CN104361172A - 次同步谐振的机电联合仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种次同步谐振的机电联合仿真方法及系统，其中，方法包括以下步骤：获取电力系统的建模参数，在PSCAD软件中建立电气模型；获取汽轮发电机组轴系的建模参数，在ANSYS软件中建立连续质块轴系模型；设置状态文件与数据文件；建立数据通信接口；在接收启动信号之后，通过电气模型和连续质块轴系模型实现PSCAD软件和ANSYS软件的联合仿真。本发明实施例的方法通过PSCAD软件与ANSYS软件的联合计算，将复杂的机械轴系应用于时域仿真分析，从而能直接获取轴系各部位详细的扭矩变化，为后续的疲劳分析奠定了基础，实现更加完整的机电耦合动态分析，提高分析的准确度。

Description

次同步谐振的机电联合仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别涉及一种次同步谐振的机电联合仿真方法及系统。

背景技术

SSR(SubSynchrous Resonance，次同步谐振)问题的分析中常常使用时域仿真法，即利用PSCAD/EMTDC等电磁暂态仿真软件对电力系统及其微分方程进行建模与求解。在应用该方法分析SSR时，相应的各系统部件及其整体需要采用电磁暂态模型。而其中，发电机组的轴系机械系统的模型是不可或缺的。

相关技术中，例如在PSCAD(Power Systems Computer Aided Design，电磁暂态仿真软件)/EMTDC(Electromagnetic Transients including DC，仿真计算核心)这样的机网耦合仿真软件中，多采用简单分段集中质块-弹簧模型，它一方面由于较好地保留了机组次同步扭振模式的动态特性，因而可以用于分析SSR的稳定性与机网之间的次同步能量交换过程，另一方面由于阶数较低，便于快速计算，节省时域仿真时间。然而，相比多段和连续质块模型，简单模型不考虑轴系的具体结构，因而无法对机网相互作用中轴系特定轴段的动态过程进行分析。

并且，在实际工程中，疲劳分析往往是次同步分析的关键，而轴系各部位详细的扭矩变化情况则是疲劳分析的基础和前提。由于简化轴系模型的缺陷，传统的SSR分析无法得到轴系详细的扭矩参数，因而不能用于疲劳分析，得到的SSR分析结果是不完整的。

进一步地，常见的变通做法是先采用等效的简化质块模型与电网迭代求解，然后将得到的电磁扭矩作为激励作用于ANSYS中的复杂轴系模型，或是分别施加各阶频率的扭矩激励，来观察轴系更详细的响应，如应力和形变特性等。然而，这种机电分离的分析方式在理论上存在瑕疵，得到的分析结果也会有较大的偏差。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种能提高分析的准确度的，简单方便的次同步谐振的机电联合仿真方法。

本发明的另一个目的在于提出一种次同步谐振的机电联合仿真系统。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种次同步谐振的机电联合仿真方法，包括以下步骤：获取电力系统的第一建模参数，并根据所述第一建模参数在电磁暂态仿真PSCAD软件中建立电气模型；获取汽轮发电机组轴系的第二建模参数，并根据所述第二建模参数在ANSYS软件中建立连续质块轴系模型；分别设置所述PSCAD软件和所述ANSYS软件对应的状态文件与数据文件，其中，状态文件用于表示所述PSCAD软件和ANSYS软件是否已经完成当前步长的运算，数据文件用于存储转速、电磁和机械转矩；建立数据通信接口，以通过所述数据通信接口进行所述PSCAD软件和ANSYS软件之间的数据通信；以及在接收启动信号之后，通过所述电气模型和所述连续质块轴系模型实现所述PSCAD软件和ANSYS软件的联合仿真。

根据本发明实施例提出的次同步谐振的机电联合仿真方法，通过PSCAD软件与ANSYS软件的联合计算，将复杂的机械轴系应用于时域仿真分析，从而能直接获取轴系各部位详细的扭矩变化，为后续的疲劳分析奠定了基础，实现更加完整的机电耦合动态分析，提高分析的准确度。

