（电力电子与电力传动专业论文）蒙西电网负荷特性分析及综合方法研究.pdf

声明 本人郑重声明；此处所提交的硕士学位论文蒙西电网负荷特性分析及 综合方法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期白j ，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： 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) 导师签名：蕲医跪 日 期：冱律3 目2 f 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景与选题依据 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 【1 1 。 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。目前，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 2 , 3 1 。 负荷特性对电力系统系统仿真结果有重要影响，不同的负荷特性对电力系统的 暂态稳定，电压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间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 蒙西电网负荷节点下模型仍采用传统的传统6 0 电动机、4 0 静特性模型。事 实上，内蒙电网的负荷组成中，电弧炉、中频炉等高耗能负载占有很大比例，实际 负荷的构成情况与传统模型相差甚远。采用不合理的负荷模型就无法得到正确的结 果，以致通过计算得到的乌海至包头间极限传输功率仅5 0 万k w 左右，与通常双回 5 0 0 k v 输电线路所能传送的极限功率相去甚远。因此，内蒙电网，特别是包头及鸟 海地区负荷模型的建立已成为迫切需要解决的问题了。 1 2 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， 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，研究负荷建模极其动态 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 2 华北电力大学硕士学位论文 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f l 】。 1 3 本论文的工作 本论文所涉及的项目为蒙西电网负荷建模。在分析统计综合法和总体测辨法各 自优缺点的基础上，结合蒙西电网实际情况，提出了利用数字仿真软件，基于统计 综合法建模，结合现场记录数据校核的新思路。以下几章对模型的建立进行了详细 的阐述。 第二章对负荷建模的基本理论作了概述。主要包括3 个方面：两种经典的建模 方法及它们的优缺点；描述负荷特性三种模型形式；负荷模型的参数辨识( 其中着 重介绍了最小二乘法) 。 第三章概括了通过仿真，实验，调研获得的基本负荷特性。其中重点分析了蒙 西电网中最具有代表性的两种负荷的特性：a ) 电弧炉负荷：典型的随机性阻抗负荷， 通过仿真分析，得到概率意义上的阻抗模型：b ) 电动机负荷：通过对其进行仿真 分析表明转矩特性是影响其静态负荷特性的重要因素，需在建模过程中着重考虑。 并通过实验获得了变频调速电动机的恒功率特性。 第四章提出了模型综合的方法并将其应用到蒙西电网城区负荷的综合中。采用 有功功率求和，电气参数加权方法在p s c a d 中实现了电动机的综合；采用最小二 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。在蒙西电网城区负荷 统计的基础上，对静负荷和电动机负荷进行分别进行综合从而得到了综合模型。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。 第五章研究了感应电动机的各个参数对电力系统暂态电压稳定的影响。以故障 极限切除时间作为衡量系统暂态电压稳定性的指标，每次只改变一个电动机参数， 通过观察电动机端电压曲线来说明参数变化对暂态电压稳定性的影响。 第六章对整个论文的工作进行了总结，并对课题未来进一步的研究方向进行了展 望。