常用电力负荷模型的分析研究

刘媛杰　李 霞　李云阳

(1 新疆塔里木大学机械与电气工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)(2 国家电网阿克苏地区电力公司， 新疆 阿克苏 843300)(3 辽宁职业学院， 辽宁 铁岭 112099)



常用电力负荷模型的分析研究

刘媛杰1李 霞2李云阳3*

(1 新疆塔里木大学机械与电气工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)(2 国家电网阿克苏地区电力公司， 新疆 阿克苏 843300)(3 辽宁职业学院， 辽宁 铁岭 112099)

摘要通过了解国内外关于负荷模型的应用现状，总结了负荷模型的结构特点。讨论了不同负荷模型的特点和应用背景。对现有的几种常用的负荷模型进行比较分析，指出不同模型的适用范围。

关键词电力负荷模型； 静态负荷模型； 动态负荷模型

电力负荷建模是系统建模的一种。常用的系统建模方法有两种：一是机理建模；二是辨识建模。所谓机理建模是白箱建模，建立在对系统内在特性和结构有明细认知的基础之上；辨识建模是黑箱建模或灰箱建模，是指对系统内在特性不清楚，只是关心系统输入输出特性的建模方法。目前，对于电力负荷建模的研究主要有两个方面，一是着眼于负荷建模内涵方面，面向纯粹负荷地区，即不考虑分布式电源的影响和新能源的接入；二是从实际工程应用角度看，负荷模型的选取和模型参数的确定直接影响系统仿真的结果，美国的西北WSCC电力系统重大停电的事故(1996)等故障仿真与重现结果表明，负荷模型的不同会对实际电网的运行结果造成相差甚远的结果(艾芊等)。以往的纯粹负荷已经逐渐不能满足电力系统仿真分析和工程设计的需要，周海强等进行了考虑配电网络的综合负荷模型的研究，鞠平等对广义电力负荷(包含地方电厂、分布式电源及其新能源发电环节的负荷区域)的模型结构与参数做了确定。[1]应对于工程实践应用，本文对常用的负荷模型进行了介绍和分析，涵盖静、动态模型、风力发电机模型等，并对不同模型的适用范围做了简要分析。

1电力负荷建模方法

1.1电力负荷建模方法分类

电力负荷建模方法有四种：统计综合法(Component-based approach)、总体测辨法(Measurement-based approach)、故障仿真法(Fault Simulation Method)、混合方法建模(Hybrid methodology)。

1.2建模方法概述

统计综合法是基于调查统计和计算综合的过程。主要调查和统计的内容包括区域内主要类型用电设备的负荷参数、地区经济情况和由此而确定的行业比重、变电站的运行和分布等信息。

总体测辨法是基于在负荷点母线或变压器出口侧进行实际数据测量的方法。在测量负荷参数的基础上，选择负荷模型的结构类型并进行参数辨识，最后对模型的性能进行校验。所需要测量的基本参数包括电压、功率和频率等。

故障仿真方法是基于人为重设故障，根据故障时负荷参数的变化规律，对假定的负荷模型进行修正，得到更加可靠的模型。

混合方法是结合多种方法，根据负荷区域的具体特点，得到可靠的负荷模型及其参数。

从负荷建模发展历史的角度来看，最早的负荷模型的建立是在20世纪60年代，常用的负荷模型是ZIP模型，即恒功率、恒阻抗、恒电流模型，还采用了感应电动机模型和多项式模型、幂函数模型等。统计综合法是出现在70年代末期，之后出现了LOADSYN 软件，专门用于负荷模型的分析。

2常用负荷模型

2.1静态负荷模型(Static load models-SLM)

常用的静态负荷模型包括多项式类负荷模型和幂函数负荷模型两大类。

2.1.1恒阻抗模型

如式(2-1)所示。

(2-1)

式中P为有功功率，Q为无功功率，P0为有功功率的初值，Q0为无功功率的初值，V为电压，V0为电压初值。电压比平方选项表示负荷中的阻抗参数恒定，电阻类负荷一般满足此类特性。

2.1.2恒电流模型

如式(2-2)所示。

(2-2)

式中P为有功功率，Q为无功功率，P0为有功功率的初值，Q0为无功功率的初值，V为电压，V0为电压初值。电压比选项表示负荷中的电流参数恒定，恒电流类负荷一般满足此类特性。

2.1.3恒功率模型

如式(2-3)所示。

P=P0；Q=Q0

(2-3)

