考虑分布式发电的电力系统综合负荷建模方法研究

郭娅雯　李萌

摘 要：分布式发电因其清洁高效、对电网性能改善的潜力巨大，近些年来发展迅速。随着分布式电源占比的提高，原本辐射状的配电网逐渐变成系统与用户互联互通的网络。电网拓扑结构的改变将影响配电网的运行特性和综合负荷特性，传统的综合负荷模型可能不再适用于描述该区域的负荷特性。因此，文章就含分布式电源的电力系统综合负荷建模方法展开研究，以期为电力系统仿真计算提供必要的模型支持。

关键词：分布式电源；负荷建模；风力发电；参数识别

电力系统规划与运行中所产生的一些问题，与电力系统的稳定性有着莫大的联系。在过去，我国电力系统的发展更注重主网，采用集中发电、远距离输送的形式实现了大电网互联，有效解决了能源供需分布不均的问题。现今，一方面由于美国、伦敦、印度等国接连发生大停电事故，使得人们更加重视电力系统运行的稳定性问题。另一方面，能源危机与环境的日益恶化，使得与可再生能源发电相关的研究成为热点。不同方式实现发电激起人们越来越大的兴趣，这些电压等级低且可连接到配电网的电源，能够提高配电系统可靠性，且能够沿输电网络改善电压的分布。但同时，确定分布式发电电源的接入对电力系统的电压稳定性所造成的影响更具挑战。

影响电压稳定性的因素中最重要的方面之一是对相关的负荷建模。在过去的几十年里，输电网络的建模技术已经取得了很大的发展，而负荷建模却发展缓慢。显然，电力负荷模型的建立与改善电力系统仿真精度有着密切的联系。在许多研究中，配电系统可以看作是输电系统中综合负荷组成的静态元素，如阻抗或恒功率负载，以及动态元素，如感应电动机或恒温控制的负载。如果一个分布式电源连接到配电系统，它的影响可能是相当大的，且在建模时需要进行特殊的处理。因此，文章对考虑分布式发电的电力系统综合负荷建模方法进行探究，首先在第一部分对电力负荷模型进行归类，然后在第二部分总结和分析典型负荷建模的方法，并针对含分布式发电的系统提出综合负荷建模的改进方法，最后一部分进行总结与展望。

1 电力负荷模型的分类

负荷建模是电流或综合负荷的有功和无功功率随母线电压和频率的变化而变化的数学表达式[1]，一般将其分为静态负荷模型和动态负荷模型。

1.1 静态负荷模型。一般来说，静态模型對系统特性起决定性的因素不随时间改变而变化的系统模型。但静态系统模型的建立只是对系统的一种简化，实际情况下显然不存在绝对静止的系统。当分析对象的主要特征在指定时段内不发生显著变化，或对整体性质不会造成显著影响时，可以将模型看作是静态的，有助于仿真计算。静态负荷模型的物理意义是，反映母线有功、无功负荷功率随模型的电压和频率的改变而改变的特性。其中，负荷随电压变化的规律称作负荷电压特性，负荷随频率变化的规律称作负荷频率特性。一般用于电力系统的潮流分析、静态稳定分析，用多项式模型和幂函数模型的代数方程来表示。

1.2 动态负荷模型。与静态模型相对应，系统的状态随时间的变化而变化的模型被称为动态模型，分为两类，一类是连续性动态系统模型，一类是离散型动态系统模型。动态负荷模型的物理意义是，反映母线有功、无功负荷功率随母线的电压、频率和时间的变化而变化的特性。与静态负荷不同，一般用于电力系统的动态计算、稳定分析，用微分或差分方程表示动态负荷模型来表示。

2 负荷建模的方法

2.1 负荷建模的典型方法。负荷建模一般通过两种方法实现，统计综合法是通过实验和数学推导得到典型负荷元件的数学模型，接着在一些负荷点上统计某些典型时刻各种负荷的组成，综合这些数据来估计负荷的组成。总体测辩法则是将综合负荷看作一个整体，从现场采集测量数据，根据这些数据辨识负荷模型的结构和参数[2]。