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章负荷建模基本理论 2 1 两种经典的负荷建模途径 负荷建模己开展了大量的研究工作，人们已提出了不少方法，这些方法可以归 纳为两大类：一类是“统计综合法”，另一类是“总体测辨法”。下面是对两种方法 的介绍及优缺点分析【。 2 1 1 统计综合法 统计综合法的基本思想是将负荷看成个别用户的集合，先将这些用户的电器分 类并确定各种类型电器的平均特性，然后统计出各类电器所占比重，最后综合得到 总的负荷模型。其典型成果体现在e p r i 联合研究集团开发研制的l o a d s y n 软件 中。这套软件的理论部分是由美国t e x a s 大学的a d i n g t o n 分校负责的，g e 和其他 电力公司负责在电网上进行实验验证，现在许多国家电力部门都采用这神方法。 采用这种方法时，需要三种数据资料；负荷组成及各类负荷所占的比重；配电 网络的参数；各类负荷的平均特性。一般来说，后两种数据变化较小，而第一种数 据变化较大。 统计综合法的优点表现为：( 1 ) 典型负荷的全局特性数据充分，在此基础上建 立的负荷模型可反映大范围的非线性特性：( 2 ) 在负荷统计过程中获得了负荷的时 段分布数据，易于将负荷水平与负荷特性相对应，得到负荷的时变特性；( 3 ) 无需 安装测辨装置，项目投资少。可利用已经安装在变电站故障录波仪的部分数据，验 证与修改统计综合法得到的模型；( 4 ) 基础数据通过统计方法获得，项目实施时间 易于控制。 当然，这种方法也有很多局限性，表现在：( 1 ) 需通过大量调研与测试工作获 得典型负荷特性。由于同类负荷的分散性，典型负荷特性的确定必须通过大量实验 及负荷机理分析来综合：( 2 ) 大量的现场调研工作。从稳定计算所涉及的母线出发。 向下游逐层统计负荷的构成，以电力公司供电变电站到用户的出线为基本单位统计 负荷的类别、构成、时段分布特征等。 2 1 2 总体测辨法 总体测辨法的基本思想是将负荷看作一个整体，先从现场采集测量数据，然后 确定负荷模型的结构，最后根据现场采集的数据辨识出模型参数。总体测辨法在我 国河北南网、黑龙江电网等地用于建模。 总体测辨法的优点表现为：( 1 ) 采用现场实测数据，在扰动激励充分的条件下， 可以得到当时负荷的实际特性信息；( 2 ) 采用辨识算法进行建模，许多成熟的辨识 4 华北电力大学硕士学位论文 方法可以利用，同时，一些新的具有强综合能力的辨识算法可以采用。 其局限性表现为：( 1 ) 模型的建立取决于测试到的数据，而有效的测试数据必 须是在欲建模型的负荷区域之外发生较大扰动情况下获得的，因而，数据的获得具 有一定的随机性和被动性，项目实施时间较长；( 2 ) 负荷特性表现出很强的非线性， 如低压脱扣可使特定负荷从电网获得的功率跳变为零，而这一特性在通常记录的小 扰动下是无法建模的，但这一特性在稳定分析中又有很大影响；( 3 ) 负荷特性又表 现出很强的时变性，特别是无功特性与时段、负荷水平密切相关，将依据某个时段 检测的数据所建模型推广到其他时段可能导致严重错误( 4 ) 通过测辨获得信息， 必须安装测试与记录装罨，造成项目投入增大，现场安装、调试与维护工作量大。 2 2 负荷模型的形式 目前在负荷建模中，按照是否反映负荷的动态特性，负荷模型一般分为两种类 型，即静态和动态负荷模型前者用代数方程描述，后者则通常采用微分方程和差 分方程来描述。静态负荷模型主要适用于潮流计算和以潮流计算为基础的稳态分 析。在电力系统动态仿真中，普遍采用动态负荷模型，静态负荷模型仅仅适用于计 算结果对负荷模型不太敏感的负荷点。动态负荷模型主要包括机理模型和非机理模 型。机理模型通常就是感应电动机模型，而非机理模型的主要形式是差分方程模型。 2 2 负荷静态模型 负荷静态模型反映了负荷有功、无功功率随频率和电压缓慢变化而变化的规律。 其中，负荷随电压变化的特性称为负荷电压特性，而随频率变化的特性称为负荷频 率特性。 基本的静态模型结构为幂函数模型和多项式模型。幂函数模型的一般形式如下： ￥。隳| u q | 错( 2 - 1 、 q q l u u | 错| 其中p , q 为负荷消耗的有功功率和无功功率，u 为负荷母线电压，昂，g ，u o ，工为在 基准点稳态运行时负荷有功功率，无功功率，母线电压和电网频率。见，吼，办，g ，为负 荷静态特征系数，描述当负荷的功率，电压，频率取百分值( 标幺值) 时，功率对电压及频 率的变化率。即： ，见。