以很好的模拟空调的停机特性，当空调的机端电压 低于某个设定值时，将会从电网中切除。 电机的机械负荷特性为：r - - r 。( 1 + 甜) 。，乃。是电机额定转速时的机械负载 转矩，a m 是转子的转差率，d 是负载阻尼因子。由于空调的制冷量也就是机械负 载转矩与转速的平方成正比，空调的d 一般都取2 。 2 3 2 3 关于空调的堵转和重启动 根据对空调生产厂家的调研，以前生产的大型空调都有低电压保护，当电网电 压低于0 7 玑时，保护会在0 1 秒左右把电机跳开。而根据沙特阿拉伯空调负荷的 实际情况，为了防止空调对电网电压的危害，现在所使用的小型空调器和变频空调 基本都加装了电子控制电路，使得当空调器因断电或电压跌落到0 7 u 。以下还未来 得及停机时，空调就从电网中跳开了，在电压再恢复到正常水平时，空调器不能自 行启动，而必须经过手动或者特殊设计的电子电路程序启动。这与原有的传统空调 器设计不同，反映出了空调器新的电气特性。这样的优点是避免了当系统电压恢复 时，连接在系统上的空调器发生群机启动，并因此产生很大的瞬时冲击电流，对系 统稳定造成不利的影响。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 基于沙特阿拉伯西部电网的情况，当地的空调绝大部分都是新型空调器，在电 压跌落到0 7 持续0 1 后就从电网中脱落，可咀不考虑堵转，所以空调的电动机 模型里的巧取0 7 ，乃取6 ，瓦取0 2 3 2 4 空调的典型参数 表2 2 是几种主要形式空调的典型电动机模型参数8 2 1 1 ： 表2 - 2 几种主要类型空调的典型电动机模型参数 空调的参数 见( p u )z ( p u ) 冠( p u )置( p u )以( p u )h ( s ) 家用房间空调 o 1 00 1 00 0 9o 0 6 1 8 0o 2 8 商业中央空调 0 0 5 30 8 3o 3 6o 6 81 9o - 2 8 居民中央空调 o 2 50 8 0o 2 80 0 45 oo _ 2 8 2 。4 本章小结 本章首先介绍了空调的结构、工作原理和分类，然后介绍了空调的实验室静特性和 动特性，接着又给出了空调的静特性数学模型和动特性的电动机机理模型。 1 介绍了空调的基本工作原理，分四个过程：蒸发、压缩、冷凝和节流，介绍了空 调的分类，阐述了空调定频与变频的差异。 2 介绍了空调的实验室特性，包括电压静态特性、启动特性、停机特性和电压扰动 特性。 3 介绍了空调的静特性代数模型，并详细介绍了电动机的三种模型，包括电磁暂态 模型、机电暂态模型和机械暂态模型。还介绍了p s s e 当中的电动机模型形式和参数， 并为把空调的电动机模型运用到p s s e 中作了铺垫。 4 给出了空调的几种主要形式的电动机模型参数。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章空调模型的综合 一个负荷节点下面连接的空调负荷成千上万，种类又互不相同。稳定计算时不 可能把这些种类繁多的空调重现在稳定计算程序中，只能把这些空调综合成一个综 合模型。上一章中已经讲到空调的压缩机本质上是一个电动机，所以空调的综合问 题就成了电动机的综合问题。 将一个负荷节点的所有负荷重现在p s c a d 中，然后将负荷节点处的电压缓慢下 降来观察这个节点下负荷的静特性，或者发生一个电压暂降来观察其动特性，最终 采用一个模型将其等值。这种方法需要实地调查一个负荷节点下各个负荷的负荷性 质，例如电动机的转矩特性，这是综合统计法其中的一部分。在负荷节点处做实验 看它的有功、无功变化来得到负荷特性，又来源于总体测辩法。因此这种方法将传 统的两种方法有机地结合起来，而且通过软件仿真，