CN105141208B - 发电机励磁系统模型pid校正环节转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电机励磁系统模型PID校正环节的实用转换方法，属于电力系统建模技术领域。本发明可将PSD‑BPA、FASTEST或PSASP软件定义的发电机励磁系统模型转换为相应的IEEE Std 421.5‑2005标准定义的励磁模型。与其它方法相比，本发明可在无需掌握目标软件的模块自定义功能前提下准确模拟原有励磁系统模型的幅频特性，避免在目标软件中搭建自定义模型的繁杂过程，在保证数据转换和仿真分析结果的可信度基础上有效提高模型转换效率。

Description

发电机励磁系统模型PID校正环节转换方法

技术领域

本发明属于电力系统建模技术领域，具体涉及一种将PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件定义的发电机励磁系统模型转换为IEEE Std 421.5-2005标准定义的励磁模型的PID校正环节实用转换方法。

背景技术

目前，国内的电力科研机构一般都具备一种或者几种电力系统仿真软件，其中应用最为普遍的是中国电力科学研究院开发的PSD-BPA、PSASP和国网电力科学研究院开发的FASTEST，以及国际上具有代表性的PSS/E、DIgSILENT/PowerFactory、EMTP、PSCAD/EMTDC等。这些仿真软件大都有各自规定的数据格式，数据之间并不是通用的。然而，有时为实现特定研究目的需选择适当的仿真分析工具，或采用多个软件进行校核比对，以确保结果的准确性。此时，必须实现数据转换。

发电机励磁系统起着向发电机提供励磁功率，维持发电机端电压或枢纽节点电压恒定的作用，其数学模型及参数对发电机的动态行为和电网动态安全稳定有重大影响。因此，实现其模型及参数的合理、准确转换对仿真分析结果的可信度至关重要。

对PSS/E、DIgSILENT/PowerFactory、EMTP、PSCAD/EMTDC等国际化软件而言，其励磁系统模型均基于IEEE Std 421.5-2005标准定义的励磁系统模型(下称“IEEE标准模型”，具体可参见文献：[1]IEEE 421.5-2005 Recommended Practice for Excitation SystemModels for Power System Stability Studies；[2]33.5 MODELLIBRARY.Siemens,USA；[3]PSCAD/EMTDC Online help v4.2.1.Manitoba,Canada)。而PSD-BPA、PSASP和FASTEST软件的励磁系统模型采用的则是中国电机工程学会励磁工作组在IEEE标准模型基础上提出的改进模型(具体可参见文献：[4]PSD-BPA暂态稳定程序用户手册(4.23版).北京：中国电力科学研究院,2012；[5]PSASP基础数据库用户手册(6.282版).北京：中国电力科学研究院,2012)。

具体而言，对IEEE在1968年和1981年提出的标准励磁系统模型而言，中国电机工程学会励磁工作组分别提出了与之相对应的励磁系统模型。不同仿真分析软件对这一类模型的传递函数框图及参数定义差异较小，从PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件转换到其它软件时相对容易实现。

而为了更加真实地反映实际发电机励磁系统的控制特性，满足大电网中长过程仿真计算的需要，中国电机工程学会励磁工作组在吸取IEEE标准模型精华基础上，于1994年提出了新型串联PID校正励磁系统模型，于2008年提出了更符合现场设备实际的并联PID校正模型(模型框图和参数定义详见上述文献4，5)。这一类模型采用高阶的传递函数配合可变的类型选择变量(即比例积分因子K_V可整定为1或0，从而实现比例积分与纯积分的灵活设置)，使同一个模型可以模拟更多的励磁系统，并增加了过励限制、过励保护和低励磁限制功能。这一类模型所代表的励磁系统目前已在实际电网获得广泛应用。

然而，PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件对上述这一类模型的传递函数框图和参数定义，特别是励磁系统的PID校正环节与IEEE标准模型有较大差异。目前实现这一类模型由PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件定义模型向IEEE标准模型的转换通常采取如下两种方法：

1)在IEEE Std 421.5-2005标准定义的励磁模型库中选择与PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件定义励磁系统模型最接近的类型，对于其中无法匹配的模块，填写典型参数值(具体可参见文献：[6]Zhu Shouzhen,Shen Shande,Chen Houlian,JiangJianmin.Effects of the excitation system parameters on power system transientstability studies.IEE 2^nd international conference on advances in.power systemcontrol,operation and management,December 1993,Hong Kong:532-535；[7]KilaniKB,Schlueter RA.Trends in model development for stability studies in powersystems.Electric Power Systems Research,vo1.53,no.3,March 2000；[8]Tamura J,Nakazawa C,Chihara L.A consideration on the accuracy of various synchronousmachine models for power system transient stability analysis.Transactions ofthe institute of electrical engineers of Japan,Part B,vo1.121-B,no.3,March2001)；而典型参数值的选取强烈依赖于运行经验；