式中P为有功功率，Q为无功功率，P0为有功功率的初值，Q0为无功功率的初值。此式表明负荷功率恒定的情况。

2.1.4ZIP模型

如式(2-4)所示。

(2-4)

式中P为有功功率，Q为无功功率，P0为有功功率的初值，Q0为无功功率的初值。三个系数是表明三个分量所占的比重。此式表明负荷功率恒定、电流恒定、阻抗恒定三种类型负荷混合存在的情况。

2.1.5通用形式的多项式模型

如式(2-5)所示。

(2-5)

式中P为有功功率，Q为无功功率，P0为有功功率的初值，Q0为无功功率的初值。系数用通用形式表示出来。此式表明负荷功率恒定、电流恒定、阻抗恒定三种类型负荷单独存在或混合存在的通用情形。

静态负荷模型反映的是电力系统稳态时负荷吸收的有功功率、无功功率与电压和频率的缓慢变化的关系，主要用于潮流计算和以潮流计算为基础的稳态分析，一般适用于电压扰动不太复杂且扰动不太大、计算结果对负荷模型不太敏感的负荷点。静态负荷模型侧重于表达输入量(电压和频率)与输出量(功率和电流)之间的关系，属于输入-输出式模型，是动态负荷模型的特例。目前国内电力系统潮流计算多采用恒功率模型或典型参数电动机模型，暂态计算多采用40%的恒功率模型加上60%的恒恒阻抗模型的多项式模型，[2]在用户负荷点上，也有采用50%电动机模型加50%恒阻抗模型来计算。[3]

2.2动态负荷模型(Dynamic load models-DLM)

2.2.1感应电动机模型

动态负荷模型常见的是感应电动机模型，是一种机理模型。由于异步电动机在负荷中占的比重较大，负荷中常用电动机模型的不同表达方式，常见的有五阶电磁暂态模型、三阶机电暂态模型和一阶机械暂态模型三种。其中五阶模型考虑的电动机的因素较多，例如定子绕组暂态、转子绕组暂态和机械特性；三阶模型是在五阶模型的基础上忽略了定子的暂态特性；一阶模型又进一步忽略了转子的电磁暂态特性。

电动机三阶机电暂态模型状态方程如式2-6、2-7、2-8、2-9所示：

(2-6)

(2-7)

(2-8)

ωr=1-S

(2-9)

三阶模型中电磁力矩方程如式2-10所示：

(2-10)

三阶模型中机械力矩方程如式2-11、2-12所示：

(2-11)

(2-12)

以上三阶模型各式中：

(2-13)

(2-14)

X=Xs+Xm

(2-15)

(2-16)

(2-17)

上述公式中的变量和参数都是以电机自身容量为基值的条件下的标么值表示，且角速度ω的标幺值和频率的标幺值f相等。基于上述的电动机三阶模型公式，首先确定方程初始化，列出并求解状态方程，最后利用数值优化方法得到负荷模型的相关参数。与传统的电动机三阶负荷模型相比，这种模型新定义了电动势变量，其中电动势与磁链是线性关系，并且不包含频率项从而得到上述新的三阶模型。[4]

通常，相对来说，电力系统的暂态过程较慢，感应电动机转子绕组的暂态过程要快些，而其定子绕组的暂态过程要比前两者快得多，因此在进行电力系统暂态分析时，忽略定子绕组的暂态过程对分析结果影响不大，一般采用三阶模型就能较好的反映感应电动机的动态特性。这种模型的缺点是难以描述负荷内部结构的复杂性，因而使用范围受到限制。[2]

2.2.2双馈发电机模型

目前双馈发电机是风力发电机中得到普遍应用的一种类型，其模型方程式如式2-18所示：

(2-18)

2.3通用非线性动态(Generic NonLinear Dynamic，GNLD) 模型

GNLD模型是动态非线性模型中有代表性的模型方法，其核心思想是反映当电压变化时功率变化表现出来的功率恢复特性。如图1所示。

图1　GNLD模型中的功率恢复特性

图1中，Pr是有功功率恢复数值；P0是电压变化前有功功率初始值；P1是有功功率消耗值。当电压变化的情况下，V0表示电压初始值，V表示电压变化后的数值。功率变化随着电压变化呈现出一种恢复特性。

GNLD模型中的有功模型如式2-19和2-20所示。

(2-19)

(2-20)

式2-19和2-20中，参数含义同图1中的符号。Tp表示有功恢复时常；αs表示稳态有功电压系数，αt表示有功稳态值和电压值之间的关系； 表示暂态有功电压系数，表示有功暂态值和电压值之间的关系。

