【文章內(nèi)容簡介】 、三階感應(yīng)電動機(jī)模型和一階感應(yīng)電動機(jī)模型。較詳細(xì)的模型是 五 階電磁暫態(tài)模型，它考 慮了定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組的電磁暫態(tài)特性以及轉(zhuǎn)子的機(jī)械暫態(tài)特性。當(dāng)忽略定子繞組的電磁暫態(tài)特性時可得到 三 階機(jī)電暫態(tài)模型。如果進(jìn)一步忽略轉(zhuǎn)子 繞組的電磁暫態(tài)即可獲得 一 階機(jī)械暫態(tài)模型。感應(yīng) 電動機(jī)模型在電力負(fù)荷中占有較大比重，對電力系統(tǒng)運行分析與控制具有很大的影響，很多電力負(fù)荷建模軟件包均包含感應(yīng)電動機(jī)模型。常用的感應(yīng)電動機(jī)模型為 一 階機(jī)械暫態(tài)模型和 三 階機(jī)電暫態(tài)模 型，一般僅在電 力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析中考慮感應(yīng)電動機(jī)的 五 階電磁暫態(tài)模型 。二是模型參數(shù)的辨識算法的研究 —— 負(fù)荷模型確定后的參數(shù)辨識相對來說比較容易，其實質(zhì)是求解單純的數(shù)值優(yōu)化問題。對于靜態(tài)負(fù)荷模型可采用求解非線性最小二乘問題的牛頓法，也可采用各種求解非線性優(yōu)化問題的方法。對于動態(tài)負(fù)荷模型，其參數(shù)辨識包括算法和準(zhǔn)則，常用的準(zhǔn)則有最小二乘、最大似然、最小方差等。準(zhǔn)則確定后，參數(shù)辨識問題就變?yōu)榍竽硿?zhǔn)則函數(shù)達(dá)極值的優(yōu)化計算問題 。三是負(fù)荷模型對仿真計算（尤其是暫態(tài)穩(wěn)定計算）結(jié)果以及運行狀態(tài)的影響研究。四是不同激勵下負(fù)荷模型的適應(yīng)能力、負(fù) 荷模型的在線辨識與等值、負(fù)荷模型參數(shù)的分散性、靈敏性和可辨識性及其等負(fù)荷模型實踐中發(fā)展的理論與方法問題；五是負(fù)荷建模工程應(yīng)用平臺的研制 [11]。 由于電力負(fù)荷具有復(fù)雜性、分散性和隨 機(jī)性等特點，建立完全精確的負(fù)荷模型絕非易事，只有通過事故分析或?qū)嶒灲Y(jié)果進(jìn)行校核、分析和修 正才能逐步建立切合實際的、合理的負(fù)荷模型。且 由于統(tǒng)計綜合法和總體測辨法各有特點， 因此應(yīng)充分發(fā)揮這 兩 種方法的優(yōu)勢， 尤其要加快統(tǒng)計 綜合法的研究步伐，在 兩 種方法之間取長補(bǔ)短， 盡快 建立適用于我國電力系統(tǒng)分析計算的負(fù)荷模型。 根據(jù)各電網(wǎng)的實際情況和實測 的系統(tǒng)動態(tài) 數(shù)據(jù)研究適用于各電網(wǎng)的典型負(fù)荷模型，并通過專門的現(xiàn)場擾動試驗進(jìn)行修正、確認(rèn)是非常必要的。 積極總結(jié)東北電網(wǎng) 兩 次大擾動試驗的仿 真分析結(jié)果，開展考慮配電網(wǎng)絡(luò)的 SLM 在各區(qū)域 電網(wǎng)的適用性研究，建立適用于全國聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定計算的負(fù)荷模型 [14]。 1． 4 電力負(fù)荷建模的研究現(xiàn)狀 1． 4． 1 負(fù)荷模型的基本概念： 電力系統(tǒng)負(fù)荷 模型是指描述負(fù)荷端口得功率或電流隨其端口電壓和頻率特性 的數(shù)學(xué)方程和相應(yīng)的參數(shù)。 負(fù)荷特性包括兩方面：電壓特性和頻率特性。負(fù)荷模型分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩大類。靜態(tài)模型適用于相對緩慢的過程，精確而言指對于給定的負(fù)荷水平，在符合端口保持不同電壓和頻率的各種穩(wěn)態(tài)情況下，負(fù)荷功率 或電流與電壓、頻率的關(guān)系。動態(tài)模型則要反映電壓頻率變化弓 l起的負(fù)荷功率 (或電流 )變化的全過程。