基于电机群分类聚合的配电台区功率调节特性及主动调压方法研究.pdf
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1、第51 卷 第14 期 电力系统保护与控制电力系统保护与控制 Vol.51 No.14 2023年7 月16 日 Power System Protection and Control Jul.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.221881 基于电机群分类聚合的配电台区功率调节特性及 主动调压方法研究 王 翔,袁佩娥,陈国富,慕小斌,刘壮壮,戴凤娇(先进输电技术国家重点实验室(国网智能电网研究院有限公司),北京 102209)摘要:随着新能源渗透率的不断提高,配电网主动调压成为维持系统稳定的重要手段。为研究当今负荷多样化配电台区的主动调压方法,首先研究了电机负载类型、负
2、载率存在差异时的电压-功率调节特性,揭示了电机功率受带载情况影响的原因。提出了一种基于负载类型与负载率的台区电机分类方法,并建立了台区电机群分类聚合模型,能够有效降低模型复杂度。其次采用分类聚合模型研究了配电台区整体电压-功率调节特性,计及了静态、动态和电力电子等不同负荷类型及占比的多因素影响,并以实际农、商两典型行业为特例进行仿真分析。最后提出了配电台区主动调压方法。针对系统无功充足或无功不足两种情形以及台区主要负荷类型,调节电压使消耗有功或无功达到最小,实现系统经济运行。关键词:电动机;聚合模型;负荷类型;主动调压;配电台区 Power regulation characteristics
3、 and active voltage regulation method of a distribution station area based on motor group classification aggregation WANG Xiang,YUAN Peie,CHEN Guofu,MU Xiaobin,LIU Zhuangzhuang,DAI Fengjiao(State Key Laboratory of Advanced Power Transmission Technology(State Grid Smart Grid Research Institute Co.,Lt
4、d.),Beijing 102209,China)Abstract:With the increasing penetration of renewable energy,active voltage regulation of a distribution network has become an important way to maintain system stability.To study the active voltage regulation method in a current power distribution station area with load dive
5、rsification,first,the voltage-power regulation characteristics of the motor with different load types and load rates are studied,and the impact of the load conditions on motor power is revealed.This paper proposes a classification method of station area motors based on load type and load rate,and es
6、tablishes a classification aggregation model of the motors,one which can effectively reduce the complexity of the model.Then,the overall voltage-power regulation characteristics of the distribution station area are studied using the classification aggregation model,considering different load types a
7、nd proportions such as static,dynamic and power electronic load.Additionally,actual agricultural and commercial industries are analyzed as examples.Finally,the active voltage regulation method in the distribution station area is proposed.Considering situations of both sufficient or insufficient reac
8、tive power of the system and main load types in the station area,the voltage is adjusted to minimize the consumption of active or reactive power,realizing the economic operation of the system.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China(No.72188101).Key words:motor;aggr
