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负荷模型对电力系统失步振荡特性的影响

马伟哲 程维杰 张仕鹏 许琴

马伟哲,程维杰,张仕鹏等.负荷模型对电力系统失步振荡特性的影响[J].南方能源建设,2021,08(01):110-114. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.016
引用本文: 马伟哲,程维杰,张仕鹏等.负荷模型对电力系统失步振荡特性的影响[J].南方能源建设,2021,08(01):110-114. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.016
MA Weizhe,CHENG Weijie,ZHANG Shipeng,et al.Influence of Load Model to Out-of-step Oscillation Characteristics of Power System[J].Southern Energy Construction,2021,08(01):110-114. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.016
Citation: MA Weizhe,CHENG Weijie,ZHANG Shipeng,et al.Influence of Load Model to Out-of-step Oscillation Characteristics of Power System[J].Southern Energy Construction,2021,08(01):110-114. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.016

负荷模型对电力系统失步振荡特性的影响

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.016
基金项目: 

中国能建广东院科技项目“电力系统安全稳定控制技术研究及应用” EX05511W

详细信息
    作者简介:

    马伟哲1982-,男,黑龙江哈尔滨人,学士,工程师,主要研究方向为电网调度、规划及智能电网相关研究工作(e-mail)maweizhe@sz.csg.cn

    程维杰1982-,男,河南开封人,学士,高级工程师,主要研究方向为电力系统安全稳定分析与控制(e-mail)chengweijie@sz.csg.cn

    张仕鹏1974-,男,四川巴中人,专业级资深专家,高级工程师,东北师范大学粒子物理与原子核物理硕士,华南理工大学能源与环保在读博士生,主要从事电力系统自动化研究及设计(e-mail)zhangshipeng@gedi.com.cn

    许琴(通信作者)1987-,女,江西九江人,高级工程师,硕士,研究方向为电力系统稳定分析与控制(e-mail)xuqin@gedi.com.cn

  • 中图分类号: TM7

Influence of Load Model to Out-of-step Oscillation Characteristics of Power System

  • MA Weizhe,CHENG Weijie,ZHANG Shipeng,et al.Influence of Load Model to Out-of-step Oscillation Characteristics of Power System[J].Southern Energy Construction,2021,08(01):110-114.
  • 摘要:   目的  负荷作为最终消耗有功功率的部分,对系统的稳定起着十分重要的影响,为此,文章研究不同负荷模型对电力系统失步振荡特性的影响。  方法  以某大型电网区域间断面为研究对象,采用中国电力科学研究院的BPA程序,综合分析不同负荷模型对振荡中心及失步解列装置动作的影响。  结果  结果表明:采用ZIP静态负荷模型,线路Ucosφ曲线周期完整性最好;随着感应电动机类型负荷的占比增加,Ucosφ曲线周期完整性变差,甚至导致失步解列装置能否动作的结论发生颠覆性变化;另外,不同负荷模型也会导致振荡中心发生迁移。  结论  因此,采用最反映实际情况的负荷模型才能有效保证仿真结果的可信度。
  • 图  1  某大型电网500 kV主网架示意图

    Fig.  1  Schematic diagram of the 500 kV main grid frame of a large grid

    图  2  LD-HZ线和HZ-LUD线的两侧相角差曲线

    Fig.  2  Phase difference curve of both sides of the LD-HZ and HZ-LUD lines

    图  3  直流1+直流2双极闭锁稳控拒动故障时GL-XLS线XLS侧、HZ-LUD线HZ侧、WZ-LUD线WZ侧、YL-MM线MM侧Ucosφ曲线

    Fig.  3  Ucosφ curve of XLS side of GL-XLS Line, HZ side of HZ-LUD Line, WZ side of WZ-LUD Line, MM side of YL-MM Line when DC1+DC2 bipolar blocking failure that stability control device refused to move

