交直流混合配电网广义综合负荷建模方法及模拟系统

本发明涉及能源互联网背景下电力系统分析与控制技术领域，尤其指一种交直流混合配电网广义综合负荷建模方法及模拟系统。

背景技术：

电力系统数字仿真对于电力系统规划设计和调度决策具有重要意义，也是电力系统运行与控制的基本分析工具。而电力系统各元件模型是进行电力系统数字仿真的基础，元件模型的合理性和精确性决定了仿真结果的可信度，其中配网侧综合负荷模型对仿真结果有着关键性的影响，采用不恰当的负荷模型可能会导致仿真结果与实际情况相差巨大甚至产生相反的结论，基于此种条件下的仿真结果加大了电力部门在电网规划建设、调度运行、电源布点等方面的决策风险。

交直流混合将是未来配电网的一种主要形式。交直流混合配电网中除了传统的交流负荷，还广泛接入分布式风光等电源、分布式储能系统等广义负荷，以及新兴直流负荷和适宜于直流供电的传统交流负荷，这些广义负荷和直流负荷具有电力电子化特征，将显著改变配网侧综合负荷行为特性，传统基于交流配电网的综合负荷模型已难以描述含有高比例广义负荷和直流负荷的交直流混合配电网综合负荷的动态行为。

因此，建立交直流混合配电网广义综合负荷模型将成为研究能源互联网背景下电力系统运行与控制亟需解决的基础性问题之一。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于针对未来交直流混合配电网综合负荷参与电网仿真问题，提供一种交直流混合配电网广义综合负荷建模方法，通过建立交直流混合配电网广义综合负荷模型以提高能源互联网背景下的电力系统仿真计算结果的精确性，为分析能源互联网背景下的电力系统运行与控制提供高可信度的决策依据。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种交直流混合配电网广义综合负荷建模方法，具体为采用等值感应电动机并联静态负荷构成交流负荷模型；采用等值直流电机并联静态负荷和广义负荷构成直流负荷模型；将交流负荷模型连接至交流母线，并将直流负荷模型通过接口模型连接至交流母线；采用理想变压器和等值阻抗将交流母线连接至变电站高压母线，由此得出交直流混合配电网广义综合负荷模型结构。

进一步地，所述等值阻抗和理想变压器表示为：

1)理想变压器的变比k取为变电站高压母线的稳态电压值；

2)以变电站高压母线的电压为参考相量，通过等值阻抗后的功率和电压满足式(1)和式(2)：

其中，pd和qd分别表示通过配电网等值阻抗zd后的有功功率和无功功率；p和q分别表示变电站高压母线提供的有功率和无功功率；ud表示经过zd后的电压，uxd和uyd分别表示ud对应的x轴和y轴分量；

3)理想变压器π型等值电路输入端和输出端对应的功率和电压满足式(3)至式(6)：

其中，pa和qa分别表示流进π型等值电路中串联支路的有功功率和无功功率；pb和qb分别表示流出π型等值电路中串联支路的有功功率和无功功率；uac为交流母线电压，uxac和uyac分别为uac的x轴和y轴分量；pload和qload分别为总负荷的有功分量和无功分量；zt＝rt+jxt为理想变压器的近似阻抗，其值为极小的正常数，参考取值范围：0＜rt＜10^-10且0＜xt＜10^-10；上标^*表示复数的共轭运算，re()和im()分别为取实部和取虚部函数。

在上述基础上，

1)总负荷、交流负荷、直流负荷满足式(7)：

其中，pac和pdc分别表示交流有功和直流有功，qac表示交流无功；

2)交流负荷中，动态负荷和静态负荷满足式(8)：

其中，pacs和pacm分别表示交流负荷中的静态有功和动态有功，qacs和qacm分别表示交流负荷中的静态无功和动态无功；

3)接口模型为双向变流器简化等效模型，直流负荷通过接口模型连接至交流母线；

4)直流负荷中，动态负荷和静态负荷满足式(9)：

pdc＝pdcs+pdcm(9)；

其中，pdcs和pdcm分别表示直流负荷中的静态负荷和动态负荷。

优选地，所述接口模型为双向变流器简化等效模型，如式(10)所示：

其中，为直流负荷中间值，t为时间常数。

优选地，在所述交流负荷模型中，感应电动机模型为机电暂态模型，采用三阶微分方程描述；在所述直流负荷模型中，等值直流电机模型为机电暂态模型，采用二阶微分方程描述为：

其中，idcm为直流电动机电枢电流，udc为直流母线电压，即直流母线电压；rdcm和l分别为电枢回路等效电阻和电感；kf为电动机暂态电势系数；j为电动机转动惯量，ω为转速；tdcl为负载总转矩。

