空调负荷模型对电网仿真影响

王海潜，乔黎伟，张正利，李卓然，曹国芳，周荣玲（.国网江苏省电力公司电力经济技术研究院，江苏南京　0008；.河海大学能源与电气学院，江苏南京　00）



空调负荷模型对电网仿真影响

王海潜1，乔黎伟1，张正利2，李卓然2，曹国芳2，周荣玲2
（1.国网江苏省电力公司电力经济技术研究院，江苏南京210008；2.河海大学能源与电气学院，江苏南京211100）

摘要：随着空调负荷比例的日益增长，其对电网的安全稳定影响需要开展深入研究。为准确反应空调负荷的特性，充分考虑了传统空调及新型变频空调的总体特性，建立了变频空调为主的混合模型。对比研究了传统空调负荷模型、混合模型以及目前工程上仍然采用的静态负荷模型，分析了它们对电网仿真结果的差异。结果表明：一方面用静态负荷描述空调设备，仿真结果过于乐观；另一方面，变频空调比例很大时，对局部电网的无功/电压特性影响较大。

关键词：空调负荷；变频空调；电力系统；安全稳定

Project Supported by the National Nature Science Foundation of China（51377046）.

随着社会与经济的快速发展，空调负荷所占比例日趋加大。据统计，2005年北京地区夏季空调负荷比例已达42.7%，比2004年增长了23.3%[1]。目前，广州、上海等城市局部地区，夏季某些时段，空调负荷比例也已经超过50%，且这一增长趋势还会继续。目前空调设备主要分为传统空调和变频空调，它们的特性是不一样的。因此，在夏季极端形式下其对电网造成的影响研究成果很少。另外，在我国不少电网企业的实际生产过程中，仿真用的负荷模型还在采用静态负荷，显然与实际空调负荷的差异更为明显。

近年来有关空调负荷对电网的影响已有一些研究成果，总体的结论是空调的特殊电气特性会对电网稳定性造成不利影响[2-7]。文献[8]将负荷从低压到高压有层次地集结到高电压节点。利用这种方法可以研究空调类负荷对高压节点负荷特性是如何影响的。文献[9]阐述了我国变频空调技术现阶段主要采用的技术，分析了变频空调技术的不足，探讨了变频空调技术发展趋势。文献[10]的研究说明当空调负荷较多时，发生故障后电压恢复较慢。文献[11]对普通传统空调和变频空调的动、静态特性进行了实验研究。

针对目前空调负荷包含了传统空调与变频空调的特点，本文采用了一种混合空调负荷模型。该模型仍然采用CLM结构，并由详细的动态仿真曲线进行了参数拟合。将该混合空调负荷模型，传统空调负荷模型，以及静态负荷模型分别带入实际电网仿真算例，对比分析了各自对电网运行特性的影响。

1空调负荷模型对比分析

1.1空调负荷静态模型

目前，我国不少电力企业的生产用仿真软件中，还在使用静态负荷进行暂态仿真计算，60%恒功率+40%恒阻抗。空调设备主要包括传统空调和变频空调。传统空调负荷中，其主体是电动机负荷；而变频空调在电网电压发生波动时，可近似控制其有功保持恒定，但其无功不受控。显然，当空调比例较高时，采用静态负荷描述是不合理的。

1.2传统空调负荷模型

传统空调以电动机负载为主，空调的其他外围器件可近似用ZIP模型来描述[12]，实际运行中的传统空调负荷特性更接近于电动机负荷并联恒阻抗的模型（电动机+Z）。传统空调采用滞环控制方式，其启动、停机的过程中，浪费大量的能量。此外，传统空调的制冷功率是固定的，造成实际环境温度波动较大，舒适性较差。随着能源、环保的需求日益增大，以及科技水平的不断提高，变频空调已经逐步取代了传统空调。

