沈衛(wèi)兵, 周錦, 唐瑩瑩, 陳謙

(1. 國(guó)網(wǎng)蚌埠供電公司，安徽 蚌埠233000；2. 國(guó)網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華321017；3. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京211100)

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變頻拖動(dòng)設(shè)備對(duì)負(fù)荷模型參數(shù)的影響分析

沈衛(wèi)兵1, 周錦2, 唐瑩瑩3, 陳謙3

(1. 國(guó)網(wǎng)蚌埠供電公司，安徽 蚌埠233000；2. 國(guó)網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華321017；3. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京211100)

針對(duì)大中功率的全控型變頻拖動(dòng)設(shè)備使用比例日益增大的問(wèn)題，分析其對(duì)現(xiàn)有負(fù)荷模型的影響，并對(duì)大比例變頻拖動(dòng)設(shè)備的負(fù)荷模型參數(shù)進(jìn)行了修正，將修正后的負(fù)荷模型及其靜態(tài)負(fù)荷模型應(yīng)用于某地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。所得結(jié)果：當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落時(shí)，變頻拖動(dòng)設(shè)備使系統(tǒng)無(wú)功需求急劇增大，對(duì)系統(tǒng)的阻尼特性降低。

拖動(dòng)設(shè)備；變頻拖動(dòng)設(shè)備；負(fù)荷模型；靜態(tài)負(fù)荷模型；電力系統(tǒng)；安全穩(wěn)定

電力拖動(dòng)技術(shù)一直是電力負(fù)荷的重要組成部分。傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)設(shè)備調(diào)節(jié)性能差，浪費(fèi)大量的電能；直流拖動(dòng)系統(tǒng)成本高，可靠性差，容量低。為降低能源消耗，提高電能利用率，基于電力電子技術(shù)的進(jìn)步[1-4]，電動(dòng)機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)得到了飛速發(fā)展[5-7]。相對(duì)于傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)設(shè)備，交流變頻拖動(dòng)設(shè)備調(diào)速性能高，消耗功率少。大量工業(yè)應(yīng)用表明，變頻調(diào)速可節(jié)能20%，具有非?？捎^的節(jié)能效果，應(yīng)用前景廣闊[8-10]。與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)設(shè)備相比，變頻拖動(dòng)設(shè)備的負(fù)荷特性不同，它會(huì)對(duì)全系統(tǒng)負(fù)荷特性產(chǎn)生一定影響，繼續(xù)使用當(dāng)前的負(fù)荷模型會(huì)給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患。

目前，在地區(qū)電網(wǎng)中，拖動(dòng)設(shè)備以傳統(tǒng)交流拖動(dòng)設(shè)備為主，負(fù)荷模型能反應(yīng)當(dāng)前拖動(dòng)設(shè)備的負(fù)荷特性，但在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，變頻拖動(dòng)設(shè)備比例將會(huì)迅速增加。據(jù)估計(jì)，在未來(lái)10年左右，變頻拖動(dòng)設(shè)備的比例將會(huì)增加到70%，且鋼鐵、石油、化工、造紙等行業(yè)中變頻拖動(dòng)設(shè)備應(yīng)用比例較大[11-12]。隨著未來(lái)變頻拖動(dòng)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，當(dāng)前的電力負(fù)荷模型顯然不夠準(zhǔn)確，需要對(duì)相應(yīng)的模型及建模方法進(jìn)行深入的研究。

近年來(lái)，有關(guān)變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響已有一些研究成果，大致的結(jié)論是變頻器的特殊電氣特性會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成不利影響[13-14]，如文獻(xiàn)[15]簡(jiǎn)述了變頻設(shè)備對(duì)海上石油平臺(tái)電網(wǎng)的影響以及解決方案。

本文重點(diǎn)研究大功率的全控整流型變頻拖動(dòng)設(shè)備，在其對(duì)電網(wǎng)電壓響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，分析了對(duì)現(xiàn)有經(jīng)典負(fù)荷模型(classic load models, CLM)參數(shù)的影響,將修正后的負(fù)荷模型和靜態(tài)負(fù)荷模型應(yīng)用于某地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行仿真分析，研究了未來(lái)10年變頻拖動(dòng)設(shè)備將對(duì)地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定方面的影響。