器乃5 丽d ( e g )( 2 - 2 ) l 吼= 丽a ( q q o ) g ，= 丽d ( q q o ) 多项式模型的一般形式为： 5 华北电力大学硕士学位论文 r 肛咖一驯蚶+ b p ( u 吲m 乳鳞j ( 2 - 3 ) l r a , ( u u o ) 2 + b , ( u u o ) + 卟( 乳觚j 模型的第一个方括号中各项反映了负荷的静态电压特性，通常将其中的电压二 次项称为恒定阻抗项，电压一次项称为恒定电流项，电压零次项称恒定功率项，且有 以+ b + q = 1 4 ，吃，e 则对应无功功率，其意义与4 ，纬，q 同 模型第二个方括号中各项反映了负荷的静态频率特性，用线形函数表示。系统正 常运行条件下的频率偏移通常很小，近似认为4 厂为零，即忽略频率变化对负荷特性 的影响。 从参数确定的方便性来说，显然幂函数模型相对于多项式模型更简便。从实际 应用结果来说，幂函数模型的精度较高，在电压变化范围较大的情况下仍然能较好 的描述多种负荷的静特性。因此广泛应用于负荷建模。当然，指数模型它的缺点， 例如对于像空调。电动机与负荷或某些综合负荷，指数模型难以描述其在低电压情 况下随电压降低吸收功率反而增加的特性【5 1 。 2 2 2 机理动态模型 机理模型通常就是感应电动机模型。相应的有采用一台等值感应电动机，两台 或更多的等值感应电动机，以及将感应电动机并联上有关的静态模型等几种形式【6 1 。 对于感应电动机，通过一些基本假定，可以列出其a b c 坐标系统下的基本方程。 然后，通过p a r k 变换将其换至以同步速旋转的d q o 坐标系统。在计算精度满足电力 系统计算的要求且计算量适中的情况下，可以采用忽略定子绕组暂态过程的三阶机 电暂态过程来描述其动态过程。具体方程如下： f罢= 乙一 f圪= ( 1 一s ) 日一【r + _ ，( 1 一s ) x 】匕 譬刈慨) l - ：( x - x ) 厶 i乙= - ( e q i q + e j ) = ( e + p j ) 1 r w = 粗口+ ( 1 - a x l - s ) “】 将上述方程按实，虚部分展开分别描述为： 堕d t = 喇一毒砭+ t x - x 6 华北电力大学硕士学位论文 鲁一砉e + 碱+ 等 ( 2 - s ) 盟d t = 上2 h ( z 一瓦) ，铲孝限叱包卜双铲印1 ( 2 _ 6 ) 1 = i 可卜x ( 一荔) + 墨( _ 一) 】 、 z = 历毛+ 乓 ( 2 9 ) 、 8 = g o = t ；尘；_ i 誊g ：t _ = i _ t = o = - 1 w i = = 2 - i 2 譬i ；j 篮一 7 卸8 加b 娜9 舯9 抽 1 0 、， “h - 。 t ( s ) 图3 q 电动机端电压变化情况 - 一一j 一 j “一 l 一 p k 、，一 t ( s ) 图3 - 5 电动机有功功率变化情况( p o u t 代表恒定转矩，p o u t i 代表平方转矩) l 。 ， 一氏 j j 、。d ，一 、 j 。- ， 一描产端冀誉雾若群甜乏 t ( s ) 图3 - 6 电动机无功功率变化情况( q o u t 代表恒定转矩，q o u t l 代表平方转矩) 对于图3 。5 至图3 - 6 的解释：感应电动机稳态等值电路如图3 7 ，由此可见电动 机吸收的有功功率与无功功率为输入电压与滑差的函数。由于电气过渡过程要比它 的机械过度过程快得多，由于机械惯性的原因，滑差不能随电压扰动瞬时变化。当 滑差保持扰动之前的数值不变的时候，电动机呈现为恒定阻抗特性。因此电动机的 l r 华北电力大学硕士学位论文 有功功率，无功功率在电压下降初始时线性下跌。电磁转矩与转速都也随之降低。 电动机具有功率恢复特性，电压降低后，气隙磁通尹减少，转子功率因数c o s 伊变化 不大，根据电磁转矩公式r = c i c o s y ，要尽量维持电磁转矩与负载转矩的平衡， 电动机的转子电流增大，定子电流也随之增大。因此有功功率在短时间降落后有延 缓降落幅度或者上升的趋势，另外，由于电动机内电流的增大，无功功率显著上升。 有功功率，无功功率的变化情况与电动机的转矩特性有很大的关系，这点可以从波 形看出。 图3 - 7 电动机稳态等数值电路 异步电动机是负荷中最重要的动态部分，因此其暂态特性是研究的重点。下面 研究发生电压暂降两种转矩特性电动机功率特性。将电压在0 3 s 内降到额定电压的 8 0 然后恢复。电压，功率波形： f f ll i il l l l t ( s ) 图3 - 8 考察动特性电压波形 一 1 盈 到肇题k f j o 艮一 o 9 0 f k氧 七五 o 妒势。 