宁夏电网负荷模型对稳定性的影响分析

项 丽，丁茂生，闻丹银，余一平，王 耀，陈 谦

（1.宁夏电力公司，宁夏 银川 750001；2.河海大学 可再生能源发电技术教育部工程研究中心，江苏 南京 210098）

电力系统安全稳定分析是调度运行部门制定运行方式的基础，也是调度运行部门决策的重要依据［1－4］.电力系统的主要元件有发电机、电力网络和负荷等，数学模型的准确程度直接影响电网安全稳定分析的结果［5－10］.电力负荷模型对潮流计算、暂态稳定、动态稳定以及电压稳定等方面有较大影响，所以提高负荷模型的准确程度十分必要［11－12］.

宁夏电网中存在电解铝、硅、铁等众多特殊负荷［13－14］.在对宁夏电网负荷情况进行调研分析的基础上，对宁夏电网负荷节点典型日负荷数据进行分类研究，并根据分类结果和WAMS实际扰动数据进行负荷模型参数辨识，建立适应现阶段宁夏电网稳定计算分析的负荷模型.笔者依据实测辨识得到的负荷模型，对宁夏－甘肃输电断面的极限切除时间、不同负荷水平下的暂态电压稳定问题进行分析，并与基于传统负荷模型下的电网稳定计算分析结果进行比较，最后，采用新负荷模型对宁夏电网静态电压稳定问题进行仿真分析.

1 宁夏电网的新老负荷模型

宁夏电网现有仿真计算负荷模型采用传统综合负荷模型（CLM），其中：①银北、中卫等铁合金类高载能负荷，按90%恒阻抗、10%电动机考虑；②电解铝类高载能负荷，按90%恒电流、10%感应电动机考虑；③普通工业和民用负荷，按70%恒阻抗、30%感应电动机考虑；④发电厂厂用负荷，按40%恒阻抗、60%电动机考虑.

宁夏电网现有负荷模型的电动机比例较小，且选用的CLM模型间接地将配电网络的等值阻抗并入感应电动机的定子阻抗，不能模拟配电网络阻抗对静态负荷的影响以及配电网无功补偿对感应电动机运行条件的影响.

中国电科院提出了考虑配电网支路的综合负荷模型（SLM），直接考虑了配电网络支路，可以较完整地模拟负荷和配电系统［15－16］，是目前正在大力推广使用的负荷模型，故笔者采用该负荷模型.

宁夏电网负荷主要由高耗能（主要是铁合金）、电解铝等特殊负荷以及普通工业、各种民用和商用负荷等一般负荷构成［17］.根据各类负荷的典型日负荷曲线分析所得到的负荷分类结果如表1所示［18］.

表1 单独考虑特殊负荷的分类结果Table 1 Classification results with independent regarding of the special loads

一般负荷采用SLM模型，其结构如图1所示.负荷建模中，电解铝类特殊负荷采用恒电流加感应电动机模型，即I＋M型SLM模型.铁合金类负荷模型采用恒阻抗加感应电动机模型，即Z＋M型SLM模型.

图1 SLM模型的等值电路Figure 1 Equivalent circuit of synthesis load model

根据各典型站点实际扰动下PMU实测数据，对宁夏电网负荷进行参数辨识，获得各类负荷的重点辨识参数，如表2所示.对于其他非辨识参数采用中国电科院推荐值，如表3所示.

表2 SLM辨识参数推荐值Table 2 Recommended parameter values of SLM

表3 SLM其他参数推荐值Table 3 Other recommended parameter values of SLM

2 负荷模型对宁夏电网暂态功角稳定的影响

以宁夏电网2012年运行方式为例，对比分析负荷原参数模型与辨识获得参数模型对电网暂态功角稳定性的影响［19］.宁夏电网和甘肃电网输电断面如图2所示.

图2 宁夏－甘肃输电断面Figure 2 Ningxia Power Grid and Gansu Power Grid

选择2种较严重的故障方式，通过计算极限切除时间来对比负荷模型对暂态稳定的影响.故障1为黄河到白银的750kV线路故障，故障2为宁安到白银的330kV线路故障，故障类型都是三相短路接地.分别采用宁夏现有负荷模型和新辨识SLM负荷模型，计算2种故障下的极限切除时间，如表4所示.可见，由于宁夏电网在西北电网中相对较小，其负荷模型不同对全网暂态稳定的影响不大.

