CN102708259B - 一种基于频域法的发电机组励磁系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频域法的发电机组励磁系统建模方法，包括如下步骤：（1）获取励磁系统模型及相关初始参数；（2）提取发电机组励磁系统实测频域特性；（3）建立励磁系统的数学模型；（4）发电机组励磁系统初步建模；（5）发电机组励磁系统模型的参数优化。本发明提供的基于频域法的发电机组励磁系统建模方法，可适用于各种类型的机组励磁系统的建模，摆脱了传统基于时域法进行建模的局限性；同时基于本方法建立的模型能够精确反映励磁系统每个环节的参数，同时能够使所建模型充分兼顾以往疏忽的系统重要指标——频域特性。

Description

一种基于频域法的发电机组励磁系统建模方法

技术领域

本发明涉及发电机组励磁系统建模方法，尤其涉及一种基于频域分析法建立发电机组励磁系统的更可靠、更精确模型的方法，属于电力系统运行与控制领域。

背景技术

随着电网规模的不断扩大，发电机组单机容量和电压等级的不断提高，电力系统已步入大电网、高电压与大机组时代，因此对系统稳定性也提出了更高的要求。在这种背景下，发电机励磁系统对电力系统的电压控制和稳定控制具有十分重要的作用，尤其是在故障情况下，对系统暂态稳定的影响更大。发电机组励磁系统对于电力系统的稳定安全运行意义重大，电力系统日常稳定计算通常涉及励磁系统的模型；同时根据国家电网公司调度中心的文件要求，对目前电网参数库中的励磁系统计算用模型提出了更高的准确性要求，因此有必要对目前现有的大型发电机组励磁系统建模技术进行改进创新，以符合新的需要和标准。

目前对于发电机组的励磁系统建模广泛采用的是基于时域法的建模技术，在很多场合已成为一种默认的建模标准。基于时域法的励磁系统建模技术的一些优点毋庸置疑，已在大量文献中被阐述过，在实践中也已有所体现。从时域角度进行建模在很大程度上只是很浅显的研究了励磁系统的在某些特定场合的时域动态特性，以此作为发电机组励磁系统建模的依据和目标，而并没有考虑励磁系统更深层次的频域特性，因此这种基于时域法的建模技术将很有可能导致所建模型准确性和精确性的欠缺。

时域法在当前发电机组励磁系统建模中的广泛应用，而频域法却很少被利用，但是随着频域法的不断改进和现场试验设备性能的提高，频域法已在其他科学领域得到大量应用，也日臻成熟完善。一般认为系统的频域特性能够给出对数据和系统的特性较为透彻的理解，其反映系统最本质的性质；频域特性具有较强的信息直观性，其对于系统深入分析时模型类型的选定和复杂性的判定都具有一定天然的优势。同时频域特性能够从本质上反映系统所拥有的相位滞后特性，为实际系统的相位补偿提供了可靠地数据来源。这种方法能够方便的显示出系统各部分参数和结构对系统性能的影响，并可以进一步指明如何设计校正，可以方便对励磁系统模型参数的进行优化调整，针对性极强，可观性较高。更重要的是基于这种技术所建的励磁系统模型能有效兼顾系统的时域特性和频域特性，模型的准确性和精确度能够得到大大提高，为励磁系统的日常稳定计算提供了更可靠有力的保证。

因此，基于频域的发电机组励磁系统建模技术可作为现有励磁系统建模方法的补充和完善，以获得精确的励磁系统模型及准确参数，从而进一步提高电网的安全、经济运行水平，因而具有较高的工程实用价值。

发明内容

发明目的：针对励磁系统参数的长效管理和其在电力系统仿真计算中可靠性的需求，本发明提出一种基于频域法的发电机组励磁系统建模技术，该方法从系统频域角度入手，所建模型能够充分兼顾实际系统的频域特性和时域特性，提高所建模型的可观性，改善实际励磁系统的模型的准确性和可靠性，为传统发电机组励磁系统建模提供了新方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于频域法的发电机组励磁系统建模方法，其将频域分析法引入发电机组励磁系统建模中，具体该方法包括如下步骤：

（1）获取包括现场试验和设备制造商提供的出厂试验资料在内的原始基础技术数据，并据此初步确定该发电机组和所使用励磁系统的模型；同时收集模型各部分所对应的相关初始参数，包括发电机组、励磁变及励磁系统各部分的初始参数；

