1、基于 EDSA 的电动机动态特性仿真研究学 生：邓 璞指导教师：刘淑军（三峡大学 电气与新能源学院）摘 要：本文在介绍电气设计分析软件 EDSA 的基础上，使用电气设计分析软件 EDSA 建立一个含有配电网的小型电力系统。利用建立的小型电力系统仿真电力系统受扰行为和动态过程。关键词：EDSA；感应电动机；负荷建模；电力系统动态特性；电力系统仿真Abstract：This article about electrical design software edsa analysis on the basis of the use of electrical design analysis soft
2、ware edsa to establish a network containing with a small electrical power system. the use of a small electrical power system simulation system of trouble for action and dynamic process.Keywords： EDSA；induction motors；load modeling；power system dynamic stability；power system simulation前言电力系统负荷模型是影响电力
3、系统稳定分析和系统动态稳定控制设计的关键因素之一。在系统运行规划中，采用不精确的负荷模型可能会得到过于乐观的稳定运行条件，导致实际系统发生灾难性事故。在电力系统负荷中，感应电动机负荷占有比例超过 60%以上，且几十秒内的系统负荷动态过程主要是由感应电动机引起的。感应电动机是电力系统综合负荷中最主要的动态负荷成分,其运行特性对电力系统的运行行为有重要影响,在理论研究和工程仿真计算中,通常都以感应电动机模型作为综合负荷的基本模型。利用电气设计软件 EDSA 建立电力系统模型并对其进行动态特性分析是本文的主要目的。1 基于电气设计软件 EDSA 电动机动态特性仿真研究1.1 利用电气设计软件 EDS
4、A 建立电力系统模型分析电动机动态特性1.1 利用电气设计软件 EDSA 建立一个关于电动机的小型电力系统模型利用电气设计工具软件 EDSA 建立一个电动机组模型，下图即为建立的电动机组模型。图 3-1 关于电动机的小型电力系统模型1.2 利用建立的小型电力系统模型对其中的电动机进行动态特性分析一、电动机停转对其他电动机的影响。使电动机 M1 在 2 秒停转。25 秒时电动机已经基本停止了转动，我们从仿真图中可以清楚地看到电动机电压的急剧下降，而转速也在慢慢降低，而功率在关闭电动机那时起就降为零了。由电动机 M2,M3 仿真动态特性图我们知道此时电动机 M2,M3 因受电动机 M1 停机的影响
5、变得略显不稳定，在经历了 3 秒之后大都趋于稳定，然而虽均处于微幅震荡之中，但各项数据稳定之后的变化可以忽略，电动机的整个运行状态仍显稳定。在这个过程中受到影响的电动机会有微服的波动是因为其电压受到了轻微的影响造成的。二、电动机开机对其他电动机的影响。将电动机 M1 至于待机状态，在 3 秒时将其开机。由 M1 仿真动态图知在 3 秒时电动机投入了使用，10 秒时动态特性基本趋于正行运行水准。3 秒时，电动机电压上升，但由于电动机的转速还没有达到正常运行的水准，它所要吸收的无功功率较大，直接导致了功率因素在启动时较低，而也因此电压在启动过程中不能达到稳定运行时的 1PU，当电动机转速达到正常水