2)利用软件的自定义模型功能，搭建与PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件定义励磁系统模型相同的传递函数框图(具体可参见文献：[9]马龙义.BPA与PSS/E仿真模型分析与转换研究；[10]段立立.含宁东直流的山东电网交直流系统PSCAD建模与仿真)。

上述方法1处理简单，但可能造成发电机励磁系统调节特性和无功功率动态响应与实际情况出现较大偏差。上述方法2可精确还原原有励磁系统的控制特性，但这种方法不仅需要熟悉和掌握不同软件的自定义模型功能，还需掌握不同励磁系统模型内部模块的传递函数和控制逻辑；同时需针对不同的励磁系统类型，搭建不同的自定义模型，工作量大，难度高，易出错，而且针对某一类软件的自定义模型无法复制到其它软件，移植性差。

因此，迫切需要一种工程实用的PSD-BPA、FASTEST或PSASP定义发电机励磁系统模型与IEEE Std 421.5-2005标准模型PID校正环节的转换方法。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中发电机励磁模型转换的不足，提出一种新的发电机励磁系统模型PID校正环节转换方法。该方法能够在无需掌握目标软件的模块自定义功能用法且无需在目标软件中搭建自定义模型的条件下，实现PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件定义的发电机励磁系统模型向IEEE Std 421.5-2005标准定义的励磁模型PID校正环节的合理、准确转换。

具体地说，本发明是采用以下的技术方案来实现的，包括下列步骤：

1)首先判断基于中国化励磁模型是否为指定的交流励磁模型或静止自并励模型；若是，方执行下一步，否则结束本方法；

所述中国化励磁模型是指PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件的电网数据文件中待转换的发电机励磁系统模型；

2)按以下步骤确定中国化励磁模型与IEEE标准模型的对应关系，所述IEEE标准模型是指IEEE Std 421.5-2005标准定义的励磁系统模型：

2-1)判断中国化励磁模型中的PID校正环节是否为并联校正结构，若是，令中国化励磁模型中的比例积分选择因子K_{V_CH}＝0；否则，K_{V_CH}保持不变；

2-2)若中国化励磁模型属于交流励磁系统模型，则依据中国化励磁模型中的比例积分选择因子K_{V_CH}、并联反馈增益K_{F_CH}及比例反馈系数K_{H_CH}，分情况选择IEEE标准模型中的AC2A、AC4A、AC6A或AC8B模型作为对应的模型；否则，选择IEEE标准模型中的ST1A模型作为对应的模型；

3)当中国化励磁模型中的PID校正环节为并联校正结构时：若对应的模型为IEEE标准模型中的AC8B模型，则令中国化励磁模型中的PID校正环节参数K_{P_CH}、K_{I_CH}、K_{D_CH}、T_{D_CH}直接匹配AC8B模型中的并联PID校正环节参数K_{P_IEEE}、K_{I_IEEE}、K_{D_IEEE}、T_{D_IEEE}，结束本方法；否则，依据中国化励磁模型中的并联PID校正环节参数K_{P_CH}、K_{I_CH}、K_{D_CH}、T_{D_CH}计算与之对应的串联PID校正的时间常数T_{1_CH}、T_{2_CH}、T_{3_CH}、T_{4_CH}，并令IEEE标准模型中的PID校正调节器增益K_{A_IEEE}为1.0，进入步骤4)；

当中国化励磁模型的PID校正环节为串联校正结构时：计算IEEE标准模型中的PID校正调节器增益K_{A_IEEE}为中国化励磁模型中的串联PID校正放大倍数K_{_CH}与调节器增益K_{A_CH}的乘积，若对应的模型为IEEE标准模型中的AC8B模型，则根据中国化励磁模型中的串联PID校正时间常数T_{1_CH}、T_{2_CH}、T_{3_CH}和T_{4_CH}计算AC8B模型中的校正环节参数K_{P_IEEE}、K_{I_IEEE}、K_{D_IEEE}和T_{D_IEEE}，结束本方法；否则，进入步骤4)；

4)若对应的模型为IEEE标准模型中的AC6A或ST1A模型且中国化励磁模型中的K_{V_CH}不为0，则令IEEE标准模型中的PID校正时间常数T_{C_IEEE}、T_{B_IEEE}、T_{C1_IEEE}和T_{B1_IEEE}分别等于中国化励磁模型中的PID校正时间常数T_{1_CH}、T_{2_CH}、T_{3_CH}和T_{4_CH}，进入步骤7)；否则进行步骤5)；

5)利用相应PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件仿真预想故障集，基于得到的各个预想故障下发电机无功功率响应曲线的振荡频率确定补偿基准频率f_m，计算基准频率f_m下中国化励磁模型中的PID校正环节的幅值补偿特性K_{am_CH}和相位补偿特性θ_{am_CH}；