（2）基于频率扫描法对发电机组励磁系统现场空载试验所录数据进行处理，据此提取该发电机组励磁系统实际的幅频特性和相频特性曲线；

（3）对步骤（1）中确定的发电机组和所使用励磁系统的模型，按照经验做出简化，建立发电机组励磁系统详细的传递函数表达式，将抽象的图形化模型转化为直观的数学公式化模型；

（4）对步骤（3）中建立的传递函数表达式，在计算机软件中搭建对应的相关系统模型，对该系统模型赋予步骤（1）中收集到的初始参数，获得基于初始化参数的初始模型；对初始模型进行初始仿真分析，获得初始试验曲线，继而提取初始模型的幅频特性和相频特性曲线；

（5）利用MATLAB软件按照设定的扫描频率点间隔分析比对实际的频谱特性曲线和初始模型的频谱特性曲线，获得两者之间各扫描频率点处存在的误差值；以各扫描频率点处误差数值加权和最小为目标函数，运用基于人工蜂群收索算子的改进微粒群算法对初始模型中的部分参数进行优化调整，获得参数优化调整后的优化模型，使得实际的频谱特性和优化模型的频谱特性在合理范围内吻合，该优化模型即基于频域法的发电机组励磁系统模型。

上述方法，在传统大型发电机组励磁系统建模技术中首次引入频域分析法，根据机组励磁系统现场试验实录数据，提取励磁系统的相频特性和幅频特性，并以此作为机组励磁系统建模的预期目标；查阅发电机组励磁系统相关出厂运行数据和模型，按照经验和规程将其转化为可观的数学模型，进行相应的频谱分析，同时将结果进行优化，以实现目标最优逼近。本发明方法从频域特性角度来进行励磁系统的建模，频域特性能够给出对数据和系统的特性较为透彻的理解，提高所建模型的可观性，该方法可以有效弥补长期以来基于时域分析法所建模型的不足，充分考虑发电机组励磁系统模型的频域特性，从而有效提高改善实际励磁系统的模型的准确性、可靠性和实用性，为传统发电机组励磁系统建模提供了新方法。

有益效果：本发明提供的基于频域法的发电机组励磁系统建模方法，可适用于各种类型的机组励磁系统的建模，摆脱了传统基于时域法进行建模的局限性；同时基于本方法建立的模型能够精确反映励磁系统每个环节的参数，同时能够使所建模型充分兼顾以往疏忽的系统重要指标——频域特性。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为励磁系统框图；

图3为发电机组空载模型；

图4为励磁系统实测相频特性曲线；

图5为励磁系统实测幅频特性曲线；

图6为励磁系统初始模型相频特性曲线；

图7为励磁系统初始模型幅频特性曲线；

图8为实测与初始模型相频特性曲线比对图；

图9为实测与初始模型幅频特性曲线比对图；

图10为实测与优化模型相频特性曲线比对图；

图11为实测与优化模型幅频特性曲线比对图；

图12为优化模型阶跃试验波形；

图13为系统实测阶跃试验波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

以下以江苏徐矿综合利用发电有限公司一期工程一号机组为例，结合附图具体对本发明方法加以描述，整个流程如图1所示，具体步骤如下述说明。

步骤一：获取励磁系统模型及相关初始参数

由试验员提供的报告可知该机组采用了自并励励磁方式，励磁调节器采用了ABB公司生产的UNITROL 5000型励磁系统。励磁系统的结构框图见图2。

经过查阅技术报告和研究分析选取BPA软件中与本机组励磁装置最为接近的FV型励磁模型作为建模目标模型。

由于现场实测试验时发电机是处于运行状态的，为确保条件相同，故建模时也应包含发电机组模型。本次频域法分析建模更关心的是励磁系统的特性，故这里一般采用发电机的简化模型已满足要求。发电机简化后的空载模型可以用一个一阶惯性环节表示，该惯性环节框图如图3所示。

由现场测试员报告中提供的发电机简化模型参数：K_g=0.49，T_g=0.49×8.724=4.27s；其中，K_g表示其放大倍数，T_g则表示一阶惯性时间常数。

