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摘要：随着能源短缺的加剧，近年来新能源迅速发展，在电力系统中所占比例越来越高。当风力发电机发电量较大时，传统综合负荷模型不能很好地描述含新能源配电网的负荷特性。本文提出了一种用异步电机并联静态负荷的综合负荷模型来描述配电网中包含风力发电机的综合负荷特性，并给出了仿真分析结果。
关键词：新能源 配电网 负荷建模
一、引言
新能源发电系统的并网运行不仅减少对气候环境的压力，满足可持续发展的要求，并且可以提高整个电力系统的经济性、灵活性、安全可靠性。风力发电系统作为典型的新能源，当接入配网侧并网运行时，将改变所在区域的负荷特性，此时，若依然采用传统的负荷模型对其等效，极有可能无法满足接入风力发电系统后的等效负荷要求，不能很好的描述该区域的负荷特性，得到的计算结果亦不能符合实际情况[1]。
二、风力发电系统建模和仿真
（一）风力发电系统建模
本文采用单轴结构风力发电系统，单轴结构发电机与涡轮机同轴，由于其产生的电流频率高达几千赫兹，因此，当单轴结构的风力发电机与系统电源连接时，必须利用电力电子整流逆变装置，将频率输出同系统频率一致。比起分轴发电系统，单轴系统发电效率更高，需要经过整流逆变装置将高频电流转化为工频电流[2]，再利用LC滤波器将高频谐波滤除后接入大电网。
（二）风力发电机动态模型
由于风力发电机的转速会有起伏，因此其发出的功率是有所波动的。因此把风力发电系统的电磁暂态与机械暂态过程考虑进来，建立有效的数学模型。
本文风力发电系统采用的是PMSG，其极对数为1，因而在标幺值下的转子的角速度和电磁角速度数值是一样的，都用表示。
电压方程为：
(1)
为了更加精确地描述风力发电系统的动态特性，构建了下式(2)来等效 的变化。
(2)
式中， 是稳态等效暂态电动势。把风力发电机和PMSG的转子看作一个刚体时，忽略摩擦，风力发电系统的转子方程写为：
(3)
上式中，TJ表示转子的惯性时间常数；Tm表示机械转矩；Te表示电磁转矩。那么，风力发电机的发出功率为：
(4)
（三）动态特性仿真
利用Matlab进行仿真，在仿真中，负荷母线处的电压下降20%左右，风力发电系统的发电容量占整个系统容量的比例依次为10%，20%，30%，40%，50%，从而获得扰动下负荷母线B1处有功功率、无功功率和电压的6组动态特性数据，以此作为参数辨识所需的实测数据样本。
由于特性参数Rm、Xm、Tj、A、B对模型响应的影响很小，本文将其取为：Rm=0、Xm =3、Tj =2、A =1、B =0。辨识结果如表一所示。
辨识的模型响应对实测数据拟合效果，如图1、2所示
分析拟合效果图以及辨识数据，可以得出：当风力发电机发电容量比例不大于20%时，传统综合负荷模型具有很好的描述效果；然而，当风力发电机发电容量大于20%时，传统综合负荷模型描述系统动态特性的能力很差。
三、含风力发电机的配电网综合负荷建模
（一）任意动态负荷比例的负荷模型
本文采用异步电机并联静态负荷的广义综合负荷模型结构。异步机作为同步发电机的特例进行理论推导时，励磁电压为零，dq轴参数相等。把风力发电系统看作是一个功率消耗为负的动态负荷[3]。综合负荷和异步电机的初始有功功率分别为P0、P0'，定义Km为动态负荷所占的比例，
(5)
传统的综合负荷模型中感应电动机Km的取值范围为[0,1]，但对于含风力发电的配电网综合负荷，把风力发电系统同感应电动机负荷，作为一体看作动态负荷，Km主要取决于风力发电占整个负荷的比例，以及负荷中动态负荷与静态负荷的比例，Km在理论上取值可能大于1，也可能小于0，或者在0～1之间。因此，将所提出的的广义负荷模型称为任意动态负荷比例的广义综合负荷模型。
（二）动态特性仿真
采用上节中的动态特性数据，利用总体测辨负荷建模法进行参数辨识。静态负荷采用ZIP模型结构，如式（6）
(6)
异步电机的特性参数取值不变，待辨识参数有Rs、Xs、Rr、Xr、Km、ap、cp、aq、cq。辨识结果如表二所示。辨识的模型响应对实测数据拟合效果，如图3、4所示：
仿真结果表明，当风力发电机发电容量所占比例不大于20%时，采用传统综合模型可以准确反映此比例以内的配电网负荷特性；当风力发电机发电容量继续增大超过20%时，异步机并联静态负荷的综合负荷模型相比较传统综合负荷模型具有更加有效的描述能力。因此，仿真结果表明所提出的负荷模型在临界比例以上能够很好的拟合实测数据样本。
四、结论
由于传统综合负荷模型已不能很好的描述含风力发电机发电的新能源配电网负荷特性，为此，本文通过理论推导得出，采用异步电机并联静态负荷的综合负荷模型可以描述配电网中包含风力发电机这种新能源的综合负荷特性。通过分析辨识数据与拟合曲线，表明出采用所提出的任意动态负荷比例的异步电机并联静态负荷的广义综合负荷模型能够很好的反映负荷的动态特性。
参考文献
[1]鞠平，马大强．电力系统负荷建模（第二版）[M]．北京：中国电力出版社，2008．
[2]贺仁睦，王卫国，蒋德斌，等．广东电网动态负荷实测建模及模型有效性的研究[J]．中国电机工程学报，2012，22 (9)：78-82．
[3]汤涌，张东霞，张红斌，等．东北电网大扰动试验仿真计算中的综合负荷模型及其拟合参数[J]．电网技术，2010，31(4)：75-78．
论文作者:郑瑜,王春娟
论文发表刊物:《电力设备》2016年第3期
论文发表时间:2016/6/1
标签：负荷论文; 模型论文; 特性论文; 系统论文; 动态论文; 风力发电论文; 风力发电机论文; 《电力设备》2016年第3期论文;