郭　帅，叶　鹏，张　涛，李家珏

(1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136；2.国网辽宁省电力有限公司 电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)



新能源大规模接入条件下负荷建模研究方法综述

郭帅1，叶鹏1，张涛2，李家珏2

(1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136；2.国网辽宁省电力有限公司 电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

随着分布式发电、电动汽车等新能源产业的不断发展，电力系统运行将不可避免的受到影响，对新能源大规模接入条件下的负荷建模研究是电网规划设计和运行调度控制的基本工作。简述了负荷建模的原理和方法，并针对新能源大规模接入配电网后负荷建模存在的问题，对现有的负荷建模方法进行了介绍，指出了该领域中尚未解决的问题以及未来的研究方向，为从事负荷建模的研究人员提供一定的指导作用。

分布式发电；电动汽车；新能源；负荷建模

在能源短缺、环境污染严重、全球气候变暖的当今世界，分布式发电、电动汽车等新能源的出现，在缓解能源危机、促进人与环境和谐发展等方面具有不可替代的优势，现已经成为各国政府、能源企业、汽车制造商所关注的焦点。但是分布式电源、电动汽车等新能源接入容量的不断增大，不仅影响到了电网的结构，同时也使得潮流的流向发生了改变，进而使得配电网的运行特性和负荷特性也受到了影响。负荷模型的准确与否，将影响到电力系统仿真计算，从而影响到电网整体规划设计与运行调度。因此，针对分布式电源、电动汽车等新能源大规模接入条件下的负荷建模研究就显得极为重要。

1　负荷建模的方法和原理

负荷模型的正确与否，将对电力系统仿真结果产生直接的影响，负荷变化的随机性和不确定性无疑增加了负荷建模的难度，文献[1-3]分别从暂态稳定、电压稳定、功角稳定等方面，指出不恰当的负荷模型对电力系统的稳定所产生的影响。

负荷模型构建的方法大体上可以总结为三类。第一类是基于元件特性综合的统计综合法[4]，基本思想是将负荷视为全体用户的集合，每一用户负荷则由用户的各类用电设备集合而成，将设备分类并确定各类设备的平均特性，然后根据各类设备的比重，计算综合得出综合负荷模型。该方法虽然原理简单，但在数据统计方面的工作量较大，同时统计结果准确性差，使得负荷特性得不到很好地描述。第二类为基于现场实测数据辨识的总体辨识法[5]，基本思想是将综合负荷作为整体，通过现场实验和在线捕捉电力系统的自然扰动从而获得负荷所在母线的电压、频率、电流、有功、无功等数据，然后再根据这些数据辨识出综合负荷模型参数。但是，这种方法的缺点在于很难获得现场实测数据，因为在实际系统中，很难实现电压和频率大范围的变化，所以负荷动态特性的采集难度很大。第三类为基于事故仿真的故障拟合法[6]，基本思想是根据电力系统实际故障建立对应方式的仿真系统，并不断的修改负荷模型参数进行仿真，使仿真曲线与实测的故障轨迹相拟合，从而实现模型参数的修正，但这种方法的缺点在于需要人工修正参数，反复计算系统动态响应，拟合目标比较单一，建模效果不能满足大型电网分析计算对负荷模型的需求。

电力系统仿真所需的负荷模型一般是指主网220 kV变电站的110 kV或220 kV母线的综合负荷模型。在电力系统仿真分析计算中，通常将综合负荷分为静态负荷和动态负荷。静态负荷指不包含旋转元件的设备，如照明灯具、热水器等；动态负荷则指包含旋转元件的设备，如工业电机、空调设备、农业水泵等。当负荷特性用代数方程或曲线来描述时，其模型称为负荷静态模型，静态负荷模型主要描述负荷功率随模型电压和频率变化而变化的特性；而负荷特性采用微分方程、差分方程或状态方程描述时，则称为负荷动态模型，动态负荷模型可以很好的反应功率随电压、频率变化的全过程。前者包括多项式模型和指数模型2种。文献[7]对多项式模型进行了详细的介绍，给出了经典ZIP模型和改进的多项式模型。文献[8]对指数模型进行了介绍，给出了指数模型的一般形式以及在LOADSYN中采用的指数模型。电力系统的动态负荷常用感应电动机模型作为负荷动态模型。常用的负荷动态模型包括2种，一种是考虑感应电动机电磁暂态过程的负荷动态模型；另一种是考虑感应电动机暂态过程的负荷动态模型，后者一般用在电力系统暂态分析。文献[9]针对不同应用场合和计算准确度，对3种感应电动机的模型选取提供了参考依据；根据各国的情况，文献[10]提出了感应电动机的典型参数和动态模型。此外，电力系统还有综合负荷模型，这将在后续的部分进行综述。