6)根据中国化励磁模型中的相位补偿特性θ_{am_CH}推算IEEE标准模型中的PID校正时间常数T_{C_IEEE}、T_{B_IEEE}，并令其余2个时间常数T_{C1_IEEE}和T_{B1_IEEE}为0，计算此时IEEE标准模型中的PID校正环节的幅值补偿特性K′_{am_IEEE}，并依据K_{am_CH}和K′_{am_IEEE}进一步修正IEEE标准模型中的PID校正调节器增益；

7)若对应的模型为IEEE标准模型中的ST1A模型且中国化励磁模型中的并联反馈增益K_{F_CH}不为0时，则修正ST1A模型中的并联反馈增益K_{F_IEEE}和时间常数T_{F_IEEE}；

若对应的模型为IEEE标准模型中的AC6A模型时且中国化励磁模型中的比例反馈系数K_{H_CH}不为0时，则修正AC6A模型的比例反馈系数K_{H_IEEE}。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤1)中，所述指定的交流励磁模型包括PSD-BPA、FASTEST软件定义的FM、FO、FQ、FS和FU模型和PSASP软件定义的3型、5型、7型、9型和11型，所述指定的静止自并励励磁系统模型包括PSD-BPA、FASTEST软件定义的FV模型和PSASP软件定义的12型。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤2-2)具体包括以下步骤：

2-2-1)若中国化励磁模型为PSD-BPA、FASTEST软件定义的FM或FO模型、或者PSASP定义的3型或5型模型，依据中国化励磁模型中的并联反馈增益K_{F_CH}、比例积分选择因子K_{V_CH}及比例反馈系数K_{H_CH}，分如下3种情况来确定对应的IEEE标准模型：

情况1：若K_{F_CH}不等于0，选择IEEE标准模型中的AC2A模型作为对应的模型；

情况2：若K_{F_CH}等于0且K_{V_CH}不等于0，如中国化励磁模型为PSD-BPA、FASTEST软件定义的FM模型或PSASP定义的3型模型，则选择IEEE标准模型中的AC2A模型作为对应的模型，否则选择IEEE标准模型中的AC6A模型作为对应的模型；

情况3：若K_{F_CH}、K_{V_CH}均为0且K_{H_CH}也等于0，选择IEEE标准模型中的AC8B模型作为对应的模型；若K_{F_CH}、K_{V_CH}均为0但K_{H_CH}不等于0，如中国化励磁模型为PSD-BPA、FASTEST软件定义的FM模型或PSASP定义的3型模型，则选择IEEE标准模型中的AC2A模型作为对应的模型，否则选择IEEE标准模型中的AC6A模型作为对应的模型；

2-2-2)若中国化励磁模型为PSD-BPA、FASTEST软件定义的FQ或FS模型、或者PSASP定义的7型或9型，如中国化励磁模型中的并联反馈增益K_{F_CH}不等于0，无严格对应的IEEE标准模型，结束本方法；否则，依据K_{H_CH}、K_{V_CH}，分如下2种情况来确定对应的IEEE励磁系统模型：

情况1：若K_{H_CH}、K_{V_CH}同时为0，选择IEEE标准模型中的AC8B模型作为对应的模型；

情况2：若K_{H_CH}、K_{V_CH}任一个不为0，如中国化励磁模型为PSD-BPA、FASTEST软件定义的FQ模型或PSASP定义的7型，则选择选择IEEE标准模型中的AC2A模型为对应的模型，否则选择IEEE标准模型中的AC6A模型作为对应的模型；

2-2-3)若中国化励磁模型为PSD-BPA、FASTEST软件定义的FU模型或者PSASP定义的11型，如中国化励磁模型中的并联反馈增益K_{F_CH}不等于0，无严格对应的IEEE标准模型，结束本方法；否则，选择选择IEEE标准模型中的AC4A模型作为对应的模型。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3)中采用以下公式根据中国化励磁模型中的串联PID校正时间常数T_{1_CH}、T_{2_CH}、T_{3_CH}和T_{4_CH}计算AC8B模型中的校正环节参数K_{P_IEEE}、K_{I_IEEE}、K_{D_IEEE}和T_{D_IEEE}：

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤5)中具体包括以下步骤：

5-1)利用PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件获取相应的预想故障集中各个预想故障下发电机无功功率响应曲线的振荡频率，记第i个故障下发电机无功功率响应曲线的第1个振荡周期的振荡频率为f_i，i＝1，2，…，N，N为预想故障集中的故障的数量，利用下式确定补偿基准频率f_m：

