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1、负荷模型对电力系统仿真计算的影响ABSTRACT: This paper analysis the impact of load model on the power system transient stability, voltage stability, small-signal stability, and frequency stability simulation. Point out that the load models impact depends on the load location, electric power network composition, gener
2、ator distribution, and etc. So it is necessary to build load model matching the actual network.KEY WORD: load model; power system simulation; transient stability, voltage stability, small-signal stability. 摘要：针对负荷模型对电力系统仿真计算的暂态稳定、电压稳定、小干扰稳定和频率稳定问题的影响进行了分析。指出负荷模型对电力系统的影响与负荷所处的位置、电网结构，电源分布等因素相关，因此必须根据
3、电网实际建立切合实际的负荷模型。关键词：负荷模型；电力系统仿真；暂态稳定；电压稳定；小干扰稳定0 引言在进行电力系统分析时，不恰当地选取负荷模型，会使所得结果与系统实际情况不相一致。大量仿真计算结果表明：不同的负荷模型对系统暂态稳定、电压稳定、频率稳定以及小干扰动态稳定的仿真计算结果具有不同的影响，在临界情况下，计算结果可能会发生质的变化1-4。1 负荷模型对暂态稳定的影响在系统受到扰动后的第一、二功角摇摆周期内，一般会出现电压降低的情况，特别是在振荡中心。在此期间，负荷消耗的功率大小对系统功率平衡有很大影响，从而将影响功角摇摆和稳定极限5-8。如果实际负荷为恒电流特性，在仿真计算中采用了恒阻
4、抗模型，负荷消耗的功率本来应该和电压成线性关系，计算中却表现为与电压成平方关系。系统扰动后电压降低时，负荷吸收功率的减少被夸大了：如果负荷位于加速机群附近，计算结果将偏保守，因为发电和用电的不平衡关系被夸大了；如果负荷远离加速机群或靠近减速机群，则将得到乐观的结论。反之，如果采用恒功率负荷模型描述实际的恒电流负荷，则会得到不同的结论。所以，很难找到某种负荷模型在系统中任何部分对于任何扰动都是保守的。 以往研究已经证明系统发生较为严重故障时（在电压、频率变化较为明显），采用动态模型可显著地提高仿真的准确性。另外，感应电动机对系统暂态稳定的影响与感应电动机相对于故障点的位置、感应电动机的负荷特性、
5、感应电动机的暂态特性等因素相关。一般情况下，功角的第一摆稳定取决于两个因素：（1）短路期间发电机获得的加、减速能量；（2）短路故障消失后加、减速能量的释放。以一个单机无穷大系统（见图1）来分析这两种因素的影响，比较几种负荷模型对这两个因素的影响。本算例采用以下三种负荷模型：（1）东北大扰动试验推荐的考虑配电网络的综合负荷模型，以下简称SLM（东北）（2）50%III型马达+50%恒阻抗模型（3）静态30%恒阻抗+40%恒电流+30%恒功率模型，简称静态3-3-4ZIP模型SLM（东北）模型参数如下：（1）配电系统网络阻抗：j0.06 p.u.；（2）电动机比例：60，负载率：40；参数：，；（
6、3）静态负荷比例：40，静态负荷构成：30恒定阻抗、30恒定电流、40恒定功率；（4）静态负荷功率因数：；III型马达参数如表1所示表1 III型马达参数Tab.1 The parameters of III type motor model0.020.183.50.020.1220.850其中：感应电动机定子电阻感应电动机定子电抗感应电动机激磁电抗感应电动机转子电阻感应电动机转子电抗感应电动机的惯性时间常数，单位：秒；A转矩方程常数B转矩方程常数 (1) 负荷模型对送端加速能量的影响功率从发电机侧流向无穷大系统侧，如图1，分析负荷模型对送端机组短路期间获得的加速能量的影响。图1 单机无穷大系
7、统Fig.1 Single-Machine and Infinite Power System故障类型：0秒线路1母线2侧发生三永短路故障，0.12秒时开关动作断开线路1。负荷吸收的有功方面，在短路期间SLM（东北）吸收有功最大，50III型马达50恒阻抗其次，静态343ZIP模型吸收有功最小（见图2）。系统电压方面，动态负荷模型和SLM（东北）在短路期间向系统提供容性无功，而静态负荷吸收无功接近于0，短路期间系统电压由高到低依次对应SLM（东北）、动态负荷模型、静态负荷模型（见图3），系统电压越高越有利于发电机功率外送。综合上述两方面的影响，采用SLM（东北）时发电机的电磁功率最大而加速功率