另外，根据本发明上述实施例的次同步谐振的机电联合仿真方法还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述PSCAD软件和ANSYS软件采用延时同步方式启动联合仿真。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述根据所述第二建模参数在ANSYS软件中建立连续质块轴系模型之前，还包括：设置所述ANSYS的瑞利阻尼参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过模式阻尼根据以下公式获取所述瑞利阻尼参数，所述公式为：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{2}(\mathrm{\α}+{{\mathrm{\βp}}_r}^2)$

其中，σ_r和p_r分别表示模式阻尼和对应的模式频率，α、β分别表示所述瑞利阻尼参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在已知阻尼矩阵的具体参数时，通过对阻尼矩阵中所有元素进行最小二乘法拟合获取所述瑞利阻尼参数，所述公式为：

$\min z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[C_{\mathrm{ij}}-({\mathrm{\αM}}_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\βK}}_{\mathrm{ij}})]}^2$

其中，C表示阻尼矩阵，M表示质量矩阵，K表示刚度矩阵，α、β分别表示所述瑞利阻尼的参数。

本发明另一方面实施例提出了一种次同步谐振的机电联合仿真系统，包括：第一创建模块，用于获取电力系统的第一建模参数，并根据所述第一建模参数在电磁暂态仿真PSCAD软件中建立电气模型；第二创建模块，用于获取汽轮发电机组轴系的第二建模参数，并根据所述第二建模参数在ANSYS软件中建立连续质块轴系模型；文件设置模块，用于分别设置所述PSCAD软件和所述ANSYS软件对应的状态文件与数据文件，其中，状态文件用于表示所述PSCAD软件和ANSYS软件是否已经完成当前步长的运算，数据文件用于存储转速、电磁和机械转矩；建立模块，用于建立数据通信接口，以通过所述数据通信接口进行所述PSCAD软件和ANSYS软件之间的数据通信；以及仿真模块，用于在接收启动信号之后，通过所述电气模型和所述连续质块轴系模型实现所述PSCAD软件和ANSYS软件的联合仿真。

根据本发明实施例提出的次同步谐振的机电联合仿真系统，通过PSCAD软件与ANSYS软件的联合计算，将复杂的机械轴系应用于时域仿真分析，从而能直接获取轴系各部位详细的扭矩变化，为后续的疲劳分析奠定了基础，实现更加完整的机电耦合动态分析，提高分析的准确度。

另外，根据本发明上述实施例的次同步谐振的机电联合仿真系统还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述PSCAD软件和ANSYS软件采用延时同步方式启动联合仿真。

进一步地，在本发明的一个实施例中，上述系统还包括：参数设置模块，用于设置所述ANSYS的瑞利阻尼参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过模式阻尼根据以下公式获取所述瑞利阻尼参数，所述公式为：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{2}(\mathrm{\α}+{{\mathrm{\βp}}_r}^2)$

其中，σ_r和p_r分别表示模式阻尼和对应的模式频率，α、β分别表示所述瑞利阻尼参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在已知阻尼矩阵的具体参数时，通过对阻尼矩阵中所有元素进行最小二乘法拟合获取所述瑞利阻尼参数，所述公式为：

$\min z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[C_{\mathrm{ij}}-({\mathrm{\αM}}_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\βK}}_{\mathrm{ij}})]}^2$

其中，C表示阻尼矩阵，M表示质量矩阵，K表示刚度矩阵，α、β分别表示所述瑞利阻尼的参数。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的次同步谐振的机电联合仿真方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的次同步谐振的机电联合仿真方法的总体架构示意图；

图3为根据本发明一个具体实施例的次同步谐振的机电联合仿真方法的流程图；

图4为根据本发明一个实施例的次同步谐振的机电联合仿真系统的结构示意图；以及

图5为根据本发明一个具体实施例的次同步谐振的机电联合仿真系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的次同步谐振的机电联合仿真方法及系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的次同步谐振的机电联合仿真方法。参照图1所示，该方法包括以下步骤：

S101，获取电力系统的第一建模参数，并根据第一建模参数在电磁暂态仿真PSCAD软件中建立电气模型。

S102，获取汽轮发电机组轴系的第二建模参数，并根据第二建模参数在ANSYS软件中建立连续质块轴系模型。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在根据第二建模参数在ANSYS软件中建立连续质块轴系模型之前，还包括：设置ANSYS的瑞利阻尼参数。

