CN105429132B - 一种电动机负荷模型的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电动机负荷模型的构建方法，包括以下步骤：建立电动机负荷模型；对电动机负荷模型进行事故仿真计算；确定电动机负荷模型的频率特性参数。本发明提供的电动机负荷模型的构建方法准确确定各类电动机负荷的频率参数，对提高电力***仿真精度、保证电网正常运行的安全性、可靠性运行具有重要的意义；充分考虑了电动机的转矩‑滑差物理机理特性，其收敛特性好、鲁棒性强；克服了传统负荷模型无法准确描述异步电动机群负荷频率特性的缺点，提高了电力***仿真计算的可信度，为电力***的科学规划和安全稳定运行提供了有力保障。
Description
技术领域
本发明涉及电力***仿真技术，具体涉及一种电动机负荷模型的构建方法。
背景技术
随着电力***互联程度的提高，电网在故障下的动态特性变得越来越复杂，为了提高电网的安全性预防大停电事故的发生，在电网规划和运行中往往需要对电网在特定状态下的特性进行全面了解。因为一方面电网自身的要求决定了不可能在实际电网中做实验来研究***稳定性，另外一方面仿真所针对的运行状态往往是未来的预想情况，实际当中还没有发生，所以也决定了不可能在实际***中对电网的稳定性进行研究。在这种情况下仿真就成了电网运行、规划、设计必不可少的工具。
在实际运行的电力***中，通过实测可得频率动态过程曲线,但***仿真结果与实测频率动态过程曲线有时会存在较大差异。1996年，美国西部协调委员会(WSCC)的事故分析报告中指出，采用不同的负荷模型进行仿真，将得到不同甚至截然相反的分析结果，这使人们认识到负荷模型对仿真计算的影响和重要性。
当***发生故障造成功率不平衡时，频率会随之发生变化，尤其是在一些独立电网或者微网中，故障时频率变化往往较大，而电网的频率特性取决于负荷频率特性，因此，考虑频率特性的负荷模型结构及参数对正确认识微网或独立电网的***频率动态特性十分重要。我国电网当前仿真采用的负荷模型及参数大多都是基于上世纪80年代左右的事故仿真确定的(局部电网陆续有所调整)。但是随着科技发展和产业结构的巨变，电网负荷构成、特性均发生巨大变化，尤其随着跨区混联电网发展，当前负荷模型参数仿真精度与现实存在较大偏差，导致当前负荷模型参数无法准确描述负荷动态频率特性。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种电动机负荷模型的构建方法，克服了传统电动机负荷模型参数无法准确描述动态负荷频率特性的缺点，提高了电力***仿真计算的可信度，为电力***的科学规划和安全稳定运行提供了有力保障。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种电动机负荷模型的构建方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立电动机负荷模型；
步骤2：对电动机负荷模型进行事故仿真计算；
步骤3：确定电动机负荷模型的频率特性参数。
所述步骤1中，电动机负荷模型如下：
其中，ω0表示电动机初始转速，且ω0＝1-s0，s0表示转子初始滑差；E'd表示电动机直轴暂态电势，E'q表示电动机交轴暂态电势；Id表示电动机d轴电流，Iq表示感应电动机q轴电流，且Id和Iq分别表示为：
其中，Vd表示电动机直轴电压，Vq表示电动机交轴电压，Rs表示定子电阻，X'表示转子不动时的短路电抗，且
Xs表示定子漏抗，Xr表示转子漏抗，Xm表示激磁电抗；
X表示转子开路电抗，且X＝Xs+Xm；
T0'表示定子开路时转子回路时间常数，且
ωb表示同步角速度，且ωb＝2πfbase，fbase表示工频频率，取50Hz；Rr表示转子电阻；
TJ表示惯性时间常数，TM表示电动机机械转矩，TE表示电动机电磁力矩，且TM和TE分别表示为：