8、最小，发电机在短路期间获得的加速能量最小，采用静态负荷模型时发电机的加速功率最大，发电机获得的加速能量最大，动态负荷模型在短路期间获得的加速能量居中，见图4。图2 短路期间有功负荷Fig.2 Active power during short circuit 图3 短路期间母线1电压Fig.3 Voltage of bus 1 during short circuit图4 短路期间发电机加速功率Fig.4 Boost power of generator during short circuit（2）负荷模型对受端减速能量的影响功率从无穷大系统侧流向发电机侧（见图1），分析负荷模型对受端机组短
9、路期间减速功率的影响。故障类型：0秒线路1母线2侧发生三永短路故障，0.1秒时开关动作断开线路1。短路期间负荷功率、系统电压以及发电机减速功率如图5、6及图7所示。图5 短路期间母线1电压Fig.5 Voltage of bus 1 during short circuit图6 短路期间负荷有功功率Fig.6 Active power during short circuit图7 短路期间发电机减速功率Fig.7 Braking power of generator during short circuit短路期间系统电压按由高到低的顺序依次为SLM（东北）、动态负荷模型、静态负荷模型，负荷有
10、功功率按由大到小的顺序也是SLM（东北）、动态负荷模型、静态负荷模型，因此故障期间发电机减速功率由大到小的顺序是SLM（东北）、动态负荷模型、静态负荷模型。造成以上结果的主要原因：故障后恢复阶段感应电动机电磁转矩减小、逐渐减速、滑差拉大，随着滑差在短时间内的迅速增大，感应电动机将从系统内吸收额外功率，其后功率保持在较高的水平，在故障前的功率附近摇摆。对受端而言，故障后恒阻抗负荷吸收的有功功率随电压降低而减小，意味着受端机组的有功不平衡量减少，有利于系统功率平衡；而感应电动机负荷在故障后的增大，意味着受端机组的有功不平衡量增加，不利于系统功率平衡。对送端而言，马达负荷和恒阻抗负荷对系统稳定性的影
11、响与处于送端时的影响刚好相反。2 负荷模型对电压稳定的影响电压稳定计算与电力系统其他的定量计算比较，对负荷模型的依赖程度更强。负荷模型是电压失稳过程中最活跃、最关键的因素9-11。本节以内蒙古阿拉善受端电网为实际算例，分析受端电网负荷模型对电压稳定的影响。阿拉善地区仅通过吉兰太500kV主变与主网相连，其接线图见图8。阿拉善地区为典型的受端电网，当其主要供电电源线路吉兰太-乌海线故障时，末端负荷站存在电压稳定问题。图 8 阿拉善地区接线图Fig.8 The network of Alashan阿拉善电网分别采用华北电网目前采用的60%III型马达+40%恒阻抗、100%恒阻抗、100%恒电流、
12、100%恒功率、100%III型马达、东北大扰动试验推荐的SLM（简称SLM（东北）。故障选择在吉兰太-乌海线乌海侧，故障形式为三永故障，马达模型为III型。阿拉善地区的受电极限如表2所示。表2 阿拉善地区受电极限Tab.2 The maximum receiving power of Alashan network负荷模型受电极限（MW）系统失稳形式60%III型马达+40%恒阻抗170电压恢复慢，持续低于0.75p.u.超过1秒恒阻抗190同上恒电流190同上恒功率185同上100%III型马达145同上SLM（东北）150同上图9为阿拉善地区受电171MW，分别采用6种负荷模型时额济纳站
13、的220kV母线电压曲线。可以看出，采用静态模型时电压恢复较快，不存在电压稳定问题；采用100%马达和SLM（东北）时，故障后电压无法恢复，直至出现电压崩溃；采用华北电网现有的60%马达+40%恒阻抗模型时，故障后电压恢复较慢，持续低于0.75p.u.超过1秒。分别采用6种负荷模型，电压恢复水平由高到低的顺序依次为恒阻抗模型、恒电流模型、恒功率模型、华北电网现有模型、SLM（东北）和100%马达模型。总体上表现为受端系统电压稳定水平随受端电网的马达比例的增加而下降。图9额济纳220kV母线电压曲线Fig.9 The voltage curve of Ejina station bus 马达负荷
14、对电压稳定性的影响：马达的有功、无功功率与滑差间的关系如式（1）所示。 （1）式中：Pmax为一定电压水平下感应电动机可吸收的最大有功功率；P、Q为感应电动机吸收的有功和无功；Scr 为感应电动机临界滑差；s为感应电动机滑差。 故障后恢复阶段感应电动机电磁转矩减小，而感应电动机的机械功率还保持在较高的水平，造成感应电动机逐渐减速，滑差拉大，随着滑差在短时间内的迅速增大，感应电动机将从系统内吸收大量无功。如果感应电动机能恢复稳定，滑差减小的同时，吸收有功和无功将逐渐减小到稳态前的水平，但如果电压降低较多（低如于0.4p.u.）导致许多感应电动机难以恢复，感应电动机滑差增大，吸收无功功率增大，引起