在本发明的一个实施例中，通过模式阻尼根据以下公式获取瑞利阻尼参数，公式为：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{2}(\mathrm{\α}+{{\mathrm{\βp}}_r}^2)$

其中，σ_r和p_r分别表示模式阻尼和对应的模式频率，α、β分别表示所述瑞利阻尼参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在已知阻尼矩阵的具体参数时，通过对阻尼矩阵中所有元素进行最小二乘法拟合获取瑞利阻尼参数，公式为：

$\min z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[C_{\mathrm{ij}}-({\mathrm{\αM}}_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\βK}}_{\mathrm{ij}})]}^2$

其中，C表示阻尼矩阵，M表示质量矩阵，K表示刚度矩阵，α、β分别表示瑞利阻尼的参数。也就是说，本发明实施例可以通过阻尼矩阵参数获取瑞利阻尼参数。

具体地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例利用模式阻尼来计算ANSYS所需的瑞利阻尼参数。利用模式阻尼和瑞利阻尼系数之间的关系(近似认为固有频率和模式频率相等)：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{2}(\mathrm{\α}+{{\mathrm{\βp}}_r}^2)$

式中σ_r和p_r为测量得到的模式阻尼和对应的模式频率。可以根据低阶的两个振型直接计算瑞利阻尼的α、β参数，也可以根据多个振型利用最小二乘法来拟合得到。

或者，在已知具体的阻尼矩阵参数时，也可以采用对矩阵的所有元素进行最小二乘的方法来拟合得到α、β的值：

$\min z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[C_{\mathrm{ij}}-({\mathrm{\αM}}_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\βK}}_{\mathrm{ij}})]}^2$

s.t.0＞0,0＞0

式中，C表示阻尼矩阵，M表示质量矩阵，K表示刚度矩阵。

S103，分别设置PSCAD软件和ANSYS软件对应的状态文件与数据文件，其中，状态文件用于表示PSCAD软件和ANSYS软件是否已经完成当前步长的运算，数据文件用于存储转速、电磁和机械转矩。

其中，在本发明的一个实施例中，参照图2所示，本发明实施例设置了状态文件Status_PSCAD.dat和Status_ANSYS.dat，分别表示PSCAD和ANSYS是否已经完成当前步长的运算，而数据文件Temp_Wrad.dat和Temp_TmTe.dat分别用来存储转速和电磁、机械转矩。

S104，建立数据通信接口，以通过数据通信接口进行PSCAD软件和ANSYS软件之间的数据通信。

具体地，在本发明的一个实施例中，参照图2所示，根据厂家提供或现场测量得到的相关参数相当于电力系统的建模参数汽轮发电机组轴系的建模参数，在PSCAD中建立电气模型，在ANSYS中建立复杂轴系模型即连续质块轴系模型，也可称为机械轴系模型。进一步地，在PSCAD中建立数据交换模块和延时启动模块，通过底层Fortran代码实现相应功能。根据ANSYS模型编写APDL命令流文件，总体采用循环载荷步方式，实现数据交换等功能。底层设置相应的状态文件和数据文件。

其中，在本发明的一个实施例中，PSCAD软件和ANSYS软件的接口方式为数据通信，即通过对底层数据或状态文件的读取和写入，实现软件间转速和转矩等接口信息的交换，而不是通过对软件的外部直接控制来实现。

一、PSCAD的数据交换：

在PSCAD中建立数据通信模块，通过底层的Fortran代码实现两个主要功能：一是在本步计算开始前，反复读取ANSYS计算状态文件，确认后读取包含转速的数据文件并将得到的转速输出到发电机模块；二是在本步计算结束时，将从发电机模块新得到的两个转矩存储在数据文件中，并对PSCAD计算状态文件进行修改，等待ANSYS读取数据和计算。