5-2)按以下方法计算补偿基准频率f_m下中国化励磁模型中的PID校正环节的幅值补偿特性K_{am_CH}和相位补偿特性θ_{am_CH}：

5-2-1)分K_{V_CH}为0和K_{V_CH}不为0两种情况计算变量K_{1_CH}和θ_{1_CH}：

情况1：K_{V_CH}为0时

θ_{1_CH}＝k·T_{1_CH}-b

K_{1_CH}＝T_{1_CH}/T_{2_CH}

其中，系数k、b均是T_{1_CH}的分段函数，如以下所示：

情况2：K_{V_CH}不为0时

其中：

a₁₂＝T_{1_CH}/T_{2_CH}

ω_m2＝2πf_m·T_{2_CH}

5-2-2)依据时间常数T_{3_CH}、T_{4_CH}计算变量K_{2_CH}和θ_{2_CH}，然后由变量K_{1_CH}、K_{2_CH}和θ_{1_CH}、θ_{2_CH}计算K_{am_CH}和θ_{am_CH}，如以下各式所示：

K_{am_CH}＝K_{1_CH}·K_{2_CH}

θ_{am_CH}＝θ_{1_CH}+θ_{2_CH}

其中：

a₃₄＝T_{3_CH}/T_{4_CH}

ω_m4＝2πf_m·T_{4_CH}

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤6)中，T_{C_IEEE}、T_{B_IEEE}、K′_{am_IEEE}的计算方法以及修正IEEE标准模型中的PID校正调节器增益的方法如下：

K′_{A_IEEE}＝K_{A_IEEE}·K_{am_CH}/K′_{am_IEEE}

其中，K′_{A_IEEE}为修正后的PID校正调节器增益，变量A_TMP的计算公式如下：

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤7)中，修正ST1A模型的并联反馈增益K_{F_IEEE}和时间常数T_{F_IEEE}和修正AC6A模型的比例反馈系数K_{H_IEEE}的方法如下：

T_{F_IEEE}＝tan(θ_TMP)/(2π·f_m)

K_{H_IEEE}＝K_{H_CH}·K_{B_CH}

其中，K_{B_CH}为中国化励磁模型中的二级调节器增益，T_{F_CH}为中国化励磁模型中的K_{F_CH}对应的时间常数，变量θ_TMP的计算公式如下：

θ_TMP＝arctan(2π·f_m·T_{F_CH})+θ_{am_CH}。

本发明的有益效果如下：与以往的转换方法相比，本发明方法可避免在软件中自定义建模的复杂过程；针对具体发电机励磁系统模型，转换结果可应用于所有基于IEEEStd 421.5-2005标准的仿真软件，移植性好；同时，本发明方法保持原中国化励磁模型的幅值特性和相位特性在转换前后不变，可以较为真实地反映原有励磁模型的控制特性，准确性高。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2是本发明方法实施例的转换结果对比图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明作进一步详细描述。

图1为本发明方法一个实施例的流程示意图。如图1所示，图1中步骤1描述的是，首先判断基于PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件的电网数据文件中待转换的发电机励磁系统模型(下称“中国化励磁模型”)是否为指定的交流励磁系统模型(包括PSD-BPA、FASTEST软件定义的FM、FO、FQ、FS和FU模型和PSASP软件定义的3型、5型、7型、9型和11型)及静止自并励励磁模型(包括PSD-BPA、FASTEST软件定义的FV模型和PSASP软件定义的12型)。若是，方执行下一步，否则直接结束本方法。

图1中步骤2描述的是，确定中国化励磁模型与IEEE标准模型的对应关系，具体步骤如下所示：

2.1判断中国化励磁模型的PID校正环节是否为并联校正结构。若是，令比例积分选择因子K_{V_CH}＝0；否则，K_{V_CH}保持原值不变。(下标_{_CH}表示该参数源于中国化励磁模型，下标_{_IEEE}表示该参数用于IEEE标准模型，下同。)

2.2若中国化励磁模型属于静止自并励励磁模型，选择IEEE标准模型中的ST1A模型作为对应的模型；否则，依据中国化励磁模型中的比例积分选择因子K_{V_CH}、并联反馈增益K_{F_CH}及比例反馈系数K_{H_CH}，分情况选择IEEE标准模型中的AC2A、AC4A、AC6A或AC8B模型作为对应的模型，具体如下：

2.2.1若中国化励磁模型为PSD-BPA定义的FM或FO模型(或PSASP定义的3型或5型模型)，依据并联反馈增益K_{F_CH}、比例积分选择因子K_{V_CH}及比例反馈系数K_{H_CH}，分如下3种情况来确定对应的IEEE标准模型：

