（电力系统及其自动化专业论文）空调特性对动态电压稳定的影响.pdf

华北电力大学硕上学位论文 摘 电力系统电压稳定性是电力工程界的研究热点之一，近年来随着负荷特性 的不断变化，迫切要求建立系统动态模型来研究电压稳定性方面的行为特征。 本文针对空调特性对动态电压稳定影响进行研究：对常见的五种动态电压 稳定分析方法进行比较，选取了适合本文研究的时域仿真法中的长期动态分析 的准稳态方法；利用最大负荷比较法进行空调负荷预测，并通过基准负荷比较 法校验，求得典型地区各种负荷性质的空调负荷所占比例；应用f o r t r a n 语 言搭建空调负荷模型、恒阻抗负荷模型以及与其相对应的负荷增长模型，并通 过仿真验证模型与负荷特性的匹配性；选取i e e e 3 9 节点系统测试，通过模态分 析法确定系统弱电压节点；将空调负荷和恒功率负荷按照预测比例接入弱电压 节点中，仿真得到该节点的负荷与电压之间的动态关系、负荷极限值等，汇总 空调特性对动态电压稳定影响。 关键词：电压稳定，分岔理论，负荷特性，空调负荷 a bs t r a c t p o w e r s y s t e mv o l t a g es t a b i l i t yi so n eh o t s p o to fp o w e rs y s t e m r e s e a r c h i nr e c e n ty e a r s ， w i t ht h ee v o l u t i o no fl o a dc h a r a c t e r i s t i c sp e o p l ei m m i n e n t l yw a n tt oe s t a b l i s ht h ed y n a m i c m o d e l so fp o w e rs y s t e mt os t u d yi t sb e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a p e r ，t h ee m p h a s i si st h er e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo fa i r - c o n d i t i o n i n g c h a r a c t e r i s t i co nd y n a m i cv o l t a g es t a b i l i t y ：f i r s t l y , c o m p a r i n gs e p a r a t e l yd y n a m i c a la n a l y s i s m e t h o d so fv o l t a g es t a b i l i t y , a i r c o n d i t i o n i n gm o d e l ，a n de m u l a t o rp r o g r a m s ，t h i sp a p e ri s c h o o s i n gb e f i t t i n ga n a l y s i sm e t h o d ，m o d e l sa n ds o f t w a r e ；t h i sp a p e ri sc a l c u l a t i n gt h ep e r c e n t o fa i r - c o n d i t i o n i n gi nd i f f e r e n tl o a dc h a r a c t e r i s t i c su s i n gp e a kl o a dc o m p a r i n gm e t h o da n d b a s el o a dc o m p a r i n gm e t h o d ；t h i sp a p e ri su s i n gf o r t r a nt oc o n s t r u c ta i r - c o n d i t i o n i n g m o d e la n dj o i ni nt h ef e e b l e n e s sb u so fs y s t e mw h i c hi sg a i n e df r o mu s i n ge i g e n v a l u em e t h o d ， a n ds i m u l a t et h ei n f l u e n c eo fa i r - c o n d i t i o n i n gc h a r a c t e r i s t i co nd y n a m i cv o l t a g es t a b i l i t y c u ih o n g h a i ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f y a n gj i