变频拖动设备对负荷模型参数的影响分析

沈卫兵, 周锦, 唐莹莹, 陈谦

(1. 国网蚌埠供电公司，安徽 蚌埠233000；2. 国网金华供电公司，浙江 金华321017；3. 河海大学 能源与电气学院，江苏 南京211100)



变频拖动设备对负荷模型参数的影响分析

沈卫兵1, 周锦2, 唐莹莹3, 陈谦3

(1. 国网蚌埠供电公司，安徽 蚌埠233000；2. 国网金华供电公司，浙江 金华321017；3. 河海大学 能源与电气学院，江苏 南京211100)

针对大中功率的全控型变频拖动设备使用比例日益增大的问题，分析其对现有负荷模型的影响，并对大比例变频拖动设备的负荷模型参数进行了修正，将修正后的负荷模型及其静态负荷模型应用于某地区电网进行仿真计算和分析。所得结果：当系统电压跌落时，变频拖动设备使系统无功需求急剧增大，对系统的阻尼特性降低。

拖动设备；变频拖动设备；负荷模型；静态负荷模型；电力系统；安全稳定

电力拖动技术一直是电力负荷的重要组成部分。传统的交流拖动设备调节性能差，浪费大量的电能；直流拖动系统成本高，可靠性差，容量低。为降低能源消耗，提高电能利用率，基于电力电子技术的进步[1-4]，电动机交流变频调速技术得到了飞速发展[5-7]。相对于传统的交流拖动设备，交流变频拖动设备调速性能高，消耗功率少。大量工业应用表明，变频调速可节能20%，具有非常可观的节能效果，应用前景广阔[8-10]。与传统的交流拖动设备相比，变频拖动设备的负荷特性不同，它会对全系统负荷特性产生一定影响，继续使用当前的负荷模型会给电网的安全稳定运行带来隐患。

目前，在地区电网中，拖动设备以传统交流拖动设备为主，负荷模型能反应当前拖动设备的负荷特性，但在未来很长一段时间内，变频拖动设备比例将会迅速增加。据估计，在未来10年左右，变频拖动设备的比例将会增加到70%，且钢铁、石油、化工、造纸等行业中变频拖动设备应用比例较大[11-12]。随着未来变频拖动设备的广泛应用，当前的电力负荷模型显然不够准确，需要对相应的模型及建模方法进行深入的研究。

近年来，有关变频器对电网的影响已有一些研究成果，大致的结论是变频器的特殊电气特性会对电网稳定性造成不利影响[13-14]，如文献[15]简述了变频设备对海上石油平台电网的影响以及解决方案。

本文重点研究大功率的全控整流型变频拖动设备，在其对电网电压响应特性的基础上，分析了对现有经典负荷模型(classic load models, CLM)参数的影响,将修正后的负荷模型和静态负荷模型应用于某地区电网进行仿真分析，研究了未来10年变频拖动设备将对地区电网安全稳定方面的影响。

沈卫兵，等：变频拖动设备对负荷模型参数的影响分析

1　拖动设备的负荷特性对比分析

本文研究的拖动设备包括传统拖动设备，即电网中大量应用的交流异步电动机拖动设备以及变频拖动设备(主要指大功率全控整流型变频拖动设备)。由于许多文献对各个子模块都有深入的研究，并提供了详细的模型，因此本文基于电力系统计算机辅助设计(power system computer aided design, PSCAD)仿真平台，搭建传统交流拖动设备和全控型变频拖动设备的详细模型，用于对比、分析电网电压变化对各自负荷特性的影响。

1.1传统拖动设备负荷特性

假设电动机所带负载为恒转矩负载，在电网频率(50 Hz)不变的前提下，在1.5 s时，电网电压分别跌幅达5%、10%、15%、20%，常规拖动设备的电压U、有功功率P、无功功率Q的响应曲线如图1所示。

下标1、2、3、4分别代表电网电压跌幅为5%、10%、15%、20%。图1　传统拖动设备电压、功率曲线

由图1可见，在1.5 s时，网侧电压跌落，但跌落幅度不大，电动机减速运行，有功功率需求随之减小，无功功率需求也随电压下降而下降，经过短时延迟后有一定抬升，最终趋于稳定。

1.2变频拖动设备负荷特性

1.2.1运行机理

当电网侧的交流电压发生变化时，变频调速拖动系统的功率响应会发生变化。变频拖动系统功率流向如图2所示。

P1，in、P1，out—分别为变频拖动设备输入、输出功率;P2，in、P2，out—分别为变频器输入、输出功率; Pch,dis—直流电容的充、放电功率。图2　变频拖动设备功率流向示意图

由能量守恒定理可知，在忽略变频器功率器件损耗等前提下，P1，in与Pch,dis及P2,out之间的关系如式(1)、(2)、(3)所示,即

(1)

(2)

(3)

式(1)至(3)中：直流电容放电时，Pch,dis>0；直流电容充电时，Pch,dis<0。当整流侧采用可控整流，它具有调压能力；当电网侧U变化时，整流侧控制器经过一段延时响应，对其直流电压Ud进行有效调控，使之快速恢复，然后再通过逆变器逆变，向电动机供电。此时，变频拖动设备对电网侧的功率需求恢复到初始状态。

