一种能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟方法与流程

本发明涉及一种能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟方法及系统，属于电力系统电能质量控制及仿真技术领域。

背景技术：

电力系统可靠性的定义是向用户提供合格的、连续的电能的能力。如果在忽略短时中断和电压暂降的情况下，继续追求可靠性的提高，则是一种用高代价换取指标虚高的手段，并不能满足用户对供电质量的实质要求，与提高可靠性的终旨相违背。因此对于短时中断和电压暂降引起电力用户的正常工作受到影响的情况，也应当成为可靠性研究领域的一部分，这样才能为提高供电连续性提供正确的指导。而相应的，提高电能质量，特别是有效治理短时中断和电压暂降，实际上也是对电力系统可靠性的提高。

电力系统中，电压暂降及短时中断的主要产生原因是电力系统中的短路及其引起的断路器动作。由于短路是在电力系统中十分常见的故障，因此相伴而生的电压暂降和短时中断也有着较高的发生频次。除去短路，保护装置误动或电动机组启动也会引起电压暂降或短时中断。

对电力系统中所有的短时中断和电压暂降都予以治理既不经济也不现实，由于不同的电力用户对于供电质量有着不同的需求，因此在治理时应做到有的放矢。正常工作会受到短时中断和电压暂降影响的电力负荷被称为敏感负荷。敏感负荷中不同类型的设备有着不同的电压耐受度，甚至同种类型设备之间电压的电压耐受度也存在着显著的差异。敏感负荷依据耐受电压短时中断持续时间可主要分为以下几类：一般敏感负荷，分钟级；敏感负荷，秒级；特别敏感负负荷，周波级(几十至几百毫秒)；严格负荷，毫秒级(20ms以内)。

为了研究电力系统中电压暂降和短时中断对敏感负荷的影响，需要一种既能模拟正常运行状态的敏感负荷特性，又能模拟在电压暂降和短时中断过程中的耐受特性的敏感负荷特性的负荷模拟装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟方法，旨在研究电力系统中电压暂降和短时中断对敏感负荷的影响，在实现了敏感负荷模拟的同时，还可将模拟负荷消耗的能量回馈至电力系统中，从而提高该负荷模拟方法的经济性和电力系统运行的可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)设置敏感负荷参数：所述敏感负荷参数包括负荷额定电压、电压耐受曲线上的n个拐点、敏感负荷特性参数及负荷恢复逻辑；所述电压耐受曲线上的n个拐点由各个拐点的拐点电压和拐点时间决定，第i个拐点的拐点电压为vi、拐点时间为ti，其中i＝1,2,…,n；所述负荷恢复逻辑，是模拟的敏感负荷在受到电压暂降影响而中断负荷后恢复敏感负荷状态的判断逻辑；

所述的敏感负荷特性参数，是指敏感负荷的模型参数，该模型参数依据敏感负荷所采用的具体负荷模型确定，模型参数确定了敏感负荷消耗的有功功率p和无功功率q与负荷母线电压基波有效值v的函数关系；

2)检测电压暂降：测量并计算负荷母线电压基波有效值v，判断负荷母线电压基波有效值v是否低于负荷额定电压，若负荷母线电压基波有效值低于负荷额定电压，则计算低于负荷额定电压的持续时间t，并继续执行步骤3)；否则，若负荷母线电压基波有效值v等于或高于负荷额定电压，则执行步骤7)的模拟敏感负荷；

3)对比电压耐受曲线：将负荷母线电压基波有效值v以及低于负荷额定电压的持续时间t与电压耐受曲线中的n个拐点对比，得到负荷停运条件δ；

4)判断敏感负荷是否停运：根据负荷停运条件判断敏感负荷是否停运，若负荷停运条件满足，即δ＝1，则继续执行步骤5)，若负荷停运条件不满足，则执行步骤7)的模拟敏感负荷；