n g y a n k e yw o r d s ：v o l t a g e s t a b i l i t y ，b i f u r c a t i o nt h e o r y ，l o a d c h a r a c t e r i s t i c s ， a i r - c o n d i t i o n i n gl o a d 要 声明尸叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文空调特性对动态电压稳定的影 响，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：逊 日 期： 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：丝 日期：型! 至：丝 导师签名： 日期：趔! ：型牛 华北电力大学硕j j 学位论文 1 1 研究背景及其意义 第一章绪论 近些年来，世界范围内，尤其是在发达国家，出现了一些由于事故引发 传输线路滚雪球式的连续退出运行，以负荷点电压雪崩式大幅度下降为特征 的停电事故，这些事故的特征与我们所认识的比较清楚的由故障引起的功角 稳定问题有很大的区别。在此背景下，近十年来电压稳定问题成为全球性的 研究热点，研究范围不断拓宽，研究工作不断深入，各种研究成果大量发表。 尽管如此，电压稳定问题的研究成果与工程实际应用还有相当的距离，主要 表现在两个方面。一方面，对电压稳定性机理的认识众说纷纭，尚未达成广 泛一致，甚至至今还没有被广泛接受的关于电压稳定性的定义；另一方面， 至今还没有一套被工程界和学术界广泛接受和普遍采用的电压稳定性分析 的元件模型和数学方法。 电压稳定问题本质上是一个动态问题，系统中的诸多动态因素j 如发电 机及其励磁控制系统、负荷动态特性、o l t c 动态、无功补偿设备特性、继 电保护动作情况等，对电压稳定均起着重要的作用。只有在动态分析下，这 些因素对电压稳定的影响才能充分体现，这对于深入了解电压崩溃的机理， 电力系统稳定性的本质，以及检验静态分析的结果都具有十分重要的意义。 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、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。首先，在计算中人 们发现负荷模型及其参数的选取( 如电科院综合程序中电动机所占百分比数) 对计算结果影响很大，成为目前运行方式选择计算中的主要问题；其次，目 前国内在调度员模拟培训器研制及使用方面正处于蓬勃发展时期，而其中暂 和中、长期动态仿真都与负荷模型有密切联系。负荷模型是否正确，将会直 接影响到培训的效果；再次，相差一条线路的投资，相差上千万元，在新颁 布的电力系统安全稳定导则中明确指出在暂态稳定计算条件中要考虑负 荷特性。 空调负荷在电力系统负荷中所占比例之大，空调类负荷中的感应电机转 动惯量比较小，并且在受到扰动时机械力矩是一个恒转矩，和转速的关系比 较小，在系统故障时没有低压保护的空调堵转后会仍然挂在系统中，继续吸 收大量的有功、无功，是对电压稳定影响较大的一种负荷。 华北电力大学硕l 学位论文 1 2 国内外研究动态 针对负荷特性建模并研究其对电压稳定影响的文献【i o2 】较多，但研究仍 具有一定的局限性，而具体针对空调特性对电压稳定影响的文献相对较少。 文献【1 3 1 5 】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， 但未提及其对电压稳定的影响；文献【1 6 2 0 只是对一幢建筑物或单个空调的 负荷运用神经网络进行了预测，未提及整个电力系统的空调负荷非线性预测 和对电压稳定的影响；文献 2 1 ，2 2 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在空调负荷密集地 区，电网容易发生电压崩溃事故。空调负荷密集地区的高压节点，一般是高 层电压等级的变电所，其下有数十万甚至上百万人口的用电负荷，一旦发生电 压崩溃，将造成严重的社会经济损失。空调负荷既可在系统发生事故时，对电 压失稳起到推波助澜的作用，也能直接作为电压失稳事故发生的“元凶 。 在空调负荷增长时，其群体效应不宜忽视。在气温升高时，人们会增投空调； 气温的升高还会使室内外的温差加大，空调内的温控器将使其运转时间加 长，停歇时间缩短，对任一个时间断面而言，运转着的空调装置数量将会增 多，这类群体效应将会显著减小负荷的阻抗模值，严重时可能引起灾害性电 压崩溃事故；文献 2 3 】 2 4 】的作者注意到在空调使用的高峰期，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，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中，在这两篇文章中，其作者主要对空调在低 压( 电压均为o 6 p u 以下) 时的表现，尤其是对堵转现象研究比较细致；文献 【2 5 对单台空调进行了试验与建模，用非机理模型k a r l s s o n h i l l 模型对空调 群进行了仿真建模，分析了空调群的特性及其对电网稳定的影响；文献 2 6 】 对不同型号空调在正常电压附近( 0 。