本文負(fù)荷模型的研究主要基于電壓穩(wěn)定得分析。負(fù)荷吸收的有功功率 (P)及其無功功率(Q)是隨著負(fù)荷母線的電壓 (U)和頻率 ( f )的變化而變化的，這即使負(fù)荷的電壓、頻率特性，用于描述負(fù)荷特性的數(shù)學(xué)方程稱為負(fù)荷模型。 1． 4． 2負(fù)荷建模 的方法： 一般認(rèn)為負(fù)荷建模方法有兩類：統(tǒng)計綜合法 [6]和總體測辨法 [6]。 統(tǒng)計綜合法的基本思想是將負(fù)荷看成個別用戶的集合，先將這些用戶的電器分類，并確定各種電器的平均特性，然后統(tǒng)計出各類負(fù)荷中電器的種類和比例，以及母線負(fù)荷中各類負(fù)荷的比例，最后通過綜合算法得出母線負(fù)荷模型。統(tǒng)計綜合法負(fù)荷建模一般來說需要用到三種數(shù)據(jù)：一是單個用電設(shè)備的平均特性；二是各類負(fù)荷中用電設(shè)備的組成和比例；三是總負(fù)荷中負(fù)荷的分類和組成比例。 前兩種數(shù)據(jù)相對比較穩(wěn)定，屬于共性數(shù)據(jù)，可以通過典型統(tǒng)計獲得。而最后一種數(shù)據(jù)是負(fù)荷群特殊性的具體 體現(xiàn)。該方法的優(yōu)點在于它建模時不需要進(jìn)行現(xiàn)場實測，但三種統(tǒng)計數(shù)據(jù)的獲得費時、費力，且難以準(zhǔn)確。另外，統(tǒng)計數(shù)據(jù)不可能經(jīng)常進(jìn)行，所以該方法也不適合研究負(fù)荷的時變性。由于統(tǒng)計綜合法存在上述困難，近年來，較少見到有關(guān)的文獻(xiàn)和實際應(yīng)用。 目前，利用統(tǒng)計綜合法現(xiàn)有的算法得出的模型，還存在對無功電壓特性、頻率特性和動態(tài)特性難以較好描述的問題，因此基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的綜合或集結(jié)算法也有待改進(jìn)。 總體測辨法與統(tǒng)計綜合法不同，總體測辯法則是通過現(xiàn)場實驗和在線捕捉電力系統(tǒng)的自然擾動獲得負(fù)荷所在母線的電壓、頻率、電流、有功和無功數(shù)據(jù)，然后 根據(jù)系統(tǒng)辨識理論確定綜合負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 該方法無需了解負(fù)荷內(nèi)部的復(fù)雜構(gòu)成，是解決成千上萬用電設(shè)備構(gòu)成的負(fù)荷群建模的一種可行方法。隨著計算機(jī)、通訊技術(shù)和系統(tǒng)辨識理論的發(fā)展，該建模方法變得更加簡單、易行。總體測辨法負(fù)荷建模中，除數(shù)據(jù)采集、濾波、剔除野值、必要的電氣量計算這些軟件外，其核心為負(fù)荷模型辨識軟件，它是負(fù)荷建模理論與方法的具體體現(xiàn)。按系統(tǒng)辨識理論的思想，總體測辨法負(fù)荷建模就是：根據(jù)負(fù)荷的實測數(shù)據(jù)來確定模型結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)，使得模型響應(yīng)能最好地擬合負(fù)荷實測響應(yīng)數(shù)據(jù)，并且要求通過模型驗證，確保所建模型在仿 真計算要求范圍內(nèi)具備良好的外推、內(nèi)插能力，使模型既能突 出本質(zhì)又簡化地描述負(fù)荷的行為 [11]。 1． 4． 3負(fù)荷模型的分類： 按照是否反映負(fù)荷的動態(tài)特性，負(fù)荷模型一般分為靜態(tài) 負(fù)荷 模型和動態(tài) 負(fù)荷模型兩 類 。前者描述同一時刻有功功率及無功功率與母線電壓幅值和頻率之間的關(guān)系。通常用代數(shù)方程來描述，且是無記憶的，某時刻響應(yīng)只與同一時刻的激勵有關(guān)，而與歷史激勵和響應(yīng)無關(guān)，也就是即時的。后者描述當(dāng)前有功功率及無功功率與當(dāng)前和歷史電壓幅值和頻率之間的關(guān)系。通常用微分方程或差分方程描述，且是有記憶的，某時刻響應(yīng)除了與 同一時刻的激勵有關(guān)，而與歷史激勵和響應(yīng)也有關(guān)系。 