    图  4  XLS站三相故障主保护拒动出线全失时LUD-WZ线LUD侧Ucosφ曲线

    Fig.  4  Ucosφ curve of LUD side of LUD-WZ Line when XLS station three-phase failur, main protection refusing to operate and failure of all outgoing lines happened

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    [19] 王若愚, 谢莹华.  深圳电网负荷分类及构成分析 . 南方能源建设, 2015, 2(3): 43-46. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2015.03.008
    [20] 丛宝丰, 李光泰.  基于负荷层级设计的电力调控中心供电可靠性研究 . 南方能源建设, 2015, 2(3): 57-61. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2015.03.011
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-11
  • 修回日期:  2020-09-22
  • 刊出日期:  2021-03-25

负荷模型对电力系统失步振荡特性的影响

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.016
    基金项目:

    中国能建广东院科技项目“电力系统安全稳定控制技术研究及应用” EX05511W

    作者简介: 马伟哲1982-,男,黑龙江哈尔滨人,学士,工程师,主要研究方向为电网调度、规划及智能电网相关研究工作(e-mail)maweizhe@sz.csg.cn

    程维杰1982-,男,河南开封人,学士,高级工程师,主要研究方向为电力系统安全稳定分析与控制(e-mail)chengweijie@sz.csg.cn

    张仕鹏1974-,男,四川巴中人,专业级资深专家,高级工程师,东北师范大学粒子物理与原子核物理硕士,华南理工大学能源与环保在读博士生,主要从事电力系统自动化研究及设计(e-mail)zhangshipeng@gedi.com.cn

    许琴(通信作者)1987-,女,江西九江人,高级工程师,硕士,研究方向为电力系统稳定分析与控制(e-mail)xuqin@gedi.com.cn

  • 中图分类号: TM7

摘要:   目的  负荷作为最终消耗有功功率的部分,对系统的稳定起着十分重要的影响,为此,文章研究不同负荷模型对电力系统失步振荡特性的影响。  方法  以某大型电网区域间断面为研究对象,采用中国电力科学研究院的BPA程序,综合分析不同负荷模型对振荡中心及失步解列装置动作的影响。  结果  结果表明:采用ZIP静态负荷模型,线路Ucosφ曲线周期完整性最好;随着感应电动机类型负荷的占比增加,Ucosφ曲线周期完整性变差,甚至导致失步解列装置能否动作的结论发生颠覆性变化;另外,不同负荷模型也会导致振荡中心发生迁移。  结论  因此,采用最反映实际情况的负荷模型才能有效保证仿真结果的可信度。

English Abstract

马伟哲,程维杰,张仕鹏等.负荷模型对电力系统失步振荡特性的影响[J].南方能源建设,2021,08(01):110-114. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.016
引用本文: 马伟哲,程维杰,张仕鹏等.负荷模型对电力系统失步振荡特性的影响[J].南方能源建设,2021,08(01):110-114. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.016
MA Weizhe,CHENG Weijie,ZHANG Shipeng,et al.Influence of Load Model to Out-of-step Oscillation Characteristics of Power System[J].Southern Energy Construction,2021,08(01):110-114. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.016
Citation: MA Weizhe,CHENG Weijie,ZHANG Shipeng,et al.Influence of Load Model to Out-of-step Oscillation Characteristics of Power System[J].Southern Energy Construction,2021,08(01):110-114. doi:  10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2021.01.016
  • 电力系统由发电机、输电网络和负荷终端等主要元件组成1。负荷作为最终消耗有功功率的部分,对系统的稳定起着十分重要的影响2。前期的大量研究表明,不同的负荷模型对系统功角稳定、电压稳定、频率稳定均有不同的影响,甚至会产生颠覆性的变化3-4

    目前,国内失步解列装置中的失步判别原理主要有3种:Ucosφ法、相位角法、循序阻抗法5-8。三种判据的数学表达式均与站点电压及电压、电流的相位角有关,另外,振荡中心的位置变化也与两侧电压幅值有关。因此,从理论角度分析,负荷模型对系统的失步振荡特性同样也具有重要影响。