15、系统电压的进一步降低，造成受端电网电压崩溃，系统失稳模式表现为电压失稳。静态模型对电压稳定性的影响：静态负荷吸收的功率主要受电压变化影响，静态负荷在故障后不会像感应电动机负荷那样吸收更多的无功。恒阻抗、恒电流负荷吸收的无功功率还会在故障后的恢复期间随着系统电压的下降而下降，这样可以在一定程度上缓解受端系统的无功缺额，有利于系统电压的恢复。3 负荷模型对动态稳定的影响在以往的小干扰稳定性分析中，负荷模型通常采用有功恒电流、无功恒阻抗的静态负荷。研究表明，负荷特性对电力系统的小干扰稳定性有相当大的影响。区域间低频振荡过程中常常引起当地的电压和频率变化，在这些情况下，负荷的电压和频率特性对振荡阻尼特
16、性计算有明显的影响，特别是在参与因子较高机组附近的负荷，其特性对系统的阻尼计算结果有很大影响12。本节以西北电网作为实际算例分析陕西甘肃、青海、宁夏之间的振荡模式受送端、受端感应电动机负荷比例及感应电动机惯性时间常数的影响。西北电网冬大方式下甘肃、青海、宁夏电网为送端电网，陕西电网为受端电网。以下简称陕西甘肃、青海、宁夏模式为陕西甘青宁模式。感应电动机模型为III型，感应电动机负载率为65%。1.感应电动机比例对动态稳定的影响1.1受端感应电动机比例的影响逐渐增加受端陕西电网的感应电动机负荷比例，感应电动机负荷比例从0逐步增加到100%，静态负荷部分为恒阻抗。分析受端感应电动机负荷比例的变化对
17、陕西-甘青宁模式的振荡频率及阻尼比的影响。振荡频率及阻尼比与陕西受端电网感应电动机负荷比例的影响如图11、12所示，可以看出：对于振荡频率：随着受端陕西电网的感应电动机负荷比例的增大，陕西-甘青宁电网区间振荡模式的振荡频率逐步降低。对于阻尼比：随着受端陕西电网的感应电动机负荷比例的增加，区域振荡的阻尼比呈现两个变化趋势。感应电动机负荷比例从0增加到40%的过程中，区域振荡阻尼比逐渐降低；在感应电动机负荷比例从40%增加到100%的过程中，阻尼显著增加。感应电动机负荷比例为40%时，区域振荡模式的阻尼最弱；感应电动机负荷比例达到100%时，区域振荡模式的阻尼最强。 1.2 送端感应电动机比例的影
18、响逐步增加送端甘肃、青海、宁夏电网的感应电动机负荷比例，感应电动机负荷比例从0逐步增加到100%，静态负荷部分取恒阻抗。感应电动机模型仍选取III型。振荡频率及阻尼比受送端甘青宁电网感应电动机负荷比例的影响如图11、12所示，可以看出：对于振荡频率：送端电网感应电动机负荷比例从0增加到40%的过程中，陕西甘青宁振荡模式的振荡频率逐步降低；感应电动机负荷比例从50%增加到100%的过程中，区域振荡模式的振荡频率升高，整个过程中，送端电网感应电动机负荷比例取为40%和50%时，陕西甘青宁振荡模式的振荡频率最低。对于阻尼比：送端电网感应电动机负荷比例从0增加到80%的过程中，陕西甘青宁振荡模式的阻尼
19、逐步升高；在感应电动机负荷比例从80%增加到100%的过程中，阻尼略有降低，但送端电网负荷为100%感应电动机时，区域振荡模式的阻尼比仍较100%恒阻抗模型下的阻尼比高54.2%。整个过程中，送端电网感应电动机负荷比例取为80%时，陕西甘青宁振荡模式的阻尼比最高。图11 振荡频率受感应电动机比例的影响Fig.11 The oscillation frequency response to the motor percent 图12 阻尼比受感应电动机比例的影响Fig.12 The damping ratio response to the motor percent1）当受端陕西电网感应电动机
20、负荷的比例逐渐增加时，陕西-甘青宁区域振荡模式的振荡频率随之降低。而当送端甘肃、青海、宁夏电网的感应电动机负荷比例逐渐增加时，区域振荡频率的变化幅度很小，总体上呈现先降低后增加的趋势。2）当送、受端电网感应电动机负荷比例不断增加时，阻尼比的变化趋势刚好相反。随着送端电网感应电动机负荷比例的增加，区域振荡模式的阻尼比出现先增加后降低的趋势；而当受端电网感应电动机负荷比例不断增加时，区域模式的阻尼比出现先降低后增加的趋势。3）整个仿真过程中，送端和受端感应电动机负荷比例达到一定值后（80%），系统表现较高的阻尼特性。结语：负荷特性对电力系统的暂态稳定、电压稳定、小干扰稳定特性均有较大影响，其影响又
21、与负荷所处的位置、电网结构、电源的分布等因素相关。以往的仿真计算中常常试图采用某种“保守”的负荷模型，这种做法对现代复杂电力系统往往是危险的。因为负荷模型对现代复杂电力系统的总体影响事先难以确定，在某些临界情况下“保守”的负荷模型可能产生“乐观”的结果，因此必须建立和推广切合实际的负荷模型。参考文献：1 IEEE, Computer Analysis of Power Systems Working Group of the Computer and Analytical Methods SubcommitteePower System Engineering Committee,“Syste
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