0 7 c 4 目4 自4 自5 由5 主o5 如5 抽s 痂b 肺 t ( s ) 图3 - 9 电动机有功功率变化情况 t ( p o u t 代表恒定转矩，p o u t l 代表平方转矩) 无功曲线( 其中q o u t 为恒定转矩电动机无功波形，q o u t l 为平方转矩电动机无 1 9 华北电力大学硕士学位论文 功波形) ： ，o q 叫# 口o o u t t_ | 1 o o o e 0 0 o 一 、! o a o 2 0 j ， v o o d t s ) 图3 一1 0电动机无功功率变化情况 ( q o u t 代表恒定转矩，q o u t l 代表平方转矩) 从仿真结果可以看出，在电压大幅度变化情况下，功率曲线下跌后在极短时间 内就恢复到原来的水平。这体现了电动机的动态功率恢复特性，是区别与静态负荷 的重要特征。在电压稳定分析中，这是需要着重考虑的因素因为负荷的功率恢复 特性可能将运行电压已经较低的系统推向崩溃的边缘，尤其是其低电压失稳特性可 能直接导致电压崩溃【1 6 】。 3 3 2 变频调速装置驱动电动机特性 电动机带变频装置的主要目的是通过调节变频器输出电压或者电流来控制电动 机力矩，转速，从而达到工艺上的要求。而对于负荷建模来说，我们所关心是的是 输入电压的变化引起的负荷有功，无功变化情况。对此，一般来说变频器都有相对 应的控制策略，例如调节占空比，保持输出功率的恒定。并且这个控制调整的过程 非常短，因此对于带有变频器的电动机我们可以看作恒功率负荷。 这里我们可以通过实验来进行说明。如果通过实验来获取负荷的特性，首先必 须具备电压和频率扰动发生装置。传统的做法是通过调节变压器的分接头或者串联 一些电阻等来改变负荷的电压。这些方法的缺点是难以精确的控制负荷端的电压并 且产生扰动的类型也比较单一。国外许多发生装置则采用功率器件工作在线性放大 区的方式产生所需的信号。这类装置虽然具有波形丰富、动态特性好的特点，但存 在造价高、功耗大，效率低等问题。因此开发一种可编程的，能够进行精确控制， 并且具有合适容量的扰动发生装置来测试所有类型的负荷就显得比较重要了。 在本论文中使用的是一种基于电压源型换流器的扰动发生装置。这种装置的模 型机已经开发完成，它可以产生的干扰包括电压偏差，频率偏差，电压凹陷、三相 不平衡、电压波动、闪变、以及谐波等等。 该扰动发生装置的主回路如图3 - 1 1 所示，它由不可控整流桥、直流母线、全 华北电力大学硕士学位论文 控型逆变器、滤波器组成。控制单元完成信息的采集、处理、运算及驱动脉冲的产 生。后台p c 机用于扰动类型、大小等参数的输入及波形的可视化。中性线由直流 母线的串接电容器中间位置引出，以构建一个三相4 线制的供电系统，这样就可 以同时为三相或者单项负荷供电。控制单元依据所要产生的电压波形的瞬时值，产 生每相桥臂采用s p w m 波相应的u a ，u b ，u c 。该s p w m 波经r 型l c 滤波器，滤 除开关频率成份后，连接到负载回路。考虑到逆变器中的功率损耗以及易于选择滤 波器，s p w m 的载波频率选为1 3 2 k h z 。 = 相 交 流 输 入 图3 1 1 装置主回路图 本论文实现的扰动发生装置按3 8 0 v 系统，1 2 k v a 容量设计。系统采用不可控 三相六脉动整流，逆变器采用三桥臂、六只i g b t d i o d e 组合器件构成。控制系统 采用高速数字处理d s p ，该处理器带有可灵活编程的p w m 输出，为实现各种扰动 波形控制提供了方便。滤波器能够正确保持1 9 次以内的谐波成份失真度在5 以 内，开关分量的谐波小于3 。图3 - 1 2 为产生的电压暂降波形。 图3 - 1 2 产生暂降的波形( 电压幅值降落2 0 ，持续2 0 0 m s ) 图3 1 3 所示为测试到的异步电机经由变频调速接入电源和直接接入电源对于小 幅电压跌落的响应示例，上图为电压暂降时的电压值，中图为异步电机经过变频调 速接入电源在电压暂降时的定子电流值，下图为异步电机直接接入电源在电压暂降 时定子电流值。由图可见变频调速驱动电机电流明显升高，表现了恒功率负荷的特 性。 2 1 华北电力大学硕士学位论文 圈3 1 3 负荷对于电压跌落的响应示例 3 4 其他负荷特性简介 统计综合法建立负荷模型的基础是各类基本负荷的典型特性，通过对蒙西地区 负荷的调查，结合国内外典型的模型，将蒙西地区的电力系统典型负荷特性按不同 的类别汇集如下。 1 白炽灯 1 ) 用途：照明 2 )原理：电流通过装在真空式充有惰性气体的玻璃外壳内的钨丝加热达到白炽 状态而发光的灯具。 