CN101272116A - 一种发电机励磁系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发电机励磁系统建模方法，包括以下步骤：(1)通过试验获得发电机的空载特性，励磁机的空载及负载特性，发电机、励磁机的时间常数，发电机励磁系统的相位频率特性及对低频振荡的阻尼效果；(2)建立励磁系统模型；(3)对获得的基础数据进行分析处理，获取标幺化的模型参数，在Matlab仿真程序中搭建原始仿真模型，进行阶跃响应仿真，根据仿真计算与现场试验误差对模型中的参数进行相应校正，直到误差满足要求；(4)根据原始模型的具体特点，将其转化为电力系统分析程序中实际可用的模型参数，在该程序中对模型参数进一步校核修正。本发明获得的励磁系统模型参数具有足够的精度，能够真实反应励磁系统的性能指标。

Description

一种发电机励磁系统建模方法

技术领域

本发明涉及一种建立发电机励磁系统数学模型的方法。

背景技术

由于发电机励磁控制技术的巨大发展及其系统性能的提高，励磁系统对电网电压质量、系统稳定的作用日显重要，使励磁系统性能在电力系统稳定计算分析中成为一个不可忽视的因素。电力系统规模的日益扩大对电力系统稳定性计算的精度提出了更高要求。电力系统低频振荡分析及电力系统稳定器的参数设计等工作均要求电力系统计算采用精确的励磁系统数学模型及准确的参数。目前的发电机励磁系统建模方法主要有在线辨识方法和完全现场实测方法，均存在一些不足之处，不能同时满足工程上应用方便和保证测量精度的要求。在线辨识方法，得到的模型参数不能做到与实际设备各主要部分的一一对应，且准确度不能令人满意；完全现场实测方法，不能方便地测量微机励磁调节器的控制参数。

发明内容

本发明针对现有发电机励磁系统数学模型的建立方法存在的不足，提供一种便于工程中实现又能保证测试精度的发电机励磁系统建模方法。

本发明的发电机励磁系统建模方法包括以下步骤：

(1)根据计算模型参数的实际要求及现场试验的可行性，进行以下全部六项或其中部分项目的实验：发电机的空载试验；励磁机的空载、负载试验；发电机、励磁机时间常数测试；发电机空载时励磁系统阶跃响应试验；发电机负载时动态扰动试验；发电机励磁系统的频率特性测量，通过以上试验获得发电机的空载特性，励磁机的空载及负载特性，发电机、励磁机的时间常数，发电机励磁系统的相位频率特性及对低频振荡的阻尼效果；

(2)根据发电机励磁调节器的硬件结构(指励磁调节器的原理图及电路图)及其控制规律的数学表达式(不同励磁调节器的数学表达式是不同的，此处仅说明工作的方法和步骤)，画出励磁调节器(励磁调节器通过自动电压调节器实现对发电机的励磁控制)的各个功能块的方框图及相互间的逻辑关系图；找出励磁机、励磁调节器及各种限制和保护的逻辑关系，建立励磁系统模型；

(3)测定励磁调节器、励磁机对应于以上模型中的参数，对获得的基础数据进行分析处理，获取标幺化的模型参数，在Matlab仿真程序中搭建原始(指完全按照设备的实际搭建的模型，是与稳定计算程序程序中的标准模型相对而言)仿真模型，进行阶跃响应仿真，根据仿真计算的发电机电压超调量、峰值时间、上升时间与现场试验得到的发电机电压超调量、峰值时间、上升时间之间的误差对模型中的参数进行相应校正，直到误差满足要求(国家电网公司企业标准Q/GDW 142-2006《同步发电机励磁系统建模导则》的相关要求)，以保证模型参数的精度；

(4)根据原始模型的具体特点，将其转化为电力系统分析程序(国内通用的有两个程序，PSASP程序、BPA程序)中实际可用的模型参数，也就是把满足精度要求的Matlab程序下搭建的原始仿真模型转化为电力系统分析程序中的标准模型，在电力系统分析程序中进行阶跃响应计算，比较阶跃响应的各种指标，在该程序中对模型参数进一步校核修正(校正方法及要求同上一步骤(3))。

本发明采用现场试验与仿真计算相结合、时域分析与频域分析相结合的方法进行发电机励磁系统建模及参数测试，可充分利用现有设备，在常规性试验中获取相关参数，物理概念清晰明了。获得的励磁系统模型参数具有足够的精度，能够真实反应励磁系统的性能指标。容易掌握，便于推广应用。提供给电力系统设计和生产运行部门，能够提高计算精度，在不增加投入的情况下，充分挖掘电网及设备的潜力，提高电网的安全、经济运行水平。