情况1：若K_{F_CH}不等于0，选择AC2A模型；

情况2：若K_{F_CH}等于0且K_{V_CH}不等于0，FM(3型)选择AC2A模型，FO(5型)选择AC6A模型；

情况3：K_{F_CH}、K_{V_CH}均为0，若K_{H_CH}等于0，选择AC8B模型；否则，FM(3型)选择AC2A模型，FO(5型)选择AC6A模型。

2.2.2若中国化励磁模型为PSD-BPA、FASTEST软件定义的FQ或FS模型(或PSASP定义的7型或9型)，倘若并联反馈增益K_{F_CH}不等于0，无严格对应的IEEE标准模型，结束本方法；否则，依据K_{H_CH}、K_{V_CH}，分如下2种情况来确定对应的IEEE励磁系统模型：

情况1：若K_{H_CH}、K_{V_CH}同时为0，选择AC8B模型；

情况2：若K_{H_CH}、K_{V_CH}任一个不为0，FQ(7型)选择AC2A模型，FS(9型)选择AC6A模型。

2.2.3若中国化励磁模型为PSD-BPA、FASTEST软件定义的FU模型(或PSASP定义的11型)，倘若并联反馈增益K_{F_CH}不等于0，无严格对应的IEEE标准模型，结束本方法；否则，选择AC4A模型。

图1中步骤3描述的是，当中国化励磁模型的PID校正环节为并联校正结构时，若选择AC8B模型，直接匹配AC8B模型的并联PID校正环节参数K_{P_IEEE}、K_{I_IEEE}、K_{D_IEEE}、T_{D_IEEE}，转换即到此完成，结束本方法；否则，计算与中国化励磁模型的并联PID校正环节参数K_{P_CH}、K_{I_CH}、K_{D_CH}、T_{D_CH}对应的串联PID校正环节的时间常数T_{1_CH}、T_{2_CH}、T_{3_CH}、T_{4_CH}，并令IEEE标准模型的PID校正调节器增益K_{A_IEEE}＝1.0，执行步骤4。计算与之对应的串联PID校正环节的时间常数T_{1_CH}、T_{2_CH}、T_{3_CH}、T_{4_CH}的计算方法属于现有技术，为本领域技术人员所熟知，具体可参见李文锋所著的《电力系统稳定性计算用励磁系统数学模型的完善》(大电机技术，2012年第4期)。

当中国化励磁模型的PID校正环节为串联校正结构时，计算IEEE标准模型的PID校正调节器增益K_{A_IEEE}为串联PID校正放大倍数K_{_CH}与调节器增益K_{A_CH}的乘积。若选择AC8B模型，根据串联PID校正的时间常数T_{1_CH}、T_{2_CH}、T_{3_CH}、T_{4_CH}，利用公式3.1～公式3.4计算AC8B模型的并联PID校正环节参数K_{P_IEEE}、K_{I_IEEE}、K_{D_IEEE}、T_{D_IEEE}，转换即到此完成，结束本方法；否则，执行步骤4：

图1中步骤4描述的是，若选择AC6A或ST1A模型且K_{V_CH}不等于0，令IEEE标准模型中的PID校正时间常数T_{C_IEEE}、T_{B_IEEE}、T_{C1_IEEE}、T_{B1_IEEE}分别等于中国化励磁模型PID校正时间常数T_{1_CH}、T_{2_CH}、T_{3_CH}、T_{4_CH}，执行步骤7；否则，执行步骤5。

图1中步骤5描述的是，利用PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件获取预想故障集中各个预想故障下发电机无功功率响应曲线，的振荡频率，记故障i(i＝1，2，…，N；其中N为预想故障集中的故障个数)下发电机无功功率响应曲线的第1个振荡周期的振荡频率为f_i，利用公式5.1确定补偿基准频率f_m；

利用公式5.2～公式5.9计算补偿基准频率f_m下PID校正环节的幅值补偿特性K_{am_CH}和相位补偿特性θ_{am_CH}；

首先，分K_{V_CH}为0和K_{V_CH}不为0两种情况计算变量K_{1_CH}和θ_{1_CH}：

情况1：K_{V_CH}为0时

θ_{1_CH}＝k·T_{1_CH}-b (5.2)

其中，系数k，b均是T₁的分段函数：

K_{1_CH}＝T_{1_CH}/T_{2_CH} (5.3)

情况2：K_{V_CH}不为0时

其中，a₁₂＝T_{1_CH}/T_{2_CH}，ω_m2＝2πf_m·T_{2_CH}。

然后，依据时间常数T_{3_CH}、T_{4_CH}计算变量K_{2_CH}和θ_{2_CH}：

其中，a₃₄＝T_{3_CH}/T_{4_CH}，ω_m4＝2πf_m·T_{4_CH}

最后，由变量K_{1_CH}、K_{2_CH}和θ_{1_CH}、θ_{2_CH}计算K_{am_CH}和θ_{am_CH}：

K_{am_CH}＝K_{1_CH}·K_{2_CH} (5.8)

θ_{am_CH}＝θ_{1_CH}+θ_{2_CH} (5.9)