9 1 1 p u ) 的电压静特性、频率静特性以 及高电压和低电压启动进行了实验研究，分析了空调对系统事故引起的电压 跌落的动态响应。 由于空调群建模需要考虑更多因素，如空调启动时问不同，堵转时间不 同，是否有低压保护等，导致目前针对空调群的负荷模型研究很少，空调对 电压稳定的影响也大部分停留在单台空调特性的影响。另外，在系统电压恢 复期间空调的停机对电网影响还没有进行单独的研究。 2 华北电力大学硕l - 学位论文 1 3 动态电压稳定分析方法 根据研究的方法，有些学者将电压稳定问题分为三类，即静态电压失稳、 暂态电压失稳和动态电压失稳。静态电压失稳是指负荷的缓慢增加导致负荷 端母线电压缓慢地下降，在达到电力系统承受负荷增加能力的临界值时导致 的电压失稳，在电压突然下降之前的整个过程中发电机转子角度及母线电压 相角并未发生明显的变化。暂态电压稳定问题是指电力系统发生故障或其他 类型的大扰动后，伴随系统处理事故的过程中发电机之间的相对摇摆，某些 负荷母线电压发生不可逆转的突然下降的失稳过程，丽此时系统发电机间的 相对摇摆可能并未超出使电力系统角度失稳的程度。动态电压失稳是指系统 发生故障后，为保证其功角暂态稳定及维持系统频率，除进行了网络操作外， 也可能进行切机、切负荷等操作，由于系统结构变得脆弱或全系统( 或局部) 由于支持负荷的能力变弱，缓慢的负荷恢复过程导致的电压失稳。由于电力 系统在失去电压稳定前已处于动态过程中，发电机及其控制装置、负荷的动 态行为都会对动态电压失稳产生影响。 动态电压稳定分析方法的基本模型是描述电力系统动态行为的非线性微 分一差分一代数方程组( d i f f e r e n c e d i f f e r e n t i a l a l g e b r a i ce q u a t i o n s ，d d a e ) 。 假定将系统中组件的离散行为连续化，则大规模电力系统动态电压稳定分析 的基本模型表示如下： lx = f ( x ，y )，n l0 = c ( x ，y ) i t 弋 i ， 其中：微分方程f ( x ，y ) 表示发电机、励磁系统、原动机、调速器和负荷 节点等的动态特性；代数方程g 仪y ) 表示由网络决定的潮流约束，与静态电 压稳定分析方法的基本模型相对应。x 表示系统状态变量，y 表示代数变量。 1 3 1 动态潮流法 动态潮流是系统存在功率不平衡情况下的稳态潮流，它与常规潮流的最 大不同是不平衡功率不再由平衡节点独立承担，而是在各台发电机之间协调 分配，其核心是潮流计算和频率计算1 2 7 】。通过每一时步的系统动态潮流解算 得到某一节点和几个节点的电压幅值，从而描绘出电压的变化曲线，为研究 电压稳定性提供依据。动态潮流的方法大多应用于调度员仿真系统( d t s ) ， 目前国内外己经投运的d t s 基本上都是以动态潮流模拟为主。 文献【2 8 】总结了华东电网d t s 中应用的动态潮流算法。在实现上，假定 3 华北电力大学硕。l 学位论文 全网具有统一的频率，忽略机组问的摇摆，采用“潮流模型”来模拟电力系 统。最大的优点是模型简单、计算快速、适用于实时性要求较高的场合，但 是并不能正确地模拟事故和事故后的暂态过程。文献【2 9 】提出将电力系统动 态元件的状态方程与常规的潮流方程联立求解，并且考虑了系统中各种极限 条件。文献 3 0 】将动态潮流的方法应用于电压稳定性的分析中，并开发了相 应的软件包。 动态潮流方法以其模型简单计算快速在电压稳定性动态分析的早期特别 是应用于实践中起到了重要作用，但是该方法根本上仍是基于潮流模型的， 不能精确地模拟电力系统特别是故障后的动态特性，这使该方法在深入研究 中的应用受到了限制。 1 3 2 小扰动分析法 小扰动分析法是基于线性化微分方程的方法，仅适用于系统受到小扰动 时的情形。它的主要思路是将描述电力系统的微分一代数方程在当前运行点 线性化，消去代数约束后形成系统矩阵，通过该矩阵的特征值是否都在复平 面的左半平面来判断该运行点的稳定性。基本模型为： x - - a a x( 1 2 ) 其中，x 为全系统的状态变量向量，a 为系数状态矩阵。 目前，发展最为完善的电力系统小扰动稳定性的分析方法主要有两种： 以状态空间模型描述为基础的特征值分析法和以传递函数矩阵为基础的频 域分析法。前一种分析方法的信息量十分丰富，不仅可以判断系统的稳定性， 还可以知道小扰动下，系统过渡过程的许多特性，为减少计算量，部分特征 值分析方法只计算系统的主导特征值，即实部最大的一些特征值。