1、负荷模型对异步联网交直流系统频率稳定性的影响 司大军 钱迎春 孙士云 陈春敏 安德超 孙德娟 云南电网有限责任公司电网规划研究中心 昆明理工大学电力工程学院 摘 要： 在 2016 年南方电网异步联网背景下, 依据云南电网各行政地区的负荷构成和比例, 将负荷分为工业居民类、工业居民农业类、高耗能工业类、商业居民类等四大类。在充分分析静态负荷模型、考虑配电网络负荷模型和含感应电动机的综合负荷模型等三类负荷频率特性的基础上, 采用电力系统暂态仿真程序PSDBPA, 建立云南电网分区、分类负荷详细仿真模型。研究直流闭锁等大扰动下, 以上三类负荷模型对云南电网系统暂态频率稳定性的影响。研究结果表明,
2、采用含感应电动机的综合负荷模型在大扰动下频率变化值最大, 其次分别为静态负荷模型和考虑配电网络负荷模型;采用静态负荷模型频率恢复较快, 其次分别为含感应电动机的综合负荷模型和考虑配电网络负荷模型。关键词： 异步联网; 负荷模型; 暂态频率稳定; 作者简介：司大军 (1976) , 男, 博士, 高级工程师, 云南电网有限责任公司电网规划研究中心, 从事电力系统机电暂态仿真、电磁暂态仿真、电网运行与规划等方面开展理论与应用研究 (e-mail) 。作者简介：钱迎春 (1964) , 女, 教授级高级工程师, 云南电网有限责任公司电网规划研究中心, 从事电力系统安全稳定分析与电网规划研究 (e-m
3、ail) 。作者简介：孙士云 (1981) , 女, 博士, 副教授, 硕导, 昆明理工大学电力工程学院, 从事交直流电力系统继电保护动作特性等方面的工作研究 (e-mail) 。收稿日期：2016-12-01Load Model for Effect of Frequency Stabilization on AC-DC System of Asynchronous InterconnectionSI Dajun QIAN Yingchun SUN Shiyun CHEN Chunmin AN Dechao SUN Dejuan Power grid planning research ce
4、nter of Yunnan power limited liability company; Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology; Abstract： In the background of asynchronous interconnection of China Southern Power Grid in 2016, we can divide the load into four categories including industrial resi
5、dents, industrial residential agriculture, high energy consumption industry and commercial residents which based on the structure and perception of load in all administrative region. The paper analyzes the mechanism of static load model considering frequency characteristics, load model considering d
6、istribution network, synthesis load model containing induction motor.The power system transient program PSDBPA is used for modeling load of different area and category in Yunnan grid.When the UHV Pu Qiao line occurs unipolar DC blocki ng fault or bipolar DC blocking fault, we analyze how the stable
7、load model, load model considered ditribution network and synthen tic load considered inductive motor influence the transient frequency stability of Yunnan grid. The results show that the Use contain comprehensive load model of induction motor under large disturbance frequency variation value maximu