附图说明

图1是发电机空载试验曲线图。

图2是±5％空载阶跃试验曲线图。

图3是发电机空载曲线图。

图4是励磁机空载及负载曲线图及方程。

图5是励磁机空载曲线和空载气隙线图。

图6是PSS模型示意图。

图7是#8号机无补偿、有补偿相频特性图。

图8是#8机组励磁系统MATLAB仿真原理图。

图9是#8机组实际PID参数±5％阶跃仿真结果图。

图10是#8机组调整PID参数±5％阶跃仿真结果图。

图11是#8机组±5％阶跃仿真结果图。

具体实施方式

本发明发电机励磁系统建模方法的主要工作步骤是：收集基础数据--完成现场实验--数据处理--建立原始模型--应用MATLAB进行仿真计算--数据校核--模型归算--电力系统分析程序下的参数校核。具体按以下步骤进行：

1.根据所用励磁机(直流励磁机、交流励磁机或静止励磁机)确定励磁机模型。

2.研究励磁调节器的硬件结构及软件编程的数学表达式及其逻辑关系，画出自动电压调节器的各个功能块的方框图及相互间的逻辑关系图，确定自动电压调节器的原始模型。

3.研究各种限制和保护的工作原理及其实现方法、与电压调节通道逻辑关系，确定各种限制和原始的模型。

4.研究励磁机、励磁调节器、及各种限制和保护的逻辑关系，建立励磁系统模型。

5.测定各个部件的参数。

6.对获得的基础数据(包括发电机的空载特性，励磁机的空载及负载特性)进行分析处理，获取标幺化的模型参数。

7.在Matlab程序中搭建仿真模型，进行阶跃响应仿真。根据计算结果对模型参数进行修正。

8.根据原始模型的具体特点，将其转化为稳定计算程序中实际可用的模型参数。

9.分别在电力系统综稳程序、BPA程序中进行阶跃响应计算，比较阶跃响应的各种指标，对参数进行必要的修正。

现以某发电厂#8机组为算例，简单列出建模的方法及过程：

1.发电机空载试验

1.1.发电机空载特性试验数据如表1：

表1发电机空载试验数据

WFLC型便携式电量记录分析仪单组记录数据

发电机空载试验的曲线如图1所示。

1.2发电机空载阶跃响应试验

励磁调节器单套在自动方式(PID)运行，整定好阶跃量，数值为±5％额定机端电压值，±5％阶跃指标如表2所示。准备好录波器，录取发电机定子电压、发电机转子电压、励磁机励磁电压曲线，如图2所示。

表2±5％阶跃指标

阶跃量	下降(上升)时间	超调量	峰值时间	振荡次数
					-5％	0.62S	30.7％	1.11S	1
+5％	0.658S	44％	1.14S	1

2.发电机励磁系统的模型及其参数

2.1励磁调节器参数计算公式

50HZ：KP^*＝tgα×Kp/2⁵×π/180°×β×3931

中频：KP^*＝tgα×Kp/2⁸×π/180°×β×3931

KI^*＝KI/KP×KP^*，TI＝1/KI*，KD*＝KD/KP×KP^*×0.02

表3不同频率对应β值

Fg	测频源	S/f	β＝360f/s
				50	1.25MHZ	25000	0.0144
350	10MHZ	287571	0.0126
				400	10MHZ	25000	0.0144
500	10MHZ	20000	0.018

KP＝FOH＝240    KI＝60H＝96    KD＝500H＝1280  实测空载角度：84.5，

根据U_d＝1.35U_accosα，得 $\mathrm{\α}=\arccos \frac{U_d}{1.35U_{\mathrm{ac}}},$ 空载额定时实测永磁机输出为195V，励磁机励磁电压25.2V，根据以上计算公式可得α＝84.5°。与面板读数85.12°略有偏差。