TE＝E′dId+E′qIq (6)
其中：ωr为电动机实际转速，且ωr＝1-s，s为转子实际滑差；A、B、C表示电动机的机械转矩系数，T0表示电动机的初始机械转矩。
所述步骤2包括以下步骤：
步骤2-1：确定负荷节点的有功功率－频率特性系数Pf；
步骤2-2：将负荷元件按负荷特性分为静态负荷和动态负荷；
步骤2-3：计算静态负荷的有功功率－频率特性系数LDP和无功功率－频率特性系数LDQ；
步骤2-4：确定事故时电力***的运行方式，并确定事故模拟方式；
步骤2-5：给定电动机的机械转矩系数A、B、C；
步骤2-6：采用电力***仿真软件PSD-BPA或PSD-PSASP进行模拟计算。
所述步骤2-1中，确定负荷节点的有功功率－频率特性系数包括：
设P0表示负荷节点的有功负荷初值，k为负荷节点中包含的设备类型个数，Ni表示设备类型i的有功功率占负荷节点有功功率的百分比，且i＝1,...,k；设备类型i的有功功率－频率特性系数用Pfi表示，于是设备类型i的有功功率Pi表示为：
Pi＝Ni×P0 (7)
根据式(7)有：
其中，Pf表示负荷节点的有功功率－频率特性系数。
所述步骤2-2中，所述动态负荷为电动机负荷，动态负荷包括空调、冰箱和洗衣机；
所述静态负荷为除电动机负荷外的其他负荷，动态负荷包括白炽灯、热水器和电视。
所述步骤2-3中，计算静态负荷的有功功率－频率特性系数LDP和无功功率－频率特性系数LDQ包括：
设Nsi为设备类型i中静态负荷的有功百分比，则设备类型i中静态负荷的有功功率PSi为：
PSi＝Ni×NSi×P0 (9)
于是静态负荷的综合有功功率PSa为电动机负荷模型中各个设备类型的静态负荷有功功率之和，即：
静态负荷的有功功率－频率特性系数LDP和无功功率－频率特性系数LDQ表示为：
其中，Pfi表示设备类型i的有功功率－频率特性系数，Qfi表示设备类型i的无功功率－频率特性系数。
所述步骤3包括以下步骤：
步骤3-1：根据电力***的频率变化量和负荷节点的有功功率变化量计算电力***频率变化引起的负荷节点有功功率变化百分数Kpf，有：
其中，Δf表示电力***的频率变化量，且Δf＝f1-f0，f1表示事故后电力***频率恢复到稳定时频率，f0表示事故开始时电力***的频率；
ΔP表示负荷节点的有功功率变化量，且ΔP＝P1-P0，P1表示事故后电力***频率恢复到稳定时负荷节点的有功功率；
步骤3-2：比较Kpf与负荷节点的有功功率－频率特性系数Pf，若|Kpf-Pf|大于0.001，则需调整A、B、C，返回步骤2-6；否则表明给定的电动机的机械转矩系数A、B、C即为电动机负荷模型的频率参数。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1)负荷模型对大区互联电网的稳定运行特性有着重要的影响，而电动机负荷在电力***负荷中超过60％都是电动机负荷，***发生故障后的负荷动态特性主要来源于电动机负荷的综合响应特性，本发明提供的电动机负荷模型的构建方法准确确定各类电动机负荷的频率参数，对提高电力***仿真精度、保证电网正常运行的安全性、可靠性运行具有重要的意义；
2)本发明首先通过统计综合法确定负荷节点中静态负荷的有功功率－频率特性系数和无功功率－频率特性系数，然后通过故障拟合法确定整个负荷节点的异步电动机的机械转矩系数A、B、C，可准确描述电动机群负荷的频率特性；
3)本发明充分考虑了电动机的转矩-滑差物理机理特性，其收敛特性好、鲁棒性强；
4)本发明克服了传统负荷模型无法准确描述异步电动机群负荷频率特性的缺点，提高了电力***仿真计算的可信度，为电力***的科学规划和安全稳定运行提供了有力保障。
附图说明
图1是本发明实施例中电动机负荷模型的构建方法流程图；
图2是本发明实施例中城西220kV变电站地理接线图；
图3是本发明实施例中仿真***示意图；
图4是本发明实施例中***的频率变化曲线图；
