交流电网现代负荷有功特性实验研究

黄兴华 林少坚 杨国钦 郑植煌

摘要：在现代交流电网中，电力电子技术已经越来越多地应用于各类电器，并构成了现代负荷区别于传统负荷的一大特征。电力电子的调节特性使得电力负荷特性发生改变。本研究通过实验，测试了传统和现代负荷中几种代表性电器的有功特性。研究表明，电力电子的使用使得负荷特性趋向于恒功率。研究结果为现代交流电网的运行控制提供了参考依据。

关键词：现代负荷 电力电子 有功特性 恒功率

电力电子技术在用电环节的使用，使得传统电力负荷的特性发生改变。正确掌握负荷特性是电力系统调控运行工作有效开展的重要基础。在总电力负荷中，照明负荷占比20%左右[1]，感应电动机（交流异步电机）占比60%以上[2]，两者构成了電力负荷的主要成分。本文选取照明和感应电机这两类代表性负荷，对电力负荷的有功功率特性展开实验研究。

1 负荷特性测试实验方案

实验采用变频器作为测试电压源，产生幅值、频率可调的电压。测试用负荷包括照明和感应电机。在选择具体的负荷形式时，本文兼顾传统负荷形式和未来应用前景广阔的发展趋势[3-4]：

（1） 照明负荷，包括白炽灯、电感镇流器荧光灯、电子镇流器荧光灯和LED。

（2） 电动机负荷，包括直接接入测试电源的感应电机和通过变频器接入测试电源的感应电机，后者即为变频调速系统。实验中感应电机拖动直流发电机，直流发电机外接电阻器。

负荷实物如图1，铭牌参数示于表1。

2有功-频率特性动模实验

被测负荷在实验前，首先在额定电压下预热。待测量数据稳定后，再开展频率特性测试。实验中频率调节范围为0.95～1.05p.u。利用测试数据作最小二乘拟合，绘出有功功率-频率特性曲线如图2所示。

由图2的频率特性曲线可得如下结论：

照明负荷中，电阻型负荷白炽灯有功功率与频率无关，这与一般的认知是一致的;电感镇流器荧光灯的有功功率对于频率的变化较为敏感，而含电力电子的两种照明负荷电子镇流器荧光灯与LED均表现出与工作频率基本无关的有功功率特性。

电动机负荷中，若感应电机直接与电源相接，其吸收的有功功率与电源频率成正相关变化;而当感应电机通过变频器构成变频调速系统，则有功功率对频率的敏感性明显降低，近似为恒功率负荷。

由上述的频率特性动模实验可以发现，电力电子技术在用电环节的应用使得负荷的频率敏感性大为降低，可以认为电子镇流器荧光灯、LED与变频调速系统呈现与频率无关的恒功率特性。

3有功-电压特性动模实验

与第2节实验相同，首先在额定电压下预热，待测量数据稳定后再开展测试。由于当变频调速系统的输入电压低于190V（0.86p.u.）时，变频器执行保护策略自动停止工作，故变频调速系统实验电压调节范围为0.86～1.1p.u。其余实验中电压调节范围为0.8～1.1p.u。利用测试数据作最小二乘拟合，绘出有功功率-电压特性曲线如图3所示。

由图3的电压特性曲线可得如下结论：

照明负荷中，电阻型负荷白炽灯有功功率与电压成正相关，这与一般的认知吻合;电感镇流器荧光灯和电子镇流器荧光灯的有功功率对于电压的变化较为敏感，而作为照明领域趋势的LED则表现出与电压基本无关的有功功率特性。

电动机负荷中，若感应电机直接接入电源，其吸收的有功功率与电压成正相关变化;而当感应电机通过变频器构成变频调速系统，则有功功率对电压的敏感性明显降低，可认为是恒功率负荷。

由上述的电压特性动模实验可以发现，电力电子技术在用电环节的应用使得负荷的电压敏感性大为降低， LED与变频调速系统呈现出恒功率特性。

4 总结

电力电子技术已广泛应用于用电设备中。电力电子的调节特性会显著影响负荷特性。照明和感应电机是电力负荷中最主要的组成部分。本文选取照明和感应电机中的典型负荷形式，开展动模实验测试其有功功率特性。研究结果表明，电力电子的引入使负荷有功趋向于与频率和电压无关，表现出恒功率特性。本文分析结果为后续研究电网各单元协调控制策略奠定了基础。

参考文献

[1] 孙萌，余方召，周荣玲，黄奇，曹国芳，陈谦. 节能灯及LED灯的负荷特性研究[J]. 陕西电力，2015，43（12）：57-61.

[2] 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.

[3] 尹项根，程汉湘. 变频调速展望[J]. 电力自动化设备，2002，（04）：61-66.

[4] 邵旭敏. LED关键应用技术研究[D]. 浙江大学，2011.