8、m, the second respectively static load model and considering the distribution network load mode. Frequency static load model is adopted to recover quickly, the second respectively, including comprehensive load model of induction motor model and considering the distribution network load model.Keyword
9、： asynchronous interconnection; load model; transient frequency stability; Received： 2016-12-010 前言目前, 云南电网和南方电网其他部分将实现异步互联1-2。随着云南电网异步联网的实现, 系统频率安全稳定问题突出。电网的负荷、备用容量、发电机的调速系统、调速器、直流调制以及稳控系统措施等, 都会对电网的频率动态过程产生影响3-4。随着电网异步联网的推进, 电网规模越来越大, 越来越复杂, 其动态稳定性及频率稳定性将更加突出, 负荷模型对系统计算结果的影响变得日益明显。特别是负荷模型的选取、配电网络的
10、模拟等对联网系统的精确度分析有很大影响。因此使用精确的负荷模型对系统的稳定性也越显关键5-6。目前电力系统暂态稳定分析中常用的负荷模型有 3 种7:静态负荷模型, 主要反映稳态时负荷模型吸收的功率与电压、频率的关系8;考虑配电网络的综合负荷模型在静态负荷模型的基础上计及了配电网络等值阻抗的影响9;综合负荷模型, 是在静态负荷模型基础上考虑了一定比例的感应电动机, 用以反映电压、频率变化时负荷吸收功率的动态变化情况10,11。本文对计及频率特性的静态负荷模型、考虑配电网络的负荷模型以及含感应电动机的综合负荷模型的机理进行了分析, 依据云南电网各行政地区的负荷构成和比例, 将负荷分为工业居民类、工
11、业居民农业类、高耗能工业类、商业居民类等四大类。采用电力系统暂态仿真程序 PSDBPA, 建立云南电网分区、分类负荷详细仿真模型, 研究特高压普侨直流分别发生单极、双极直流闭锁故障时, 静态负荷模型、考虑配电网络的负荷模型及含感应电动机的综合负荷模型对云南电网系统暂态频率稳定性的影响。1 三种负荷模型的机理分析在电力系统中负荷元件吸收的有功功率和无功功率功率是随着负荷端电压及频率的变动而变化的, 当电力系统发生扰动后, 系统电压和频率的变化以及负荷自身的动态特性决定了负荷所吸收的有功功率和无功功率的大小。从模型是否反映负荷的动态特性来看, 可以分为静态和动态两类。1.1 计及频率特性的静态负荷
12、模型在稳态条件下, 负荷吸收的有功功率、无功功率和电压、频率之间的非线性关系称之为负荷的静态模型, 较为常用的多项式静态负荷模型如式 (1) 、 (2) 所示。式中, P B为 B 母线负荷有功功率, P 0为扰动数, P P为恒定功率有功负荷百分数, QB为 B 母线负荷无功功率, Q 0为扰动前稳态情况下负荷所吸收的无功功率, Q Z为恒定阻抗无功负荷百分数, Q I为恒定电流无功负荷百分数, Q P为恒定功率无功负荷百分数。L dp为有功频率特征系数即频率变化 1%引起的有功变化, L dq为无功频率特征系数即频率变化 1%引起的无功变化。该模型中功率与电压之间的变化关系分为恒定阻抗 (
13、Z) 、恒定电流 (I) 和恒定功率 (P) 3 个部分, 以下简称为 ZIP 负荷模型。而功率与频率之间变化关系为线性, 用频率调节系数来表征。因此, 当系统频率变化时, 频率特性系数越大的负荷吸收功率的的变化量也越大。目前云南电网中采用的静态模型模型ZIP 比例分别为 30%、30%、40%, 有功、无功静态特征系数分别为 1.2、-2.0。1.2 考虑配电网络的负荷模型在电力系统暂态稳定分析的负荷建模中, 负荷一般接在 220 k V 或 110 k V 的母线侧, 未直接计及配电网络等值阻抗的影响。为提高负荷建模模的精度, 在负荷模型中考虑配电网络的影响是必要的。现以图 1 所示负荷接