KP^*＝tg84.5×240/2⁸×π/180°×0.0144×3931＝9.62，

KI*＝(96/240)×9.62＝3.848，

KD*＝(1280/240)*9.62*0.02＝1.026。

注：KP为比例放大倍数，KI为积分放大倍数，KD为微分放大倍数，Ud为直流输出电压，Uac为永磁机输出交流电压，α为可控硅触发角。

2.2发电机空载线的求取

发电机空载特性拟合曲线如图3所示。

a＝1，b＝0.06459，n＝10.499

S1.0＝0.06459，S1.2＝0.3677

转子基值计算：

IfB＝668.68A

$\mathrm{RfB}=\frac{536}{2521}=0.2126$

UfB＝0.2126×668.68＝142.16(V)

注：a、b、n、S1.0、S1.2为发电机的饱和参数，IfB、RfB、UfB分别为发电机励磁电流、转子电阻、励磁电压的基准值。

2.3励磁机空载及负载曲线

表4励磁机空载及负载所用数据

Ief	8.087	10.224	11.262	11.315	17.145	17.853	19.989	20.6	25.177
										Uf0			127.125						271.619
Uf	41.733	47.811		54.76	74.298	70.19	77.095	78.328
										Ief	26.085	31.891	36.957	39.715	40.741	52.948	61.767	69.49	76.446
Uf0					438.462	568.624	659.351	739.567	809.817
										Uf	93.746	110.887	125.815	133.616

励磁机空载及负载曲线及方程如图4所示

Kd+Kc的计算：

取Uf＝100V，根据Y＝10.512X+9.0446计算Ief1＝X＝8.6525(A)

根据Y＝2.8475X+20.479计算Ief2＝X＝27.9266(A)

Kd+Kc＝(27.9266-8.6525)/8.6525＝2.2276

计算Kc：

$\mathrm{Kc}=\frac{3\×({X_d}^{\′\′}+X_2){\mathrm{Un}}^2}{2\mathrm{\πRfb}*\mathrm{Sn}}=\frac{3\×(0.1925+0.216)\×{450}^2}{2\mathrm{\π}\×0.2126\×1670\×{10}^3}=0.0557\left(\mathrm{pu}\right)$

Kd＝2.2276-0.0557＝2.1719

注：Kc为整流器的换弧压降系数，Kd为励磁机去磁效应系数。

2.4励磁机饱和系数的计算

强励倍数：2

U_fmax＝2×536V＝1072V＝7.42p.u.

V_Emax＝U_fmax+K_C×U_fmax＝7.42+0.0557×7.42＝7.8p.u＝1113.1V

励磁机饱和系数：C1＝0.00088     C2＝0.002958

                SE1＝0.03178    SE2＝0.01297

2.5限幅标幺值计算

2.5.1励磁机转子基值的计算：

Iefb＝12.766

$\mathrm{Uefb}=\mathrm{Iefb}*\mathrm{Refb}=12.766\×\frac{74.5}{169}=5.6$

励磁机空载曲线和空载气隙线如图5所示。

2.5.2调节器的输出限幅：

考虑强励时，永磁机电压为额定电压的85％

2.6PSS(电力系统稳定器)模型及参数

PSS模型如图6所示。PSS相频特性和有补偿相频特性(计算值)如表5所示。

Kpss＝2，T1＝0.2，T2＝0.02，T3＝0.2，T4＝0.02，Tw＝5，限幅为±3％。

表5、PSS相频特性和有补偿相频特性(计算值)

f(Hz)	Φe(°)	ΦPSS(°)	Φe+ΦPSS(°)	f(Hz)	Φe(°)	ΦPSS(°)	Φe+ΦPSS(°)
								0.1	-17	40.4	-57.4	1.1	-136	44.6	-91.4
0.2	-28	-31.4	-59.4	1.2	-140	46.8	-93.2
								0.3	-40	-16.5	-56.5	1.3	-152	48.4	-103.6
0.4	-70	-2.5	-72.5	1.4	-163	49.5	-113.5
								0.5	-80	9.4	-70.6	1.5	-174	50.2	-123.8
0.6	-101	19.2	-81.8	1.6	-174	50.6	-123.4
								0.7	-110	27	-83	1.7	-160	50.8	-109.2
0.8	-117	33.2	-83.8	1.8	-153	50.8	-102.2
								0.9	-128	38	-90	1.9	-157	50.6	-106.4
1	-130	41.8	-88.2	2	-160	50.2	-109.8

