CN105138737A - 一种综合空调负荷模型及其建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种综合空调负荷模型及其建模方法。综合空调负荷，包括常规空调负荷和变频空调负荷。由于二者工作原理的不同，使得综合空调负荷的电气特性区别于单一的常规空调和单一的变频空调。本发明提出一种综合空调负荷模型，在常规空调负荷模型和变频空调负荷的模型基础上建立，该综合空调负荷模型和建模方法能单独分析常规空调和变频空调，也能综合分析两者不同构成比例下的情况，可以针对不同地区，不同空调使用情况，适用性很强。

Description

一种综合空调负荷模型及其建模方法

技术领域

本发明属于电力系统负荷建模技术领域，尤其涉及一种综合空调负荷的建模方法。

背景技术

现代社会，随着经济的高速发展，空调负荷的比例日趋增大，在夏季的局部地区占比很大，对电网的安全稳定运行带来了潜在的危害。另外，近年来在整个空调负荷中，变频空调的比例不断增大。在变频器的作用下，相比于普通的定频空调，变频空调具有很多不同特性，致使其负荷特性与常规空调差别很大，尤其是在电网电压突然下降情况下的特性。

现有空调类负荷相关文献主要针对常规空调和变频空调的动、静态特性进行了实验研究，其中也不乏常规空调负荷建模的研究，但是针对变频空调负荷的建模研究几乎还没有。总体看来，之前的研究存在以下两个问题，其一是没有建立适用的变频空调负荷模型，考虑其在综合空调负荷中的影响因素；其二是没有建立适用的综合空调负荷模型，并仿真分析综合空调负荷对实际电网的影响。

发明内容

针对目前存在的问题，本发明提出一种综合空调负荷的建模方法，它将同时考虑常规空调和变频空调在综合空调负荷中的影响，能够针对不同地区，不同空调使用情况进行准确判断，本发明所采用的技术方案如下：

一种综合空调负荷建模方法，包括以下步骤：

步骤1、建立常规空调负荷模型，具体为：

采用静态恒阻抗负荷加三阶感应电动机模型来描述常规空调负荷的动态特性，将电动(M1)机与静态恒阻抗负荷(Z)并联后接在110KV负荷母线上，再接在三绕组变压器一侧，最后接入电网,三阶感应电动机模型如式(1)所示：

$\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dE}}_q^{\′}}{dt}=-\frac{1}{T_{d0}^{\′}}\[E_q^{\′}-(X-X^{\′})I_d\]+({\mathrm{\ω}}_r-1)E_d^{\′}\\ \frac{{\mathrm{dE}}_d^{\′}}{dt}=-\frac{1}{T_{d0}^{\′}}\[E_d^{\′}+(X-X^{\′})I_q\]-({\mathrm{\ω}}_r-1)E_q^{\′}\\ \frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{dt}=\frac{1}{T_J}\[T_E-T_M\]\end{array}---\left(1\right)$

其中，E'_q、E'_d分别为电动机q轴、d轴暂态电动势，ω_r为电动机转子转速，X为转子稳态电抗，I_d、I_q分别为电动机d轴、q轴电流,X′为转子暂态电抗，T′_d0为转子绕组时间常数，T_J转子惯性时间常数，T_E、T_M分别为机械负载力矩和电磁力矩；

定子电流方程如式(2)所示，

$\begin{array}{c}{I}_d=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}\[R_s(U_d-E_d^{\′})+X^{\′}(U_q-E_q^{\′})\]\\ I_q=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}\[R_s(U_q-E_q^{\′})-X^{\′}(U_d-E_d^{\′})\]\end{array}---\left(2\right)$

其中，T_E＝E′_dI_d+E′_qI_q,T_M＝T_M0(Aω_r ²+Bω_r+C)；

X＝X_s+X_m；为定子电阻和电抗，X_r为转子电抗，X_m为励磁电抗，U_q、U_d分别为电动机端电压的q轴、d轴分量，A、B、C为机械转矩系数，T_M0为初始机械转矩，s₀为初始转子滑差；