每類都有多種模型結(jié)構(gòu) [6]。 1． 4． 3． 1靜態(tài)負(fù)荷模型： 靜態(tài)負(fù)荷模型反映了負(fù)荷有功、無功功率隨頻率和電壓緩慢變化而變化的規(guī) 律。其模型結(jié)構(gòu)主要為冪函數(shù)模型和多項式模型。通常用一個冪函數(shù)模型在電壓變化范圍比較大的情況下仍能較好地描述很多負(fù)荷的靜態(tài)特性。但對于象空調(diào)等負(fù)荷，其特性比較特殊，低電壓下隨電壓降低吸收功率反而增加 [16]，這樣的負(fù)荷特性用一個冪函數(shù)模型難以作整體描述，而采用多個冪函數(shù)模型相加的形式，則可能會得到滿意的結(jié)果。多項式負(fù)荷模型由恒阻抗、恒電流和恒功率模型組合而成，它可以看作是三個冪函數(shù)模型相加的特例，三個冪函數(shù)的冪指數(shù)分別為 0、 1和 2，并且三個冪函數(shù)的系數(shù)之和為 1。因此，靜態(tài)負(fù)荷模型采用冪函數(shù)形式具有很大靈活性。 靜態(tài)負(fù)荷模型主要適用于潮流計算和以潮流計算為基礎(chǔ)的穩(wěn)態(tài)分析。在電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中，靜態(tài)負(fù)荷模型一般適用于計算結(jié)果對負(fù)荷模型不太敏感的負(fù)荷點。 1． 4． 3． 2動態(tài)負(fù)荷模型： 動態(tài)負(fù)荷模型又可進(jìn)一步分 為機(jī)理模型和非機(jī)理模型。機(jī)理動態(tài)模型通常是指感應(yīng)電動機(jī)模型，由于感應(yīng)電動機(jī)在電力系統(tǒng)負(fù)荷中占有較大的比重，對系統(tǒng)的運行與控制有很大影響，更是最主要的動態(tài)負(fù)荷，同時也是本文研究的重點。因此在實際應(yīng)用中常采用感應(yīng)電動機(jī)并聯(lián)靜態(tài)負(fù)荷的形式來描述綜合負(fù)荷。感應(yīng)電動機(jī)模型根據(jù)所考慮的暫態(tài)過程不同可分為五階感應(yīng)電動機(jī)模型、三階感應(yīng)電動機(jī)模型和一階感應(yīng)電動機(jī)模型。由于感應(yīng)電動機(jī)定子繞組的暫態(tài)過程要比轉(zhuǎn)子繞組的電磁暫態(tài)過程要快得多，其更比電力系統(tǒng)暫態(tài)過程快得多，因此是否考慮定子的暫態(tài)過程影響不大，三階模型就能很好的反映感應(yīng) 電動機(jī)的性能。一般五階模型僅在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析中考慮，常用的為考慮感應(yīng)電動機(jī)機(jī)電暫態(tài)過程的三階模型和只考慮機(jī)械暫態(tài)過程的一階模型。 非機(jī)理模型 也稱為輸入輸出式模型，它是 在系統(tǒng)辨識理論發(fā)展過程中，從大量具體動態(tài)系統(tǒng)中概括抽象出來的，對一大類動態(tài)系統(tǒng)具有很強(qiáng)描述能力的模型。非機(jī)理模型并不苛求模型的機(jī)理解釋，主要強(qiáng)調(diào)模型對系統(tǒng)行為的描述能力。常見的非機(jī)理動態(tài)負(fù)荷模型的形式有 :常微分方程模型、傳遞函數(shù)模型、狀態(tài)空間模型和時域離散模型。另外，還有描述負(fù)荷非線性特性的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。 動態(tài)模型的應(yīng)用場合非常廣，從負(fù)荷建模方面來說，它主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的暫態(tài)分析和電壓穩(wěn)定分析。 1． 4． 4負(fù)荷建模辨識算法： 負(fù)荷模型確定后的參數(shù)辨識相對來說比較容易，其實質(zhì)是求解單純的數(shù)值優(yōu)化問題。對于靜態(tài)負(fù)荷模型可采用求解非線性最小二乘問題的牛頓法 、 Marquart 法 ，也可采用各種求解非線性優(yōu)化問題的方法。