二、ANSYS的数据交换：

在ANSYS中采用APDL命令流的方式，使用*VREAD和*MWRITE作为核心的读写命令，实现的功能和PSCAD数据交换模块对应相似。

S105，在接收启动信号之后，通过电气模型和连续质块轴系模型实现PSCAD软件和ANSYS软件的联合仿真。

进一步地，在本发明的一个实施例中，参照图2所示，PSCAD软件和ANSYS软件采用延时同步方式启动联合仿真。

本发明实施例采用了延时同步的方式，即在最开始的一段时间内并不将PSCAD软件和ANSYS软件进行联合计算，而是仍然使用PSCAD自带的简单质块模型。其中，由于在PSCAD的发电机、轴系、励磁机等其他模块中都有所谓的“启动”信号，在该信号到来前，各模块保持理想的稳定状态，内部方程也处于保持状态而不计算。而在ANSYS轴系模型中并没有类似的设置，因此本发明实施例在启动信号到来的瞬间再将ANSYS的复杂轴系模型接入即连续质块轴系模型，使联合计算延时启动，弥补了ANSYS模型的不足。

具体地，在本发明的一个实施例中，首先启动PSCAD，启动信号未到来时，PSCAD的电气模型和自带的轴系简单质块模型相连，系统达到稳态。当启动信号到来时，由于此时ANSYS未开始运行，状态文件未被修改，PSCAD侧处于循环等待状态。在ANSYS中运行命令流文件，联合仿真启动，按照图3所示的流程循环计算，直到达到预设的仿真时间。

可以理解的是，参照图2所示，本发明实施例的核心思想就是在每一个计算步长内，PSCAD的电气模型将发电机模块输出的电磁转矩和机械转矩传递给ANSYS的机械轴系模型，ANSYS计算出变化后的转速并将其反馈回PSCAD，通过数据交换实现模型的替代和计算的联合。进一步地，下面参照图3对联合仿真流程进行详细描述。

在本发明的一个实施例中，参照图3所示，本发明实施例由于使用了延时同步的方式，PSCAD首先启动，并使用自带的轴系模块计算，发电机转子转速保持恒定，各模块信号保持合适的初始值，使整个系统将处于稳态。

当启动信号(Transition Signal)到来时，PSCAD不再将自带的轴系模块接入系统，而是反复读取表示ANSYS运行情况的状态文件Status_ANSYS，由于此时ANSYS尚未启动，该状态量并未改变，PSCAD一直处于循环等待的状态。

此时将ANSYS启动，读取APDL命令流文件，程序首先读取表示PSCAD运行情况的状态文件Status_PSCAD，由于之前PSCAD运行过程中已经将该状态量初始值置为1，因此ANSYS程序继续运行。程序整体采用循环载荷步的架构，首先从转矩文件Temp_TmTe.dat中获取电磁转矩和机械转矩的初始值(PSCAD预先存入其中)，将这两个转矩作为载荷施加到轴系模型中，然后进行一个载荷步的求解，将求解得到的位移结果进行处理，获得发电机转子变化后的转速，并将该数据存入转速文件Temp_Wrad.dat中。接着修改状态文件，将Status_ANSYS置为1，表示本步长计算完毕，再将Status_PSCAD置为0，等待PSCAD的计算和修改。然后，对运行进度和项目文件进行保存，一方面记录位移、转矩、应力等计算结果，另一方面防止意外情况导致的仿真中断。最后，判断是否达到预先的载荷步循环次数，未达到则继续循环扫描状态文件Status_PSCAD，等待下一个载荷步的计算。

当ANSYS运行完一个载荷步的计算，PSCAD扫描发现Status_ANSYS＝1时，PSCAD的自定义数据通信模块从转速文件中读取ANSYS刚刚存入的变化后的转速数据，并将其输出给发电机模块，整个系统开始一个步长的计算。接着自定义模块从发电机模块的输出中获取机械和电磁转矩，并将数据存入转矩文件中共ANSYS读取。然后修改状态文件，通知ANSYS可以进行下一步的运算。由于PSCAD有自动保存数据的接口，因此不需要自定义模块通过Fortran程序对仿真结果进行更细节的控制。最后，判断是否达到预先设定的仿真时间，若未达到，则继续扫描状态文件并等待下一个步长的计算。