5)中断负荷：负荷停运条件δ满足后，中断负荷，即控制敏感负荷消耗的有功功率p和无功功率q均为零；

6)负荷恢复逻辑：敏感负荷停运后，根据设定的负荷恢复逻辑判断是否恢复敏感负荷模拟，若不满足负荷恢复条件，则执行步骤5)继续中断负荷，若满足负荷恢复条件，则重复执行步骤2)的检测电压暂降；

7)模拟敏感负荷：对敏感负荷消耗的有功功率p和无功功率q通过对电力电子变换器的控制实现，有功功率p和无功功率q由步骤1)中设置的敏感负荷消耗的有功功率p和无功功率q与负荷母线电压基波有效值v的函数关系确定，然后返回步骤2)重新检测电压暂降。

上述技术方案中，所述的将负荷母线电压基波有效值v和低于负荷额定电压的持续时间t与电压耐受曲线中的n个拐点对比方法是：根据以下两个公式的逻辑进行判断：

δi＝(v＜vi)∧(t＞ti)i＝1,2,,n

δ＝δ1∨δ2∨…∨δn

其中，第一个公式表示针对第i个拐点，若负荷母线电压基波有效值v小于第i个拐点的拐点电压vi、且低于负荷额定电压的持续时间t大于第i个拐点的拐点时间ti，则第i个负荷停运条件δi满足，即δi＝1；第二个公式表示当对应n个拐点的n个负荷停运条件中任意一个满足时，负荷停运条件δ满足，即δ＝1；否则负荷停运条件δ不满足，即δ＝0。

本发明所述的对敏感负荷消耗的有功功率p和无功功率q通过对电力电子变换器的控制采用单向变换器或双向变换器的控制方式实现。

本发明提供的一种能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟方法具有以下优点及突出性的技术效果：①与传统的负荷模拟器将电能消耗掉的方法相比，本发明方法通过电力电子变换器和储能在实现了敏感负荷模拟的同时，还可将模拟负荷消耗的能量回馈至电力系统中，大幅提高了该负荷模拟方法的经济性。②本发明方法中通过电力电子变换器可模拟敏感负荷的电压耐受曲线，在电压跌落不能满足敏感负荷的耐受程度时中断负荷，实现对敏感负荷的电压暂降和短时中断耐受特性的模拟。

附图说明

图1是本发明中敏感负荷的电压耐受曲线。

图2是本发明的能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟方法流程图。

图3是本发明的能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟系统的单向变换器方案。

图4是本发明的能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟系统的双向变换器方案。

图中附图标记：1-负荷变换器1；2-网侧变换器；3-储能设备；4-敏感负荷模拟控制器；5-双向负荷变换器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本发明提出的一种能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟方法，针对的是电力系统实验研究中用于模拟具有电压暂降敏感特性的敏感负荷。

本发明中所述的电压耐受曲线描述敏感负荷的电压暂降耐受特性，如图1所示。电压耐受曲线是目前电力系统中广泛应用的用于描述敏感负荷电压暂降耐受特性的方法。电压耐受曲线的横坐标为暂降持续时间，纵坐标为电压暂降后的基波电压有效值(通常用额定值的百分比表示)。电压耐受曲线上的数据点表示的是使得敏感负荷刚好跳闸或停运的残压值和暂降持续时间。电压耐受曲线与横轴之间的部分表示的是敏感负荷所不能承受的电压暂降，而位于电压耐受曲线与纵轴之间的部分表示的是电压暂降不会影响敏感负荷的正常工作。一般的敏感负荷都可以用折线来近似其电压耐受特性。

本发明所述的能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟方法的流程如图2所示，具体的实施步骤是：