6、平，各项水准均达到正常运行水平。电动机 M2,M3 因受电动机 M1 开机的影响变得不稳定，在渡过了 7 秒之后大都趋于稳定，但也均处于小幅震荡之中。这些是因为电动机 M1 在启动时需要吸收系统的无功功率而导致了系统电压低于正常运行水准，特别是在刚开机时所需的无功功率过大而导致系统电压急剧下降到 0.9PU，而在开机过程中也一直需要吸收系统的无功功率，从而使开机过程中系统电压一直低于正常的水准，这也使得他们的运行状态发生了波动，然而受到影响的电压也使得 M2 与 M3 工作在一个不正常状态，当 M1 完全启动之后，不需要在吸收大幅的无功功率后，M2 与 M3 的电压也恢复了正常的 1.0PU
7、左右，他们的运行状态也趋于正常。三、切断电动机后一段时间恢复对其他电动机的影响。电动机 M1 的之路因故障在 3 秒时切断，7 秒后在 10 秒时自动重合闸再次合上电动机M1 的支路。由电动机 M1 动态图可知，由于线路故障电动机 M1 失去电源处于停转过程中，然而与正常停转不同的是，它的功率因素变得非常不稳定，这个震荡期持续了两秒左右的时间，由此可知突发性的停电事件对于电动机的影响是非常大的。这个过程中因为我们的扰动是切断线路，而正是这种突发性的事情，电源突然被切断使得电动机处于不正常关机状态下，它的功率因素波动浮动非常大，这是因为电动机在突发性事件时转速并不是立刻下降，它是一个慢慢的下降过
8、程，但是它导致了功率因素的波动幅度特别大，而在波动幅度中出现负数可能是因为在不正常关机时电动机的不稳定状态是的仿真结果不准确造成的。自动重合闸再次合上之后电动机 M1 再次投入使用。电动机 M2,M3 受到其他支路停断的影响不是很大，而当电动机 M1 支路的切断与其投入使用时对于电动机 M2,M3 还是有一定影响的。这个扰动对于其他的电动机而言可以看成是被切断的电动机的关机与开机的综合，这里就不多做解释了。在前面的关机与开机里已经解释过了。四、电动机电压降低对电动机的影响。（1）发电机 G 在 3 秒时发生单相对地短路，持续 12 秒，故障电阻为 1,故障电抗为 1,将 G的电压控制功能关掉。
9、此动作旨在将电动机电压降低为 0.7PU。我们观察此过程电动机的动态特性图后知道，电动机电压在发电机发生短路之后处于下降状态，并下将在 0.7PU 左右，这直接导致了电动机转速的下降和滑差的升高，而在短路发生的一瞬间电动机功率因数极其不稳定导致图标结果出现负值，我们应该清楚这个负值并不是此时电动机功率因数的实际值，而是因为电动机的不稳定而造成的仿真的结果错误。而在那一瞬间的不稳定之后功率因数基本维持在故障之前的水平。功率在短路发生时也出现了波动，而短暂的波动之后出现了小幅的下降，这也意味着此时电动机无功功率也会出现小幅的下降。在故障解除之后电动机的电压处于一个回复的状态，在电压恢复的一瞬间，功
10、率因数出现了一个微小的波动，而此时的功率却在一瞬间突然增大然后下降到原有水平。这也说明无功功率也出现了相同突发性的变化。这个过程中电动机并没有出现十分不稳定的运行状态，这是因为电动机电压并没有降低到电动机的稳定状态临界电压之下，所以在电压恢复之后，电动机能迅速恢复正常工作状态。（2）发电机 G 在 3 秒时发生单相对地短路，持续 12 秒，故障电阻为 0.38,故障电抗为0.38,将 G 的电压控制功能关掉。此动作旨在将电动机电压降低为 0.4PU。此段过程中三个电动机 M1,M2,M3 的动态特性曲线相同，他们动态特性曲线如下： 我们继续观察此类故障过程中电动机的动态特性，经过观察我们知道，
11、电动机电压在故障点下降之后大致稳定在 0.4PU 左右，同样因为电压的原因造成了电动机转速的下降和滑差的升高，在短路发生的一瞬间也因为同样的原因使电动机功率因数极其不稳定导致图标结果出现负值。在那一瞬间的不稳定之后功率因数与电压下将在 0.7PU 的一样仍基本维持在故障之前的水平。而所不同的是，功率在短路发生时也出现了与电压为 0.7PU 时相比较大的波动，而波动之后并没有出现小幅下降，当然也因为功率因数的变化十分小也意味着此时电动机无功功率也会出现与之相当的变化。在故障解除之后电动机的电压处于一个回复的状态，在电压恢复的一瞬间，功率因数出现了一个微小的波动，而此时的功率却在一瞬间突然增大然后