由于空调构成的比例发生了变化，因此完全采用此前的传统空调负荷模型也是不合理的。

1.3变频空调负荷模型

变频空调器采用了可连续自动调节的工作方式，克服了一般空调器采用通断调节方式所带来的缺陷，具有房间降温快，温度波动小，省电等优势。

变频空调可根据温度设定，调节相应的制冷功率。若采用CLM结构，其ZIP部分近似恒功率特性[11]。因此，选用三阶感应电动机模型与恒功率模型的组合形式来表达。

2混合空调模型建模

2.1变频空调为主的混合模型结构

对于当前电网中负荷的非空调部分，通常也是由电动机加恒阻抗来描述的。根据它们的基本特性，可以归并到传统空调负荷中去。因此，对于空调负荷占主导的某些节点，本文将其所接的负荷分为2类，分别是传统空调负荷和变频空调负荷，即不再考虑非空调负荷。

2类空调负荷经过某种比例的组合作为混合空调负荷模型并入电网，可以用如图1所示的混合空调负荷模型来描述。将混合空调负荷直接连接在负荷母线上，混合空调负荷模型由等值静态负荷和等值电动机并联组成，将该负荷的详细模型带入PSCAD平台仿真。

图1变频空调为主的混合空调模型结构图Fig. 1 Structure of hybrid air conditioner mostlycomposed of inverter air conditioners

2.2混合空调负荷模型的参数辨识

在PSCAD平台上搭建了变频空调为主的混合空调详细模型，其中80%为变频空调，20%为传统空调。在电网电压波动的情况下，相应的有功、无功曲线如图2所示。

图2混合空调模型的功率动态特性Fig. 2 Dynamic curves of hybrid air conditioning model

图2中的4组有功、无功动态曲线，分别是在电压跌落5%、10%、15%、20%后得到的。由于变频空调比例较大，因此电压跌落0.1 s后，有功开始抬升。而无功不仅开始回升，甚至超过原值。可见，当电网电压跌落时，若混合空调负荷中变频空调的比例较大，其吸收的无功功率会反超正常时的无功功率，形成较大的冲击。

由此可见，针对目前电网中的混合空调负荷，若变频空调比例较高，适于采用CLM结构（电动机M+恒功率P+恒阻抗Z）。以动态数据进行重点参数（Pmp、KL、Xs）辨识，即可得到相应的模型。

相类似，采用CLM结构（电动机M+恒阻抗Z），以相应的动态数据进行重点参数辨识，即可得到传统空调负荷模型。传统空调负荷模型及混合空调负荷模型参数见表1。

表1空调负荷模型辨识参数Tab. 1 Parameters of air conditioning model

3空调负荷模型对实际电网的影响

某省级电网主网架仿真场景中，包含若干条特高压交流输电线路，同时还有特高压直流输电线路，电网结构较为复杂。当系统发生扰动时，采用不同负荷模型，对电网造成的影响可能会有所不同。因此，将不同负荷模型带入该实际电网进行仿真，对比研究静态负荷模型、传统空调负荷模型以及混合空调负荷模型对电网仿真计算的影响。

3.1某市中心城区采用空调负荷模型

在某市中心城区的若干负荷变电所，分别接入传统空调负荷模型、混合空调负荷模型以及静态负荷模型，对比研究这3种负荷模型对电网仿真计算的影响。

3.1.1节点电压与功率对比

当系统发生短路故障扰动后，研究几类负荷模型的对节点电压/功率的影响，其对应的母线电压如图3所示，负荷吸收的有功和无功功率如图4所示。

图3负荷母线电压Fig. 3 Voltage of load bus

由图3可知，在该中心城区的若干变电站点采用不同的空调负荷模型，当附近发生扰动后，若电压跌落幅值在一定范围以内，总体电压动态响应特性较一致。即电压动态响应不仅与负荷特性相关，还与整个电网状态相关。采用静态负荷模型时，电压跌落更严重一些，说明静态负荷模型的恒功率部分占比较大，对电压的自调节能力较弱。

图4负荷动态特性曲线Fig. 4 Dynamic curves of loads

图4（a）为负荷节点的有功功率响应曲线。由图4（a）可知，若采用静态负荷模型（60%恒功率+40%恒阻抗），在故障后有功功率变化较小。传统空调负荷模型其有功功率的过冲比采用混合空调负荷模型时大。当扰动结束后，静态负荷模型吸收的功率很快恢复稳定，而局部采用传统空调和混合空调负荷模型吸收的有功经振荡后恢复平稳。