1)设置敏感负荷参数：在开始模拟敏感负荷前，需要首先设置敏感负荷参数，敏感负荷参数包括负荷额定电压、电压耐受曲线上的n个拐点以及敏感负荷特性参数。

1.a)所述电压耐受曲线上的n个拐点由各个拐点的拐点电压和拐点时间决定，第i个拐点的拐点电压是vi、拐点时间是ti，其中i＝1,2,…,n；

1.b)所述的敏感负荷特性参数，是敏感负荷的模型参数，该模型参数依据敏感负荷所采用的具体负荷模型确定，模型参数确定了敏感负荷消耗的有功功率p和无功功率q与负荷母线电压基波有效值v的函数关系。

本发明中，以考虑频率响应特性的综合负荷模型作为示例进行阐述。电力系统的仿真研究中，对负荷的模拟通常采用考虑频率响应特性的综合负荷模型。考虑频率响应特性的综合负荷模型中，负荷的功率由三部分组成，即恒阻抗、恒电流和恒功率。一个典型的综合负荷模型如式(1)、(2)所示：

p＝(a1v²+b1v+c1)(1+d1δf)(1)

q＝(a2v²+b2v+c2)(1+d2δf)(2)

其中，p、q分别为需要模拟的综合负荷模型的敏感负荷消耗的有功功率和无功功率，综合负荷模型的参数包括a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2和d2，参数a1、b1、c1分别是敏感负荷消耗的有功功率p中的恒组抗、恒电流和恒功率部分的系数，参数d1是敏感负荷消耗的有功功率p的频率响应系数，参数a2、b2、c2分别是无功功率q中的恒组抗、恒电流和恒功率部分的系数，参数d2是无功功率q的频率响应系数，δf的是负荷母线的频率偏差。在进行负荷模拟时，通过对电力电子变换器的敏感负荷消耗的有功功率p和无功功率q的控制，实现考虑频率响应特性的综合负荷的模拟。

2)检测电压降落：测量并计算负荷母线电压基波有效值v，判断负荷母线电压基波有效值v是否低于负荷额定电压，若负荷母线电压基波有效值低于负荷额定电压，则计算低于负荷额定电压的持续时间t，并执行步骤3)；否则，若负荷母线电压基波有效值v等于或高于负荷额定电压，则执行步骤7)进行的模拟敏感负荷。

3)对比电压耐受曲线：将负荷母线电压基波有效值v以及低于负荷额定电压的持续时间t与电压耐受曲线中的n个拐点对比，得到负荷停运条件δ；

3.a)所述的将负荷母线电压基波有效值v以及低于负荷额定电压的持续时间t与电压耐受曲线中的n个拐点对比方法是，根据公式(3)和公式(4)的逻辑进行判断，公式(3)表示针对第i个拐点，若负荷母线电压基波有效值v小于第i个拐点的拐点电压vi，且低于负荷额定电压的持续时间t大于第i个拐点的拐点时间ti，则第i个负荷停运条件δi满足，即δi＝1，公式(4)表示当对应n个拐点的n个负荷停运条件中任意一个满足时，负荷停运条件δ满足，即δ＝1，否则负荷停运条件δ不满足，即δ＝0；

δi＝(v＜vi)∧(t＞ti)i＝1,2,,n(3)

δ＝δ1∨δ2∨…∨δn(4)

本发明中以5个曲线拐点为示例进行阐述，即v1，v2，v3，v4和v5分别为拐点电压，t1，t2，t3，t4和t5为与之分别对应的拐点时间。通过这些拐点电压与拐点时间的组合可以给出敏感负荷是否停运的判据：

δ1＝(v＜v1)∧(t＞t1)(5)

δ2＝(v＜v2)∧(t＞t2)(6)

δ3＝(v＜v3)∧(t＞t3)(7)

δ4＝(v＜v4)∧(t＞t4)(8)

δ5＝(v＜v5)∧(t＞t5)(9)

δ＝δ1∨δ2∨δ3∨δ4∨δ5(10)