12、下降到原有水平。无功功率也会出现了相同突发性的变化。此过程中与电压降低到 0.7PU 时类似，过程中的电压也并没有降低到电动机的稳定运行临界电压之下，虽然较电压来说相比 0.7PU 是下降了不少但是仍处于稳定临界电压之上，于是电动机还是不会出现很明显的不稳定堵转状态。（3）发电机 G 在 3 秒时发生单相对地短路，持续 12 秒，故障电阻为 0.07,故障电抗为0.07,将 G 的电压控制功能关掉。此动作旨在将电动机电压降低为 0.1PU。我们再来观察最后一个此类问题看看在下降大致稳定在 0.1PU 时他们的动态特性是不是还是相差不大的。有动态特性图我们知道，发电机发生短路之后电压下降得很快，
13、在 5 秒之后差不多稳定在 0.1PU 左右，电动机的转速与滑差当然是由于电压不够而下降和升高，然而不同的是，因此是电压过低，电动机的转速几乎下降为零，而滑差也几乎升高到 1。与此前仿真相同的是在故障发生点功率因素仍出现了大幅的瞬间波动，原因应与此前相同，但不同的是在波动之后，因电压过低导致了功率因素的大幅下降，在 5 秒之后缓慢下降，而在 15 秒时，即电压恢复时功率因素随之缓慢升高，在大概 7 秒的时候大幅升高至正常水平。在此过程中功率在短路时下降到几乎为零，并维持至电压恢复时。在短路故障恢复之后，由图知，功率呈大幅上升趋势，在大约 7 秒后升至顶点大概 0.63PU 左右，而在此后有大幅
14、下降，到25 秒时降至正常水平。由功率因素，有功功率与无功功率之间的关系我们可以运用EXCEL 得出此过程中，无功功率动态特性图如下。图 3-10 电动机无功功率特性我们由电动机转速动态图可以知道电动机在电压降低至 0.1PU 过程中已经失稳，这说明电压在 0.1PU 时已经处于此电动机的稳定临界电压之下，在电压降低至 0.1 过程中很明显的与之前切断电动机电源的过程类似，这里不多做描述。在电压恢复时，由于电动机并不是完全停转状态，它一直存在着一个很小的电压 0.1PU，这使得在电压恢复的一瞬间虽然它的功率因素并没有波动，而它需要大量的无功功率来重新恢复运行，于是我们得到了图 3-10 中的无
15、功功率动态特性，大约 10 秒后电动机重新恢复正常运行，各项指标也恢复正常。我们对比电压降低在 0.7PU，0.4PU 与 0.1PU 三个电压时发现，当系统电压低于正常水平高于稳定临界电压时，电动机会处于一个相对稳定的运行状态，此时若电压恢复电动机可以迅速的恢复正常运行，恢复运行的时间不会超过三秒。而当故障后电压低于稳定临界电压后，电动机的恢复运行时间相对较长，达到了 9 秒左右。1.2 利用电动机负荷模型研究电力系统受扰时该系统的动态特性由以上我们了解了电动机受扰时其动态特性，现在我们再来看看它们在电力系统中时对电力系统有哪些影响。一、电动机停转时，电力系统动态特性。电动机 M1 在 2
16、秒停转。由以上电力系统动态特性我们知道，虽然三个电动机的其中一个电动机 M1 停转对于系统确实是有影响的，但是这个影响微乎其微，当然这可能与我们建立的电力系统的发电机励磁非常大有关，但是我们也了解到，电动机停转对于电力系统来说是有一定影响的。二、电动机切断后恢复对电力系统的影响。电动机 M1 的之路因故障在 3 秒时切断，7 秒后在 10 秒时自动重合闸再次合上电动机M1 的支路。由此过程中电力系统中的动态特性我们知道，电动机线路的切断与恢复工作对于整个电力系统的影响我们几乎可以忽略，当然了，这并不表示说电动机线路的切断与恢复对电力系统的影响我们就没有必要去研究了，这仅仅是由于我们所建电力系统