图1中步骤6描述的是，根据相位补偿特性θ_{am_CH}，利用公式6.1推算IEEE标准模型的PID校正时间常数T_{C_IEEE}、T_{B_IEEE}，并令其余2个时间常数T_{C1_IEEE}＝T_{B1_IEEE}＝0；利用公式6.2计算此时PID校正环节的幅值补偿特性K′_{am_IEEE}，依据K_{am_CH}和K′_{am_IEEE}，利用公式6.3进一步修正IEEE标准模型的PID校正调节器增益K_{A_IEEE}。

K′_{A_IEEE}＝K_{A_IEEE}·K_{am_CH}/K′_{am_IEEE} (6.3)

其中，K′_{A_IEEE}为修正后的PID校正调节器增益，变量

图1中步骤7描述的是，选择ST1A模型时，若中国化励磁模型并联反馈增益K_{F_CH}不为0，基于K_{F_CH}对应时间常数T_{F_CH}，利用公式7.1～7.3修正ST1A模型的并联反馈增益K_{F_IEEE}和时间常数T_{F_IEEE}；选择AC6A模型时，若中国化励磁模型比例反馈系数K_{H_CH}不为0，利用公式7.4修正AC6A模型的比例反馈系数K_{H_IEEE}，流程结束：

θ_TMP＝arctan(2π·f_m·T_{F_CH})+θ_{am_CH} (7.1)

T_{F_IEEE}＝tan(θ_TMP)/(2π·f_m) (7.2)

K_{H_IEEE}＝K_{H_CH}·K_{B_CH} (7.4)

其中，K_{B_CH}为中国化励磁模型的二级调节器增益。

图2是本发明方法在实际电网的一个实施例的转换结果对比图，该电网中发电机励磁系统模型原始参数数据及依据典型参数和本发明方法转换后参数可见表1：

表1 发电机励磁系统模型数据

图2中给出了分别采用表1提供的三组发电机励磁模型数据进行仿真某预想故障时，发电机无功功率的响应曲线，与基于典型参数的无功响应相比，基于本发明方法的发电机无功功率响应在暂态过程及稳态条件下均与基于原始参数的无功功率响应较为吻合，可见本发明方法的有效性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (5)

1.发电机励磁系统模型PID校正环节的转换方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将基于PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件的电网数据文件中待转换的发电机励磁系统模型称为中国化励磁模型，首先判断中国化励磁模型是否为指定的交流励磁模型或静止自并励励磁模型；若是，方执行下一步，否则结束本方法；

所述指定的交流励磁模型包括PSD-BPA或FASTEST软件定义的FM、FO、FQ、FS和FU模型和PSASP软件定义的3型、5型、7型、9型和11型，所述指定的静止自并励励磁系统模型包括PSD-BPA或FASTEST软件定义的FV模型和PSASP软件定义的12型；

2)按以下步骤确定中国化励磁模型与IEEE标准模型的对应关系，所述IEEE标准模型是指IEEE Std 421.5-2005标准定义的励磁系统模型：

2-1)判断中国化励磁模型中的PID校正环节是否为并联校正结构，若是，令中国化励磁模型中的比例积分选择因子K_{V_CH}＝0；否则，K_{V_CH}保持不变；

2-2)若中国化励磁模型属于交流励磁系统模型，则依据中国化励磁模型中的比例积分选择因子K_{V_CH}、并联反馈增益K_{F_CH}及比例反馈系数K_{H_CH}，分情况选择IEEE标准模型中的AC2A、AC4A、AC6A或AC8B模型作为对应的模型；否则，选择IEEE标准模型中的ST1A模型作为对应的模型；具体包括以下步骤：

2-2-1)若中国化励磁模型为PSD-BPA或FASTEST软件定义的FM或FO模型、或者PSASP定义的3型或5型模型，依据中国化励磁模型中的并联反馈增益K_{F_CH}、比例积分选择因子K_{V_CH}及比例反馈系数K_{H_CH}，分如下3种情况来确定对应的IEEE标准模型：

情况1：若K_{F_CH}不等于0，选择IEEE标准模型中的AC2A模型作为对应的模型；

情况2：若K_{F_CH}等于0且K_{V_CH}不等于0，如中国化励磁模型为PSD-BPA或FASTEST软件定义的FM模型或PSASP定义的3型模型，则选择IEEE标准模型中的AC2A模型作为对应的模型，否则选择IEEE标准模型中的AC6A模型作为对应的模型；

情况3：若K_{F_CH}、K_{V_CH}均为0且K_{H_CH}也等于0，选择IEEE标准模型中的AC8B模型作为对应的模型；若K_{F_CH}、K_{V_CH}均为0但K_{H_CH}不等于0，如中国化励磁模型为PSD-BPA或FASTEST软件定义的FM模型或PSASP定义的3型模型，则选择IEEE标准模型中的AC2A模型作为对应的模型，否则选择IEEE标准模型中的AC6A模型作为对应的模型；