2　分布式发电、电动汽车等新能源大规模接入配电网后负荷建模研究面临的问题

随着能源的紧缺和环境的恶化，更加促使了分布式发电、电动汽车等新能源的高速发展。因此，分布式发电装机容量将日益增加，电动汽车也将在不久的将来得到普及，新能源在电网中的渗透规模会越来越大。研究考虑分布式发电、电动车等新能源大规模接入到配电网的综合负荷模型非常重要，如图1所示。

图1　新能源大规模接入后对负荷的影响

目前，考虑分布式发电、电动汽车等新能源大规模接入到配电网的综合负荷模型研究面临3个迫在眉睫的问题。

1)分布式发电、电动汽车等新能源是否适合负荷建模。

2)作为配电网的一部分，分布式发电、电动汽车等新能源该如何等效。

3)当分布式发电、电动汽车等新能源接入容量逐渐增大时，负荷模型又将如何变化。

针对问题1)，文献[11]构建了微型燃气轮机发电系统的模型，考虑其并网运行和孤网运行2种工作状态，重点研究了对负荷变化的跟踪能力；文献[12，13]针对燃料电池的负荷建模进行研究，得出了燃料电池的电压与电流之间的数学关系，并给出了燃料电池的集总模型；文献[14]针对光伏电池，建立了一种动态和静态分析的模型。上述研究成果既能描述分布式发电系统的外特性，又体现数学模型。

对于电动汽车充电负荷建模研究，国内主要采用基于蒙特卡洛模拟的建模方法。文献[15]采用蒙特卡洛模拟法，将电动汽车开始充电时间和电池的初始荷电状态作为随机变量，建立充电负荷模型；在此基础上，文献[16]进行充电站集聚特性模拟，并提出电动汽车充电站负荷集聚模型的建模方法。当分布式发电、电动汽车等新能源统一进行负荷建模时，模型该如何确立，是将来研究的主要问题。

针对问题2)，现有的文献将分布式发电的负荷模型归结为动态模型并联ZIP模型。文献[17]基于总体辨识建模方法，提出了一种异步电机+ZIP的负荷模型。在此基础上，文献[18]提出了一种新的负荷模型结构：同步发电机并联感应电动机并联ZIP。文献[19]建立了含鼠笼式异步风机的综合模型，提出在传统综合负荷模型(感应电动机+ZIP模型)的虚拟母线上并联异步发电机。对于电动汽车，文献[20]指出电动汽车的充电负荷作为一种恒功率负荷模型。这样，随着分布式发电、电动汽车等新能源的发展，负荷模型必将发生变化。

针对问题3)，文献[49]分析显示，传统综合负荷模型只有在分布式发电接入比例小于24.4%时，才能较好的描述该区域的负荷特性，当比例超过24.4%时，模型应采用异步发电机+ZIP；在此基础上，文献[22]指出，当异步电动机转差率在[0，1]之间时处于电动机状态，当转差率小于0时则处于发电机状态；在此基础上，文献[23]针对分布式电源不同的接入比例，提出一种综合负荷模型，并将这一模型参数由原定义域[0，1]扩展到整个实数域。电动汽车的充电行为的不可控性，也影响着负荷特性，文献[24]针对国内外电动汽车常用的3种充电模式，建立了电动汽车的充电负荷模型并进行了仿真，分析了电动汽车不同充电模式产生的负荷对电网的影响。因此，考虑分布式发电、电动汽车不同接入比例对负荷模型的影响，以充分发挥分布式发电、电动汽车等新能源的作用，是当前面临的重点和难点。