图5是本发明实施例中城西220kV负荷节点有功功率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种电动机负荷模型的构建方法，如图1，所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立电动机负荷模型；
步骤2：对电动机负荷模型进行事故仿真计算；
步骤3：确定电动机负荷模型的频率特性参数。
所述步骤1中，电动机负荷模型如下：
其中，ω0表示电动机初始转速，且ω0＝1-s0，s0表示转子初始滑差；E'd表示电动机直轴暂态电势，E'q表示电动机交轴暂态电势；Id表示电动机d轴电流，Iq表示感应电动机q轴电流，且Id和Iq分别表示为：
其中，Vd表示电动机直轴电压，Vq表示电动机交轴电压，Rs表示定子电阻，X'表示转子不动时的短路电抗，且
Xs表示定子漏抗，Xr表示转子漏抗，Xm表示激磁电抗；
X表示转子开路电抗，且X＝Xs+Xm；
T0'表示定子开路时转子回路时间常数，且
ωb表示同步角速度，且ωb＝2πfbase，fbase表示工频频率，取50Hz；Rr表示转子电阻；
TJ表示惯性时间常数，TM表示电动机机械转矩，TE表示电动机电磁力矩，且TM和TE分别表示为：
TE＝E′dId+E′qIq (6)
其中：ωr为电动机实际转速，且ωr＝1-s，s为转子实际滑差；A、B、C表示电动机的机械转矩系数，T0表示电动机的初始机械转矩。
所述步骤2包括以下步骤：
步骤2-1：确定负荷节点的有功功率－频率特性系数Pf；
步骤2-2：将负荷元件按负荷特性分为静态负荷和动态负荷；
步骤2-3：计算静态负荷的有功功率－频率特性系数LDP和无功功率－频率特性系数LDQ；
步骤2-4：确定事故时电力***的运行方式，并确定事故模拟方式；
步骤2-5：给定电动机的机械转矩系数A、B、C；
步骤2-6：采用电力***仿真软件PSD-BPA或PSD-PSASP进行模拟计算。
所述步骤2-1中，确定负荷节点的有功功率－频率特性系数包括：
设P0表示负荷节点的有功负荷初值，k为负荷节点中包含的设备类型个数，Ni表示设备类型i的有功功率占负荷节点有功功率的百分比，且i＝1,...,k；设备类型i的有功功率－频率特性系数用Pfi表示，于是设备类型i的有功功率Pi表示为：
Pi＝Ni×P0 (7)
根据式(7)有：
其中，Pf表示负荷节点的有功功率－频率特性系数。
所述步骤2-2中，所述动态负荷为电动机负荷，动态负荷包括空调、冰箱和洗衣机；
所述静态负荷为除电动机负荷外的其他负荷，动态负荷包括白炽灯、热水器和电视。
所述步骤2-3中，计算静态负荷的有功功率－频率特性系数LDP和无功功率－频率特性系数LDQ包括：
设Nsi为设备类型i中静态负荷的有功百分比，则设备类型i中静态负荷的有功功率PSi为：
PSi＝Ni×NSi×P0 (9)
于是静态负荷的综合有功功率PSa为电动机负荷模型中各个设备类型的静态负荷有功功率之和，即：
静态负荷的有功功率－频率特性系数LDP和无功功率－频率特性系数LDQ表示为：
其中，Pfi表示设备类型i的有功功率－频率特性系数，Qfi表示设备类型i的无功功率－频率特性系数。
步骤2-4中，事故时电力***的运行方式包括根据自动化***记录的数据建立事故时的运行方式，作为用于事故模拟的潮流稳定计算数据，潮流计算结果应和实测潮流结果基本一致，调查事故时发电机励磁***、调速***、电力***稳定器以及其它控制设备的运行情况，并在负荷模型中考虑负荷节点的静态负荷频率因子，建立稳定计算数据；
事故模拟方式包括根据事故录波曲线，确定事故切除时间和短路阻抗，如果在试验过程中发生了切机、掉负荷扰动，则根据实测数据确定在仿真中如何对这些扰动进行模拟。
所述步骤3包括以下步骤：
步骤3-1：根据电力***的频率变化量和负荷节点的有功功率变化量计算电力***频率变化引起的负荷节点有功功率变化百分数Kpf，有：