这种分析 方法是研究低频机电振荡现象的有力工具，已成功地应用于电力系统小扰动 稳定性评价、确定控制器的安装地点、控制器参数优化等方面 3 1 】。以传递函 数矩阵为基础的频域法是进行大系统小扰动稳定分析的最可靠的方法，但其 提供的信息量有时又难以满足要求。 小扰动法本身物理意义明确，理论严谨。利用这种方法可以深入分析系 统在临界点附近的性质和失稳过程的特征，检验机理解释的合理性。通常小 扰动分析方法研究电压稳定性与潮流法和时域仿真相结合，其目的是探明系 统中各组件动态的相互作用及其对电压稳定性的影响，深刻认识电压稳定性 机理，抓住影响系统电压稳定性的关键和本质因素，明确电压稳定性分析对 组件模型的要求，以指导系统建模及合理选择分析手段和工具。目前，小扰 4 华北电力大学硕i ：学位论文 动分析已用于有载调压变压器( u l t c ) 、发电机及其励磁控制系统和负荷模型 等对电压稳定影响的研究【3 2 】【3 3 】。 从现阶段小扰动稳定性分析方法的研究状况可知：动态电压稳定分析中 必须用动态负荷模型及适当简化的发电机及其控制系统模型，再加上负荷特 性的时变性、不确定性和非线性，建立简单而又包括系统主要元件相关动态 的模型是困难的，有待进一步研究。另外，现有的小扰动分析方法中系统动 态元件数学模型有很大差别，使得小扰动失稳模式的合理区分成为一个需要 注意的问题。 1 3 3 时域仿真法 时域仿真方法在保留系统的非线性特征及考虑组件的动态作用下，采用 数值积分的方法，得到电压及其它量随时间的变化曲线的一种方法，因而在 暂态电压稳定分析和中长期电压稳定分析中都有应用，适用于不同时段的仿 真方法与元件模型又有所不同。 1 3 3 1 多时标仿真方法 对方程组( 1 1 ) 采用各种积分方法，以稳态工况或潮流解为初值，求出 扰动下的数值解，即可逐步求得系统各节点的电压随时间变化的曲线。该方 法可以详细描述各种动态元件的特性，清楚地表现系统受到扰动后的某些瞬 时现象及电压崩溃的动态发展过程，检验静态方法及小扰动方法所得结论的 正确性和适应性，是研究快过程电压崩溃现象的最有利手段。但是往往计算 量十分巨大，通常只能仿真扰动后较短的时间，用来判断补偿元件的投切时 刻或者甩负荷方法的效果。 基于这种方法的电压稳定计算程序也有较多介绍，文献 3 4 介绍了清华 的电网仿真系统中动态电压稳定分析软件( v s p ) ，文献【3 5 】介绍了一种分析复 杂系统中电压崩溃过程的计算软件。 1 3 3 2 长期动态分析的准稳态方法 长期动态仿真无疑是研究长期电压不稳定机理、崩溃过程以及检验其它 电压稳定分析方法正确性的有效手段，为把暂态稳定程序扩展到几分钟甚至 更长时间的框架下使用，需要忽略一些短期过程中起主导作用的原件，而增 加的关键性模型有u l t c 、o l e ，以及负荷恢复、电压和频率的一次调整、 锅炉等。考虑到中长期电压失稳问题具有慢动态的特性，准稳态方法( q s s 】 5 华北电力火学硕上学位论文 是在研究长期动态时把方程组( 1 1 ) 中的第一个式子用其平衡点方程( 1 3 ) 代 替： 0 = f ( x ，】，) ( 1 3 ) 通过求取系统动态发展过程中的一系列暂态平衡点，来描述系统中长期 的运动轨迹，特别是电压薄弱区域节点的变化情况，从而提供系统的中长期 动态变化的依据，研究动态电压失稳的机理，提出增强系统电压稳定性的措 施。 q s s 方法在静态方法的计算高效性和时域方法的准确性之间作了较好的 折中【3 引。目前国外推出的用于电压稳定性分析的中长期时域仿真软件有 e p r l 的v s t a b ，t r a c t a b e l 的e u r o s t a g 、基于d y m o l a 的o b j e c t s t a b t ，7 】以及大 型的商业软件p s s e t 3 8 】等。 尽管q s s 方法在安全分析和实时应用上有较好的精度和速度，但有两点 需要特别注意：首先，对于某些严重事故，q s s 会忽略暂态电压失稳问题； 其次，q s s 无法给出长期电压不稳定所导致的最终以暂态形式表现出来的电 压崩溃现象p 引。 文献 4 0 】采用了时间标度技术压缩慢动态元件的时间常数，建立了中长 期电压稳定的仿真工具，文献 4 0 1 1 4 2 提出了吉尔( g e a r ) 法和改进梯形法，使 得慢动态和快动态过程能高效地起进行仿真研究，这两者都较好地解决了时 间框架的处理问题。文献【4 3 】在仿真过程中结合了灵敏度法、模式分析法等 静态分析方法，使得仿真研究的结论相对更具有了一般性。 综上所述，时域仿真法具有以下优点：详细计及元件的动态特性，模拟 精度较高；较好的反映电压失稳的全过程，为分析电压崩溃的机理提供可靠 信息，同时可以得到防止电压失稳的预防及校j 下措施等。