3　新能源大规模接入条件下负荷建模的研究方法

建立准确的分布式发电、电动汽车等新能源的负荷模型，是研究负荷动态特性和开发新型控制方法的基础，也是建立适应分布式发电、电动汽车等新能源的综合负荷模型的前提。

3.1典型分布式电源的负荷模型

目前，比较受关注的分布式电源有：光伏发电、燃料电池发电、微型燃气轮机发电、风力发电等，文献[25]将其称为典型分布式电源，下面将以分布式电源为综述对象，对其负荷模型进行综述。

光伏发电技术(Photovoltaic Cell，PV)目前较为成熟，文献[26]指出光伏发电是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转化为电能。在负荷建模方面，文献[27]基于BP神经网络，提出了PV模型。文献[28]提出了单项光伏并网系统的模型。以上这种模型结构较为复杂，应用困难较大。文献[30]研究了光伏发电对配电网的影响，认为光伏发电接入系统后呈现静特性，故将其归结为经典模型中的静态负荷。

对于燃料电池发电(Fuel Cell，FC)，文献[55-57]详细讲述了SOFC燃料电池的动态模型；文献[31]提出了等效描述燃料电池发电系统的二阶微分方程；文献[32]指出在传统的负荷模型虚拟母线上增加一个随电压变化的有功功率源，并建立了含有SOFC的配电网广义综合负荷模型。这些文献都没有关注FC对配电网的综合负荷特性的影响。文献[30]研究了燃料电池对配电网的影响，认为其接入系统呈静态特性，将其归为经典模型中的静态负荷。在此基础上，文献[33]指出燃料电池应采用感应电动机并联静态负荷的负荷模型。

微型燃气轮机发电(micro turbine generation，MTG)是一类新近发展起来的小型热力发动机，由于其污染小、安装方便等优点，目前应用也极为广泛，因此考虑MTG的接入对配电网综合负荷模型的影响也是至关重要。文献[35]介绍了MTG的动态行为及其控制方法；在此基础上，文献[36]分析了微型燃气轮机对负荷特性的影响。文献[37]提出了一种微型燃气轮机的机电暂态等效模型，并且构建了与传统配电网综合负荷模型并联MTG的等效描述模型。

风力发电的不确定性，使得并网后对电力系统会产生很大的影响，因此研究其负荷模型也是至关重要的。文献[38]提出3种负荷模型结构：经典模型、增广模型及CEPRI模型。文献[23]将含风力发电的配电网侧综合负荷用异步电机+静态负荷的综合负荷模型来等效描述，并通过风力发电的不同容量比例及不同的负荷水平，证明负荷动静比例系数k的取值应扩大为任意实数，同时验证广义综合负荷模型结构的有效性。

3.2电动汽车的充电负荷模型

文献[39]讨论了影响电动汽车充电负荷的诸多因素，包括日行驶里程、充电功率、起始充电时刻和起始荷电状态等，并指出充电负荷具有时空随机性。文献[15]基于蒙特卡洛模拟法，用电池的初始荷电状态与开始充电时间来模拟充电过程的随机变量，得到了充电负荷曲线。文献[41]则基于排队论模拟法，得到了可以等效描述充电过程的负荷模型。文献[48]提出了私家车与公共车辆的充电负荷曲线，但考虑的车型具有局限性。文献[46-47]以米兰和巴塞罗那为例，讨论了国外电动汽车的充电负荷曲线。以上文献表明，只有对影响电动汽车充电负荷建模过程中的因素进行全面分析，结合不同车型的充电规律，才能建立能够有效反应电动汽车接入配电网后的负荷模型。