总体来看，PSCAD和ANSYS的单步长计算互不干扰，但一方运行完毕，另一方才能开始计算；一方处于计算过程中时，另一方始终处于循环等待状态。换句话说，两个软件处于“空间上并行，时间上串行”的联合仿真状态。

本发明实施例利用ANSYS的复杂质块模型来替代PSCAD自带的简单质块模型，通过数据接口实现联合仿真，从而将两个软件的优势结合起来，对电力系统的次同步谐振风险、机组轴系扭振响应、应力应变与疲劳寿命等问题进行时域仿真分析，进行更加完整的机电耦合动态分析，具有良好的应用前景。

其中，从PSCAD仿真结果中可以获取发电机转子转速和电磁转矩的变化情况等数据，通过频谱分析等处理方式可以对系统的次同步谐振风险进行评估。进一步地，从ANSYS仿真结果中可以获取轴系具体部位的扭矩变化情况，根据轴颈局部尺寸可以对比确定轴系扭振的危险部位，并可以利用有限元分析得到各危险部位的应力应变情况，从而对轴系疲劳损伤进行评估。

根据本发明实施例提出的次同步谐振的机电联合仿真方法，对于存在次同步谐振风险的电气系统和存在轴系安全风险的发电机组，通过PSCAD软件与ANSYS软件的联合计算，即利用ANSYS的复杂质块模型来替代PSCAD自带的简单模型，并且通过数据接口实现联合仿真，将复杂的机械轴系应用于时域仿真分析，从而能直接获取轴系各部位详细的扭矩变化，为后续的疲劳分析奠定了基础，实现更加完整的机电耦合动态分析，提高分析的准确度，具有良好的应用前景。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的次同步谐振的机电联合仿真系统。参照图4所示，该仿真系统10包括：第一创建模块100、第二创建模块200、文件设置模块300、建立模块400和仿真模块500。

其中，第一创建模块100用于获取电力系统的第一建模参数，并根据第一建模参数在电磁暂态仿真PSCAD软件中建立电气模型。第二创建模块200用于获取汽轮发电机组轴系的第二建模参数，并根据第二建模参数在ANSYS软件中建立连续质块轴系模型。文件设置模块300用于分别设置PSCAD软件和ANSYS软件对应的状态文件与数据文件，其中，状态文件用于表示PSCAD软件和ANSYS软件是否已经完成当前步长的运算，数据文件用于存储转速、电磁和机械转矩。建立模块400用于建立数据通信接口，以通过数据通信接口进行PSCAD软件和ANSYS软件之间的数据通信。仿真模块500用于在接收启动信号之后，通过电气模型和连续质块轴系模型实现PSCAD软件和ANSYS软件的联合仿真。

进一步地，在本发明的一个实施例中，参照图5所示，上述仿真系统10还包括：参数设置模块600。其中，参数设置模块600用于设置ANSYS的瑞利阻尼参数。

在本发明的一个实施例中，通过模式阻尼根据以下公式获取瑞利阻尼参数，公式为：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{2}(\mathrm{\α}+{{\mathrm{\βp}}_r}^2)$

其中，σ_r和p_r分别表示模式阻尼和对应的模式频率，α、β分别表示所述瑞利阻尼参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在已知阻尼矩阵的具体参数时，通过对阻尼矩阵中所有元素进行最小二乘法拟合获取瑞利阻尼参数，公式为：

$\min z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[C_{\mathrm{ij}}-({\mathrm{\αM}}_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\βK}}_{\mathrm{ij}})]}^2$

其中，C表示阻尼矩阵，M表示质量矩阵，K表示刚度矩阵，α、β分别表示瑞利阻尼的参数。也就是说，本发明实施例可以通过阻尼矩阵参数获取瑞利阻尼参数。

具体地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例利用模式阻尼来计算ANSYS所需的瑞利阻尼参数。利用模式阻尼和瑞利阻尼系数之间的关系(近似认为固有频率和模式频率相等)：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{2}(\mathrm{\α}+{{\mathrm{\βp}}_r}^2)$