但是目前时域仿真 法存在如下问题：实时性差；由于对机理认识不同，仿真研究采用的模型与 真实系统相比有很大的差距，负荷精确建模困难；电力系统模型的d d a e 方 程组具有刚性，出于对分步积分法数值稳定性和迭代收敛性方面的考虑，其 步长不能太大，导致计算耗时；如步长选取不合适，分步积分的累计误差使 结果不可靠；尚未找到合适的电力系统的全过程的电压稳定性分析算法和模 型。因此时域仿真法主要用于了解电压崩溃现象的特征，检验机理认识的正 确性及检验临界点算法的准确性，而在全面考虑系统中各种动态元件的基础 上尽可能简化模型以减少计算时间将是今后的发展方向之一。 6 华北电力大学硕1 ：学位论文 1 3 4 分岔理论 分岔理论不直接求解描述系统的微分代数方程组，它考虑系统的平衡点 数目以及稳定性随参数的变化，从而进行系统的稳定性判别【4 4 1 。它可以得到 系统在某个中间过程经历参数扰动后是否能保持稳定的结论，这一点类似于 小扰动分析。利用分岔曲线能判断系统当前的稳定裕度，还能获得系统的失 稳模式，这对系统失稳机理的分析是很有裨益的。 分岔理论研究的是非线性系统在参数变化时能否保持原有定性性态的问 题，静态电压稳定则可视为系统在何种负荷水平下发生分岔的问题，文献 【4 5 4 6 将静态潮流方程扩展为动态方程，将潮流方程视为描述动态方程平衡 点的方程，经过简单地推导，发现静态分析下的电压稳定临界点和动态分析 下的鞍结分岔点是一致的，从而研究静态方程的鞍结分岔点就是研究动态方 程的部分鞍结分岔点，这是静态分析的一个理论基础【4 7 1 。 非线性系统在参数变化下有多种分岔形式，在单参数情形下，只有鞍结 分岔和霍普夫分岔为通有分俞，即在其他参数的小扰动下可以保持原有的性 态。电力系统本身是一个多参数系统，但目前对多参数系统的研究还没有简 单的方法，故一般将其转化为单参数系统( 如假设负荷的增长方向己知而将 增长的大小作为参数等) 。霍普夫分岔虽然在研究中提到，但实际中很少出 现，所以对它的研究较少。 1 3 5 能量函数法 能量函数方法将系统状态同一个标量函数( 称能量函数) 联系起来，利 用系统的保守或近保守性质，比较系统扰动结束后能量函数的值与系统稳定 边界上的逸出点处能量函数值，就可判断系统稳定与否，以及稳定或不稳定 的程度。它是目前可以用来研究稳定平衡点吸引域问题的为数不多的几个方 法中的一个。能量函数法是直接估算动态系统稳定的方法，与仿真方法相比， 分析精度低但省时且在理论上有助于理解功角稳定问题的本质。中长期电压 稳定和暂态电压稳定问题都可从能量函数方法的角度来研究。 能量函数法在判断暂态功角稳定方面已取得了相当多的成果，在研究电 压稳定方面仍处于起步阶段。文献 4 8 】 4 9 】虽然从非线性动态微分方程导出了 动态系统的能量函数，但由于忽略了负荷的动态过程，实际上只是为当前运 行点提供了能量性的静态电压稳定裕度指标，而没能用于电压稳定性的直接 判断。 当前应用能量函数法进行电压稳定分析存在着两个技术上的问题：严格 7 华北电力大学硕十学位论文 意义上l y a p u n o v 能量函数的建立对系统模型有一定的限制，如发电机模型 不能为三阶以上，不能考虑传输电导及负荷特性等，合乎l y a p u n o v 准则的 能量函数的提出比较困难；已有的一些临界能量函数的计算方法都存在着结 论是否可靠的问题。能量函数法为系统中电压稳定薄弱区域的识别和不同规 模系统问电压稳定性的比较提出了良好的依据，但对具有复杂的动态特性和 有损耗的输电系统而言，并不能保证能量函数存在，因此，目前能量函数法 仅能对电压稳定判据和临界点的性质进行基础性的探讨和分析。 1 4 本文的主要工作 本次课题研究包含以下内容： 1 总结电力系统电压稳定分析中常用的动态电压稳定分析方法，从电压稳定 机理、电压稳定数学模型等方面对其优缺点进行了比较，选取适合本文研 究的动态电压分析方法； 2 在现有的空调数学模型的基础上搭建适合本文研究的空调数学模型，同时 利用最大负荷比较法进行空调负荷预测，并通过基准负荷比较法辅佐修 正，求得典型地区各种负荷性质的空调负荷所占比例； 3 为充分体现空调负荷对动态电压稳定的影响，假设除空调负荷外其余负荷 为恒阻抗负荷，应用f o r t r a n 语言搭建居民小区的空调负荷模型、大 型建筑的空调负荷模型、恒阻抗负荷模型以及与其相对应的负荷增长模 型，并通过仿真验证模型与负荷特性的匹配性； 4 选取标准节点系统测试，通过模态分析法确定系统静态弱电压节点； 5 按照弱电压节点的用地性质，将空调负荷和恒阻抗负荷按照预测比例 接入，通过设置各种扰动研究不同用地性质的空调负荷对电压稳定的影 响，并通过负荷增长模型得到同一节点在空调负荷比重不同情况下的负 荷极限值。 8 华北电力火学硕：l 二学位论文 第二章空调模型的特性 空调实际上是“空气调节”的简称，是指把经过处理的空气，以一定的方 式送入室内，使室内的温度、湿度和噪声等都控制在需要范围内。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，其中充灌着制冷剂。 