3.3考虑新能源大规模接入下的综合负荷建模

针对新能源大规模接入条件下的综合负荷建模，文献[33]指出，当分布式电源体现为静态特性时，应采用感应电动机并联静态负荷的模型，如图2所示；传统负荷模型仅适用于分布式电源所占比例较小或者接入点距离负荷母线较远；当其接入容量较大、接入点距离负荷母线较近时，应采用“感应电动机+ZIP+同步发电机”模型。该模型很好的解决了由分布式电源接入后，传统负荷模型不准确的问题，但模型中同步发电机某些参数不可辨识，模型结构也相对比较复杂，不具有实际应用价值。在此基础上，文献[49]提出了以分布式电源容量比例24.4%为界，传统综合负荷模型只有在分布式发电接入比例小于24.4%时，才能较好的描述该区域的负荷特性，当比例超过24.4%时，应采用异步发电机+ZIP的负荷模型，并对2种负荷模型进行了统一。但是文献[49]和文献[33]忽略了电源中并非都含有电机旋转部分，这种电源对外也不显示静特性。文献[30]针对4种典型分布式电源，分别建立了适合于电网暂态稳定计算的独立负荷模型，研究了其对配电网的影响，将光伏发电和燃料电池归为经典模型中的静态负荷，但此结论有待进一步验证。文献[55]考虑负荷特性动静比k的取值，提出采用异步电机+ZIP的广义综合负荷模型来等效描述含风力发电的负荷，将k扩大为任意实数。但其考虑的接入电源仅涉及风力发电，不够全面。

图2　传统感应电动机综合负荷模型

现有的文献在关于综合负荷建模方面的描述，都没有考虑到电动汽车充电负荷的接入，而文献[20]将电动汽车的充电负荷定义为一种恒功率负荷模型。随着分布式发电、电动汽车等新能源大规模接入，电动汽车充电负荷的接入容量将是未来综合负荷模型中不容忽略的一部分。

3.4辨识方法研究

确定了模型的结构和类型后，参数辨识就成为一个单纯的优化问题。在参数辨识过程中，为提高参数的辨识速度和辨识精度，应采用与模型结构相对应的优化方法。目前，应用较为广泛的有传统优化方法和现代优化方法2类。文献[51]对传统的优化方法进行了介绍，包括直接优化算法(如转轴法、非线性单纯形法、模式搜索法等)和解析类方法(如牛顿法、共轭梯度法、最速下降法等)；文献[52]对现代优化方法进行了介绍，如蚁群算法、粒子群算法、遗传算法等。

对与静态负荷模型的参数辨识，文献[53]介绍了几中常用的辨识方法，采用求解非线性最小二乘法问题的阻尼最小的二乘法、牛顿法，也可以采用各种非线性优化方法，如共轭梯度法、直接法、变尺度法、最速下降法等。与静态负荷模型的参数辨识不同，动态负荷模型的参数辨识包括准则函数构建和数值优化2部分。文献[54]介绍常用准则有最小方差、最小二乘法、随机逼近法、极大似然法等，此外，动态负荷模型参数辨识寻优过程中还需考虑动态约束。由于负荷模型应用环境的特殊性，对于动态建模，参数辨识时经常会存在建立模型和使用模型环境不一样的问题，这就需要我们根据具体情况作进一步分析研究。

4　总　结

随着分布式发电、电动汽车等新能源的大规模接入到配电网且接入容量的不断增大，这不仅影响到了电网的结构，同时也使得潮流的流向发生了改变，进一步的使得配电网的运行特性和负荷特性也受到影响。分析了负荷建模的原理和方法，分布式发电、电动汽车等新能源大规模接入配电网后负荷建模存在的问题，并对现有的负荷建模方法进行综述，并指出该领域尚未解决的问题和下一步的研究方向，对从事负荷建模研究具有一定的现实意义。

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(责任编辑佟金锴校对魏静敏)

Summary of Load Modeling Research Methods Under the Large-scale New Energy Access to Grid

GUO Shuai1,YE Peng1,ZHANG Tao2,LI Jia-jue2

(1.School of Electrical Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136;2.State Grid Liaoning Electric Power Research Institute,Shenyang 110006,Liaoning Province)

With the development of distributed generation,electric vehicles and other new energy sources,the impact on the traditional power system operation is not to be neglected.Study on load modeling of large-scale new energy access under the new conditions is the basic work of the electrical grid planning design and operation dispatching control.This article described the principles and methods of load modeling,the problems by large-scale distributed generation,electric vehicles and the others accessing to the distribution network with the existing load modeling methods.This article also pointed out the unresolved issues and possible research directions,which had a certain practical reference for the research on load modeling.

Distributed generation;electric vehicles;new energy sources;load modeling

2016-03-27

郭帅(1992-)，男，山西忻州人，硕士研究生。

叶鹏(1974-)，男，吉林吉林人，教授，博士，硕士生导师，主要从事电力系统运行与控制方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.03.003

TM732

A

1673-1603(2016)03-0201-07