3 )供电方式：单相2 2 0 v 4 ) 图3 1 4 白炽灯示意图 特性： a ) 静特性： 典型描述方式( 爷= ( 对充气白炽灯：d = 1 3 1 ，u = 2 4 1 对真空白炽灯：d = 1 3 5 ，u - - = 2 3 3 可利用绘点和拟合的方法导出： p = p n ( ) 4 ， 对应的。值1 5 4 1 5 8 ： 华北电力大学硕士学位论文 q 2 0 ； b ) 动特性：白炽灯不表现出动特性。 2 灰光灯 1 )用途：照明 2 )原理：荧光灯是利用管内低压汞蒸汽，通电过程中汞原子被电离时辐射出的 紫外线去激发荧光粉而发出可见光的一种气体放电灯。 3 ) 供电方式：单相2 2 0 v 万_ i 已盘士11 而 图3 - 1 5 荧光灯示意图 4 ) 特性： a ) 静特性： 实验数据表明在电压1 0 变化范围内电流与电压变化基本成正比，因此 有： 吼( 争 叫圳 4 5 p n ( 篑) 2 当u o 9 u m 时，p = 0 ，q = l 4 5 s ( ) 2 l ， b ) 动特性：不表现出动特性。 3 高强气体放电灯 1 ) 用途：照明。 2 ) 原理：h i d 光源是高压汞灯、金属卤化物灯和高压钠灯的总称，均通过某种 激发源形成辐射。 3 ) 供电方式：单相2 2 0 v 或3 8 0 v 2 2 a 、， o r 铷| o v 图3 - 1 6 高强气体放电灯示意图 4 ) 特性： 曲静特性： 由测试曲线拟合可得功率与电压变化关系近似关系： 州争，a - - - - - 2 2 5 华北电力大学硕士学位论文 唧w ( 夥埘 c o s 西= 0 4 5 0 6 5 b ) 动特性：不表现出动特性。 4 逆变高频灯 1 1 用途：照明。 2 ) 原理：将低频的交流电通过整流转变为直流电，再经过逆变器变换为较 高频率的交流电，通常为2 0 k h z 8 0 k h z ，由高频能量来驱动一只或几只灯管， 使启辉点亮并正常工作。 3 ) 供电方式：单相2 2 0 v ，电路结构下如图所示。 图3 - 1 7 逆变高频灯示意图 4 ) 负荷特性 a 1 静特性： 由于这种灯对应的镇流器的自身调节作用，在电压变化：1 0 0 v 2 5 0 v 之间， 基本为恒功率，电压小于i o o v 时可按恒阻抗考虑，由于p f c 的作用，这种灯 的功率因数接近l 。 这种具有按不同电压区段，具有显著差异的特性，采用指数函数拟合会造成 很大的误差，特别是完全改变了额定电压附近的特性。因此，这类负荷的特性 只能分段描述。当所采用的仿真程序不具备负荷的分段描述功能时，先按额定 电压附近的特性考虑。通过计算结果可以判定是否发生负荷已进入异常状态， 如负荷保护、低压脱扣等，如若发生且系统功角保持稳定，可以认为系统已发 生总体或局部的电压稳定问题。 p _ 目( 茜) 4 。4 5 饥 1 l q ，a = 0 1 q _ - 0 c o s 西1 b 1 动特性：不表现出动特性。 5 开关电源 1 ) 用途： 2 ) 原理： 电。 3 ) 供电： 计算机、控制器、电视机等i t 电器的供电。 将市电( 2 2 0 v ，5 0 h z ) 经不控整流器和可控d c d c 变换给电子电路供 单相2 2 0 v ，电路结构下如图所示。 华北电力大学硕士学位论文 旦田氍嘧l _ 。1 。丫 阂i 由于d c d c 变换器的恒压控制，负荷特性表现为总体上的恒功率特性。由 于反馈控制通常是针对一路的，电压降下大于1 0 后，功率略有下降。电压降 p _ 晶( 争 o 7 u n 苫 华北电力大学硕士学位论文 舯 1 脚 言1 舯 苫，瑚 q l ，舯 0 0 4 0 f 占鞑 。| y 4 鞠4 玛5 嫡? s 3 5 s n5 7 5e 髓奄2 s o o = 篇= i i i i i _ 4 i ；g l _ ；耸j ；j t ；盆i t i ；_ i o ；磁；o _ _ j ；矿一 l i s j “ ( b ) 无功功率曲线 图4 - 9 工业负荷( 一类) 综合等值模型的动特性拟合效果 静特性有功曲线的拟合最大误差小于0 1 ；无功曲线的拟合最大误差为2 。 动特性有功曲线的拟合最大误差小于0 1 ；无功曲线的拟合最大误差为1 5 。 4 3 4t 业负荷( 二类) 工业负荷( - - 类冲各种负荷所占比例及其静特性参数如表4 8 所示。 