步骤二：提取发电机组励磁系统实测频域特性

基于频率扫描法对发电机组励磁系统现场空载试验所录数据进行处理，从而提取此发电机组励磁系统实际的幅频特性和相频特性曲线分别如图4和5所示。

步骤三：建立励磁系统的数学模型

在不影响系统特性和符合操作规程的前提下对原始系统模型进行合理转化，得到系统可观的传递函数数学表达式。江苏徐矿综合利用发电有限公司一期工程一号机组的励磁系统在此采用BPA中包含的FV模型作为建模标准，按照经验做出合理简化，则经过前期分析处理和研究得出此机组的励磁系统简化结构所对应的系统传递函数表达式为：

$G\left(s\right)=\frac{K(1+{\mathrm{ST}}_1)}{K_V+{\mathrm{ST}}_2}*\frac{1+{\mathrm{ST}}_3}{1+{\mathrm{ST}}_4}*\frac{K_A}{1+{\mathrm{ST}}_A}*{(1+\frac{K_A}{1+{\mathrm{ST}}_A}*\frac{{\mathrm{SK}}_F}{1+S{K}_F})}^{-1}---\left(1\right)$

其中，K表示调节器增益（pu），K_V表示比例积分或纯积分调节选择因子，T₁、T₂、T₃、T₄表示电压调节器时间常数（秒），K_A表示调压器增益（pu），T_A表示调压器放大器的时间常数（秒），K_F表示调压器稳定回路增益（pu），T_F表示调压器稳定回路时间常数（秒）。

发电机组励磁系统的建模时仍须考虑发电机作用，但不再考虑发电机组的详细结构和特性，只需采用简化模型，故在此将江苏徐矿综合利用发电有限公司一号发电机模型简化为如下表达式：

$G_g\left(s\right)=\frac{\mathrm{Kg}}{1+\mathrm{sTg}}---\left(2\right)$

则整个发电机组励磁系统的闭环传递函数数学应为：

$F\left(s\right)=\frac{G\left(s\right)}{1+G_g\left(s\right)G\left(s\right)}---\left(3\right)$

步骤四：发电机组励磁系统初步建模

根据所建立的传递函数表达式，在计算机软件中搭建对应的相关系统模型，同时赋予模型各部分的对应初始参数（根据式（1）从获取的所有参数中提取有效初始参数如表1所示），获得基于初始化参数的初始模型；对初始模型进行初始仿真分析，获得初始试验曲线，继而提取初始模型的幅频特性和相频特性曲线分别如图6和图7所示。

表1初始模型励磁系统参数

步骤五：发电机组励磁系统模型的参数优化

提取发电机励磁系统实测频谱特性曲线和初始模型的频谱特性曲线分析，获得两者之间存在的误差如图8所示；通过比对可以发现两者存在之间存在较大的误差，一般而言对于系统频谱特性侧重于关注系统的相频特性情况，由于其反映了系统各频段内的相位滞后情况。利用MATLAB软件按照设定的扫描频率点间隔分析比对发电机励磁系统实际频谱曲线和初始模型的频谱特性曲线，从而获得两者之间各扫描频率点处存在的误差值；以各扫描频率点处误差数值加权和最小为目标函数，运用基于人工蜂群搜索算子的改进微粒群算法对模型中的部分参数进行优化调整。目标函数J为：

$\min J=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}|{\mathrm{\θ}}_s\left(f_i\right)-{\mathrm{\θ}}_m\left(f_i\right)|---\left(4\right)$

N=f_end/n    (5)

其中θ_s(f_i)代表励磁系统在采样f_i频率点处实际相位滞后角；θ_m(f_i)代表所建励磁系统模型在f_i频率处实际相位滞后角；取频率扫描间隔为nHz，扫描截止频率为f_end；则f_i=n*i，N＝f_end/n。

通过优化后由此得到当目标函数J为全局最小值时模型的最优参数，据此更新初始模型参数，同时进行系统的初始仿真分析，继而运用频率扫描法提取最新模型的相频特性如图10所示。由图可见两者在一定范围内非常吻合，只是由于现场实测录波时存在一些干扰，导致高频部分存在一些谐波，但不影响分析的结果。

同时提取经过参数优化后的优化模型幅频特性如图11所示，由此可见幅频特性也得到明显改善，与励磁系统实际情况更趋于吻合。两者的形状基本相同，只是存在倍数上的微小差异，这与测试仪器和光耦的放大倍数、变压器的变比修正有关，但由于考虑到现场的环境复杂和设备精度等问题其的误差仍在可接受范围内。