步骤2、建立变频空调负荷模型，具体为：

电动机仍然采用三阶感应电动机模型，静态部分用恒有功负荷(P)表示，无功部分归算到电动机(M2)中，在负荷母线上还包含有虚拟静态负荷(Q)和虚拟电容器(C)，模型结构为将电动机(M2)与静态恒有功负荷(P)、虚拟静态负荷(Q)、虚拟电容器(C)并联，接在110kv负荷母线上，再接在三组变压器的一侧，进而接入电网；

步骤3、以常规空调模型和变频空调模型为基础建立综合空调负荷模型，具体为：

将常规空调负荷和变频空调负荷并联，其中电动机仍然采用三阶感应电动机模型，静态部分为常规空调的静态恒阻抗负荷(Z)和变频空调的恒有功负荷(P)，以及用于调节变频空调无功特性的虚拟静态负荷(Q)和虚拟电容器(C)，模型结构为将常规空调模型中的电动机(M1)、静态恒阻抗负荷(Z)与变频空调模型中的电动机(M2)、静态恒有功负荷(P)、虚拟静态负荷(Q)以及虚拟电容器(C)并联，接在110KV负荷母线上，然后再接在三绕组变压器的一侧，最后接入电网。

本发明的有益效果为：本发明能单独分析常规空调和变频空调，也能综合分析两者不同构成比例下的情况，可以针对不同地区，不同空调使用情况，适用性很强

附图说明

图1为常规空调负荷模型结构图；

图2为变频空调结构图；

图3为变频空调负荷模型结构图；

图4为综合空调负荷建模流程；

图5(a)为常规空调负荷动态特性曲线中的网测电压变化曲线图；

图5(b)为常规空调负荷动态特性曲线中的常规空调有功响应曲线图；

图5(c)为常规空调负荷动态特性曲线中的常规空调无功响应曲线图；

图6(a)为变频空调负荷动态特性曲线中的网测电压变化曲线图；

图6(b)为变频空调负荷动态特性曲线中的常规空调有功响应曲线图；

图6(c)为变频空调负荷动态特性曲线中的常规空调无功响应曲线图；

图7(a)为常规空调为主占比时综合空调负荷动态特性曲线中的综合空调网测电压变化曲线图；

图7为(b)为常规空调为主占比时综合空调负荷动态特性曲线中的综合空调有功响应曲线图；

图7为(c)为常规空调为主占比时综合空调负荷动态特性曲线中的综合空调无功响应曲线图；

图8(a)为变频空调为主占比时综合空调负荷动态特性曲线中的综合空调网测电压变化曲线图；

图8(b)为变频空调为主占比时综合空调负荷动态特性曲线中的综合空调有功响应曲线图；

图8(c)为变频空调为主占比时综合空调负荷动态特性曲线中的综合空调无功响应曲线图；

图9为综合空调负荷模型结构图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

如图1-图9所示，一种综合空调负荷建模方法，具体包括以下步骤：

常规空调负荷，根据原理近似于异步电动机拖动负荷。考虑到空调的其它外围器件，采用静态恒阻抗负荷Z加动态异步电动机的经典负荷模型CLM(ClassicLoadModel)来描述其动态特性，其中异步电动机模型选用三阶感应电动机模型，三阶感应电动机模型如下式(1)所示。常规空调负荷模型如附图1所示，电动机M1与静态恒阻抗负荷Z并联后接在110kV负荷母线上，再接在三绕组变压器的一侧，接入电网进行分析

$\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dE}}_q^{\′}}{dt}=-\frac{1}{T_{d0}^{\′}}\[E_q^{\′}-(X-X^{\′})I_d\]+({\mathrm{\ω}}_r-1)E_d^{\′}\\ \frac{{\mathrm{dE}}_d^{\′}}{dt}=-\frac{1}{T_{d0}^{\′}}\[E_d^{\′}+(X-X^{\′})I_q\]-({\mathrm{\ω}}_r-1)E_q^{\′}\\ \frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{dt}=\frac{1}{T_J}\[T_E-T_M\]\end{array}---\left(1\right)$