1.2.2负荷特性

根据变频拖动设备运行机理，整流侧采用定直流电压和恒定功率因数控制(cosφ=1)，逆变侧采用恒定U′/f控制(U′为逆变侧交流电压，f为频率)，搭建了相应的详细仿真模型。在维持电网频率不变的前提下，在1.5s时，网测电压跌幅分别为5%、10%、15%、20%，变频拖动设备电压、功率响应曲线如图3所示。

(b)、(c)中的4条曲线几乎吻合。图3　变频拖动设备电压功率曲线

由图3(b)可见，全控整流型变频拖动设备的有功功率需求响应随电网电压跌落而跌落，待整流控制器动作后恢复到初始状态。由图3(c)可见，由于整流单元采用了定无功功率控制，因而始终在0附近波动。1.5 s时电网侧电压跌落，无功功率需求响应随之跌落，经过一段延时后恢复到新的稳定状态，稳态值对于初始状态略微有所抬升。常规电动机负荷与变频器驱动负荷的电压响应特性不同。

2　变频拖动设备对模型参数的影响

目前电网中变频拖动设备所占比例还未达到很高，采用现有的CLM模型参数基本能适用当前的电网仿真计算等。变频拖动设备由于调速性高，经济性好，应用前景广阔。未来随着变频拖动设备比例日益增长，若仍采用现有的负荷模型必存在较大误差。

需要对相应的节点负荷模型及其建模方法进行深入的研究，本文仍将采用CLM模型结构，研究全控型变频拖动设备对CLM的参数产生影响。为了使对比更加鲜明，采用修正参数的模型和静态模型(60%恒功率+40%恒阻抗)，用于对电网安全稳定影响进行预测分析。针对不同类型拖动设备模型，修正后的CLM模型参数见表1。

3　变频拖动设备对地区电网的影响

基于PSD-BPA仿真平台，将修正后的模型参数和静态负荷模型并入某地区电网所有负荷节点，当系统发生故障扰动时，观察相应节点的响应曲线，分析未来10年左右变频拖动设备将对地区电网在安全稳定方面的产生的影响。

表1　拖动设备模型修正参数

3.1电压与功率的响应分析

当时间t为0.75 s时，系统发生故障扰动，电压跌落；当系统在1 s时，故障扰动消失，电压恢复。在0～2.5 s期间，负荷节点电压、有功和无功响应曲线如图4、图5(a)、(b)所示。

图4　皖凤阳负荷节点1电压曲线

图5　皖凤阳负荷节点1的有功及无功功率响应曲线

由图4可知，当系统发生故障扰动期间，即0.75～1 s期间，采用全控型变频拖动模型，电压波动最小；采用静态模型时，电压波动最大；采用传统拖动设备模型，电压波动介于两者之间。响应曲线表明：变频拖动设备模型，感应电动机比例(见表1)较小，负荷节点的电压波动变小。

由图5(a)可知，当系统发生故障扰动期间，即0.75～1 s期间，采用静态模型，有功功率先降低后增大，增大的幅度最小；采用全控型变频拖动设备模型，有功功率先降低后增大，幅度达到最大。响应曲线表明：变频拖动设备，感应电动机比例较低，有利于抑制负荷节点的有功功率波动。

由图5(b)可知，当系统发生故障扰动期间，即0.75～1 s期间，采用静态模型，无功功率基本不变；采用传统拖动设备模型，无功功率先降低后增大；采用全控型变频拖动设备模型，无功功率先增大后减小。响应曲线表明：变频拖动设备故障后无功功率的需求增大，电网需要提供更多的无功功率才能满足。

3.2电网功率波动分析

当电网在0～2.5 s期间，发电机相位、线路有功功率响应曲线如图6、图7所示。

图6　蚌热1号机组相位曲线

图7　凯迪-沫河线路有功功率响应曲线

由图6、图7可知，当系统发生故障扰动期间，即在0.75～1 s期间，采用传统拖动模型，发电机的相位、线路有功功率摆动范围较小；采用静态模型，相应曲线摆动较大。响应曲线表明：变频拖动设备，感应电动电动机比例(见表1)降低，系统阻尼较小。

4　结束语

本文基于PSCAD仿真平台，搭建了传统交流拖动设备和全控型变频拖动设备的详细拼接模型，获得了不同的负荷特性曲线。本文采用CLM模型，以全控型变频拖动设备为例，对当前模型参数进行修正。将变频拖动设备模型和静态模型并入某地区电网，研究了变频拖动设备对地区电网安全稳定方面的潜在影响。由仿真分析可知，随着变频拖动设备比例日益增大，当系统电压跌落后，变频拖动设备将使系统无功需求增大，对系统的阻尼较小。

本文对传统拖动设备模型进行修正，是基于仿真平台，未来需要根据物理实验校验修正模型的有效性与准确性。

[1] BLAABJERG F, MA Ke. Power Electronics - The Key Technology for Renewable Energy Systems[C]//2014 Ninth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies, Monte-Carlo： IEEE, 2014:1-11.