于是即可认为所建立的优化模型在频域特性范围内符合要求有效。频域分析法励磁系统建模所确定的最终参数如表2所示。

表2优化模型励磁系统参数

上述发电机组励磁系统建模技术是侧重以系统的频域特性为建模的参考系，并未考虑系统的另一重要特性——时域特性。这里对基于频域分析法所建的发电机组励磁系统模型进行时域仿真，以验证其的有效性和正确性。根据表2的励磁系统确定参数在BPA软件中完成该模型的数据卡片填写，进行空载机组的电压给定±5％阶跃模拟试验，得到仿真结果如图12所示。同时此发电机空载时电压给定±5％阶跃响应现场试验录波图见图13所示。通过比较可见两者波形基本一致，同时对两者进行数据分析处理得到如表3所示的结果。

表3阶跃响应的仿真和实测信息对比

	阶跃量	超调量(％)	达90％时间(s)	峰值时间(s)
					实测结果	+5％	9.8	0.31	0.74
仿真结果	+5％	9.2	0.34	0.76
					实测结果	-5％	9.8	0.30	0.75
仿真结果	-5％	8.8	0.34	0.72

对于实测结果与仿真结果的比较分析，需要达到国家电力调度通信中心文件——《关于下发“对稳定计算用励磁系统和电力系统稳定器建模和参数测量的要求”的通知》中对于励磁系统模型仿真标准进行了如下规定：

用稳定计算用发电机模型，完成发电机空载条件下的阶跃响应仿真。仿真结果与试验结果的误差应在下述范围内：

①发电机电压上升时间（即达90％时间）相差不大于0.1秒

②峰值时间相差不大于0.1秒

③超调量相差不大于50％

④调整时间相差不大于2秒

由上表可见，仿真结果与实测结果在超调量、上升时间和峰值时间上都比较接近，误差满足国家电网调度中心下达的励磁系统建模相关标准，可以认为该所建模型与实测模型具有相近的动态特性。由此可见运用该技术所建的发电机组励磁系统模型在很大程度可以同时兼顾系统的时域和频域特性，使模型更趋合理准确；从而体现出频域分析法建模的优势，因此该技术拥有良好的应用前景和价值。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于频域法的发电机组励磁系统建模方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

（1）获取包括现场试验和设备制造商提供的出厂试验资料在内的原始基础技术数据，并据此初步确定该发电机组和所使用励磁系统的模型；同时收集模型各部分所对应的相关初始参数，包括发电机组、励磁变及励磁系统各部分的初始参数；

（2）基于频率扫描法对发电机组励磁系统现场空载试验所录数据进行处理，据此提取该发电机组励磁系统实际的幅频特性和相频特性曲线；

（3）对步骤（1）中确定的发电机组和所使用励磁系统的模型，按照经验做出简化，建立发电机组励磁系统详细的传递函数表达式，将抽象的图形化模型转化为直观的数学公式化模型；

（4）对步骤（3）中建立的传递函数表达式，在计算机软件中搭建对应的相关系统模型，对该系统模型赋予步骤（1）中收集到的初始参数，获得基于初始化参数的初始模型；对初始模型进行初始仿真分析，获得初始试验曲线，继而提取初始模型的幅频特性和相频特性曲线；

（5）利用MATLAB软件按照设定的扫描频率点间隔分析比对实际的频谱特性曲线和初始模型的频谱特性曲线，获得两者之间各扫描频率点处存在的误差值；以各扫描频率点处误差数值加权和最小为目标函数，运用基于人工蜂群收索算子的改进微粒群算法对初始模型中的部分参数进行优化调整，获得参数优化调整后的优化模型，使得实际的频谱特性和优化模型的频谱特性在合理范围内吻合，该优化模型即基于频域法的发电机组励磁系统模型；

目标函数J为：

$\min J=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}|{\mathrm{\θ}}_s\left(f_i\right)-{\mathrm{\θ}}_m\left(f_i\right)|,N=f_{\mathrm{end}}/n$

其中θ_s(f_i)代表励磁系统在采样f_i频率点处实际相位滞后角；θ_m(f_i)代表所建励磁系统模型在f_i频率处实际相位滞后角；取频率扫描间隔为nHz，扫描截止频率为f_end；则f_i=n*i，N＝f_end/n。

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