#8号机无补偿、有补偿相频特性如图7所示。

3.仿真计算

3.1MATLAB仿真

#8机组励磁系统MATLAB仿真图如图8所示，#8机组实际PID参数±5％阶跃仿真结果如图9所示。

表6±5％阶跃指标

阶跃量	下降(上升)时间	超调量	峰值时间	振荡次数
					-5％	0.911	41.6％	1.696S	2
+5％	0.913	42.0％	1.71S	2

从表6与表2的对比可以看出，仿真值与实际值误差较大，考虑到触发角和调节器内部死区的影响，适当调整PID参数，使 $K_P^{*}=25,$ $K_I^{*}=3.848,$ $K_D^{*}=3.3,$ 重新仿真。图10给出了#8机组调整PID参数±5％阶跃仿真结果图。

表7±5％阶跃指标

阶跃量	下降(上升)时间	超调量	峰值时间	振荡次数
					-5％	0.583S	34.8％	1.05S	1.5
+5％	0.587S	32％	1.05S	1.5

以上阶跃指标与实测值误差均在允许范围内。

3.2PSASP程序下的仿真

用PSASP程序下的8型模型

表8±5％阶跃指标

阶跃量	下降(上升)时间	超调量	峰值时间	振荡次数
					-5％	0.57S	28％	0.98S	1.5
+5％	0.57S	28％	1.00S	1.5

图11给出了#8机组±5％阶跃仿真结果图。

4.标准模型参数

PSASP中8型励磁系统模型

表9PSASP中8型励磁系统模型参数

参数	数值	参数	数值	参数	数值	参数	数值
								Xc		Tr	0.02S	Ka	1	Ta	0.001
Vamax	11.57	Vamin	-9.06	K	3.92	Kv	0
								T1	0.135	T2	1	T3	6.25	T4	0.001
KF	0	TF	1	Kb	3.222	T5	0.01
								Vrmax	35.7	Vrmin	-28	Vemax	8.4
Ke	1	Te	0.94	Cl	0.00088	C2	0.002958
								KHl	0	Kc	0.1319	Kd	2.0957	Efdmax	7.42

发电机：a＝1，b＝0.065，n＝10.499

BPA中FQ模型

表10BPA(中国版)中FQ  型励磁系统模型参数

参数	数值	参数	数值	参数	数值	参数	数值
								Tr	0.02S	K	3.92	Kv	0	Ka	1
Ta	00001	T1	0.135	T2	1	T3	6.25
								T4	0.001	Vrmax	35.83	Vrmin	-28.05	KB	3.222
T5	0.01	Ke	0	Te	0.94	Kc	0.228
								Kd	2.0957	Efdmax	7.42	Semax	0.03178	Se0.75max	0.01297
Vamax	11.57	Vamin	-9.06	KH1	0

表11发电机饱和参数

Sg1.0	Sg1.2
		0.06459	0.3677

5结论

通过对某电厂#8机组±5％阶跃试验的实测与仿真结果的对比分析可知，本发明提出的模型参数满足精度要求，可供电力系统稳定分析计算使用。

Claims (1)

1.一种发电机励磁系统建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据计算模型参数的实际要求及现场试验的可行性，进行以下全部六项或其中部分项目的实验：发电机的空载试验；励磁机的空载、负载试验；发电机、励磁机时间常数测试；发电机空载时励磁系统阶跃响应试验；发电机负载时动态扰动试验；发电机励磁系统的频率特性测量，通过以上试验获得发电机的空载特性，励磁机的空载及负载特性，发电机、励磁机的时间常数，发电机励磁系统的相位频率特性及对低频振荡的阻尼效果；

(2)根据发电机励磁调节器的硬件结构及其控制规律的数学表达式，画出励磁调节器的各个功能块的方框图及相互间的逻辑关系图；找出励磁机、励磁调节器及各种限制和保护的逻辑关系，建立励磁系统模型；

(3)测定励磁调节器、励磁机对应于以上模型中的参数，对获得的基础数据进行分析处理，获取标幺化的模型参数，在Matlab仿真程序中搭建原始仿真模型，进行阶跃响应仿真，根据仿真计算的发电机电压超调量、峰值时间、上升时间与现场试验得到的发电机电压超调量、峰值时间、上升时间之间的误差对模型中的参数进行相应校正，直到误差满足要求，以保证模型参数的精度；

(4)根据原始模型的具体特点，将其转化为电力系统分析程序中实际可用的模型参数，也就是把满足精度要求的Matlab程序下搭建的原始仿真模型转化为电力系统分析程序中的标准模型，在电力系统分析程序中进行阶跃响应计算，比较阶跃响应的各种指标，在该程序中对模型参数进一步校核修正。

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