沈衛(wèi)兵，等：變頻拖動(dòng)設(shè)備對(duì)負(fù)荷模型參數(shù)的影響分析

1　拖動(dòng)設(shè)備的負(fù)荷特性對(duì)比分析

本文研究的拖動(dòng)設(shè)備包括傳統(tǒng)拖動(dòng)設(shè)備，即電網(wǎng)中大量應(yīng)用的交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)設(shè)備以及變頻拖動(dòng)設(shè)備(主要指大功率全控整流型變頻拖動(dòng)設(shè)備)。由于許多文獻(xiàn)對(duì)各個(gè)子模塊都有深入的研究，并提供了詳細(xì)的模型，因此本文基于電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(power system computer aided design, PSCAD)仿真平臺(tái)，搭建傳統(tǒng)交流拖動(dòng)設(shè)備和全控型變頻拖動(dòng)設(shè)備的詳細(xì)模型，用于對(duì)比、分析電網(wǎng)電壓變化對(duì)各自負(fù)荷特性的影響。

1.1傳統(tǒng)拖動(dòng)設(shè)備負(fù)荷特性

假設(shè)電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在電網(wǎng)頻率(50 Hz)不變的前提下，在1.5 s時(shí)，電網(wǎng)電壓分別跌幅達(dá)5%、10%、15%、20%，常規(guī)拖動(dòng)設(shè)備的電壓U、有功功率P、無(wú)功功率Q的響應(yīng)曲線如圖1所示。

下標(biāo)1、2、3、4分別代表電網(wǎng)電壓跌幅為5%、10%、15%、20%。圖1　傳統(tǒng)拖動(dòng)設(shè)備電壓、功率曲線

由圖1可見(jiàn)，在1.5 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓跌落，但跌落幅度不大，電動(dòng)機(jī)減速運(yùn)行，有功功率需求隨之減小，無(wú)功功率需求也隨電壓下降而下降，經(jīng)過(guò)短時(shí)延遲后有一定抬升，最終趨于穩(wěn)定。

1.2變頻拖動(dòng)設(shè)備負(fù)荷特性

1.2.1運(yùn)行機(jī)理

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)的交流電壓發(fā)生變化時(shí)，變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)的功率響應(yīng)會(huì)發(fā)生變化。變頻拖動(dòng)系統(tǒng)功率流向如圖2所示。

P1，in、P1，out—分別為變頻拖動(dòng)設(shè)備輸入、輸出功率;P2，in、P2，out—分別為變頻器輸入、輸出功率; Pch,dis—直流電容的充、放電功率。圖2　變頻拖動(dòng)設(shè)備功率流向示意圖

由能量守恒定理可知，在忽略變頻器功率器件損耗等前提下，P1，in與Pch,dis及P2,out之間的關(guān)系如式(1)、(2)、(3)所示,即

(1)

(2)

(3)

式(1)至(3)中：直流電容放電時(shí)，Pch,dis>0；直流電容充電時(shí)，Pch,dis<0。當(dāng)整流側(cè)采用可控整流，它具有調(diào)壓能力；當(dāng)電網(wǎng)側(cè)U變化時(shí)，整流側(cè)控制器經(jīng)過(guò)一段延時(shí)響應(yīng)，對(duì)其直流電壓Ud進(jìn)行有效調(diào)控，使之快速恢復(fù)，然后再通過(guò)逆變器逆變，向電動(dòng)機(jī)供電。此時(shí)，變頻拖動(dòng)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)側(cè)的功率需求恢復(fù)到初始狀態(tài)。

1.2.2負(fù)荷特性

根據(jù)變頻拖動(dòng)設(shè)備運(yùn)行機(jī)理，整流側(cè)采用定直流電壓和恒定功率因數(shù)控制(cosφ=1)，逆變側(cè)采用恒定U′/f控制(U′為逆變側(cè)交流電壓，f為頻率)，搭建了相應(yīng)的詳細(xì)仿真模型。在維持電網(wǎng)頻率不變的前提下，在1.5s時(shí)，網(wǎng)測(cè)電壓跌幅分別為5%、10%、15%、20%，變頻拖動(dòng)設(shè)備電壓、功率響應(yīng)曲線如圖3所示。