根据上式，可以求出有功功率响应表达式，如(2-21)所示。

(2-21)

和有功特性相似，无功功率响应表达式如式(2-22)所示。

(2-22)

式中Ql表示无功消耗值，Q0是无功初值；Tq表示无功恢复时常；βs表示稳态无功电压系数，表示无功稳态值和电压值之间的关系；βt表示暂态无功电压系数，表示无功暂态值和电压值之间的关系。

当遇到需要反映负荷吸收的功率随着电压的波动动态的改变的情况时，静态模型就不再适用，而应使用动态负荷模型反映功率与电压的关系，来描述负荷的一般特性。动态负荷模型的优点在于能够全面准确的描述电力系统从暂态到稳态的过渡过程，在这个过程中以时间为变量，是功率对时间的微分运算，不但可以描述瞬间波动，也可以表达恢复过程。[5]

3小结

电力系统负荷模型的研究是电力系统仿真研究的基础。负荷模型和发电机模型、变压器模型、输电线路模型相比，没有在不同环境和条件下的通用的可靠模型可以应用。对负荷模型的研究对于提高电力系统分析的水平和电网规划设计具有重要的意义。电力负荷模型是分析电力系统的重要依据，对稳态计算的精确度有着重要的影响。随着电网互联程度的不断提高，随机性电源负荷也在不断增加，对负荷模型的分析总结研究有助于工程技术人员根据实际情况选择可靠可信的负荷模型，进行电网运行的相关计算研究。

参考文献

[1]周海强，茆超，鞠平，等.考虑配电网络的综合负荷模型可辨识性分析[J].电力系统自动化.2008，32(16)：16-19.

[2]夏少辉.电力负荷模型建立的研究[D].哈尔滨工业大学.2006,(6):8-20.

[3]张鹏飞，罗承廉，孟远景，等，动态负荷模型比例对电网稳定性影响分析[J].继电器.2006,6(11)：24-26

[4]梁伟，鞠平，余一平．考虑频率特性的感应电动机负荷模型的对比研究[J]．电力系统保护与控制，2014，42(9)：132-136.

[5]张红斌，李黎，贺仁睦.动静态负荷模型在电网暂态稳定计算中的应用[J].电力自动化设备.2003,6(6):49-53.

[6]郑小雨,郑静媛,王彦博．智能电网中实时负荷模型建立研究[J].电力与能源.2015，36(1)：42-45.

[7]鞠平, 谢会玲, 陈谦. 电力负荷建模研究的发展趋势 [J]. 电力系统自动化. 2007，31(2): 1-4.

[8]鞠平, 何孝军等. 广义电力负荷的模型结构与参数确定. 电力系统自动化. 2006， 30(23): 11-13, 32.

[9]李娟, 丁坚勇. 电力系统负荷建模和算法的研究及进展[J]. 高电压技术. 2008, 34(10):2209-2214.

[10]邱丽萍，金小明，林勇等.负荷模型对电力系统仿真计算的影响[J].电力系统及其自动化学报.2014，26(11)：87-90.

[11]王立地，何昕，朴在林.通用动态负荷模型电压阶跃检测和参数辨识方法[J].电网技术，2014.38(9)：2479-2483.

[12]艾芊,陈陈,沈善德，等. 简化前馈网络用于负荷模型参数辨识的研究[J]. 中国电机工程学报. 2005,25(5):21-27.

Analysis of Commonly Used Power Load Model

Liu Yuanjie1Li Xia2Li Yunyang3*

(1 College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarin University ,Alar, Xinjiang 843300)

(2 State Grid Electric Power Company of Aksu , Aksu, Xinjiang 843300)

(3 Liaoning Vocational College, Tie Ling, Liaoning 112099)

AbstractThrough research on the current status of application of the load model at home and abroad, summarized the structure characteristics of load model. The characteristics and application background of different load model are discussed. Compared with the existing several common used load model, the applicable scope of different models are pointed out.

Key wordspower load model; static load model; dynamic load model

中图分类号：TM744

文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2015.04.016

文章编号：1009-0568(2015)04-0099-06

通讯作者*为E-mail：824239977@qq.com

作者简介：刘媛杰(1982-)，女，讲师,硕士，主要从事农业电气化与自动化方面的教学与研究工作。E-mail：liuyuanjie2005@163.com

基金项目：塔里木大学校长基金项目(TDZKSS201412)。

收稿日期：2015-04-13