其中，E'_q、E'_d分别为电动机q轴、d轴暂态电动势，ω_r为电动机转子转速，X为转子稳态电抗，I_d、I_q分别为电动机d轴、q轴电流,X′为转子暂态电抗，T′_d0为转子绕组时间常数，T_J转子惯性时间常数，T_E、T_M分别为机械负载力矩和电磁力矩；

定子电流方程如式(2)所示，

$\begin{array}{c}{I}_d=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}\[R_s(U_d-E_d^{\′})+X^{\′}(U_q-E_q^{\′})\]\\ I_q=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}\[R_s(U_q-E_q^{\′})-X^{\′}(U_d-E_d^{\′})\]\end{array}---\left(2\right)$

其中，T_E＝E′_dI_d+E′_qI_q,T_M＝T_M0(Aω_r ²+Bω_r+C)；

X＝X_s+X_m；为定子电阻和电抗，X_r为转子电抗，X_m为励磁电抗，U_q、U_d分别为电动机端电压的q轴、d轴分量，A、B、C为机械转矩系数，T_M0为初始机械转矩，s₀为初始转子滑差；

基于上述常规空调负荷模型，当网侧电压在1.5s时分别跌落5％，10％，15％，20％，常规空调的动态响应曲线如图5所示。图5(a)中分别为不同电压跌落情况，常规空调吸收的有功和无功响应曲线分别如图5(b)和图5(c)所示。根据该模型的有功和无功动态响应曲线拟合异步电动机比例(P_mp)、初始负载率(K_L)和定子电抗(X_s)三个重点参数，得出的结果如表1(电动机其余参数取典型值)：

表1

由图可见，当网侧发生一定幅度的电压跌落时，常规空调需要一定的无功支持，这对电网电压稳定较为不利。

研究表明，采用异步电动机加恒阻抗Z的经典负荷模型CLM可以较好的反应常规空调负荷特性。

步骤二、建立变频空调负荷模型

变频空调的结构简图如附图2所示，其是根据环境温度与设定温度的差值，通过变频器控制制冷功率，从而达到控制室温的目的。因而，在电网频率不变的情况下，其制冷功率与电网电压小幅波动无关，接近于恒功率特性。变频空调整流环节多用不可控二极管的方式，因此从电网吸收的无功是不可控的。

变频空调负荷仍然采用经典负荷模型CLM结构。因变频空调负荷中电动机与常规空调负荷电动机相同，故仍然采用步骤一中的三阶感应电动机模型。在电网频率不变的情况下，变频空调制冷功率与电网电压小幅波动无关，接近于恒功率特性，因此变频空调模型结构中静态部分可用恒有功负荷P表示，无功部分归算到电动机M2中；同时考虑到其无功调节特性，在负荷母线上还包含有虚拟静态负荷Q和虚拟并联电容器C，在稳态运行点附近静态负荷Q吸收的无功近似与电容器C补偿的无功Q_c相抵消，Q＝ωcU²＝Q_c，其中ω＝2πf，其中Q为静态负荷Q的电量，c为虚拟电容器C的电容，ω为电动机角速度，f为交流电变化频率，U为母线电压。变频空调负荷模型结构如附图3所示，电动机M2与静态恒有功负荷P、虚拟静态负荷Q、虚拟电容器C并联，接在110kV负荷母线上，再接在三绕组变压器的一侧，接入电网进行分析。