表4 - 8 工业负荷( - - 类) 中各种负荷所占比例及其静特性参数 种类 比例p - y 参数q - v 参数功率冈数 电阻类负荷 7 5 2 31 6 lo 9 电流类负荷 1 5 1 82 20 7 电力电子类负荷 3 o 1 5 o1 o 电动机类负荷 7 种类及相对份额同工业负荷( 一类) 将工业负荷( 二类) 按照构成比例和参数在p s c a d 中实现，通过数字扰动实验得 到电压变化时有功、无功变化情况，分别如图4 1 0 和图4 1 l 中的p l 、q l 所示。 在m a t l a b 中对静特性功率曲线进行最小二乘拟合，可以得到静特性参数。 工业负荷( 二类) 综合等值模型的静特性参数：p v 参数为2 1 3 5 ，q v 参数为1 9 9 。 工业负荷( 二类) 的电动机类型和参数与工业负荷( 一类) 中的相同，只是所 占比例要小，只有7 。其等值模型仍采用表4 7 所示的工业电动机等值模型参数。 工业负荷( - - 类) 综合等值模型的静特性和动特性功率曲线分别如图4 1 0 和图 4 1 1 中的p 2 、q 2 所示。 4 1 华北电力大学硕士学位论文 o p 2 dp t h b 吣 宴 q 每斌 1 丘对 n “h o 了吣 x i m 一一一蔷。4 珏尹4 蔷产“莓4 气菡“矗。勰。尹孑 t ( s ) ( a ) 有功功率曲线 | 一 l 。一 、_ l “ 一，丫、_ q “- j p 霜镒若气学铲彳 t t s ) ( b ) 无功功率曲线 图4 1 0 工业负荷( 二类) 综合等值模型的静特性拟合效果 2 0 l 2 肿 f j d j 呻 7 弋一 1 呻 j | 1 了常芦蔷尹篙萨。等孝“驾嚣雾4 喾鬻喾 f 【s ) 。“，柚 1 m 拿 善 甜， o 舶 o 朋 一0 4 0 ( a ) 有功功率曲线 a 、 i 羿玉嚼b i ， 忑 t ” ( b ) 无功功率曲线 图4 - i l 工业负荷( - - 类) 综合等值模型的动特性拟合效果 华北电力大学硕士学位论文 静特性有功曲线的拟合最大误差小于0 1 ；无功曲线的拟合最大误差为1 8 。 动特性有功曲线的拟合最大误差小于0 1 ；无功曲线的拟合最大误差为2 。 4 4 关于变压器的考虑 图4 1 2 变压器等值示意 对于变压器来说，由于一般只考虑漏抗的影响，因此可以看作只消耗无功功率 的静态负荷，所消耗的无功功率为q = ，2 z ，其中x 为变压器电抗，i 为流经其电流， 因此在电压变化时所消耗无功功率的变化情况由两个因素决定：下面所接负荷，电 压的变化情况。对于下接负荷一定的情况下，在电压降落所表现出的无功特性可以 表达成电压的函数，因此可以以电压为自变量，变压器所消耗的无功功率为因变量， l ， 通过最小二乘拟合采用指数形式( q = q ( ) “) 来描述其无功特性，将它作为静负 ，o 荷挂在负荷节点下，并最终与负荷节点下原有静负荷综合为一个。 以古城( 1 0 k v ) 为例，将变压器( 1 l o k v l o k v ，漏抗1 0 ) 等效为无功负荷通 过计算得到描述其无功一电压特性的其表达式： t ， q = 3 9 ( 上一) “ ( 4 2 5 ) s 1 n 进行稳态实验，等值效果如下： o p 席h w 删删 嘞“嘞 h h 嘲 o 崩0 一 晴竹_ l 、 、 。印“嘲h - 、 、 _ 。h 0 3 9 0 k 1 k 咀-、k 一”2 # _ g ；_ g _ _ ￥算j t = z _ i 掣z _ 举薯o # _ z = g 端2 与i 2 9 = i i ；￥”“。2 。 2 7 53 3 , 2 53 * 6 03 7 54 2 54 5 04 7 55 t ( s ) 华北电力大学硕士学位论文 a o q，旧甜 0 2 蚓 t 0 2 1 口j 9 、 1 啊 、一 h 籼n h l 日l y | 7 _ 鼬r啊一。w 日 叶。 掣端耸攀每声奄芷蜜撼举群g # 尊卑簧描g 群喾j 斑监描芷墨篇譬￥童2 莲2 鼍鲞蛊凶蕾。芦誓蕾二= 罕加一 2 艄 3 m3 石3 目 3 4 q i i ，4 2 s 4 期4 7 5 5 ，一 t s ) 圈4 一1 3 变压器等值效果图 ( p i ，q 1 为将变压器等值后得到的功率曲线) 4 5 负荷出线的模型综合 得到了四种典型负荷的模型后，就可以根据负荷出线下四种负荷所占的比例，得 到负荷出线的综合模型。以古城变( 1 0 k v ) 出线( 实际是带有多条馈电线路的母线 段) 为例，通过统计各类下级变压器的容量得到四类负荷所消耗的功率如表4 - 9 所 示。 