2-2-2)若中国化励磁模型为PSD-BPA或FASTEST软件定义的FQ或FS模型、或者PSASP定义的7型或9型，如中国化励磁模型中的并联反馈增益K_{F_CH}不等于0，无严格对应的IEEE标准模型，结束本方法；否则，依据K_{H_CH}、K_{V_CH}，分如下2种情况来确定对应的IEEE励磁系统模型：

情况1：若K_{H_CH}、K_{V_CH}同时为0，选择IEEE标准模型中的AC8B模型作为对应的模型；

情况2：若K_{H_CH}、K_{V_CH}任一个不为0，如中国化励磁模型为PSD-BPA或FASTEST软件定义的FQ模型或PSASP定义的7型，则选择选择IEEE标准模型中的AC2A模型为对应的模型，否则选择IEEE标准模型中的AC6A模型作为对应的模型；

2-2-3)若中国化励磁模型为PSD-BPA或FASTEST软件定义的FU模型或者PSASP定义的11型，如中国化励磁模型中的并联反馈增益K_{F_CH}不等于0，无严格对应的IEEE标准模型，结束本方法；否则，选择选择IEEE标准模型中的AC4A模型作为对应的模型；

3)当中国化励磁模型中的PID校正环节为并联校正结构时：若对应的模型为IEEE标准模型中的AC8B模型，则令中国化励磁模型中的PID校正环节参数K_{P_CH}、K_{I_CH}、K_{D_CH}、T_{D_CH}直接匹配AC8B模型中的并联PID校正环节参数K_{P_IEEE}、K_{I_IEEE}、K_{D_IEEE}、T_{D_IEEE}，结束本方法；否则，依据中国化励磁模型中的并联PID校正环节参数K_{P_CH}、K_{I_CH}、K_{D_CH}、T_{D_CH}计算与之对应的串联PID校正的时间常数T_{1_CH}、T_{2_CH}、T_{3_CH}、T_{4_CH}，并令IEEE标准模型中的PID校正调节器增益K_{A_IEEE}为1.0，进入步骤4)；

当中国化励磁模型的PID校正环节为串联校正结构时：计算IEEE标准模型中的PID校正调节器增益K_{A_IEEE}为中国化励磁模型中的串联PID校正放大倍数K_{_CH}与调节器增益K_{A_CH}的乘积，若对应的模型为IEEE标准模型中的AC8B模型，则根据中国化励磁模型中的串联PID校正时间常数T_{1_CH}、T_{2_CH}、T_{3_CH}和T_{4_CH}计算AC8B模型中的校正环节参数K_{P_IEEE}、K_{I_IEEE}、K_{D_IEEE}和T_{D_IEEE}，结束本方法；否则，进入步骤4)；

4)若对应的模型为IEEE标准模型中的AC6A或ST1A模型且中国化励磁模型中的K_{V_CH}不为0，则令IEEE标准模型中的PID校正时间常数T_{C_IEEE}、T_{B_IEEE}、T_{C1_IEEE}和T_{B1_IEEE}分别等于中国化励磁模型中的PID校正时间常数T_{1_CH}、T_{2_CH}、T_{3_CH}和T_{4_CH}，进入步骤7)；否则进行步骤5)；

5)利用相应PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件仿真预想故障集，基于得到的各个预想故障下发电机无功功率响应曲线的振荡频率确定补偿基准频率f_m，计算基准频率f_m下中国化励磁模型中的PID校正环节的幅值补偿特性K_{am_CH}和相位补偿特性θ_{am_CH}；

6)根据中国化励磁模型中的相位补偿特性θ_{am_CH}推算IEEE标准模型中的PID校正时间常数T_{C_IEEE}、T_{B_IEEE}，并令其余2个时间常数T_{C1_IEEE}和T_{B1_IEEE}为0，计算此时IEEE标准模型中的PID校正环节的幅值补偿特性K′_{am_IEEE}，并依据K_{am_CH}和K′_{am_IEEE}进一步修正IEEE标准模型中的PID校正调节器增益；

7)若对应的模型为IEEE标准模型中的ST1A模型且中国化励磁模型中的并联反馈增益K_{F_CH}不为0时，则修正ST1A模型中的并联反馈增益K_{F_IEEE}和时间常数T_{F_IEEE}；

若对应的模型为IEEE标准模型中的AC6A模型时且中国化励磁模型中的比例反馈系数K_{H_CH}不为0时，则修正AC6A模型的比例反馈系数K_{H_IEEE}。

2.根据权利要求1所述的发电机励磁系统模型PID校正环节的转换方法，其特征在于，所述步骤3)中采用以下公式根据中国化励磁模型中的串联PID校正时间常数T_{1_CH}、T_{2_CH}、T_{3_CH}和T_{4_CH}计算AC8B模型中的校正环节参数K_{P_IEEE}、K_{I_IEEE}、K_{D_IEEE}和T_{D_IEEE}：