(b)、(c)中的4條曲線幾乎吻合。圖3　變頻拖動(dòng)設(shè)備電壓功率曲線

由圖3(b)可見(jiàn)，全控整流型變頻拖動(dòng)設(shè)備的有功功率需求響應(yīng)隨電網(wǎng)電壓跌落而跌落，待整流控制器動(dòng)作后恢復(fù)到初始狀態(tài)。由圖3(c)可見(jiàn)，由于整流單元采用了定無(wú)功功率控制，因而始終在0附近波動(dòng)。1.5 s時(shí)電網(wǎng)側(cè)電壓跌落，無(wú)功功率需求響應(yīng)隨之跌落，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)值對(duì)于初始狀態(tài)略微有所抬升。常規(guī)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷與變頻器驅(qū)動(dòng)負(fù)荷的電壓響應(yīng)特性不同。

2　變頻拖動(dòng)設(shè)備對(duì)模型參數(shù)的影響

目前電網(wǎng)中變頻拖動(dòng)設(shè)備所占比例還未達(dá)到很高，采用現(xiàn)有的CLM模型參數(shù)基本能適用當(dāng)前的電網(wǎng)仿真計(jì)算等。變頻拖動(dòng)設(shè)備由于調(diào)速性高，經(jīng)濟(jì)性好，應(yīng)用前景廣闊。未來(lái)隨著變頻拖動(dòng)設(shè)備比例日益增長(zhǎng)，若仍采用現(xiàn)有的負(fù)荷模型必存在較大誤差。

需要對(duì)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷模型及其建模方法進(jìn)行深入的研究，本文仍將采用CLM模型結(jié)構(gòu)，研究全控型變頻拖動(dòng)設(shè)備對(duì)CLM的參數(shù)產(chǎn)生影響。為了使對(duì)比更加鮮明，采用修正參數(shù)的模型和靜態(tài)模型(60%恒功率+40%恒阻抗)，用于對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。針對(duì)不同類型拖動(dòng)設(shè)備模型，修正后的CLM模型參數(shù)見(jiàn)表1。

3　變頻拖動(dòng)設(shè)備對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響

基于PSD-BPA仿真平臺(tái)，將修正后的模型參數(shù)和靜態(tài)負(fù)荷模型并入某地區(qū)電網(wǎng)所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障擾動(dòng)時(shí)，觀察相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)曲線，分析未來(lái)10年左右變頻拖動(dòng)設(shè)備將對(duì)地區(qū)電網(wǎng)在安全穩(wěn)定方面的產(chǎn)生的影響。

表1　拖動(dòng)設(shè)備模型修正參數(shù)

3.1電壓與功率的響應(yīng)分析

當(dāng)時(shí)間t為0.75 s時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生故障擾動(dòng)，電壓跌落；當(dāng)系統(tǒng)在1 s時(shí)，故障擾動(dòng)消失，電壓恢復(fù)。在0～2.5 s期間，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓、有功和無(wú)功響應(yīng)曲線如圖4、圖5(a)、(b)所示。

圖4　皖鳳陽(yáng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)1電壓曲線

圖5　皖鳳陽(yáng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)1的有功及無(wú)功功率響應(yīng)曲線

由圖4可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障擾動(dòng)期間，即0.75～1 s期間，采用全控型變頻拖動(dòng)模型，電壓波動(dòng)最??；采用靜態(tài)模型時(shí)，電壓波動(dòng)最大；采用傳統(tǒng)拖動(dòng)設(shè)備模型，電壓波動(dòng)介于兩者之間。響應(yīng)曲線表明：變頻拖動(dòng)設(shè)備模型，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)比例(見(jiàn)表1)較小，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)變小。