文献中针对总体测辩法提出了几种不同的模型结构。在文献[3][4]提出了一种由静态负荷模型与动态负荷模型并列连接的综合负荷模型。建立该负荷模型，负荷总有功和无功功率的消耗是由静态和动态部分消耗的功率组成，如式（1）所示：

其中a1*、a2*、a3*分别表示恒定阻抗，恒定电流和恒定电源组件的有功功率系数，a4*、a5*、a6*分别表示恒定阻抗，恒定电流和恒定电源组件的无功功率系数。

2.2 负荷建模的改进方法。上文中总结的负荷建模的典型方法，是考虑到负载在传输中的功率消耗，因此可以用静态和动态模型组成的复合负荷模型来表示。随着电力系统的发展，电网中接入越来越多的分布式发电设备，而多数分布式发电中的风电电源连接到配电系统，因此有必要考虑从配电系统输送到输电系统的功率。而上文中提出的复合负荷模型，只考虑了连接到馈线上的耗能设备，如静态负荷和感应电机。现在，有必要考虑注入馈线的功率。分布式发电设备被看作是注入功率到馈线的电源。因此，有必要在含分布式风电的负荷节点上定义负荷模型结构。

文章提到的改进综合负荷模型，其思想是将原始的负荷模型一般化，用异步电机来替代感应电机。电动机负载所消耗的功率或是由分布式发电机提供的功率，可以用异步电机来表示，它可以作为电机或发电机运行。如果电机负载所消耗的功率大于分布式发电机提供电力，就可以表示为一个异步电机，即异步机作为电动机运行；否则，表示为一个异步发电机，即异步电机作为发电机运行。KPM表示的是电机载荷占总功率载荷的比例。在耗能设备作用的情况下，所消耗的功率被假定为正，所以此参数从0（无电机负载）变化到1（仅有电机负载）。为了表示分布式电源供电，注入功率看作是负的，也就是说，KPM的变化区间很宽，例如[-0.9 0.9]。

对于负荷建模，参数调整的思想是尽量减少从系统测量的数据和模型模拟的数据之间的平方差的总和。由此提出负载参数识别的目标函数，如下式（3）：

其中，PKM、QKM是测得的有功和无功功率，PKS、QKS分别表示仿真出的有功和无功功率。a和b是改善有功和无功功率匹配的加权因子。

3 总结与展望

随着分布式电源的日益增多，电网拓扑结构发生改变，这将影响配电网的运行特性和综合负荷特性，传统的综合负荷模型可能不再适用于描述该区域的负荷特性。因此文章在总结负荷模型分类及典型负荷建模方法后，提出一种考虑分布式电源并网后可用的综合负荷建模方法。这种方法需要获取系统正常运行中或受扰动后的测量数据，通过参数识别来确定一组参数，负载参数识别所需的目标函数已在文中给出，该方法适用于电力系统测量中用来估计修改后的复合负荷模型的输出功率。现阶段，分布式发电尚在研究阶段，暂时没有获取分布式电源实测运行数据的条件。因此，目前相关研究还在理论阶段，未来条件成熟时再基于实测数据进一步验证模型的有效性。

参考文献

[1]王吉利，贺仁睦，马进.配网侧接入电源对负荷建模的影响[J].电力系统自动化，2007，31（20）：22-26，40.

[2]杨静.电力系统传输网络与负荷模型辨识及其在电压稳定分析中的应用[D].湖南：中南大学，2012.

[3]汤涌.电力负荷的数学模型与建模技术[M].北京：科学出版社，2012，63-65.

[4]汤涌，张红斌，侯俊贤，等.考虑配电网络的综合负荷模型[J].电网技术，2007，31（5）：34-38.

作者简介：郭娅雯（1993-），女，汉族，湖北武汉市人，研究生在读，电气工程硕士，单位：武汉理工大学电气工程专业，研究方向：电力系统规划与运行。

李萌（1993-），女，汉族，河南濮阳市人，研究生在读，电气工程硕士，单位：武汉理工大学电气工程专业，研究方向：电力系统规划与运行。