[2] SIRISUKPRASERT S. Power Electronics-based Energy Storages:A Key Component for Smart Grid Technology[C]//Proceedings of the International Electrical Engineering Congress, Chonburi：IEEE, 2014: 1-7.

[3] XIN Shaoping, JIANG Kang, ZHANG Qiming,et al. The Application of Modern Power Electronics Technology in Power System[C]//POWERCON 1998, Beijing： IEEE,1998:677-681.

[4] VAN J D, FRED C L. Power Electronics Technology at the Dawn of the New Millenium-status and Future[C]//30th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, Charleston, SC：IEEE, 1999: 3-12.

[5] SAIDUIR R, MEKHILEF S, ALI M B, et al. Applications of Variable Speed Drive (VSD)in Electrical Motors Energy Savings[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(1): 543-550.

[6] BROUSSARD H, HUGHES M L. Adjustable Frequency Drive and System: U.S，8508181[P]. 2013-08-13.

[7] FISHER R E, PATERSON J T. Power Control for Induction Motors Using Variable Frequency AC Power: U.S，8421398[P]. 2013-04-16.

[8] 高月民, 尹传庆. 抽油机的调速节能控制理论探讨与实践[J]. 电气应用, 2009(8): 50-54.

GAO Yuemin, YIN Chuanqing. The Practice and Exploration of Pumping Energy Saving Control Theory[J]. Electrical Applications, 2009(8): 50-54.

[9] 汪书苹, 盛明珺, 胡丹. 风机泵类高压变频改造的节能分析及计算方法[J]. 电力自动化设备, 2011(3): 117-120.

WANG Shuping, SHENG Mingjun, HU Dan. Energy-saving Analysis and Calculation of HV Frequency Conversion Retrofitting for Fan and Pump[J].Electric Power Automation Equipment, 2011(3): 117-120.

[10] OJO O. Multiobjective Optimum Design of Electrical Machines for Variable Speed Motor Drives[C]// Conference record of the 1991 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. Dearborn, MI, USA：IEEE, 1991:163 - 168.

[11] 李均升, 王占奎. 交流电机变频调速的市场与负载[J]. 电气技术, 2007 (5): 5-13.

LI Junsheng, WANG Zhankui. The Market and Load of AC Motor with Speed Regulation[J]. Electrical Technology, 2007 (5): 5-13.

[12] 王占奎. 交流电机变频调速的发展和应用[C]// 第七届全国电技术节能学术会议论文集. 南宁：中国电工技术学会，2003：59-71.

[13] 韦和平.高压变频器对电网的影响[J].现代电子技术, 2005(17): 113-115.

WEI Heping. Effect of High Voltage Transducer Upon Wirenet[J]. Modern Electronics Technique, 2005 (17): 113-115.

[14] 李世卿, 石德仁, 张风哲, 等. 大型变频调速装置的高次谐波电流对电网的影响及其抑制[J]. 冶金自动化, 1994, 18(5):17-19.

LI Shiqing, SHI Deren, ZHANG Fengzhe, et al. The Influence of High Harmonic Currents of Large Frequency Device on Power Network and Its Restraint[J]. Metallurgical Industry Automation, 1994, 18(5)：17-19.

[15] 陈忠亭. 变频设备对海上石油平台电网的影响以及解决方案[J]. 能源与环境, 2009 (31): 108-108.

CHEN Zhongting. The Effect on Offshore Oil Platforms Power Grid by Frequency Equipment and Solutions[J]. Energy and Environment, 2009(31): 108-108.

(编辑王夏慧)

Analysis on Influence of Variable Frequency Driving Equipment on Parameters of Load Model

SHEN Weibing1, ZHOU Jin2, TANG Yingying3, CHEN Qian3

(1. Bengbu Power Supply Company of State Grid, Bengbu, Anhui 233000, China; 2. Jinhua Power Supply Company of State Grid, Jinhua, Zhejiang 321017, China; 3. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 211100, China)

In allusion to the problem of increasing use ratio of full-control type variable frequency driving (VFD) equipment with high and medium power, this paper analyzes influence of VFD equipment on the existing load model and modifies parameters of the load model for the high proportion of VFD equipment. The load model and its static load model after modification are both applied in one regional power grid for simulating calculation and analysis. The results indicate that when system voltage drops, the VFD equipment will make requirement for system reactive power rapidly increase and reduce damping characteristic of the system.

driving equipment; variable frequency driving equipment; load model; static load model; power system; security and stability

2015-10-19

2016-06-20

国家自然科学基金资助项目(51377046)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.012

TM921.4

A

1007-290X(2016)09-0058-05

沈卫兵(1977)，男，安徽蚌埠人。高级工程师，工学学士，主要研究方向为电力系统分析与控制。

周锦(1989)，男，江西九江人。工学硕士，主要研究方向为电力系统分析与控制。

唐莹莹(1991)，女，江苏淮安人。在读硕士研究生，主要研究方向为电力系统分析与控制。