2 1空调的原理 ：f 匕茹鲨丁 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，变成低压蒸汽， 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汽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，蒸汽状态的制冷剂在冷凝器 中把所吸收的热量排出系统，同时制冷剂蒸汽冷凝为液休，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。 9 华北电力大学硕一i ：学位论文 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。 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 个冷热切换开关，在制热的时候能起到辅助加热的功能。 2 2空调分类 2 2 1 安装位置分类 窗式空调：一般安装于窗口，外形单一，噪音较大，一般不适合家庭使 用，现已基本被分体式空调替代； 分体壁挂式空调：安装位置局限性小，易与室内装饰搭配，具备超宁静 工作特性，噪音低，具有多重净化功能，操作方便，美观大方，适合一般家 庭使用； 分体柜式空调：制冷制热功率大，风力强，适合大面积房间、商店、饭 店及化共场所使用； 吊顶、嵌入式空调：基本上是商用机系列( 2 p 一3 p ) ，制冷制热功率强 劲，不占用地面空间，一般适合商场等一些公共场所使用以及家庭小型中央 空调首选； 2 2 2 使用场所和制冷量 家用空调器：名义制冷量在1 2 5 0 w - 9 0 0 0 w ，在家庭内使用的空调器。 商用空调器：功率较大，多在公共场合使用的空调器。 2 2 3 制冷制热效果 单冷式：只能制冷的空调器。 冷暖式：即能制冷，又能制热的空调。 热泵式：依靠专门装置，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。 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。 热泵辅助电加热式：将上述两种形式结合起来的空调器。 1 0 华北电力人学硕上学位论文 2 2 4 系统各部分组合状态 分体式：将空调器分为室内部分和室外部分。 整体式：包括窗机和柜机两种机型。 2 3空调的特性 2 3 1 频率特性 定频：带动压缩机工作的交流电动机定子的磁场转速= 6 0 幸供电频率交流 旋转磁场的极对数，我国电网的频率为5 0 h z s ，只要电动机的定子绕组确定， 该转速也就随之而定【5 0 1 。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，而压缩机的转速决定了空调机的输出功 率。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。 变频：将通断调节变成连续调节。对于空调器而言，就是要使其输出功 率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。频率与功率成正比。变频空调系统通过调节 压缩机频率和利用电子膨胀阀等手段大大提高了空调系统的工作性能，微电 脑控制、模糊控制、神经元算法等现代智能控制算法也得以应用，来降低空 调的能耗，提高室内的舒适性。 2 3 2 保护特性 分别根据空调有无低压保护将空调特性总结如下表： 华北电力大学硕上学位论文 表2 1 空调特性汇总表 无低压保护空调有低压保护空调 空调在0 6 倍额定电压附近发生 功率突降，在无电加热的情况下 在电压降到o 7 倍额定电压后5 个周波 停机特性 内，空调负荷自动从电网上切除，减轻 迅速至0 ，在有电加热的情况下则 迅速降落一大段后再慢慢降至0 。 系统负荷。 当电压恢复到0 。8 5 额定电压以上 时，空调重新启动，延迟时间3 5加装了电子控制电路，当空调器断电之 启动特性秒，冲击电流为额定电流的5 8后，继电器并不能自行恢复，必须通过 倍，冲击时间很短，一般在0 3 o 5电予电路的控制器使其再次启动工作。 秒之内就平息，达到稳定状态。 目前，我国大部分家用空调为无低压保护空调，而大型建筑则使用有低 压保护的空调。 2 4正常状态下的空调模型 在电压未跌至电机堵转或保护动作时，有无低压保护的空调模型是一致 的，目前经常采用的空调模型有以下几种，下文就各自特点分别介绍。 2 4 1 恒功率模型 通过研究空调的电压扰动特性，可以发现有功的变化较小，因此有的文 献将空调粗略地当作是恒功率型负荷，但是空调压缩机对驱动它的电动机的 反抗转矩是基本恒定的，其运行滑差率较小，但还不能将其转速完全看成常 数，何况空调内还有风扇电机，虽然其功率占的比重较小，但当电压下降时， 风扇电机的有功功率要明显下降，这些因素都是空调负荷距离理想恒功率型 负荷有差距的原因。 