其中，Δf表示电力***的频率变化量，且Δf＝f1-f0，f1表示事故后电力***频率恢复到稳定时频率，f0表示事故开始时电力***的频率；
ΔP表示负荷节点的有功功率变化量，且ΔP＝P1-P0，P1表示事故后电力***频率恢复到稳定时负荷节点的有功功率；
步骤3-2：比较Kpf与负荷节点的有功功率－频率特性系数Pf，若|Kpf-Pf|大于0.001，则需调整A、B、C，返回步骤2-6；否则表明给定的电动机的机械转矩系数A、B、C即为电动机负荷模型的频率参数。
实施例
通过对浙江温州城西220kV变电站(接线图如图2所示)进行详细调查，并对该站的调查数据进行统计分析计算，可确定大负荷方式时城西220kV变电站所涉及设备类型及各设备类型占有的比例如表1所示：
表1
| 序号 | 负荷类型 | 该负荷类型所占比例(％) |
| 1 | 工业大电动机 | 42.31 |
| 2 | 工业小电动机 | 1.21 |
| 3 | 荧光灯 | 12.84 |
| 4 | 钠灯 | 4.4 |
| 5 | 制冷式空调 | 5.44 |
| 6 | 热水器 | 7.72 |
| 7 | 彩电 | 7.01 |
| 8 | 冰箱 | 3.99 |
| 9 | 洗衣机 | 3.49 |
| 10 | 电磁炉 | 2.07 |
| 11 | 电炉 | 6.88 |
| 12 | 计算机 | 2.64 |
根据城西220kV变电站的负荷详细统计数据，对上述所有设备类型中的负荷进行综合计算，可得城西变负荷的有功频率因子Pf为3.3％，城西变异步电动机群的机械转矩系数分别为：A为0.69，B为0，C为0.31。最后可得到城西变考虑配电网络的综合负荷模型(SLM)如表2：
表2
其中，Tj表示马达惯性时间常数、Rs表示马达定子电阻、Xs表示马达定子电抗、Xm表示马达激磁电抗、Rr表示马达转子电阻、Xr表示马达转子电抗，R*表示配网支路电阻，X*表示配网支路电抗、ZP％表示静态有功负荷构成中的恒阻抗成分、ZQ％表示静态无功负荷构成中的恒阻抗成分、IP％表示静态有功负荷构成中的恒电流成分、IQ％表示静态无功负荷构成中的恒电流成分、PP％表示静态有功负荷构成中的恒功率成分、PQ％表示静态无功负荷构成中的恒功率抗成分。以下同。电动机负载率为40％。
为验证本发明所提出的电动机负荷模型的构建方法的有效性，用城西220kV变电站当前采用的负荷模型参数、采用本方法生成的负荷模型参数和原***(包括韩城变负荷区的110kV、35kV配电网络、无功补偿及110kV、35kV、10kV、6kV负荷节点的***，如图2所示)进行仿真对比，验证验证本发明所提出的电动机负荷模型的构建方法的有效性。
如图3，一台发电机组通过双回线路向城西变和Bus 4供电，城西变的有功负荷为167MW，Bus 4的有功负荷为40MW。
仿真条件：在仿真***运行0.1秒时，Bus 4节点增加40MW有功负荷。
分别将图2所示的城西220kV变电站110kV及其以下的***、等值SLM模型和华东现有负荷模型接于图3所示的负荷母线上进行仿真，得到***的频率变化曲线和城西220kV负荷节点有功功率曲线如图4和图5所示。对比分析频率变化曲线和有功功率曲线，可以看到采用SLM模型与详细***的仿真曲线的拟合效果明显好于采用现有负荷模型参数。因此与当前的负荷模型参数相比，采用本方法能够更好地描述电动机频率特性，使故障后仿真计算中的***特性更逼近真实的***行为，提高了仿真计算分析的可信度，为电力***制订科学的运行、控制方案提供了保障。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (3)
1.一种电动机负荷模型的构建方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立电动机负荷模型；