14、线图为例, 推导增加配网支路后负荷模型有功功率频率特征系数和无功功率频率特征系数的变化情况。图中虚拟母线 B 与实际负荷母线 A 之间由配电网等值阻抗连接。考虑了配网支路后, A 母线的频率特征系数需考虑经过串联支路的折算问题。式中:R D、X D分别为配网支路等值电阻和等值电抗。图 1 SLM 负荷模型结构 下载原图分别对式 (2) 、 (3) 求导后可得:代入初值, 得进一步求得频率特征系数:由式 (9) 、 (10) 可知, 考虑配网支路后, 负荷有功频率特征系数的大小与配网等值电阻 RD、负荷无功频率特征系数 Ldp B、B 母线电压 UB0和功率有关, 同时配网等值电抗、B 母线电压
15、、功率及其无功频率特征系数对 A 母线的无功频率特征系数有着较大影响。1.3 含感应电动机的综合负荷模型电力系统的动态负荷中三相异步电动机所占的比例最大, 其动态特性对系统的稳定运行影响也很大, 因此, 研究三相异步电动机的机理特性及其模型等值对准确分析系统动态特性是非常重要的。电源频率变化时, 感应电动机吸收功率的变化值很大程度上取决于感应电动机机械负载的转矩特性。以恒定机械转矩为例, 电源频率升高时, 由式 (11) 、 (12) 可知, 由于电机的转速不能突变, 电动机的电磁转矩大于机械转矩, 转子加速, 直到电动机的电磁转矩和机械转矩达到新的平衡。因此, 当系统频率升高时, 电动机的吸
16、收功率随之增大。式中, T e为电磁转矩;T m为机械转矩;J 为转子转动惯量; r为转子角速度。2 分区分类负荷建模云南电网的区域负荷特性差别较大, 依据云南电网各行政地区的负荷构成和比例, 依据负荷分类原则, 将各地区符合分为了工业居民类、工业居民农业类、高耗能工业类、居民商业类四大类, 在此基础上, 分别建立云南电网考虑配电网络的静态负荷及考虑感应电动机的综合负荷分区、分类详细负荷模型, 与目前常用的 ZIP 负荷模型的频率特性进行对比分析。3 仿真实例借助 PSD-BPA 仿真软件搭建 2016 年南方电网暂态分析仿真模型, 其中送端云南电网负荷模型采用表 2 所示分区分类详细负荷模型
17、, 对直流闭锁等大扰动下异步联网交直流系统的暂态频率特性进行仿真分析。800 k V 普侨直流输电系统西起云南普洱, 东至广东侨乡, 正常运行状态下双极输送功率为 3000 MW。以该直流系统发生闭锁故障为例, 研究分别采用静态负荷模型、考虑配电网络的综合负荷模型和综合负荷模型时的异步联网送端系统的频率特性。3.1 单极闭锁负荷对系统频率影响三种负荷模型下, 525 k V 思茅站母线电压、频率、有功功率随时间的变化曲线, 如图 2 所示。图 2 电压、频率和线路有功功率随时间的变化曲线 下载原图由图 2 可知, 分别采用 ZIP、SLM 和 ZIP+MJ 负荷模型时, 普侨直流发生单极闭锁故
18、障, 525 k V 思茅站母线电压变化最大值分别达到 1.057 pu, 1.053 pu, 1.081 pu;频率变化最大值分别达到 0.298 Hz, 0.278 Hz, 0.325 Hz。ZIP+MJ负荷模型下频率最大, 其次分别为 ZIP 模型和 SLM 模型。故障恢复过程中, 电压和频率在 ZIP 模型下恢复较快, 其次分别为 ZIP+MJ 模型和 SLM 模型。频率与电压的变化规律和恢复过程基本一致。3.2 双极闭锁负荷对系统频率影响三种负荷模型下, 525 k V 思茅站母线电压、频率、有功功率随时间的变化曲线, 如图 3 所示。图 3 电压、频率和有功功率随时间的变化曲线 下
19、载原图由图 3 可知, 分别采用 ZIP、SLM 和 ZIP+MJ 负荷模型时, 普侨直流发生双极闭锁故障, 525 k V 思茅站母线电压变化最大值分别达到 1.205 pu, 1.192 pu, 1.204 pu;频率变化最大值分别达到 0.290 Hz, 0.246 Hz, 0.326 Hz。ZIP+MJ负荷模型下频率变化最大, 其次分别为 ZIP 模型和 SLM 模型。故障恢复过程中, 电压和频率在 ZIP 模型下恢复较快, 其次分别为 ZIP+MJ 模型和 SLM 模型。频率与电压的变化规律和恢复过程基本一致。4 结束语1) 直流系统发生单、双极闭锁故障时, 在含感应电动机的综合负荷
20、模型下频率变化最大, 其次分别为静态负荷模型和考虑配网支路的负荷模型。故障恢复过程中, 电压和频率在静态负荷模型下恢复较快, 其次分别为含感应电动机的综合模型和考虑配网支路的负荷模型。频率与电压的变化规律和恢复过程基本一致。2) 在静态负荷模型基础上增加配电网络等值阻抗, 使系统频率偏差幅值和恢复稳态后的频率偏差均变小, 但也使得系统频率恢复稳态速度变慢。3) 含感应电动机的综合负荷模型下, 由于感应电动机的动态特性, 使得相同的过剩功率下, 系统频率偏差值更大, 但恢复稳态速度更快。参考文献1张东辉, 洪潮, 周保荣, 等.云南电网与南方电网主网异步联网系统方案J.南方电网技术, 2014,
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