    为此,本文以某大型电网为研究对象,采用中国电力科学研究院的BPA程序,开展仿真分析计算。重点从不同负荷模型对振荡中心的位置及失步解列装置的动作情况方面来分析对系统失步振荡特性的影响程度。

    • 负荷模型一般分为静态负荷模型、动态负荷模型及综合负荷模型9-12

    • 静态负荷模型通常采用恒定阻抗、恒定电流和恒定功率的线性组合来表示。某些时候,为了分析负荷的频率特性,在ZIP模型之中,可以加入一个频率因子。ZIP静态负荷模型如式(1)

      P=P0ap(UU0)2+bp(UU0)+cp1+dp*df*f0Δf*Q=Q0ap(UU0)2+bp(UU0)+cp1+dp*df*f0Δf* ((1))

      式中:P0为有功功率初始值(MW);Q0为无功功率初始值(MW);电压二次项相当于恒定阻抗负荷,电压一次相当于恒定电流负荷(I),电压零次项相当于恒定功率负荷(P),1+dp*df*f0Δf*为负荷的频率特性。

    • 动态负荷模型结构由非机理式和机理式两大类。机理式均是以感应电动机模型为基础,有三阶机电暂态模型和一阶机械暂态模型等,其中三阶模型能较好的反映感应电动机动态特性。

    • 采用三阶感应电动机并联负荷静态特性的综合负荷模型结构,是目前最常用的模型。通过设置不同的占比,产生不同的负荷模型。如华东电网采用的60%感应电动机并联40%恒阻抗、南方电网采用的50%感应电动机并联50%恒阻抗等。

    • 以某大型电网500 kV主网架为例,如图1所示。选取直流1+直流2双极闭锁稳控拒动和XLS站三相故障主保护拒动出线全失2个故障作为算例,重点研究对断面1的振荡中心特性及失步解列装置动作情况的影响。其中,直流1+直流2双极闭锁稳控拒动故障导致大量潮流迂回到交流断面上,引起区域间断面1失步振荡;XLS站三相故障主保护拒动出线失压导致断面1的一个通道断开,引起断面其他通道失步振荡。失步解列装置动作判据采用Ucosφ轨迹法。主要算例采用3种负荷模型:(1)综合负荷模型:50%Ⅲ型马达+50%恒阻抗模型;(2)静态30%恒阻抗+40%恒电流+30%恒功率模型,简称静态3-4-3ZIP模型;(3)70%Ⅲ型马达+30%恒阻抗模型。马达参数为:定子电阻Rs 0.02,定子电抗Xs 0.18,激磁电抗Xm 3.5,转子电阻Rr 0.02,转子电抗Xr 0.12,惯性时间常数Tj 2。

      图  1  某大型电网500 kV主网架示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of the 500 kV main grid frame of a large grid

    • 以直流1+直流2双极闭锁稳控拒动故障为例,经仿真分析,采用不同的负荷模型,振荡中心均位于断面1附近(GL-XLS线、LD-HZ线、HZ-LUD线、LB-WZ线及YL-MM线),不同之处是在HZ-LUD通道上,采用不同的负荷模型振荡中心的位置有所不一样,详见图2。由图2可知,采用ZIP模型时,振荡中心在HZ-LUD线上;采用50%Ⅲ型马达+50%恒阻抗模型时,振荡中心前2周期在HZ-LUD线后迁移至LD-HZ线;采用70%Ⅲ型马达+30%恒阻抗模型时,振荡中心主要在HZ-LUD线上。总之,负荷模型的不同将影响振荡中心的迁移变化。