步骤2：对电动机负荷模型进行事故仿真计算；
步骤3：确定电动机负荷模型的频率特性参数；
所述步骤1中，电动机负荷模型如下：
其中，ω0表示电动机初始转速，且ω0＝1-s0，s0表示转子初始滑差；E'd表示电动机直轴暂态电势，E'q表示电动机交轴暂态电势；Id表示电动机d轴电流，Iq表示感应电动机q轴电流，且Id和Iq分别表示为：
其中，Vd表示电动机直轴电压，Vq表示电动机交轴电压，Rs表示定子电阻，X'表示转子不动时的短路电抗，且
Xs表示定子漏抗，Xr表示转子漏抗，Xm表示激磁电抗；
X表示转子开路电抗，且X＝Xs+Xm；
T0'表示定子开路时转子回路时间常数，且
ωb表示同步角速度，且ωb＝2πfbase，fbase表示工频频率，取50Hz；Rr表示转子电阻；
TJ表示惯性时间常数，TM表示电动机机械转矩，TE表示电动机电磁力矩，且TM和TE分别表示为：
TE＝E′dId+E′qIq (6)
其中：ωr为电动机实际转速，且ωr＝1-s，s为转子实际滑差；A、B、C表示电动机的机械转矩系数，T0表示电动机的初始机械转矩；
所述步骤2包括以下步骤：
步骤2-1：确定负荷节点的有功功率－频率特性系数Pf；
步骤2-2：将负荷元件按负荷特性分为静态负荷和动态负荷；
步骤2-3：计算静态负荷的有功功率－频率特性系数LDP和无功功率－频率特性系数LDQ；
步骤2-4：确定事故时电力***的运行方式，并确定事故模拟方式；
步骤2-5：给定电动机的机械转矩系数A、B、C；
步骤2-6：采用电力***仿真软件PSD-BPA或PSD-PSASP进行模拟计算；
所述步骤2-1中，确定负荷节点的有功功率－频率特性系数包括：
设P0表示负荷节点的有功负荷初值，k为负荷节点中包含的设备类型个数，Ni表示设备类型i的有功功率占负荷节点有功功率的百分比，且i＝1,...,k；设备类型i的有功功率－频率特性系数用Pfi表示，于是设备类型i的有功功率Pi表示为：
Pi＝Ni×P0 (7)
根据式(7)有：
其中，Pf表示负荷节点的有功功率－频率特性系数；
所述步骤2-3中，计算静态负荷的有功功率－频率特性系数LDP和无功功率－频率特性系数LDQ包括：
设Nsi为设备类型i中静态负荷的有功百分比，则设备类型i中静态负荷的有功功率PSi为：
PSi＝Ni×NSi×P0 (9)
于是静态负荷的综合有功功率PSa为电动机负荷模型中各个设备类型的静态负荷有功功率之和，即：
静态负荷的有功功率－频率特性系数LDP和无功功率－频率特性系数LDQ表示为：
其中，Pfi表示设备类型i的有功功率－频率特性系数，Qfi表示设备类型i的无功功率－频率特性系数。
2.根据权利要求1所述的电动机负荷模型的构建方法，其特征在于：所述步骤2-2中，所述动态负荷为电动机负荷，动态负荷包括空调、冰箱和洗衣机；
所述静态负荷为除电动机负荷外的其他负荷，静态负荷包括白炽灯、热水器和电视。
3.根据权利要求1所述的电动机负荷模型的构建方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：
步骤3-1：根据电力***的频率变化量和负荷节点的有功功率变化量计算电力***频率变化引起的负荷节点有功功率变化百分数Kpf，有：
其中，Δf表示电力***的频率变化量，且Δf＝f1-f0，f1表示事故后电力***频率恢复到稳定时频率，f0表示事故开始时电力***的频率；
ΔP表示负荷节点的有功功率变化量，且ΔP＝P1-P0，P1表示事故后电力***频率恢复到稳定时负荷节点的有功功率；
步骤3-2：比较Kpf与负荷节点的有功功率－频率特性系数Pf，若|Kpf-Pf|大于0.001，则需调整A、B、C，返回步骤2-6；否则表明给定的电动机的机械转矩系数A、B、C即为电动机负荷模型的频率参数。
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