其中δ为负荷停运条件，v和t分别为某次电压暂降的母线电压基波有效值和低于负荷额定电压的持续时间。在判断敏感负荷是否停运时，首先依据式(5)至(9)分别判断v和t与(t1,v1)，(t2,v2)，(t3,v3)，(t4,v4)和(t5,v5)的关系，然后依据式(10)汇总判断结果，最后若负荷停运条件满足，即δ＝1，电压暂降则会引起敏感负荷停运。另外，可根据需要改变电压耐受曲线上拐点的数量，增加或减少的拐点判断逻辑与上述方式相同。检测电压暂降的重点在于暂降幅值和暂降持续时间的检测；

4)判断敏感负荷是否停运：根据负荷停运条件判断敏感负荷是否停运，若负荷停运条件满足，即δ＝1，则继续执行步骤5)，若负荷停运条件不满足，则执行步骤7)进行的模拟敏感负荷；

5)中断负荷：负荷停运条件满足后，中断负荷，即控制敏感负荷消耗的敏感负荷消耗的有功功率p和无功功率q均为零。

6)负荷恢复逻辑。敏感负荷停运后，根据敏感负荷模拟方法中预先设定的负荷恢复逻辑判断是否恢复敏感负荷模拟，若不满足负荷恢复条件，则执行步骤5)继续中断负荷，若满足负荷恢复条件，则执行步骤2)重新进行负荷模拟，所述的负荷恢复逻辑根据实际模拟的敏感负荷特性设定；

7)模拟敏感负荷：对电力电子变换器的有功功率p和无功功率q进行控制，有功功率p和无功功率q由步骤1)中设置的敏感负荷模型参数定义的敏感负荷吸收的有功功率p和无功功率q与负荷母线电压基波有效值v的函数关系确定，然后返回步骤2)重新检测负荷母线电压。

本发明的能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟方法所采用的控制系统有两种方式，一种是电力电子变换器采用单向变换器的控制方案，另一种是电力电子变换器采用双向变换器的控制方案。

图3为电力电子变换器采用单向变换器的控制方案的系统框图，其中包括负荷变换器1、网侧变换器2、储能设备3和敏感负荷模拟控制器4。所述的负荷变换器与网侧变换器采用共用直流母线的方式连接；所述的敏感负荷模拟控制器采用权利要求1中所述的能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟方法对负荷变换器进行控制，实现对电压暂降特性敏感负荷的模拟；所述的网侧变换器受敏感负荷模拟控制器控制，将负荷变换器转换的能量以及储能设备的能量反馈回无穷大母线。

图4为电力电子变换器采用双向变换器的控制方案的系统框图，其包括双向变换器5、储能设备3和敏感负荷模拟控制器4。所述的双向变换器受敏感负荷模拟控制器控制，在模拟敏感负荷时，敏感负荷模拟控制器采用权利要求1中所述的能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟方法对双向变换器进行控制，实现对电压暂降特性敏感负荷的模拟；所述的双向变换器受敏感负荷模拟控制器控制，在停止模拟敏感负荷时，敏感负荷模拟控制器对双向变换器进行控制，实现将储能设备中的能量反馈回负荷母线。

以上两种基于能量反馈式电压暂降特性敏感负荷模拟系统具有以下功能：

a.测量系统的各项电气参数，实时记录各项电气参数。设备可以实时的显示当前并网的功率因数、有功、无功、线电压有效值、线电流有效值、电压/电流波形曲线、频率显示等功能；

b.具备lan接口和rs485接口，便于接入监控系统或者外部的控制系统；

c.提供中文液晶人机界面，支持就地设置定值、参数等操作；

d.具备完善的自检功能，一旦发现故障，如电力电子器件故障或内部接线故障等，可独立进入保护程序；

e.变换器具备完善的保护功能，实现过、欠压，过流、过温故障提供保护；

f.支持与电力系统调度中心的dl/t-104规约通讯，实时传送设备的电压、电流相关测量信息，满足电力工业测量设备的相关标准。