      图  2  LD-HZ线和HZ-LUD线的两侧相角差曲线

      Figure 2.  Phase difference curve of both sides of the LD-HZ and HZ-LUD lines

      其主要原因是由于负荷模型的不同,将导致线路两侧的电压幅值差值不等,从而影响到振荡中心的位置。

    • 以直流1+直流2双极闭锁稳控拒动故障时GL-XLS线XLS侧、HZ-LUD线HZ侧、WZ-LUD线WZ侧、YL-MM线MM侧Ucosφ曲线为例进行分析。由图3可知,采用ZIP静态负荷模型,线路Ucosφ曲线周期完整性最好,两广断面所有线路均能正确判出并解列断面;但随着感应电动机类型负荷的占比增加,Ucosφ曲线周期完整性变差,甚至会导致失步解列装置能否动作的结论发生颠覆性变化。如WZ-LUD线WZ侧Ucosφ曲线,采用ZIP负荷模型,第二周期幅值范围为[-1,1],采用70%Ⅲ型马达+30%恒阻抗模型,第二周期Ucosφ幅值范围为[-0.26,0.42]。根据装置的逻辑判别原理,Ucosφ幅值从大于0.3的值穿越到小于-0.3,才算完成一个周期,因此,存在采用70%Ⅲ型马达+30%恒阻抗模型时,周期定值整定为2时,WZ侧失步解列装置不能解开WZ-LUD线的情况。

      图  3  直流1+直流2双极闭锁稳控拒动故障时GL-XLS线XLS侧、HZ-LUD线HZ侧、WZ-LUD线WZ侧、YL-MM线MM侧Ucosφ曲线

      Figure 3.  Ucosφ curve of XLS side of GL-XLS Line, HZ side of HZ-LUD Line, WZ side of WZ-LUD Line, MM side of YL-MM Line when DC1+DC2 bipolar blocking failure that stability control device refused to move

      以XLS站三相故障主保护拒动出线全失时LUD-WZ线LUD侧Ucosφ曲线为例进行分析。由图4可知,采用ZIP静态负荷模型,线路Ucosφ曲线周期完整性最好,但随着感应电动机类型负荷的占比增加,Ucosφ曲线周期完整性变差。与直流1+直流2双极闭锁稳控拒动故障算例结论一致。

      图  4  XLS站三相故障主保护拒动出线全失时LUD-WZ线LUD侧Ucosφ曲线

      Figure 4.  Ucosφ curve of LUD side of LUD-WZ Line when XLS station three-phase failur, main protection refusing to operate and failure of all outgoing lines happened

      其主要原因是因为故障恢复阶段马达电磁转矩减小,但机械功率依然保持在较高的水平,随着马达逐渐减小,滑差在短时间内逐渐拉大,马达将从系统内吸收大量无功,导致系统电压降低,所以Ucosφ曲线的周期完整性差;而ZIP负荷吸收的无功功率与电压同方向变化,在故障后的恢复期间会随着系统电压的下降而下降,在一定程度上缓解了系统的无功缺额,有利于电压的恢复,所以Ucosφ的周期完整性较好。

    • 负荷作为电力系统的一个重要组成部分,其模型和参数选择与实际负荷的吻合程度对电力系统相应的失步振荡特性分析结论具有重要影响。

      不同模型结构对系统失步振荡特性分析影响很大。以对失步解列装置动作情况的影响为例,采用ZIP静态负荷模型,线路Ucosφ曲线周期完整性最好;随着感应电动机类型负荷的占比增加,Ucosφ曲线周期完整性变差,甚至会导致失步解列装置能否动作的结论发生颠覆性变化。由仿真结果可知,感应电动机模型所在比重越大,分析结论越偏于保守,甚至有可能是截然相反的。因此,采用最反映实际情况的负荷模型才能有效保证仿真结果的可信度,即不能过于乐观,也不能过于保守。

  • 马伟哲,程维杰,张仕鹏等.负荷模型对电力系统失步振荡特性的影响[J].南方能源建设,2021,08(01):110-114.
  • 参考文献 (13)

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