与常规空调相似，在PSCAD平台下建立变频空调的详细模型，得到相应的动态仿真曲线如图6所示。由图6(b)可见，网侧电压下降后，变频空调的有功需求突降。经过一定延时后，逆变器的控制器动作，有功功率需求补偿抬升，抬升后的值略小于原值，总体与前稳态相比近似不变。由图6(c)可见，网侧电压下降后，变频空调的无功需求也突降。逆变器的控制器动作后，无功功率抬升，且抬升后的数值高于正常电压下的无功数值。可见，变频空调与常规空调的特性是完全不同的，就其静态特性而言，在电网电压下降一定幅度的情况下，有功消耗近似于恒功率。电压跌落幅度越大，后稳态消耗的无功越大，甚至超过额定值，即无功功率具有较大的负调节特性。

根据该模型的有功和无功动态响应曲线拟合异步电动机比例(P_mp)、初始负载率(K_L)和定子电抗(X_s)三个重点参数，得出的结果如表2(电动机其余参数取典型值，同步骤一)：

表2

研究表明，采用异步电动机加恒功率P，再并联虚拟静态负荷Q和虚拟并联电容器C的变频空调负荷模型可以较好的反应变频空调负荷特性。

步骤三：建立综合空调负荷模型并拟合综合空调参数。

结合以上常规空调负荷和变频空调负荷各自的模型，将两种空调负荷并联，提出一种综合空调负荷模型结构。综合空调负荷模型，其结构仍采用经典负荷模型CLM，其中电动机仍然采用步骤一中的三阶感应电动机模型，静态部分为常规空调的静态恒阻抗负荷Z和变频空调的恒有功负荷P，以及用于调节变频空调无功特性的虚拟静态负荷Q和虚拟并联电容器C，其中Q＝ωcU²＝Q_c，ω＝2πf，f为交流电变化频率，U为母线电压。具体结构如摘要附图所示，常规空调模型中的电动机M1、静态恒阻抗负荷Z与变频空调模型中的电动机M2、静态恒有功负荷P、虚拟静态负荷Q、虚拟电容器C并联，接在110kV负荷母线上，再接在三绕组变压器的一侧，接入电网进行分析。

在PSCAD平台中，将常规空调和变频空调，按两种占比，20％变频空调+80％常规空调、80％变频空调+20％常规空调，接入同一母线。图7(a)-图7(c)为常规空调为主占比时(即20％变频空调+80％常规空调)的综合空调负荷动态特性曲线，图8(a)-图8(c)为变频空调为主占比时(即80％变频空调+20％常规空调)的综合空调负荷动态特性曲线。可见，综合空调负荷中变频空调比例较小时，总的特性接近常规空调的特性；综合空调负荷中常规空调比例较小时，总的特性接近变频空调的特性，无功功率不受控，其后稳态可能小于初始值，如图8(c)中Q1，Q2；也可能大于初始值，如图8(c)中Q3，Q4。根据以上获得的动态响应曲线，辨识两种情况下异步电动机比例(P_mp)、初始负载率(K_L)和定子电抗(X_s)三个重点参数(电动机其余参数取典型值，同步骤一)：

可见，同样采用经典负荷模型CLM结构去拟合，常规空调负荷与变频空调负荷的参数有明显差异，常规空调负荷的电动机比例及初始负载率都较大，而定子电抗较小。采用不同比例组合的综合空调负荷模型参数介于两种极端情况之间，且与组合比例相关。

该综合空调负荷模型可用于各地区不同类型空调负荷实际使用情况，并能仿真分析综合空调负荷对电网的影响，适用性较强，具有推广应用前景。

综上所述，本发明通过对常规空调和变频空调的特性研究分析，验证了常规空调与变频空调的功率响应特性。常规空调负荷在电网电压波动时，静态特性近似恒阻抗，而变频空调近似恒功率。结合两者不同的特性提出一种适用的综合空调负荷模型，根据实际常规空调与变频空调的组成比例，得到对应于不同地区实际空调使用情况下的综合空调负荷模型，并由动态响应曲线辨识重点参数。该综合空调负荷模型和建模方法能单独分析常规空调和变频空调，也能综合分析两者不同构成比例下的情况，可以针对不同地区，不同空调使用情况，适用性很强。

Claims (2)