<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mo>_</mo> <mi>I</mi> <mi>E</mi> <mi>E</mi> <mi>E</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>

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3.根据权利要求1所述的发电机励磁系统模型PID校正环节的转换方法，其特征在于，所述步骤5)中具体包括以下步骤：

5-1)利用PSD-BPA、FASTEST或PSASP软件获取相应的预想故障集中各个预想故障下发电机无功功率响应曲线的振荡频率，记第i个故障下发电机无功功率响应曲线的第1个振荡周期的振荡频率为f_i，i＝1，2，…，N，N为预想故障集中的故障的数量，利用下式确定补偿基准频率f_m：

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>N</mi> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> </mrow> </mfrac> </mrow>

5-2)按以下方法计算补偿基准频率f_m下中国化励磁模型中的PID校正环节的幅值补偿特性K_{am_CH}和相位补偿特性θ_{am_CH}：

5-2-1)分K_{V_CH}为0和K_{V_CH}不为0两种情况计算变量K_{1_CH}和θ_{1_CH}：

情况1：K_{V_CH}为0时

θ_{1_CH}＝k·T_{1_CH}-b

K_{1_CH}＝T_{1_CH}/T_{2_CH}

其中，系数k、b均是T_{1_CH}的分段函数，如以下所示：

<mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0.174533</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mn>5</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0.0174533</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>5</mn> <mo>&lt;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mn>10</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0.0087266</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>10</mn> <mo>&lt;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mn>20</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>&gt;</mo> <mn>20</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>

<mrow> <mi>b</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>1.16937</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mn>5</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0.36652</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>5</mn> <mo>&lt;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mn>10</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0.26180</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>10</mn> <mo>&lt;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mn>20</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>&gt;</mo> <mn>20</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>

情况2：K_{V_CH}不为0时

<mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>arctan</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>12</mn> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>12</mn> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>

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其中：

a₁₂＝T_{1_CH}/T_{2_CH}

ω_m2＝2πf_m·T_{2_CH}

5-2-2)依据时间常数T_{3_CH}、T_{4_CH}计算变量K_{2_CH}和θ_{2_CH}，然后由变量K_{1_CH}、K_{2_CH}和θ_{1_CH}、θ_{2_CH}计算K_{am_CH}和θ_{am_CH}，如以下各式所示：

<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;f</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>3</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;f</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>4</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </msqrt> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>arctan</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>34</mn> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mn>4</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>34</mn> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mn>4</mn> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>

K_{am_CH}＝K_{1_CH}·K_{2_CH}

θ_{am_CH}＝θ_{1_CH}+θ_{2_CH}

其中：

<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mn>34</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>3</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>4</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mn>4</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;f</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>4</mn> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>.</mo> </mrow>

4.根据权利要求1所述的发电机励磁系统模型PID校正环节的转换方法，其特征在于，所述步骤6)中，T_{C_IEEE}、T_{B_IEEE}、K′_{am_IEEE}的计算方法以及修正IEEE标准模型中的PID校正调节器增益的方法如下：

<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mo>_</mo> <mi>I</mi> <mi>E</mi> <mi>E</mi> <mi>E</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msqrt> <msub> <mi>A</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>M</mi> <mi>P</mi> </mrow> </msub> </msqrt> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;f</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

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K′_{A_IEEE}＝K_{A_IEEE}·K_{am_CH}/K_a′_{m_IEEE}

其中，K′_{A_IEEE}为修正后的PID校正调节器增益，变量A_TMP的计算公式如下：

<mrow> <msub> <mi>A</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>M</mi> <mi>P</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>m</mi> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>m</mi> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

5.根据权利要求1所述的发电机励磁系统模型PID校正环节的转换方法，其特征在于，所述步骤7)中，修正ST1A模型的并联反馈增益K_{F_IEEE}和时间常数T_{F_IEEE}和修正AC6A模型的比例反馈系数K_{H_IEEE}的方法如下：

T_{F_IEEE}＝tan(θ_TMP)/(2π·f_m)

<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mo>_</mo> <mi>I</mi> <mi>E</mi> <mi>E</mi> <mi>E</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;f</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mo>_</mo> <mi>I</mi> <mi>E</mi> <mi>E</mi> <mi>E</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;f</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </msqrt> <mo>/</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>m</mi> <mo>_</mo> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> </mrow>

K_{H_IEEE}＝K_{H_CH}·K_{B_CH}

其中，K_{B_CH}为中国化励磁模型中的二级调节器增益，T_{F_CH}为中国化励磁模型中的K_{F_CH}对应的时间常数，变量θ_TMP的计算公式如下：

θ_TMP＝arctan(2π·f_m·T_{F_CH})+θ_{am_CH}。