式中σ_r和p_r为测量得到的模式阻尼和对应的模式频率。可以根据低阶的两个振型直接计算瑞利阻尼的α、β参数，也可以根据多个振型利用最小二乘法来拟合得到。

或者，在已知具体的阻尼矩阵参数时，也可以采用对矩阵的所有元素进行最小二乘的方法来拟合得到α、β的值：

$\min z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[C_{\mathrm{ij}}-({\mathrm{\αM}}_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\βK}}_{\mathrm{ij}})]}^2$

s.t.0＞0,0＞0

式中，C表示阻尼矩阵，M表示质量矩阵，K表示刚度矩阵。

进一步地，在本发明的一个实施例中，参照图2所示，本发明实施例设置了状态文件Status_PSCAD.dat和Status_ANSYS.dat，分别表示PSCAD和ANSYS是否已经完成当前步长的运算，而数据文件Temp_Wrad.dat和Temp_TmTe.dat分别用来存储转速和电磁、机械转矩。

具体地，在本发明的一个实施例中，参照图2所示，根据厂家提供或现场测量得到的相关参数相当于电力系统的建模参数汽轮发电机组轴系的建模参数，在PSCAD中建立电气模型，在ANSYS中建立复杂轴系模型即连续质块轴系模型，也可称为机械轴系模型。进一步地，在PSCAD中建立数据交换模块和延时启动模块，通过底层Fortran代码实现相应功能。根据ANSYS模型编写APDL命令流文件，总体采用循环载荷步方式，实现数据交换等功能。底层设置相应的状态文件和数据文件。

其中，在本发明的一个实施例中，PSCAD软件和ANSYS软件的接口方式为数据通信，即通过对底层数据或状态文件的读取和写入，实现软件间转速和转矩等接口信息的交换，而不是通过对软件的外部直接控制来实现。

一、PSCAD的数据交换：

在PSCAD中建立数据通信模块，通过底层的Fortran代码实现两个主要功能：一是在本步计算开始前，反复读取ANSYS计算状态文件，确认后读取包含转速的数据文件并将得到的转速输出到发电机模块；二是在本步计算结束时，将从发电机模块新得到的两个转矩存储在数据文件中，并对PSCAD计算状态文件进行修改，等待ANSYS读取数据和计算。

二、ANSYS的数据交换：

在ANSYS中采用APDL命令流的方式，使用*VREAD和*MWRITE作为核心的读写命令，实现的功能和PSCAD数据交换模块对应相似。

进一步地，在本发明的一个实施例中，参照图2所示，PSCAD软件和ANSYS软件采用延时同步方式启动联合仿真。

本发明实施例采用了延时同步的方式，即在最开始的一段时间内并不将PSCAD软件和ANSYS软件进行联合计算，而是仍然使用PSCAD自带的简单质块模型。其中，由于在PSCAD的发电机、轴系、励磁机等其他模块中都有所谓的“启动”信号，在该信号到来前，各模块保持理想的稳定状态，内部方程也处于保持状态而不计算。而在ANSYS轴系模型中并没有类似的设置，因此本发明实施例在启动信号到来的瞬间再将ANSYS的复杂轴系模型接入即连续质块轴系模型，使联合计算延时启动，弥补了ANSYS模型的不足。

具体地，在本发明的一个实施例中，首先启动PSCAD，启动信号未到来时，PSCAD的电气模型和自带的轴系简单质块模型相连，系统达到稳态。当启动信号到来时，由于此时ANSYS未开始运行，状态文件未被修改，PSCAD侧处于循环等待状态。在ANSYS中运行命令流文件，联合仿真启动，按照图3所示的流程循环计算，直到达到预设的仿真时间。

可以理解的是，参照图2所示，本发明实施例的核心思想就是在每一个计算步长内，PSCAD的电气模型将发电机模块输出的电磁转矩和机械转矩传递给ANSYS的机械轴系模型，ANSYS计算出变化后的转速并将其反馈回PSCAD，通过数据交换实现模型的替代和计算的联合。进一步地，下面参照图3对联合仿真流程进行详细描述。

在本发明的一个实施例中，参照图3所示，本发明实施例由于使用了延时同步的方式，PSCAD首先启动，并使用自带的轴系模块计算，发电机转子转速保持恒定，各模块信号保持合适的初始值，使整个系统将处于稳态。