由圖5(a)可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障擾動(dòng)期間，即0.75～1 s期間，采用靜態(tài)模型，有功功率先降低后增大，增大的幅度最??；采用全控型變頻拖動(dòng)設(shè)備模型，有功功率先降低后增大，幅度達(dá)到最大。響應(yīng)曲線表明：變頻拖動(dòng)設(shè)備，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)比例較低，有利于抑制負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的有功功率波動(dòng)。

由圖5(b)可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障擾動(dòng)期間，即0.75～1 s期間，采用靜態(tài)模型，無(wú)功功率基本不變；采用傳統(tǒng)拖動(dòng)設(shè)備模型，無(wú)功功率先降低后增大；采用全控型變頻拖動(dòng)設(shè)備模型，無(wú)功功率先增大后減小。響應(yīng)曲線表明：變頻拖動(dòng)設(shè)備故障后無(wú)功功率的需求增大，電網(wǎng)需要提供更多的無(wú)功功率才能滿足。

3.2電網(wǎng)功率波動(dòng)分析

當(dāng)電網(wǎng)在0～2.5 s期間，發(fā)電機(jī)相位、線路有功功率響應(yīng)曲線如圖6、圖7所示。

圖6　蚌熱1號(hào)機(jī)組相位曲線

圖7　凱迪-沫河線路有功功率響應(yīng)曲線

由圖6、圖7可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障擾動(dòng)期間，即在0.75～1 s期間，采用傳統(tǒng)拖動(dòng)模型，發(fā)電機(jī)的相位、線路有功功率擺動(dòng)范圍較??；采用靜態(tài)模型，相應(yīng)曲線擺動(dòng)較大。響應(yīng)曲線表明：變頻拖動(dòng)設(shè)備，感應(yīng)電動(dòng)電動(dòng)機(jī)比例(見(jiàn)表1)降低，系統(tǒng)阻尼較小。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文基于PSCAD仿真平臺(tái)，搭建了傳統(tǒng)交流拖動(dòng)設(shè)備和全控型變頻拖動(dòng)設(shè)備的詳細(xì)拼接模型，獲得了不同的負(fù)荷特性曲線。本文采用CLM模型，以全控型變頻拖動(dòng)設(shè)備為例，對(duì)當(dāng)前模型參數(shù)進(jìn)行修正。將變頻拖動(dòng)設(shè)備模型和靜態(tài)模型并入某地區(qū)電網(wǎng)，研究了變頻拖動(dòng)設(shè)備對(duì)地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定方面的潛在影響。由仿真分析可知，隨著變頻拖動(dòng)設(shè)備比例日益增大，當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落后，變頻拖動(dòng)設(shè)備將使系統(tǒng)無(wú)功需求增大，對(duì)系統(tǒng)的阻尼較小。

本文對(duì)傳統(tǒng)拖動(dòng)設(shè)備模型進(jìn)行修正，是基于仿真平臺(tái)，未來(lái)需要根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)修正模型的有效性與準(zhǔn)確性。

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(編輯王夏慧)

Analysis on Influence of Variable Frequency Driving Equipment on Parameters of Load Model

SHEN Weibing1, ZHOU Jin2, TANG Yingying3, CHEN Qian3

(1. Bengbu Power Supply Company of State Grid, Bengbu, Anhui 233000, China; 2. Jinhua Power Supply Company of State Grid, Jinhua, Zhejiang 321017, China; 3. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 211100, China)

In allusion to the problem of increasing use ratio of full-control type variable frequency driving (VFD) equipment with high and medium power, this paper analyzes influence of VFD equipment on the existing load model and modifies parameters of the load model for the high proportion of VFD equipment. The load model and its static load model after modification are both applied in one regional power grid for simulating calculation and analysis. The results indicate that when system voltage drops, the VFD equipment will make requirement for system reactive power rapidly increase and reduce damping characteristic of the system.

driving equipment; variable frequency driving equipment; load model; static load model; power system; security and stability

2015-10-19

2016-06-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377046)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.012

TM921.4

A

1007-290X(2016)09-0058-05

沈衛(wèi)兵(1977)，男，安徽蚌埠人。高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制。

周錦(1989)，男，江西九江人。工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制。

唐瑩瑩(1991)，女，江蘇淮安人。在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制。