表4 9 古城变( 1 0 k v ) 各类城区负荷的功率( 单位：姗，m y a r ) 居民负荷商业负荷工业一负荷工业二负荷 有功功率 1 9 5 73 2 9 92 7 2 2 27 4 5 5 无功功率 0 7 3 20 9 6 41 2 8 0 l4 1 9 2 分别对四种的负荷的静负荷与电动机负荷进行综合，得到静特性参数：p v ： 1 4 5 3 ，q v ：1 7 9 9 。综合的电动机参数如表4 1 0 所示。 表4 1 0 古城变( 1 0 k v ) 综合等效电动机模型 00 2 800 8 532 900 201 608 801 l 参数数值1 i i 1 i 1 il1 分别进行静特性实验和动特性实验，负荷特性曲线如图4 1 1 和图4 1 2 所示。 其中p 1 ，q l 为综合模型的功率曲线，p 2 ，q 2 为实际负荷的功率曲线。 华北电力大学硕士学位论文 op ， 岫l 诋 靛拳 、- 0b 、 o j 9 史 之跫，一 专 一i 箸雩著专著丐嚣雩筹气盖。莲箱严寿f ；苗- 一 ” t ( s ) ( a ) 有功功率曲线 m h u m 曲 0 1 7 0 1 7 、 k 。 一 嘲 i 戤堍。 崤虢 麓谶 试0 b 。一 ”h k 。j ”t ， 呻鼬铀- 一j 窘磊严丐雾磊尸丐手蔬：_ 铲磊气茅蓄孑i t ( s ) ( b ) 无功功率曲线 图4 - 1 4 古城变( 1 0 k v ) 出线的静特性 o 雕 l 。廿p 2i k 一l o o o j i o m 0 0 l 乒j 薄茸蹲；盔；自举￥自* # # 自f 蔷i 盆* _ “ # ；i ；i 口盆。屿_ 瞄i 避_ 猫“畸4 五端；。盐一 悱3 舶 4 4 1 0 一 4 瑚 ， 4 舯4 4 期 b o4 阳 。 t ( s ) ( a ) 有功功率曲线 华北电力大学硕士学位论文 o ； 亍! 氐 毽一 一 厂 、 v l ( s ) ( b ) 无功功率曲线 图4 - 1 5 古城变( 1 0 k v ) 出线的动特性 有了这些基本方法后，负荷综合就可以一层层上移，直到最终的l l o k v 负荷出 线的综合统计模型。 负荷模型的验证与校核见论文蒙西电网负荷建模及其影响分析。 4 6 华北电力大学硕七学位论文 第五章电动机参数对暂态电压稳定性影响初探 近年来，世界各地发生了许多暂态电压失稳事故。暂态电压稳定问题又称为短 期电压问题，是指电力系统发生故障或其他类型的大扰动后，某些负荷母线电压发 生不可逆转的突然下降的失稳过程。这主要是由具有快速调节特性的负荷如感应电 动机和直流换流器等引起的，因此，暂态电压稳定通常用于研究动态负荷的稳定性。 感应电动机负荷是电力系统的主要成分，也是最主要的动态负荷，与暂态电压稳定 问题密切相关。而感应电动机的动态过程是由各个参数共同描述的。目前，屯力系 统分析中的动态负荷通常采用感应电动机与恒定阻抗或静态负荷z i p 模型并联的形 式表示，感应电动机负荷模型通常采用典型参数。实际上，在电力系统稳定性分析 中，连接于高压( 1 l o k v 或2 2 0 k v ) 负荷母线的感应电动机负荷表示包括配电网和一 组电动机在内的综合负荷，感应电动机模型的典型参数可能难以完全反映特定系统 动态负荷的实际情况，因此，有必要分析、比较感应电动机负荷参数变化对暂态电 压稳定性的影响，在此基础上不断提高感应电动机负荷动态模型的精度。本文以简 单电力系统为例，研究感应电动机各个参数变化对电力系统暂态电压稳定性的影响 1 2 4 ，2 5 t2 6 ，2 7 ，2 8 1 。 选择故障极限切除时间作为衡量系统暂态电压稳定性的指标。当系统发生短路 时，如果故障切除时间大于某一极限值，则系统将失去电压稳定，而当切除时间小 于这一值时，则将保持电压稳定，这一极限时间称为系统保持暂态电压稳定的故障 极限切除时间。它的大小在一定程度上反映了系统暂态电压稳定性的强弱。故障极 限切除时间越小，则系统的暂态电压稳定性越差；反之，故障极限切除时阃越大， 则系统的暂态电压稳定性越好【2 9 1 。 本文主要侧重分析处于受端的电动机参数对暂态电压稳定的影响，因此没有考 虑送端电力系统的一些因素，而简单设定为单负荷无穷大母线系统。如下图： e v 图5 - 1 单负荷无穷大系统图 无穷大系统电压e 幅值为1 0 5 p u ，线路由两条参数完全相同的支路组成，每条支 路电抗为0 1 2 p u 。感应电动杌初始有功为0 0 1 4 p u ( 基准值为1 l o k v ，i o o m v a ) 。 