17、的特殊性而存在的结果，它具有一定参考价值，但是与此同时我们也不能以偏概全。2 基于电气设计软件 EDSA 综合负荷模型动态特性仿真研究2.1 建立一个含有配电网的小型电力系统基于 3.1 中关于电动机的小型电力系统建立一个关于配电网的小型电力系统，如图。调整负荷结构后开始进行仿真实验。图 4-1 关于配电侧的电力系统模型2.2 利用建立的关于配电网的小型电力系统分析综合负荷中的电动机动态特性由所建模型进行仿真得出大量电动机及发电机侧电压动态特性图，由图中找出不同电动机启动与停转时其余电动机电压在受扰时的峰谷值之差，如下图所示。表 4-1 不同电动机启动与停转时其余电动机电压情况（单位为 PU）
18、综合负荷电动机比例为 50%电动机 M1 启动时 电动机 M2 启动时 电动机 M3 启动时电动机 M1 0.1861.011=0.825 0.95460.9906=0.036电动机 M2 0.97331.0160=0.0427 0.9771.013=0.036电动机 M3 0.96691.010=0.0431 0.1911.028=0.837电动机 M1 停转时 电动机 M2 停转时 电动机 M3 停转时电动机 M1 0.97960.9812=0.0016 0.97970.9801=0.0004电动机 M2 0.99941.0000=0.0006 0.99940.9997=0.0003电动机
19、 M3 0.99790.9969=0.0010 0.99700.9983=0.0013综合负荷电动 电动机 M1 启动时 电动机 M2 启动时 电动机 M3 启动时机比例为 70%电动机 M1 0.0961.001=0.905 0.95440.9887=0.0343电动机 M2 0.97271.0170=0.0443 0.97781.0130=0.0352电动机 M3 0.92160.9631=0.0415 0.0940.972=0.878电动机 M1 停转时 电动机 M2 停转时 电动机 M3 停转时电动机 M1 0.97560.9789=0.0033 0.97560.9764=0.0008
20、电动机 M2 0.99941.0020=0.0026 0.99951.0000=0.0005电动机 M3 0.92230.9638=0.0415 0.94760.9507=0.0031注：数据来源于动态特性图中受扰时的最低电压与最高电压，为他们的差值通过各类仿真之后，我们得到了以上关于不同电动机启动与停转时其余电动机电压峰谷差值表。通过对比可以知道，电动机停机比电动机启动对其他电动机的影响要小得多，处于高压变电站的电动机启动或停机时比处于低压变电站的电动机对电力系统中的其他电动机影响要大，而处于并列关系时，大电动机较小电动机对其他电动机的影响较大，而电动机负荷比例越大时电动机对其他电动机的影响
21、大一些。2.2 利用建立的关于配电网的小型电力系统分析电力系统动态特性由此开停机对电力系统的影响，我们可以经过仿真得到不同电动机启动与停转时发电机侧电压在受扰时的峰谷值之差，由此得出如下表 4-2 数据。表 4-2 不同电动机启动与停转时发电机侧电压情况（单位为 PU）注：数据来源于动态特性图中受扰时的最低电压与最高电压，为他们的差值我们看完发电机侧电压特性后可以得到以上关于电动机在受扰后发电机侧的电压峰谷差值，经过对比我们可以知道电动机停机比电动机启动对电力系统的影响要小得多，高电压变电站的电动机启动或停机时比处于低电压变电站的电动机对电力系统的影响要大，而综合负荷电动机比例为 50%电动机