更优选地，当交流静态负荷中的无功分量qacs大于零时，则交流静态负荷采用zip模型，当qacs小于或等于零时，则交流静态负荷采用z模型，即zip模型中恒电流(i)和恒功率(p)的系数均为零的恒阻抗(z)模型；当直流静态负荷中的无功分量qdcs大于零时，则直流静态负荷采用zip模型，当qdcs小于或等于零时，则直流静态负荷采用z模型，即zip模型中恒电流(i)和恒功率(p)的系数均为零的恒阻抗(z)模型。

另外，本发明还提供一种交直流混合配电网广义综合负荷模拟系统，其采用上述建模方法构建交直流混合配电网广义综合负荷模型，在该交直流混合配电网广义综合负荷模型中包括交流负荷模型、直流负荷模型以及变电站高压母线，所述交流负荷模型包括并联的等值感应电动机和静态负荷，所述直流负荷模型包括并联的等值直流电机、静态负荷和广义负荷，所述交流负荷模型连接至交流母线，所述直流负荷模型通过接口模型连接至交流母线，所述交流母线通过理想变压器和等值阻抗连接至变电站高压母线。

本发明的原理是：在交直流混合配电网中，交流负荷和直流负荷分别接入交流供电线路和直流供电线路，且分布式电源和储能系统等广义负荷通常接入直流供电线路，交流负荷与直流负荷(包括广义负荷)之间相关性较弱。那么，根据交直流混合配电网综合负荷的这种特性，便可采用经典综合负荷模型(等值感应电动机并联静态负荷)模拟交流供电负荷，同时采用等值直流电动机并联静态负荷和广义负荷等效模型模拟直流供电负荷，并通过一个接口模型将直流负荷模型连接至交流母线，构成直流综合负荷模型，最后在交流综合负荷模型和直流综合负荷模型并联后，通过理想变压器(π型电路逼近，π型电路构成一个谐振三角形)和配电网等值阻抗接入变压器高压母线，由此来得到交直流混合配电网广义综合负荷模型结构及其等值电路。

本发明的有益效果在于：采用本发明所提出的交直流混合配电网广义综合负荷建模方法所建立的模型结构符合交直流混合配电网的基本结构，且模型结构和参数具有可解释性和物理意义，相较于现有的仅基于交流配电网的综合负荷模型而言，其模型结构更加适用于描述含有高比例广义负荷和直流负荷的交直流混合配电网综合负荷的动态行为，可满足未来能源互联网背景下电力系统仿真计算对配网侧综合负荷模型的要求，进而提高仿真结果的准确性，为电力部门制定电网调度规划方案和电网安全运行方式提供可信的决策依据，提高电网的经济性和安全性，具有良好的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中交直流混合配电网广义综合负荷模型结构示意图；

图2为本发明实施例中交直流混合配电网广义综合负荷模型等值电路的示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

如图1所示，交直流混合配电网广义综合负荷建模方法，其采用等值感应电动机(im)并联静态负荷(zip)构成交流负荷模型；采用等值直流电机(m)并联静态负荷(zip)和广义负荷(dg)构成直流负荷模型；将交流负荷模型连接至交流母线，并将直流负荷模型通过接口模型(jk)连接至交流母线；采用理想变压器(tr)和等值阻抗(zd)将交流母线连接至变电站高压母线，由此得出交直流混合配电网广义综合负荷模型结构。

需要说明的是，变电站高压母线与交流母线采用的配电网等效阻抗zd和串联理想变压器等效，理想变压器用π型电路逼近(π型电路构成谐振三角形)，其阻抗为zt(参考取值范围：0＜rt＜10^-10且0＜xt＜10^-10)；交流负荷模型采用经典综合负荷模型(等值感应电动机并联zip)模拟，直流负荷模型采用等值直流电动机并联zip以及广义负荷等效模型并串联接口模型构成的直流综合负荷模型来模拟。

在上述基础上，等值阻抗和理想变压器模型表示为：

1)理想变压器的变比k取为变电站高压母线的稳态电压值；

2)以变电站高压母线的电压为参考相量，通过等值阻抗后的功率和电压满足式(1)和式(2)：

其中，pd和qd分别表示通过配电网等值阻抗zd后的有功功率和无功功率；p和q分别表示变电站高压母线提供的有功率和无功功率；ud表示经过zd后的电压，uxd和uyd分别表示ud对应的x轴和y轴分量；