若此系统的一回输电线在距离无穷大母线5 0 处发生三相短路，并在0 1 s 故障切 除，每次只改变图中简单电力系统或感应电动机负荷的某一参数，保持其他参数不 4 7 华北电力大学硕士学位论文 变，观察这个参数对暂态电压稳定影响。 ( 1 ) 定子电阻 口v 1 r 蔷产气学锦产i 蔷靠f 蔷写舻磊产彳蒜 图5 - 2 定子电阻对稳定性影响 ( v 2 定子电阻为0 0 7 ，v i 定子电阻为0 0 1 ) 由图可见。两种情况下电动机端电压最终都失稳了，说明两种情况下故障极限 切除时问部小于0 i s 。相比较丽言，定予电阻小的情况下失稳更加严重。因此定子 电阻越大，系统的暂态稳定性越好。 ( 2 ) 定子电抗 图5 - 3 定子电抗对稳定性影响 ( v 2 定子电抗为0 1 2 ，v l 定子电抗为0 0 8 ) 由图可见，当定子电抗参数为0 0 8 时，电动机端电压是稳定的，说明此时的故 障极限切除时间大于0 i s ；而当定子电抗参数为0 1 2 时，电动机端电压失稳，说 明此时的故障极限切除时间小于0 i s 。因此定子电抗越大，系统的暂态稳定性越差。 ( 3 ) 转子电阻 m懈啪啪旧蛳啡 华北电力大学硕士学位论文 图5 - 4 转子电阻对稳定性影响 ( v 2 转子电阻为0 0 8 ，v l 转子电阻为0 0 2 ) 由图可见，当转子电阻参数为0 0 8 时，电动机端电压是稳定的，说明此时的故 障极限切除时间大于0 1 s ；当转子电阻参数为0 0 2 时，电动机端电压失稳，说明 此时的极限切除时间小于0 1 s 。因此转子电阻越大，系统的暂态稳定性越好。 ( 4 ) 转予电抗 0 y 2 o 口v 1l 1 1 0 f 一一 1 d e l。 o 舶 e 舶 l ， 0 7 0 *卜 0 鼬 t 入 o 舶 o | 、 、u l 6 6 7 7 5 08 8 靳9 9 ，1 0 图5 - 5 转子电抗对稳定性影响 ( v 2 转子电阻为0 1 8 ，v l 转子电阻为0 0 2 ) 由图可见，当转子电抗参数为0 0 2 时，电动机端电压是稳定的，说明此时的故 障极限切除时间大于0 1 s ；当转子电抗参数为0 1 8 时，电动机端电压失稳，说明 此时的极限切除时间小于0 1 s 。因此转予电抗越大，系统的暂态稳定性越差。 ( 5 ) 激磁电抗 华北电力大学硕士学位论文 图5 - 6 激磁电抗对稳定性影响 ( v 2 激磁电抗为4 ，v l 激磁电抗为3 2 ) 由图可见，当激磁电抗参数为4 时，电动机端电压是稳定的，说明此时的故障 极限切除时问大于0 ，l s ；当激磁电抗为3 2 时，电动机端电压失稳，说明此时的极 限切除时间小于o 1 s 。因此激磁电抗越大，系统的暂态稳定性越好。 ( 6 ) 惯性时闯常数 图5 7 惯性时间常数对稳定性影响 ( v 2 惯性时间常数为2 ，v l 惯性时间常数为1 ) 由图可见。当惯性时间常数为2 时，电动机端电压是稳定的，说明此时的故障极 限切除时间大于0 1 s ；当惯性时间常数为1 时，电动机端电压失稳，说明此时的极 限切除时间小于o 1 s 。因此惯性时间常数越大，系统的暂态稳定性越好。 ( 7 ) 转矩特性 5 0 华北电力大学硕士学位论文 t o v 2d i ； 目目_ 0 0 一一 o 9 0 0 j， ，r 0 8 0 o o 6 口 。o s b l 0 4 0 图5 8 转矩特性对稳定性影响 ( v 2 代表平方转矩，v 1 代表恒定转矩) 电动机转矩特性的表达式有几种，但本质上可以分为恒定转矩，平方转矩，混 合转矩三种。这里取两种极端情况，平方转矩和恒定转矩进行分析。由图可见，虽 然电动机端电压都没有失稳，但平方转矩电动机在0 1 s 故障切除后电压恢复得更 快，表明系统的暂态稳定性好。因此在电动机稳态时吸收功率一定的情况下。转矩 特性中平方转矩所所占比例越大，稳定性越好。 综上，在描述感应电动机的各个参数中，定子电阻，激磁电抗，转子电阻，惯 性时问常数越大，系统的暂态电压稳定性越好；而定子电抗，转子电抗越小，系统 的暂态电压稳定性越好。另外，在电动机吸收功率一定的情况，转矩特性中平方转 矩所占比例越大，系统的暂态电压稳定性越好。 5 1 华北电力大学硕士学位论文 第六章结论与展望 本论文主要有以下成果： 1 通过仿真，实验，调研获得了基本负荷特性。电弧炉由于其自身的工作特点使得 其负荷特性表现出很强的随机性，只能通过仿真分析将其归结为概率意义的阻抗 负载；对于感应电动机来说，可以用典型三阶模型对其进行描述，而通过仿真表 明，转矩特性是影响其静态特性的重要因素，这就对电动机的调研以及综合指明 了重点。另外，还讨论了其他负荷特性，如电解装置的恒电流特性等