2 4 2 感应电动机 空调的电机是作为一种“容易堵转”的电机，电压的减少会使它的转矩减 小到不能拖动连着的负荷，这样会导致空调压缩电机的堵转，一旦电机堵转， 它就很难再有足够的起动转矩重新起动空调的压缩机。文献 2 4 】对空调负荷 用一阶的感应电动机模型去分析了它们电压稳定的特性。由于空调压缩电机 有比较快的惯性时间和电磁动态特性，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。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 4 3z i p 模型+ 感应电动机模型 空调压缩机负荷本质上是感应电动机负荷，而动态稳定分析中，在空调 没有堵转的情况下，压缩电机是一类容易堵转的电机，它们的转子惯性时间 常数比较小，在进入故障后转子堵转前一两秒，空调负荷的机械转矩是基本 不变的。所以用三阶感应电动机模型能很好地反映空调压缩电机的性能，这 是一种考虑转子回路电磁暂态过程和转子机械运动暂态过程的数学模型。而 空调其它部分可用恒阻抗去描述它们的特性。因此可将空调负荷等值为- 个 感应电动机和静态负荷的并联，如图所示。 图2 - 2 空调负荷模型 2 4 - 4 调速器+ 三相感应电动机 感应电动机 恒阻抗 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，再经微电脑控制的变频器将直流电转换成频率 在一定范围内可调的交流电，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 w 5 0 h z 的交流电整流为直流电，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。下图为交 流变频空调的模型图，据研究统计日本1 9 9 9 年8 6 的空调为此类型空调【5 2 】。 1 3 华北电力大学硕上学位论文 i 1、 - - - l - _ - j o 、一，1 丕 ) tl 图2 - 3 变频空调负荷模型 三相感应电动机单相等效电路如图2 4 ，其中r ，和r ，分别为定子和转子电 阻，s 为滑差，皿和4 分别为定子和转子的漏电抗，s m 为励磁电抗，所有的 阻抗全都规算到定子侧。 j ：w o - - w( 2 2 ) w 其中：额定角速度； w 转子角速度。 r sb 图2 - 4 三相感应电动机单相等效电路图 r r 墨 此模型已被经过实验验证，并得到如下方程式【5 3 4 4 1 ： 明出 】批】警+ 筹 a 讲。 疋= 善军莩讥万d l # 3 ， 卜 1 , _ j a d w t b w 1 4 华北电力人学硕士学位论文 其中：【三】：定子和转子感应系数厶矩阵，f ，= 口，b , c , a ，b ，c ； 【v 】：口，6 ，g 彳，b ，c 相电压矢量： 【i 】：口，b ，c ，a ，b ，c 相电流矢量； 陋】：定子与转子阻抗矩阵r 口= o ，r o ，i ，_ ，= a , b ，c , a ，b ，c ； 0 ：角偏移： p ：丢； 曰：粘滞摩擦系数； ，：惯性时间常数； z ：电磁转矩； 丁：负荷转矩。 2 4 5k a r l s s o n - h i l l 模型 为了表现电力负荷的非线性特性，人们提出了两类非线性负荷模型：感 应电动机复合模型及非线性的输入输出模型。当感应电动机是动态负荷的主 要组成部分时，人们用感应电动机综合模型来表示负荷；当动态负荷由感应 电动机和其他动态负荷组成时，还用感应电动机模型来表示负荷，将不能正 确表现负荷的特性，此时宜采用非线性输入输出模型。对于非线性的输入输 出模型，有基本相同的结构。根据参数的选择不同可以分为：动静综合模型、 h i l l 模型、k a r l s s o n h i l l 模型、x u m a n s o u r 模型【1 2 】。文献 5 1 】的研究表明，这 类模型有基本相i 司的精度。 这里采用k a r l s s o n h i l l 模型， 软件可以辨识参数： p = p v + p t l t p + p v = p s - p p 。( o ) - - 0 州= p 槲v p t l ( v ) = p 0 p 时v 其中：尸节点功率值 p v 状态变量 p s ( v ) 静念函数 p t ，( v ) 暂态函数 模型表达式如下式所示，该模型应用相关 1 5 ( 2 1 ) 华北电力人学硕：l - 学位论文 p ，静态电压指数 p 。暂态电压指数 t n 有功功率动态时问常数 只有功功率初始值 昧电压初始值 y 节点电压值 参数为： r p ，p ，p ， 将式( 2 1 ) 中所有符号p 替换为q 即为无功模型。 