1.一种综合空调负荷建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立常规空调负荷模型，具体为：

采用静态恒阻抗负荷加三阶感应电动机模型来描述常规空调负荷的动态特性，将电动(M1)机与静态恒阻抗负荷(Z)并联后接在110KV负荷母线上，再接在三绕组变压器一侧，最后接入电网,三阶感应电动机模型如式(1)所示：

$\frac{{\mathrm{dE}}_q^{\′}}{dt}=-\frac{1}{T_{d0}^{\′}}\[E_q^{\′}-(X-X^{\′})I_d\]+({\mathrm{\ω}}_r-1)E_d^{\′}$

$\frac{{\mathrm{dE}}_q^{\′}}{dt}=-\frac{1}{T_{d0}^{\′}}\[E_q^{\′}-(X-X^{\′})I_d\]+({\mathrm{\ω}}_r-1)E_d^{\′}---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{dt}=\frac{1}{T_J}\[T_E-T_M\]$

其中，E'_q、E'_d分别为电动机q轴、d轴暂态电动势，ω_r为电动机转子转速，X为转子稳态电抗，I_d、I_q分别为电动机d轴、q轴电流,X′为转子暂态电抗，T′_d0为转子绕组时间常数，T_J转子惯性时间常数，T_E、T_M分别为机械负载力矩和电磁力矩；

定子电流方程如式(2)所示，

$I_d=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}\[R_s(U_d-E_d^{\′})+X^{\′}(U_q-E_q^{\′})\]$ (2)

$I_q=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}\[R_s(U_q-E_q^{\′})-X^{\′}(U_d-E_d^{\′})\]$

其中，T_E＝E′_dI_d+E′_qI_q,T_M＝T_M0(Aω_r ²+Bω_r+C)；

X＝X_s+X_m；为定子电阻和电抗，X_r为转子电抗，X_m为励磁电抗，U_q、U_d分别为电动机端电压的q轴、d轴分量，A、B、C为机械转矩系数，T_M0为初始机械转矩，s₀为初始转子滑差；

2)建立变频空调负荷模型，具体为：

电动机仍然采用三阶感应电动机模型，静态部分用恒有功负荷(P)表示，无功部分归算到电动机(M2)中，在负荷母线上还包含有虚拟静态负荷(Q)和虚拟电容器(C)，模型结构为将电动机(M2)与静态恒有功负荷(P)、虚拟静态负荷(Q)、虚拟电容器(C)并联，接在110kv负荷母线上，再接在三组变压器的一侧，进而接入电网；

3)以常规空调模型和变频空调模型为基础建立综合空调负荷模型，具体为：

将常规空调负荷和变频空调负荷并联，其中电动机仍然采用三阶感应电动机模型，静态部分为常规空调的静态恒阻抗负荷(Z)和变频空调的恒有功负荷(P)，以及用于调节变频空调无功特性的虚拟静态负荷(Q)和虚拟电容器(C)，模型结构为将常规空调模型中的电动机(M1)、静态恒阻抗负荷(Z)与变频空调模型中的电动机(M2)、静态恒有功负荷(P)、虚拟静态负荷(Q)以及虚拟电容器(C)并联，接在110KV负荷母线上，然后再接在三绕组变压器的一侧，最后接入电网。

2.一种基于权利要求1所述的综合空调负荷建模方法建立的综合空调负荷模型，其特征在于：该模型将常规空调负荷和变频空调负荷并联，其中电动机采用三阶感应电动机模型，静态部分为常规空调的静态恒阻抗负荷(Z)和变频空调的恒有功负荷(P)，以及用于调节变频空调无功特性的虚拟静态负荷(Q)和虚拟电容器(C)，模型结构为将常规空调模型中的电动机(M1)、静态恒阻抗负荷(Z)与变频空调模型中的电动机(M2)、静态恒有功负荷(P)、虚拟静态负荷(Q)以及虚拟电容器(C)并联，接在110KV负荷母线上，然后再接在三绕组变压器的一侧，最后接入电网。