表4 暂态稳定极限切除时间Table 4 Critical clearing time of transient stability

3 负荷模型对宁夏电网暂态电压稳定的影响

以宁夏2012年运行方式为例，分别针对各地区电网初始负荷水平以及增加50%负荷的不同情况，进行暂态电压稳定分析.

3.1 初始负荷水平

宁夏电网各地区的初始负荷水平如表5所示，选取的故障方式为石嘴山二电厂和正谊变之间220 kV交流线在0～0.18s发生三相短路故障，选取观测母线为正谊变母线.分别针对采用宁夏原始负荷模型参数和辨识出的SLM负荷模型参数的仿真算例，进行仿真计算，得到相应母线暂态电压变化曲线，如图3所示.

表5 负荷极限分析结果Table 5 Load limit analysis results

图3 正谊220kV母线电压变化曲线Figure 3 Voltage curves of Zhengyi 220kV bus

采用2种模型的仿真结果之间的差别主要集中在故障清除后的暂态中压变化.SLM模型的电压恢复速度比原始模型慢.经分析，主要原因为①SLM模型相对于原始模型，更切合实际地考虑了配电网络的影响，模型用配网等值阻抗来模拟配电网络的影响；②SLM模型较原始模型的感应电动机比例有所增大，当次暂态过程消失后，由于电压较低，感应电动机需要从电网吸收更多的无功功率.

3.2 负荷增长50%

将各地区电网的负荷增长50%，得到新的负荷水平，选取的故障方式不变，不同负荷模型情况下的暂态电压变化曲线如图4所示.当各地区负荷增加时，较容易发生暂态电压失稳问题，在故障时间达到0.18s时已出现暂态电压失稳.这表明宁夏电网原负荷模型较实测SLM模型偏冒进.

图4 正谊220kV母线电压变化曲线Figure 4 Voltage curves of Zhengyi 220kV Bus

4 负荷模型对宁夏电网静态电压稳定的影响

笔者根据静态电压稳定的基本理论和分析方法，采用新负荷模型，对宁夏电网2012年运行方式进行静态电压稳定分析，主要计算宁夏电网负荷功率极限，并确定电压稳定薄弱的节点.

4.1 负荷功率极限分析

先进行负荷极限分析，计算采用的传输模式为各地区电网负荷均匀增长，需要的功率由甘肃地区发电机和离该地区较远的发电机出力平衡.考虑该发电出力增长方式的目的，研究宁夏电网目前的发电能力下（不新开机组）系统的静态电压稳定功率极限，所得结果如表5所示.

4.2 电压稳定薄弱点分析

在功率极限临界点进行模态分析，通过特征值分析计算各母线的相对参与因子，识别系统的电压稳定薄弱节点.不同区域负荷增长时对应的电压稳定薄弱点如表6所示.

表6 电压稳定薄弱点分析结果Table 6 Analysis results on voltage stability weak points

从分析可知，采用新负荷模型后，宁夏电网静态电压稳定问题：①2012年方式情况下，宁夏电网的静态电压稳定负荷极限可以达到12 495MW，超过了目前出现过的以及未来时间内预测的负荷最大值，电网整体能够保持电压稳定性；②2012年方式情况下，宁夏电网电压稳定的薄弱区域主要存在于石嘴山地区和中卫地区，日常运行中应加强注意.

5 结语

针对宁夏电网特殊负荷比例较高的特点，通过典型节点的PMU实测扰动数据辨识负荷模型参数，建立考虑配电网络影响的SLM模型.采用辨识得到的新负荷模型对宁夏电网的暂态功角稳定、暂态电压稳定和静态电压稳定问题分别进行了仿真分析.通过新负荷模型与宁夏电网现有仿真计算用的负荷模型的仿真结果对比表明，辨识得到的SLM模型更接近实际电网的负荷特性，可以较好反映出宁夏电网的暂态电压稳定问题.

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