考虑牵引负荷模型的暂态稳定计算

张 敏

（国网广安供电公司，四川 广安 638000）

一、牵引负荷数学模型

（一）牵引负荷整体结构

牵引负荷模型总功率平衡关系如下，主要包括三部分，牵引电机、感应电动机负荷、静态负荷。

其中，Q、P是电网中综合负荷吸收的无功功率和总有功功率，Ps、Qs是电网中静态负荷吸收的有功和无功功率；Qim和Pim是电网中感应电机吸收的无功功率和有功功率；Ptm是电网中牵引电机吸收的有功功率。

（二）数学描述牵引负荷

1 牵引电机数学模型

牵引电机方程式如下：

其中，R、L是牵引回路的电阻和电感；ω和Id是牵引电机转速以及电流；J是转动惯量；CT和CM是牵引电机广义参数；Ud是牵引电机端电压；TL是机械负载转矩，可以利用二次函数转速模型表示：

2 数学描述静态负荷和感应电动机

利用三阶模式的感应电动机，其中需要忽略电磁暂态，因此，感应电动机模型相向量参数是[Rs，Xs，Rr ，Xr，Xm，Rm，Tj，n]，静态负荷恒阻抗模型如下：

3 系统模型变化关系

系统侧和牵引负荷模型基准变换关系如下：

二、分析牵引负荷模型的暂态稳定计算

依据电力机车实际运行情况，牵引负荷可以分为牵引、惰行、停车以及制动四种典型负荷结构，下面把EPRI36结点作为基本案例，分析不同负荷模型对系统暂态稳定的影响。结点参数模型如下：

（一）不同工况参数

在系统模型中19母线适当接入牵引负荷，并在此处适当设置三相短路，从O s 的时候开始出现故障，经过16个周期后切除故障。利用相应两种工况参数合理计算，以此得到一定的仿真结果。经过分析可以发现，在使用第一种工况参数的过程中，能够稳定恢复母线电压，在使用第二种工况参数的过程中，会很大程度降低母线电压，并且出现相应震荡，不能及时恢复，导致失去稳定性。可见，采用不同的参数模型可以形成不同仿真结果，第二种参数模型在出现大扰动的情况下很难稳定恢复，可以以此类参数模型来分析和研究其他负荷模型与牵引负荷模型之间的差异。

（二）不同负荷模型

在EPRI系统中，19母线的位置上合理设置三相接地短路故障，故障时间在1s～1.28s之内，1.28s的时候切除故障。在母线21上接入牵引符合模型，使用的实际参数见表1。使用不同负荷模型来接入母线21电压。HZK是恒阻抗模型；QY是牵引负荷模型，35%HZK+IM是感应电动机与35%恒阻抗并联，利用三阶模型分析感应电机，典型参数录入PSASP仿真。从图2可以发现，在出现故障的时候，不同时段负荷模型母线电压具有一致的下降幅度，因此，主要区别方式实际上就是恢复以后的电压特性，也就是电压扰动存在的敏感程度。从清除故障曲线可以发现，恒阻抗模型具有比较快的恢复电压速度，牵引负荷模型第二，35%HZK+IM模型具有最慢的速度。在大部分牵引负荷模型中，需要利用恒阻抗来合理平衡无功功率，在恒阻抗模型中，牵引负荷无功功率具有很大的作用。因此，牵引负荷模型具有二者之间的电压恢复特性，在完成故障以后，对于不同模型具有一致平息电压震荡曲线时间，能够恢复到相同水准的电压值。

图1 系统结构

表1 不同情况模型参数

（三）不同比例牵引负荷

图2 恢复特性

在原来潮流基础作业上，适当改变其中某部分负荷结点类型，把全网中牵引符合提高到20%、35%、50%，分析不同比例牵引负荷给暂态稳定系统造成的影响。故障一：母线22-23中，在邻近母线22一侧的出口形成短路，切除故障0.2s。经过分析可以发现，在不断提高牵引负荷比例的时候，会增加系统功角阻尼比，并且也会适当增加摆动功角曲线的幅度，能够看出相比较恒阻抗模型来说，牵引符合模型功角阻尼模型在计算暂态稳定的时候具有相对优越的特性。并且越高比例的牵引负荷模型，就会拥有更大的阻尼特性。

故障二：母线9-23的位置邻近母线9时候，设置一定的三相短路故障。因此，可以发现，在计算系统暂态稳定的时候，不同牵引符合比例具有不同参数情况，在电网中不断增加牵引负荷比重，就会降低切除故障极限时间，利用牵引负荷模型的过程中，会在一定程度上增加系统稳定性。

总之，可以得出以下结论：（1）在电力机车不同运行工况的过程中计算系统暂态稳定，需要利用机车多种运行工况实际参数进行稳态仿真，参数的选择会很大程度影响电网的整体暂态稳定计算结果。（2）在不同引负荷模型中计算系统暂态稳定的时候，母线电压恢复的过程中具有很大差异，对于电压扰动敏感度来说，牵引负荷模型处于感应电动机模型和恒阻抗模型之间。（3）在稳定计算的时候，不断提高电网中牵引负荷端计算比例，最大限度降低切除故障极限的时间，可以在一定程度上增加阻尼比和摇摆功角幅度。但如果仅仅只是少量改变母线负荷类型的过程中，会有限的影响系统稳定计算仿真结果。

结语

通过不同参数来分析电力机车牵引负荷模型对电网产生影响的过程时，需要充分考虑动态负荷差异、负荷比例等因素，选择合适的计算参数和负荷模型，能够通过PSASP得出较准确的牵引负荷暂态稳定仿真计算结果，在含有电力牵引负荷的电力系统暂态稳定计算分析中有重要意义。

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