9、egation model;load type;active voltage regulation;distribution station area 0 引言 新型电力系统建设需要电网规模化接入新能源,基金项目:国家自然科学基金项目资助(72188101);国网智能电网研究院有限公司项目资助(525500200057)然而由于新能源具有间歇性、波动性等特性1-3,电源侧调节资源非常有限,因此若要维持电网稳定运行,就要加强源荷互动,发展负荷侧能量管理,加强负荷侧动态响应4-6。电动机作为电力系统的主要动态负荷,年耗电量达全社会用电量的 60%以上,因此研究电机群参数聚合作为负荷和如何参与负荷-
10、2-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 侧调节成为负荷主动调控面临的重要课题。目前,有载调压技术是主动调节负荷侧功率的主要手段,该技术主要依靠有载分接开关(on load tap charger,OLTC)7-9,已有大量文献在其电压-功率调节特性方面开展研究。例如文献10研究了OLTC 动态调节对电压稳定性的影响,并提出一种可以评估中长期电压稳定性的指标;文献11-12提出了新的主动配电网无功约束优化方法。在降低配网损耗方面,文献13提出了电能替代背景下配电网 OLTC 降损方法;文献14证明了基于真空有载调压开关的少维护 OLTC 具有节能减耗效果。在OLTC 本身设计方面,文献15设计
11、了新型的 OLTC设备;文献16介绍了永磁直动真空 OLTC 的特点及在配电系统中的实际应用情况;文献17研究了OLTC 本身的运行状态;文献18给出了一种基于电力电子开关的有载调压结构。然而上述多数文献并未计及感应电动机群并结合负载特性分析系统的调压-功率特性。为此,文献19-21提出了计及感应电机静态稳定特性和系统稳定性的聚合方法;文献22-23将电动机聚合方法应用于稳定性的研究。而在非工频感应电机负荷聚合方面,文献24-27提出了空调负荷聚合功率模型。然而,以往研究并未深入考虑电机群带不同负载类型、负载率时的负荷特性,导致调压无法满足实际台区系统复杂工况下的调控需求;随着配电台区负荷类型
12、多样化,建立适用于台区调压场景的感应电机聚合模型,并针对台区内不同负荷类型及占比情况采用合适的负荷侧主动电压调控方法仍有待研究。针对配电台区主动调压场景下的电机群聚合问题,本文首先研究了电机带不同类型负载以及不同负载大小时的调压特性,以此提出了一种基于负载类型与负载率的台区电机群聚合模型,仿真验证了其正确性。随后本文针对典型台区系统中静态、动态、电力电子负荷 3 种负荷类型,研究了台区整体调压特性,其中动态负荷模型将负荷节点中并联的所有电机依据负载率与负载类型分类聚合为 5 台电机进行分析。最后针对农、商两行业进行仿真,研究了不同负荷类型及不同负荷占比条件下的台区电压调节特性,探索了台区的整体
13、调压方法。1 电机带不同类型负载时的调压特性 1.1 带恒功率或恒转矩负载 为了研究台区内电机群的整体电压-功率调节特性,首先需要对单台电机调压特性进行研究。当电机带恒功率负载时,电机负载转矩与转速成反比,如式(1)所示。LrkT (1)式中:LT为电机负载转矩;k为电机负载率;r为电机转速标幺值。以一台 220 kW、380 V 感应电机带恒功率负载运行工况为例,调节电机定子电压标幺值在 0.8 1.2 p.u.范围内变化,不同负载率时的电压-功率关系曲线如图 1 和图 2 所示。为更清晰地进行对比,图中功率采用相对值,其基准为额定电压时各负载率的相应功率。所研究电机参数见表 1 中的 M5
14、。图 1 电机带恒功率或恒转矩负载时的输入有功调节曲线 Fig.1 Motor input active power regulation curve with constant power or constant torque load 图 2 电机带恒功率或恒转矩负载时的输入无功调节曲线 Fig.2 Motor input reactive power regulation curve with constant power or constant torque load 由图 1 可以看出,定子电压偏差时,输入有功变化趋势与电机负荷率相关。当电机轻载时,电压越大,电机有功功率越大。这是因
15、为电机轻载时,转速接近同步转速,电压升高造成的电机转速增加不显著。由电机等值电路,定子电流将上升,定转子铜耗上升,同时负载率不变时机械功率不变,导致输入有功功率上升。而当电机重载时,电压上升,转速上升显著,造成电机整体阻抗上升显著,定子王 翔,等 基于电机群分类聚合的配电台区功率调节特性及主动调压方法研究 -3-电流减小,导致定转子铜耗减小,输入功率降低。由图 2 可以看出,电压增大,在轻载时输入无功增大;而在重载时输入无功先降低后升高。这是因为定子电压上升,轻载时定子电流上升,重载时定子电流下降;同时由转速变化导致转子支路和励磁支路电流分配关系不同两方面因素引起的。此外,电机带恒转矩负载时的
16、电机转速比带恒功率负载时偏大,导致机械功率有所下降,且负载越大、电压越低,该现象越显著。仿真结果表明,机械功率变化并不影响输入功率变化趋势,即带恒转矩与恒功率负载时,电压-功率调节特性基本一致。故可将电机带恒功率与恒转矩负载归为一类。表 1 电机参数表 Table 1 Parameters of motors 编号 额定功率/kW 额定电压/V定子电阻/p.u.转子电阻/p.u.定子漏抗/p.u.转子漏抗/p.u.励磁电抗/p.u.额定转差率极对数M1 1.1 380 0.0595 0.0473 0.0576 0.0779 1.3160 0.0760 2 M2 1.5 380 0.0495 0
17、.0474 0.0595 0.0825 1.3955 0.0710 2 M3 3 380 0.0417 0.0338 0.0555 0.0598 2.2119 0.0448 1 M4 110 380 0.0111 0.0112 0.0829 0.1468 1.9102 0.0132 5 M5 220 380 0.0090 0.0096 0.0797 0.1519 2.4612 0.0111 4 M6 315 380 0.0075 0.0072 0.0641 0.1406 4.3535 0.0080 2 M7 1117 2300 0.0110 0.0069 0.0870 0.0870 4.600