图4（b）为负荷节点的无功功率响应曲线。同样，若采用静态负荷模型，在故障后无功功率变化较小。混合空调负荷模型由于其特殊的调节特性，在电压跌落后，要吸收更多的无功，因此其无功功率的过冲比采用传统空调负荷模型时大。这2类空调负荷模型在扰动过程中都要吸收大量的无功，可对电网电压稳定造成不利影响，混合空调负荷模型影响更大。当扰动结束后，静态负荷模型吸收的功率很快恢复稳定，而局部采用传统空调和混合空调负荷模型吸收的有功经振荡后恢复平稳。

3.1.2电网功率波动特性

当系统发生短路故障扰动后，研究几类负荷模型的对线路功率振荡特性的影响，发电机相对功角曲线如图5所示，某线路的传输功率的波动如图6所示。

图5相对功角曲线Fig. 5 Curves of power angle

图6传输线路有功Fig. 6 Active power of line

图5表明系统在发生扰动时，仅在某市局部区域使用3类不同的负荷模型时，系统的功角波动曲线差异不大。但是，总体上采用混合模型时，功角振荡范围以及线路功率的波动范围都稍大，说明混合空调模型，电动机比例较低，对系统的阻尼较小。

3.2某市全部采用空调负荷模型

在整个地区电网采用静态负荷模型，传统空调负荷及混合空调负荷模型，对比研究其对电网安全稳定性的影响。

3.2.1节点电压与功率对比

在同样的故障情景下，研究几类负荷模型对节点电压/功率的影响，其对应的母线电压如图7所示，负荷吸收的有功和无功功率如图8所示。

若在该市整个电网采用不同的空调负荷模型，当附近发生扰动后，3类负荷模型的电压动态响应差异变大了。混合空调负荷模型的电压跌落幅度比传统空调大；而采用静态负荷模型时，电压跌落最为严重。可见，当接入较多的空调负荷模型时，总体上电网的电压响应受影响更大。

图8（a）有功功率响应曲线与图4（a）一致。图8（b）负荷端无功响应曲线规律也与图4（b）一致。因此，当空调负荷模型大面积接入该地区电网后，扰动过程中需要吸收大量的无功，对电网的电压稳定较为不利，且混合空调负荷模型的影响更大。

图7负荷母线电压Fig. 7 Voltage of load bus

图8负荷动态特性曲线Fig. 8 Dynamic curves of loads

3.2.2电网功率波动特性

同样，2台发电机功角曲线如图9所示，某线路的传输功率的波动如图10所示。

图9与图5的结论类似，当某市全网采用不同的负荷模型时，其对应的功角和线路功率波动更明显一些。所以，当更多的混合空调负荷接入电网后，电网的功角稳定特性会受到一定的影响。

图9相对功角曲线Fig. 9 Curves of power angle

图10传输线路有功Fig. 10 Active power of line

4　结论

由以上的仿真分析可知，采用不同的空调负荷模型，对系统的仿真结果具有明显的差异：

1）若采用静态模型，在相同的扰动下，对电网的影响较小，因此采用静态负荷显得过于乐观。

2）由于目前电网中，变频空调的比例越来越大，在不同的动态模型中是否考虑变频空调因素，对仿真的结果影响较大。因此，在今后的空调负荷研究中，应当着重考虑变频空调的因素。

3）考虑变频空调的混合空调负荷模型，对电网的影响，与其在电网中的应用范围密切相关。如果只是局部较少的负荷节点采用该模型，则对电网的总体影响不大，只是对局部的电压问题产生一些影响。若其应用范围较广，则对电网的总体影响也较明显。

参考文献

[1]陈铁成，张艳红.用科学发展观指导首都电力需求侧管理工作[J].电力需求侧管理，2006，8（5）: 7-8. CHEN Tiecheng，ZHANG Yanhong. Taking the view of scientific development to guide capital DSM work[J]. Power Demand Side Management，2006，8（5）: 7-8（in Chinese）.

[2]魏磊，张琳，姜宁，等.西北地区电网负荷特性研究[J].电网与清洁能源，2010，26（7）: 57-62. WEI Lei，ZHANG Lin，JIANG Ning，et al. Analysis of load characteristics for northwest China power grid[J]. Power System and Clean Energy，2010，26（7）: 57-62（in Chinese）.