對于動態(tài)負(fù)荷模型，其參數(shù)辨識包括算法和準(zhǔn)則兩部分，常用的準(zhǔn)則有最小二乘、最大似然、最小方差等。準(zhǔn)則確定后，參數(shù)辨識問題就變?yōu)榍竽硿?zhǔn)則函數(shù)達(dá)極值的優(yōu)化計算問題， 可以采用各種優(yōu)化方法進(jìn)行求解，例如：最速下 降法、共軛梯度法、變尺度法和直接法等 [14]。 1． 5 本文研究內(nèi)容 電力系統(tǒng)負(fù)荷模型在電力系統(tǒng) 規(guī)劃 設(shè)計 、 運行和控制中具有重要的作用， 本文首先從模型的辨識原理、模型結(jié)構(gòu)的選擇和模型參數(shù)的辨識三方面出發(fā)，介紹了電力系統(tǒng)負(fù)荷建模的發(fā)展和現(xiàn)狀，介紹了負(fù)荷建模的重要性 、 基本概念 、 方法 、 常見模型及其參數(shù)可辨識性問題和辨識方法，由于感應(yīng)電動機(jī)在電力系統(tǒng)負(fù)荷中占有較大的比重，對系統(tǒng)的運行與控制有很大影響，更是最主要的動態(tài)負(fù)荷，本文著重于對感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷模型的參數(shù)辨識進(jìn)行研究。 在 深入了解電力系統(tǒng)負(fù) 荷建模的方法及研 究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上， 掌握 電力負(fù)荷模型的基本概念 及分類 ，重點掌握靜態(tài)負(fù)荷模型、動態(tài)負(fù)荷模型并建立綜合負(fù)荷的概念。 同時 了解電力系統(tǒng)負(fù)荷建模的方法及研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上， 重點研究動態(tài)負(fù)荷模型中的感應(yīng)電動機(jī)模型。 掌握感應(yīng)電動機(jī)模型的結(jié)構(gòu)特點及待辨識參數(shù)的物理意義 。了解感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷模型參數(shù)辨識實現(xiàn)過程，通過 感應(yīng)電動機(jī)的 三種綜合負(fù)荷模型對樣本進(jìn)行參數(shù)辨識，以比較和分析這三種模型對實際綜合負(fù)荷的描述效果。 重點研究三階感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷模型。 分別采用三階機(jī)電暫態(tài)感應(yīng)電動機(jī)并聯(lián)恒阻抗模型、一階機(jī)械暫態(tài)感應(yīng)電動機(jī)并聯(lián)恒阻抗模型、一階電壓暫態(tài)感應(yīng)電動機(jī)并聯(lián)恒阻抗模型三種綜合負(fù)荷模型對樣本進(jìn)行參數(shù)辨識，以比較和分析這三種模型對實際綜合負(fù)荷的描述效果。 并用 負(fù)荷特性數(shù)據(jù)對所建立的模型進(jìn)行仿真分析 ，并利用 Matlab軟件編程進(jìn)行仿真。 感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷模型基本理論 感應(yīng)電動機(jī)在負(fù)荷中占有比較大的比重，是負(fù)荷重最重要的動態(tài)成分。因此，一般認(rèn)為動態(tài)穩(wěn)定計算中采用的綜合負(fù)荷動態(tài)特性應(yīng)該主要考慮感應(yīng)電動機(jī)的暫態(tài)過程。一般來說 , 感應(yīng)電動機(jī)定子繞組的暫態(tài)過程比轉(zhuǎn)子繞組要快得多 ,更比電力系統(tǒng)暫態(tài)過程快得多。因此 ,就感應(yīng)電動機(jī)對電力系統(tǒng)的影響而言 ,是否計及定子的暫態(tài)過程影響不大 ,采用三階模型就能很好地反映感應(yīng)電動機(jī)的動態(tài)性能。為了進(jìn)一步減少計算量 , 在電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)過程分析計算中還經(jīng)常采用一階的機(jī)械暫態(tài)模型。 一階機(jī)械暫態(tài)模型 考慮感應(yīng)