18、0 0.0090 2 M8 1676 2300 0.0082 0.0062 0.0770 0.0770 4.5000 0.0080 2 M9 4470 4160 0.0049 0.0049 0.0082 0.0082 6.1000 0.0070 2 1.2 带风机水泵类负载 带风机水泵类负载时电机负载转矩与电机转速平方成正比,如式(2)所示。2LrTA (2)式中,A为二次转矩系数。仍以电机 M5 为例,带风机水泵类负载,转矩系数A不同时,电压-功率关系曲线如图 3 和图 4所示。由图 3 和图 4 可知,带风机水泵类负载时电机输入有功随电压的升高而升高,与转矩系数A无关;而电机输入无功在非重
19、载情况下(0.8)A随电压升高而升高。此外,对比图 1 与图 3 可知,电机带恒功率或恒转矩负载与风机水泵类负载的电压-功率调节特性不一致。因此研究台区多台电机的功率-电压调节特性时,有必要对电机负载类型及负载率进行分类讨论。图 3 电机带风机水泵类负载时的输入有功调节曲线 Fig.3 Motor input active power regulation curve with fan or water pump load 图 4 电机带风机水泵类负载时的输入无功调节曲线 Fig.4 Motor input reactive power regulation curve with fan or
20、 water pump load 2 基于负载类型与负载率的台区电机群聚合模型 2.1 基于负载类型及负载率的电机聚类方法 由于电力系统中电机负荷主要分布在配电网络,故在大型系统仿真中,通常将多台并联电机等效为聚合电机,以提高仿真效率。针对台区负荷侧主动调压场景,聚合电机需要精确体现多台电机在不同电压下的功率特性。由第 1 节仿真结果可知,建立电机聚合模型需要考虑电机所带负载类型以及负载率两方面因素,因此本节提出基于负载类型与负载率的电机聚类方法。该方法的基本思想是将电压-功率调节特性相同的多台电机聚合为一台电机。基于第 1 节仿真结果,对带恒功率或恒转矩负载的电机提出有功临界-4-电力系统保
21、护与控制电力系统保护与控制 负载率PK与无功临界负载率QK,将待聚合电机按负载率划分为(0,PK)、(PK,QK)、(QK,1.2)3 个区间,且每个区间内电机的电压-功率调节特性相同,因此对某一负载率区间内的电机进行聚合是合理的。由PK、QK分隔的负载率区间内,随着定子电压升高,电机输入功率变化趋势如表 2 所示。表 2 负载率与电压调节特性的关系 Table 2 Relationship between load rate and voltage regulation characteristics 负载率 k KP k KP k KQ k KQ 功率变化 趋势 有功单调 增加 有功单调减
22、小 无功单调 增加 无功先减小后增加 而对于带风机水泵类负载的电机,提出无功临界转矩系数QA,将转矩系数分为(0,QA)、(QA,1.2)两个区间。当QAA时,无功随电压增大而增大;当QAA时,无功随电压先减小后增加。在划分转矩系数区间后,再分别对区间内的电机进行聚合。需要指出,由于电压升高时电机输入有功变化趋势与A无关,故无须提出有功临界转矩系数的概念。为确定上述聚类方法中的 3 个参数PK、QK、QA,首先仿真得到表 1 中 9 台电机的临界负载率与临界负载转矩系数,再取平均值,以近似表征所有电机,如式(3)式(5)所示。需要指出的是,对于实际台区系统,计算PK、QK、QA时应根据台区电机
23、容量及占比情况对各电机的临界负载率及临界转矩系数进行加权,以更好地反映电机群的电压-功率调节特性。此处为便于计算,采用平均值代替。P,1PMiiKKM (3)Q,1QMiiKKM (4)Q,1QMiiAAM (5)式中:P,iK、Q,iK和Q,iA分别为第i台电机的临界负载率和临界转矩系数;M为电机台数,文中M=9。仿真可得表 1 中 9 台电机的P,iK、Q,iK、Q,iA值如表 3 所示。由表 3 数据取平均可得,P0.24K、Q0.81K,Q0.87A。2.2 聚合模型及参数计算 将不同负载类型、不同负载率的电机进行聚类处理后,可分别聚合为一台电机,聚合电机的等值电路如图5所示。表 3
24、各电机的临界负载率及临界转矩系数 Table 3 Critical load rate and torque coefficient of each motor 编号M1M2M3M4M5 M6 M7 M8M9KP,i0.420.380.280.300.24 0.14 0.16 0.150.12KQ,i0.890.900.930.780.71 0.67 0.67 0.731.00AQ,i1.001.001.000.850.80 0.66 0.71 0.791.00 图 5 聚合电机等值电路 Fig.5 Equivalent circuit of aggregated motors 聚合电机的电阻
25、、电抗等参数通过容量加权得到,且聚合电机额定容量为各电机容量之和,如式(6)与式(7)所示。N1eqNeqpiiiP zzP (6)NeqN1piiPP (7)式中:下标“eq”表示聚合电机参数;eqz为聚合电机阻抗,可表示定子电阻sR、定子漏抗slX、转子电阻rR、转子漏抗rlX和励磁电抗mX;p为处于某一负荷率区间内的电机总数;NiP为第i台电机的额定功率;iz表示第i台电机的阻抗;NeqP为聚合电机额定功率。聚合电机转差率eqs根据机端电压及负载转矩计算可得,如式(8)与式(9)所示。2IMmeqreqLeqeqmeqreqeq3()UZRTZZZs (8)eqeqLeq2eqeq 1(
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