当启动信号(Transition Signal)到来时，PSCAD不再将自带的轴系模块接入系统，而是反复读取表示ANSYS运行情况的状态文件Status_ANSYS，由于此时ANSYS尚未启动，该状态量并未改变，PSCAD一直处于循环等待的状态。

此时将ANSYS启动，读取APDL命令流文件，程序首先读取表示PSCAD运行情况的状态文件Status_PSCAD，由于之前PSCAD运行过程中已经将该状态量初始值置为1，因此ANSYS程序继续运行。程序整体采用循环载荷步的架构，首先从转矩文件Temp_TmTe.dat中获取电磁转矩和机械转矩的初始值(PSCAD预先存入其中)，将这两个转矩作为载荷施加到轴系模型中，然后进行一个载荷步的求解，将求解得到的位移结果进行处理，获得发电机转子变化后的转速，并将该数据存入转速文件Temp_Wrad.dat中。接着修改状态文件，将Status_ANSYS置为1，表示本步长计算完毕，再将Status_PSCAD置为0，等待PSCAD的计算和修改。然后，对运行进度和项目文件进行保存，一方面记录位移、转矩、应力等计算结果，另一方面防止意外情况导致的仿真中断。最后，判断是否达到预先的载荷步循环次数，未达到则继续循环扫描状态文件Status_PSCAD，等待下一个载荷步的计算。

当ANSYS运行完一个载荷步的计算，PSCAD扫描发现Status_ANSYS＝1时，PSCAD的自定义数据通信模块从转速文件中读取ANSYS刚刚存入的变化后的转速数据，并将其输出给发电机模块，整个系统开始一个步长的计算。接着自定义模块从发电机模块的输出中获取机械和电磁转矩，并将数据存入转矩文件中共ANSYS读取。然后修改状态文件，通知ANSYS可以进行下一步的运算。由于PSCAD有自动保存数据的接口，因此不需要自定义模块通过Fortran程序对仿真结果进行更细节的控制。最后，判断是否达到预先设定的仿真时间，若未达到，则继续扫描状态文件并等待下一个步长的计算。

总体来看，PSCAD和ANSYS的单步长计算互不干扰，但一方运行完毕，另一方才能开始计算；一方处于计算过程中时，另一方始终处于循环等待状态。换句话说，两个软件处于“空间上并行，时间上串行”的联合仿真状态。

本发明实施例利用ANSYS的复杂质块模型来替代PSCAD自带的简单质块模型，通过数据接口实现联合仿真，从而将两个软件的优势结合起来，对电力系统的次同步谐振风险、机组轴系扭振响应、应力应变与疲劳寿命等问题进行时域仿真分析，进行更加完整的机电耦合动态分析，具有良好的应用前景。

其中，从PSCAD仿真结果中可以获取发电机转子转速和电磁转矩的变化情况等数据，通过频谱分析等处理方式可以对系统的次同步谐振风险进行评估。进一步地，从ANSYS仿真结果中可以获取轴系具体部位的扭矩变化情况，根据轴颈局部尺寸可以对比确定轴系扭振的危险部位，并可以利用有限元分析得到各危险部位的应力应变情况，从而对轴系疲劳损伤进行评估。

根据本发明实施例提出的次同步谐振的机电联合仿真系统，对于存在次同步谐振风险的电气系统和存在轴系安全风险的发电机组，通过PSCAD软件与ANSYS软件的联合计算，即利用ANSYS的复杂质块模型来替代PSCAD自带的简单模型，并且通过数据接口实现联合仿真，将复杂的机械轴系应用于时域仿真分析，从而能直接获取轴系各部位详细的扭矩变化，为后续的疲劳分析奠定了基础，实现更加完整的机电耦合动态分析，提高分析的准确度，具有良好的应用前景。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种次同步谐振的机电联合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取电力系统的第一建模参数，并根据所述第一建模参数在电磁暂态仿真PSCAD软件中建立电气模型；