3)理想变压器π型等值电路输入端和输出端对应的功率和电压满足式(3)至式(6)：

其中，pa和qa分别表示流进π型等值电路中串联支路的有功功率和无功功率；pb和qb分别表示流出π型等值电路中串联支路的有功功率和无功功率；uac为交流母线电压，uxac和uyac分别为uac的x轴和y轴分量；pload和qload分别为总负荷的有功分量和无功分量；zt＝rt+jxt为理想变压器的近似阻抗，其值为极小的正常数，参考取值范围：0＜rt＜10^-10且0＜xt＜10^-10；上标^*表示复数的共轭运算，re()和im()分别为取实部和取虚部函数。

并且，1)总负荷、交流负荷、直流负荷满足式(7)：

其中，pac和pdc分别表示交流有功和直流有功，qac表示交流无功；

2)交流负荷中，动态负荷和静态负荷满足式(8)：

其中，pacs和pacm分别表示交流负荷中的静态有功和动态有功，qacs和qacm分别表示交流负荷中的静态无功和动态无功；

3)接口模型为双向变流器简化等效模型，直流负荷通过接口模型连接至交流母线；

4)直流负荷中，动态负荷和静态负荷满足式(9)：

pdc＝pdcs+pdcm(9)；

其中，pdcs和pdcm分别表示直流负荷中的静态负荷和动态负荷。

在上述的交流负荷模型中，感应电动机模型为机电暂态模型，采用三阶微分方程描述；在直流负荷模型中，等值直流电机模型为机电暂态模型，采用二阶微分方程描述。

需要说明的是，当交流静态负荷中的无功分量qacs大于零时，则交流静态负荷采用zip模型，当qacs小于或等于零时，则交流静态负荷采用z模型，即zip模型中恒电流(i)和恒功率(p)的系数均为零的恒阻抗(z)模型；当直流静态负荷中的无功分量qdcs大于零时，则直流静态负荷采用zip模型，当qdcs小于或等于零时，则直流静态负荷采用z模型，即zip模型中恒电流(i)和恒功率(p)的系数均为零的恒阻抗(z)模型。

在上述模型机构中，交直流混合配电网广义综合负荷模型中的接口模型jk是双向变流器简化等效模型，直流负荷通过接口模型连接至交流母线，相应的模型表示为：

其中，为直流负荷中间值，t为时间常数。

感应电动机为机电暂态模型，采用三阶微分方程描述，为电力系统负荷建模领域广泛认可的模型，其对应的数学方程在此处不作赘述。

等值直流电动机为机电暂态模型，采用二阶微分方程描述为：

其中，idcm为直流电动机电枢电流，udc为直流母线电压，即直流母线电压；rdcm和l分别为电枢回路等效电阻和电感；kf为电动机暂态电势系数；j为电动机转动惯量，ω为转速；tdcl为负载总转矩。

在初始化过程中，如果交流无功负荷qacs大于零，则交流静态负荷模型采用zip模型，如果qacs小于零，则交流静态负荷模型采用z模型(恒阻抗模型，即zip模型中i和p的系数均为零)；zip模型表示为：

其中，aacp、bacp、cacp、aacq、bacq、cacq分别为交流有功功率和交流无功功率恒阻抗系数、恒电流系数、恒功率系数，并且满足：aacp+bacp+cacp＝1和aacq+bacq+cacq＝1。

静态直流负荷模型采用zip模型或z模型，当采用z模型时，i和p的系数取为0，则zip模型可表示为：

其中，udc为直流母线电压，adcp、bdcp、cdcp分别为直流功率的阻抗系数、恒电流系数、恒功率系数，并且满足：aacp+bacp+cacp＝1。

另外，本实施例还提供一种交直流混合配电网广义综合负荷模拟系统，其采用上述建模方法构建交直流混合配电网广义综合负荷模型，在该交直流混合配电网广义综合负荷模型中包括交流负荷模型、直流负荷模型以及变电站高压母线，所述交流负荷模型包括并联的等值感应电动机和静态负荷，所述直流负荷模型包括并联的等值直流电机、静态负荷和广义负荷，所述交流负荷模型连接至交流母线，所述直流负荷模型通过接口模型连接至交流母线，所述交流母线通过理想变压器和等值阻抗连接至变电站高压母线。

本发明涉及的交直流混合配电网广义综合负荷模型结构及模拟系统能够满足能源互联网背景下电力系统仿真计算对配网侧综合负荷模型的需求，是未来电力系统的关键性元件模型之一，能有效提高仿真结果的准确性。需要进一步指出的是，对于电力系统负荷建模领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，交直流混合配电网广义综合负荷结构可做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。