22、 M1 电动机 M2 电动机 M3启动时 0.97341.0170=0.0436 0.1941.036=0.842 0.97721.0140=0.0366停转时 0.99991.0010=0.0011 0.99991.0010=0.0011 1.0001.001=0.001比例为 70%时启动时0.97311.0170=0.0439 0.1011.027=0.926 0.97811.0130=0.0349停转时 0.99981.0020=0.0022 0.99981.0030=0.0032 0.99981.0010=0.0012当电动机处于并列关系时，大电动机较小电动机对电力系统的影响较大，而
23、电动机负荷比例越大时电动机对电力系统的影响也随之增大。3 总结本文具体介绍了怎样运用电气设计软件 EDSA 建立电力系统电动机模型以及关于配电网的电力系统模型，并对其进行仿真。在仿真过程中，各类扰动加入后各个电动机的动态特性与电力系统的动态特性较真实的反映了电力系统遇见此类扰动时的电动机的运行状况及电力系统本身的运行状况。通过大量的仿真对比我们知道电压与电动机的稳定运行息息相关，电压的降低会直接导致电动机负荷运行的不稳定，所以说系统的电压稳定性是电力系统运行稳定保障的重中之重。通过大量的仿真实验外婆们可以得出以下结论：（1） 电动机的启动与故障后的恢复均需要吸收大量的无功功率，当系统电压低于正
24、常水平高于稳定临界电压时，电动机会处于一个相对稳定的运行状态，此时若电压恢复电动机可以迅速恢复正常运行，而当故障后电压低于稳定临界电压后，电动机的恢复运行时间相对较长。（2） 电动机停机比电动机启动对电力系统及其中的其他电动机的影响要小得多。（3） 处于高压变电站的电动机启动或停机时比处于低压变电站的电动机对电力系统及其中的其他电动机影响要大。（4） 当电动机处于并列关系时，大电动机比小电动机对电力系统及其中的其他电动机的影响较大。（5） 电动机负荷比例越大时，电动机对电力系统及其中的其他电动机的影响大一些。由此我们知道可以根据仿真结果预测真实电力系统可能在遇到扰动时所发生的问题，从而可以提前
25、做好准备工作，在遇到问题时使用最小的损失并用最快的时间来解决问题。参 考 文 献1周双喜电力系统电压稳定与控制中国电力出版社2王锡凡现代电力系统分析科学出版社3李欣然，陈元新，蒋铁铮，唐忠 电压稳定研究中的负荷模型及其建模方法 电力系统及其自动化学报 2000 年 12 月4陈元新, 蒋寿生, 李欣然 感应电动机及电力综合负荷模型结构的研究 长沙电力学院学报(自然科学版) 2000 年 5 月5林舜江, 李欣然, 刘杨华 电力系统电压稳定性及负荷对其影响研究现状 电力系统及其自动化学报 2008 年 2 月6王吉利, 贺仁睦, 马进 配网侧接入电源对负荷建模的影响 电力系统自动化 2007 年
26、10 月7蒋寿生, 李欣然 适合于电压稳定分析的综合负荷模型结构研究 华北电力大学学报 2001 年 1 月8王卫国, 贺仁睦, 王铁强 反映综合负荷动特性机理的感应电动机模型 电力系统自动化 2002 年 2 月9孙华东，周孝信，李若梅 感应电动机负荷参数对电力系统暂态电压稳定性的影响 电网技术 2005 年 12 月10章健, 沈峰, 贺仁睦 电力负荷模型结构的样条函数描述 电力自动化设备 2007 年 7月11洪志鹏,马进,贺仁睦,许淑敏 一种新的简化负荷模型结构 现代电力 2008 年 6 月12韩肖清, 常向伟, 孟 辉 动态负荷对电力系统动态稳定性的影响研究 中北大学学报 2007 年第 3 期13彭宗华, 贺仁睦 负荷非线性变结构特性及其建模研究 现代电力 2006 年 4 月14郑竞宏，朱守真，王光，王小宇 空调负荷运行特性研究及建模 中国电机工程学报 2009 年 4 月15KUNDUR P. Power system stability and control 中国电力出版社 2003