获取汽轮发电机组轴系的第二建模参数，并根据所述第二建模参数在ANSYS软件中建立连续质块轴系模型；

分别设置所述PSCAD软件和所述ANSYS软件对应的状态文件与数据文件，其中，状态文件用于表示所述PSCAD软件和ANSYS软件是否已经完成当前步长的运算，数据文件用于存储转速、电磁和机械转矩；

建立数据通信接口，以通过所述数据通信接口进行所述PSCAD软件和ANSYS软件之间的数据通信；以及

在接收启动信号之后，通过所述电气模型和所述连续质块轴系模型实现所述PSCAD软件和ANSYS软件的联合仿真。

2.根据权利要求1所述的次同步谐振的机电联合仿真方法，其特征在于，所述PSCAD软件和ANSYS软件采用延时同步方式启动联合仿真。

3.根据权利要求1所述的次同步谐振的机电联合仿真方法，其特征在于，在所述根据所述第二建模参数在ANSYS软件中建立连续质块轴系模型之前，还包括：设置所述ANSYS的瑞利阻尼参数。

4.根据权利要求3所述的次同步谐振的机电联合仿真方法，其特征在于，通过模式阻尼根据以下公式获取所述瑞利阻尼参数，所述公式为：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{2}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β}{p_r}^2)$

其中，σ_r和p_r分别表示模式阻尼和对应的模式频率，α、β分别表示所述瑞利阻尼参数。

5.根据权利要求3所述的次同步谐振的机电联合仿真方法，其特征在于，在已知阻尼矩阵的具体参数时，通过对阻尼矩阵中所有元素进行最小二乘法拟合获取所述瑞利阻尼参数，所述公式为：

$\min z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[C_{\mathrm{ij}}-(\mathrm{\α}{M}_{\mathrm{ij}}+\mathrm{\β}{K}_{\mathrm{ij}})]}^2$

其中，C表示阻尼矩阵，M表示质量矩阵，K表示刚度矩阵，α、β分别表示所述瑞利阻尼的参数。

6.一种次同步谐振的机电联合仿真系统，其特征在于，包括：

第一创建模块，用于获取电力系统的第一建模参数，并根据所述第一建模参数在电磁暂态仿真PSCAD软件中建立电气模型；

第二创建模块，用于获取汽轮发电机组轴系的第二建模参数，并根据所述第二建模参数在ANSYS软件中建立连续质块轴系模型；

文件设置模块，用于分别设置所述PSCAD软件和所述ANSYS软件对应的状态文件与数据文件，其中，状态文件用于表示所述PSCAD软件和ANSYS软件是否已经完成当前步长的运算，数据文件用于存储转速、电磁和机械转矩；

建立模块，用于建立数据通信接口，以通过所述数据通信接口进行所述PSCAD软件和ANSYS软件之间的数据通信；以及

仿真模块，用于在接收启动信号之后，通过所述电气模型和所述连续质块轴系模型实现所述PSCAD软件和ANSYS软件的联合仿真。

7.根据权利要求6所述的次同步谐振的机电联合仿真系统，其特征在于，所述PSCAD软件和ANSYS软件采用延时同步方式启动联合仿真。

8.根据权利要求6所述的次同步谐振的机电联合仿真系统，其特征在于，还包括：参数设置模块，用于设置所述ANSYS的瑞利阻尼参数。

9.根据权利要求8所述的次同步谐振的机电联合仿真系统，其特征在于，通过模式阻尼根据以下公式获取所述瑞利阻尼参数，所述公式为：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{2}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β}{p_r}^2)$

其中，σ_r和p_r分别表示模式阻尼和对应的模式频率，α、β分别表示所述瑞利阻尼参数。

10.根据权利要求8所述的次同步谐振的机电联合仿真系统，其特征在于，在已知阻尼矩阵的具体参数时，通过对阻尼矩阵中所有元素进行最小二乘法拟合获取所述瑞利阻尼参数，所述公式为：

$\min z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[C_{\mathrm{ij}}-(\mathrm{\α}{M}_{\mathrm{ij}}+\mathrm{\β}{K}_{\mathrm{ij}})]}^2$

其中，C表示阻尼矩阵，M表示质量矩阵，K表示刚度矩阵，α、β分别表示所述瑞利阻尼的参数。