[3]吴蓓，张焰，陈闽江，等．空调负荷对城市电网电压稳定性影响的研究[J]．华东电力，2006，34（4）：23-27．WU Bei，ZHANG Yan，CHEN Minjiang，et al．Study on the effect of air conditioner load on voltage stability of urban power system[J]．East China Electric Power，2006，34（4）：23-27（in Chinese）．

[4] WILLIAMS B R，SCHMUS W R，DAWSON D C．Transmission voltage recovery delayed by stalled air conditioner compressors[J]．IEEE Transactions on Power Systems，1992，7（3）：1173-1181．

[5]韩北渝，王漪，李晓明，等．空调负荷对电压稳定影响的研究[J]．继电器，2000，28（8）：25-27，31．HAN Beiyu，WANG Yi，LI Xiaoming，et al．Study on the effect of air conditioner load on voltage stability[J]．Relay，2000，28（8）：25-27，31（in Chinese）．

[6]韩冬，马进，贺仁睦，等．负荷模型不确定性对电力系统动态仿真的影响[J]．中国电机工程学报，2008，28 （19）：69-74．HAN Dong，MA Jin，HE Renmu，et al．Effect of uncertainty in load model on power system dynamic simulation[J]．Proceedings of the CSEE，2008，28（19）：69-74（in Chinese）．

[7] KURITA A，SAKURAI T．The power system failure on July 23，1987 in tokyo[C]．Proceedings of the 27th Conference on Decision and Control，Austin，Texas，1988．

[8]王漪，韩北渝，柳焯.空调类装置密集地区高电压节点负荷特性的集结[J].继电器，2000，28（2）：7-11. WANG Yi，HAN Beiyu，LIU Zhuo. Load characteristic accumulation for high voltage node in the area where air conditioners are gathering[J]. Relay，2000，28（2）：7-11 （in Chinese）.

[9]薛金水，莫晏光.浅述我国变频空调技术的现状和发展趋势[J].科技信息：科学教研，2008（4）: 230-231，249. XUE Jinshui，MO Yanguang. Discussion of current situation and development trend of inverter air conditioning technology[J]. Science &Technology Information，2008（4）:

230-231，249（in Chinese）.

[10] WILLIAMS B R，SCHMUS W R，DAWSON D C. Transmission voltage recovery delayed by stalled air conditioner com-pressors[J]. IEEE Trans Power Systems，1992，7（3）: 1173-1179.

[11]何雪梅.变频空调对电网电压稳定性影响的研究[D].杭州：浙江大学，2013.

[12]郑竞宏，朱守真，王光，等.空调负荷运行特性研究及

建模[J].中国电机工程学报，2009，29（10）: 67-73.

（编辑冯露）

ZHENG Jinghong，ZHU Shouzhen，WANG Guang，et al. Key characteristics and modeling of air conditioner load[J]. Proceedings of the CSEE，2009，29（10）: 67-73（in Chinese）.

王海潜（1963—），本科，高级工程师，研究方向为新能源建模与仿真。

（编辑董小兵）

Influence of Air Conditioners Load Model on Simulation of Power Grid

WANG Haiqian1，QIAO Liwei1，ZHANG Zhengli2，LI Zhuoran2，CAO Guofang2，ZHOU Rongling2
（1. State Grid Jiangsu Economic Research Institute，Nanjing 210008，Jiangsu，China；2. College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，Jiangsu，China）

ABSTRACT：With the growing of air-conditioning load，further research should be done on the security and stability of power grid. In order to accurately consider the characteristics of conventional air conditioners and inverter air conditioners，the paper adopts hybrid air conditioning model mostly composed of inverter air conditioners，and analyzes the difference of system’s security and stability affected by two types of air conditioning model and static load. The results show that it is too optimistic to use static load model，and with the proportion of inverter air conditioners increasing，it will have a deep impact on the characteristic of reactive/voltage in local area.

KEY WORDS：air conditioning load；inverter air conditioners；power system；security and stability

作者简介：

收稿日期：2015-08-25。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51377046）。

文章编号：1674- 3814（2016）02- 0031- 05

中图分类号：TM714

文献标志码：A