2 5空调负荷计算方法 随着人民生活水平的提高，家用空调器正以惊人的速度走入寻常百姓家，成 为一支不可忽视的耗电大军。据统计，1 9 9 5 年全国每百户城镇居民平均拥有8 台房间空调器，到2 0 0 0 年已为4 0 台；而部分经济发达地区，如北京、上海和广 州，这一比例已由1 9 9 5 年的1 5 台百户猛增至2 0 0 0 年的7 8 台百户，而且仍在 继续上升。同时，家用空调器的耗电量在总空调耗电量中占据相当大的份额，2 0 0 0 年北京地区为6 0 ，日本的统计数据为8 0 。2 0 0 4 年房间空调器的产量已达到 6 6 4 6 万台，比2 0 0 3 年增长3 7 9 。 空调用电负荷的增加，使高峰时期负荷呈不断增长趋势，电力峰谷差进一步 拉大，地区网供负荷率下降，给电网造成极大的压力。随着经济发展和人民生活 水平的提高，可以预见我国空调负荷还将呈现高速增长态势，对电网经济运行、 电力供需平衡的冲击也将越来越大。因此，有必要掌握地区的空调负荷总量、特 性，了解空调负荷变化规律，制订有效的措施来控制高峰时段空调负荷增长，改 善电网负荷特性，提高电网运行的经济性。 目前各地的负荷控制系统一般都没有为用户的空调负荷安装表计，更没有直 接记录空调负荷数据，只能根据电网整体负荷变化的规律来估算空调负荷。考虑 到电网负荷的变化不仅仅与空调负荷有关，也涉及到很多其它因素，因而必须综 合考虑分析。而现状大多靠估算，缺乏准确性与依据性，制订的降低空调负荷的 措施缺乏针对性。 下面介绍两种空调负荷的定量计算方法，二者可以相互佐证，增加空调负荷 的可信度。可依此计算的结果提出具体的调节夏季空调负荷的措施，为迎峰度夏、 降低电网空调负荷提供依据。 1 6 华北电力大学硕j j 学位论文 2 5 1 最大负荷比较法 ( 1 ) 选取电网最大空调负荷时段进行分析。空调负荷的用电量并不很大，但最 大空调负荷对电网高峰负荷影响较大，因此测算对象主要是最大空调负 荷； ( 2 ) 区分工作日与非工作日。虽然居民、商场等用户的空调负荷在周休日、节 假日较高，但由于北京地区写字楼、办公楼等的空调负荷更大，因此，测 算重点又限定于工作日的空调负荷； ( 3 ) 确定比较的月份。根据各月最大负荷分布曲线可以看出：月最大负荷明显 在7 、8 月份较大，这2 个月也是空调负荷最大的月份；1 1 月至次年3 月 由于有供暖负荷，所以不能直接比较；4 、5 月份排灌负荷较大，为了减 小误差，也不能作为比较的参照；9 月前期各日最大负荷波动较大，主要 是因为天气仍偏热，有空调负荷的影响，而1 0 月末相对来说日最大负荷 已经略有上升，这是因为天气已经转冷，陆续出现少量的供暖负荷。因此， 为了减小误差，对于北方地区，可选取9 月1 5n , - 1 0 月1 5 日之间的工作 同的负荷与7 、8 月份工作日的负荷相比较；对于南方地区，可选取9 月 1 5i q - l o 月1 5r 作为比较的参照时间 。 ( 4 ) 确定比较的时段。由于电网负荷受多种因素影响，最大负荷的出现有一定 的偶然性，为了尽可能排除干扰因素，需要对上述直接用最大负荷进行比 较的方法进行修正。 首先进行典型负荷曲线拟合。取各日最大负荷作为标准，计算日负 荷曲线的标么值，再计算此标么值负荷曲线在同一时段上的全月平均值， 其方法如下： 只，懈= m a x 忆， j p p = ( 2 4 ) d m 娃 芒 厶p d ，h 一2 午 其中：局。电网第d 天矗小时的负荷； p d 一电网第d 天最大负荷； p 妯第d 天h 小时负荷的标幺值； 三。当月第h 小时的平均标幺值负荷； 当月的工作天数。 通过分析这种平均标么值负荷曲线可以发现：近年来7 、8 月份负荷 1 7 华北电力大学硕上学位论文 曲线形状基本一致，负荷曲线基本上是两段，1 0 ：0 0 - 2 1 ：0 0 已接近一条 直线，早晚高峰相差无几；9 月1 5 日l o 月1 5 日负荷曲线有一定差异， 晚高峰在1 9 ：0 0 左右，而且明显高于早高峰，这主要是由于照明时间提 前，与其它负荷重叠所引起的。因此，尽管全年1 8 ：0 0 - - 2 1 ：0 0 是负荷 高峰时段，但为了排除照明负荷的影响，要选取1 0 ：0 0 - - - 1 8 ：0 0 的负荷进 行比较，并认为7 、8 月份该时段的最大负荷与9 月1 5 日l o 月1 5 日该 时段的最大负荷之差即是空调负荷 ( 5 ) 考虑增量的影响。由于用电需求一直在增长，因而必须考虑9 月1 5 日1 0 月1 5 日月份新增用户的影响，故上述9 月1 5 日一1 0 月1 5 日月份的负荷 还应减去新增用户的负荷。一个简便的办法是：假定新增用户负荷引起的 电网负荷增长速度等于9 月1 5 日一1 0 月1 5 日月的报装容量相对于7 月报 装容量的增长率，按这个增长率剔除新增用户的负荷增量即为可比较负 荷。 此外，在供电紧张时期，采取各种迎峰度夏措施也会削减一部分高峰 负荷，因此还应适当加上这部分削峰负荷。 2