一种适用于含高比例变频空调负荷的综合负荷模型的制作方法

本发明专利属于负荷建模领域，具体涉及变频空调负荷详细建模和含高比例变频空调负荷的综合等效建模。

背景技术：

一直以来，负荷建模技术都是电力系统研究的重点与难点，对于电力系统数字仿真来讲，负荷模型的精度对其有着十分重要的影响。

随着电力电子技术不断发展，电力系统中电力电子化设备的应用也越来越多，变频器、变频冰箱等应用广泛，而变频空调作为居民楼，商场和公司等场所的必备设备，其在电力负荷中的占比不容小觑。空调具有数量多、容量大、受天气影响集中开启的特点，当前在华东地区，空调设备在夏季用电高峰期时负荷占比超过30％；在北上广等经济发达城市，空调设备在夏季用电高峰期的负荷占比将近50％。在总的空调设备中，变频空调占比已经达到58％，《2017年中国制冷空调产业发展白皮书》显示，中国房间空调器销量超过1.4亿台，同比增长31％，而这些新售空调绝大多都是变频空调。

长期以来，通过相关学者的不断努力，我们在负荷建模方面不断突破，取得了众多成果。出自《电网技术》2007年31卷05期，学者汤涌的论文《考虑配电网络的综合负荷模型》，考虑了配电网系统阻抗和无功补偿，在经典综合等效模型的基础上，提出了物理意义明确的考虑配电网络的综合等效模型。出自《电力自动化设备》2011年31卷08期，学者鞠平的论文《带理想变压器的综合负荷模型》，对考虑配电网络的slm在部分情况时低压母线电压过低的问题，提出了带理想变压器的综合负荷模型。出自《电工技术学报》2009年24卷04期，学者李欣然的论文《配电网集结等效的异步电动机综合负荷模型及其总体测辨建模》考虑到等值模型中异步电机和配网参数采用不同基准值，并且变压器运行于不同分接头的可能，引入了含“基准变换”环节的综合异步电动机模型。但上述文献都只是针对配网结构，如电力变压器、无功补偿装置、配网系统阻抗等因素，做出了改进创新，没有考虑电力电子化负荷不断增加造成的影响。

本发明针对电力系统负荷电力电子化这一问题，以家家户户都可能用到的变频空调为例，建立变频空调的详细负荷模型，通过分析其特殊的有功和无功特性，对经典综合负荷模型做出改进，为含高比例变频空调负荷的综合等效提供了研究方向。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题：针对当前电力系统负荷侧电力电子化这一趋势，以应用最广的变频空调为例分析其功率特性，提供一种对经典综合负荷模型的改进方法，可实现对含高比例变频空调负荷的综合等效。

本发明的技术方案：首先建立如图1所示变频空调的详细负荷模型，该模型主要包括功率因数补偿电容、变频器、电动机、压缩机、室内热交换等效模块和变频控制器。在持续时间0.25s、电压暂降到0.7p.u.的相同暂态条件下，变频空调实物实验和模型仿真的功率变化几乎相同，二者功率对比如图2和图3所示，对其功率特性进行理论分析如下：

(1)当交流侧发生电压暂降时，经过二极管整流和全控逆变后，变频器输出的电压也会产生深度稍小的电压暂降，感应电机进入暂态过程，其消耗的有功功率即为二极管整流侧消耗的有功功率。

(2)二极管整流器的交流侧基波电压和基波电流的相位差为零，因此可近似认为变频空调的无功功率均由功率因数补偿电容产生，与感应电机的暂态无功特性没有关系。

由于变频器的存在，静态zip负荷并联感应电机的经典综合负荷模型无法精确等效变频空调，因此在其基础上提出改进综合负荷模型如图4所示，改进原理如下：

(1)考虑到变频器“通有功，隔无功”的特性，带变频器的感应电机的无功特性无法电网中体现，而有功特性没有影响。

(2)假设将经典综合负荷模型的感应电机分为两部分，一部分即普通感应电机，另一部分为带变频器的感应电机且占比为k。

(3)由于变频器的特性，带变频器的感应电机不消耗无功功率，这样从经典综合负荷模型的感应电机总无功中减去比例为k的无功功率。改进综合负荷模型功率的数学表达式如下：

式中，p和q分别为总有功和无功功率；下标m和zip分别代表感应电机功率和zip静态负荷功率；k为去掉感应电机无功的比例。

本发明的有益效果：本发明在对纯变频空调负荷以及含高比例变频空调负荷的等效上均比经典综合负荷模型更加精确。因此，在对以居民用户为主的配电网的综合等效、潮流分析和暂态仿真方面都更加精确。具体表现如下：

(1)纯变频空调负荷集群等效

建立50台变频空调负荷集群的仿真模型，在0.5秒时产生时长0.1秒的电压暂降，暂降深度0.7p.u，仿真时间1秒，仿真步长0.001秒。等效精度误差公式如下：

j＝∑((p-p′)²+(q-q′)²)

式中，p，q为原数据的有功无功功率，p′，q′为综合模型等效出的有功无功功率。

改进后的综合负荷等效模型对纯电力电子化负荷等效误差为0.0363，经典综合负荷模型等效误差为0.5512，等效对比图如图6和图7所示。

(2)含高比例变频空调负荷综合等效

建立含高比例电力电子化负荷的仿真模型，电力电子化负荷的比例按其有功计算，在1秒时产生时长0.1秒的电压暂降，暂降深度0.7p.u，仿真时间3秒，仿真步长0.001秒。不同比例下，等效偏差对比如下表所示，其中选取空调占比40％的功率对比如图8和图9所示。

本发明改进后的综合负荷模型对纯电力电子化负荷以及含高比例电力电子化负荷的等效都比经典综合负荷模型更加精确。

附图说明

以下将结合附图对本发明进行描述，其中：

图1为本发明建立的变频空调负荷的详细模型结构。

图2为变频空调在电压暂降时的有功特性。

图3为变频空调在电压暂降时的无功特性。

图4为本发明改进后的综合负荷模型结构。

图5本发明参数辨识部分的流程图。

图6为对纯变频空调负荷集群有功功率等效结果对比。

图7为对纯变频空调负荷集群无功功率等效结果对比。

图8为对变频空调负荷占比40％配电网有功功率等效结果对比。

图9为对变频空调负荷占比40％配电网无功功率等效结果对比。

具体实施方式

如图4所示，本发明提供了一种适用于含高比例变频空调负荷的改进综合负荷模型，其具体使用方法如下：

(1)对于需要综合等效的配电网负荷，获取其220kv变电站的110kv或220kv母线的历史暂态功率数据或通过扰动试验获取暂态功率数据。

(2)以获取的暂态功率数据为输入，以本发明的改进综合负荷模型为数学模型，以粒子群算法或其他智能算法为参数辨识方法，识别出改进综合负荷模型中的待辨识参数，具体流程如图5所示。

(3)将辨识出的参数带入的改进综合负荷模型，该模型可以替代所要等效的配电网，以便于对含该配网的整个系统进行潮流分析或暂态仿真。