CN106383974B - 一种励磁系统建立仿真模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及励磁系统建模仿真领域，特别是一种励磁系统建立仿真模型的方法，即采用BPA仿真工具搭建与现场实测模型功能效果基本一致的仿真模型。模型转换后KB、KH的数值在其取值的限值内，参数转换后，采用BPA仿真工具进行仿真校核，检验搭建的仿真模型的功能效果。通过校核，各项关键数据指标的误差均在励磁建模导则规定的范围内，所以所建的励磁系统仿真模型可用于日常的电网稳定分析。利用本发明达到在保证仿真效果的情况下，降低KB，增大KH的取值，创新的采用了此建立模型的方法，并解决了BPA数据文件输入格式的限制，很好的完成了仿真建模工作。
Description
技术领域
本发明涉及励磁系统建模仿真领域，特别是一种励磁系统建立仿真模型的方法。
背景技术
大量的理论分析和实践经验证明，为了提高电力系统稳定性而采取的措施中，发电机的励磁控制具有明显的作用，是一个经济有效的手段。为了更加高效准确的完成励磁试验，在国内首次完成三机无刷励磁系统MEC7000的仿真建模，三菱MEC7000励磁系统现场实测模型如图1所示，在进行BPA仿真时，根据对比验证，采用FM型无刷励磁系统模型作为仿真计算用的等效模型，模型图如图2所示。在模型的等效转换中，图1中的主励磁机及不可控功率整流器模块b可与图2中主励磁机及不可控功率整流器模型d分别对应等效，其中图1中的K2/Rfe可由图2的二级调节器增益KB来等效，但由于K2/Rfe的现场实测值为14104，超出了二级调节器增益KB的最大取值范围（最大限值为9999），因而无法在BPA数据卡中输入该值；图1中的励磁机电流反馈增益参数Kf可由图2中的励磁机电流反馈增益KH进行等效，励磁机电流反馈增益参数Kf取值为0.0015，而励磁机电流反馈增益KH输入的数值精度达不到要求（最小限值为0.001），如采用约数，则可能影响仿真效果。因此需要通过进一步的等效计算，在保证仿真效果的情况下，降低二级调节器增益KB，增大励磁机电流反馈增益KH。
然而一直以来，在电力系统中，发电机励磁仿真建模校核计算多采用人工读数，手动计算的方式。由于此次是首次对三菱MEC7000进行仿真建模，需要通过不断的尝试修正参数，使仿真阶跃响应曲线与现场实测曲线一致，每修正一次，均需要重新进行校核计算，如果采用上述方法，将消耗大量时间在读数与计算上面；另外采用人工读数的方法也有可能对计算精度产生影响，降低仿真校核计算的效率和精度。因此，提出针对励磁系统仿真校核计算开展研究，可以实现校核计算的规范化和自动化，极大提升了建模仿真的工作效率和精度。
发明内容
为方便励磁系统建立仿真模型，本发明提供了一种励磁系统建立仿真模型的方法，为电网稳定分析提供计算依据。
一种励磁系统建立仿真模型的方法采用BPA仿真工具搭建与现场实测模型功能效果一致的仿真模型 ；所述一种励磁系统建立仿真模型的方法包括以下步骤：
（1）采用等效转换的方法的，将励磁系统现场实测模型与无刷励磁系统等效转换；
（2）采用BPA仿真工具进行仿真校核，检验搭建的仿真模型的功能效果。
进一步，所述等效转换的方法包括以下步骤：
1）励磁系统现场实测模型进行仿真时采用无刷励磁系统作为等效模型，在等效转换时，分别对励磁系统现场实测模型的主励磁机及不可控功率整流器模型和无刷励磁系统模型的主励磁机及不可控功率整流器模型进行转换；
2）建立励磁系统模型转换的等效传递函数，令KB1=K2/Rfe，励磁系统现场实测模型的主励磁机及不可控功率整流器模型转换后得到等效传递函数为：
（1）
无刷励磁系统模型的主励磁机及不可控功率整流器模型转换后得到等效传递函数为：
（2）
其中：KB为第二级调节器增益，KH为励磁机电流反馈增益，SE为励磁机饱和系数，VA为励磁调节器输出电压，VE为不可控三相全波整流桥的输出电压，其中K2为励磁调节器二级放大增益，Kf为励磁机电流反馈增益，KE为空载励磁电流的倒数，TE为励磁机时间常数，Rfe为励磁机磁场电阻,KB1为励磁调节器二级放大增益K2与励磁机磁场电阻Rfe的比值。
进一步，所述等效转换方法步骤2)中等效传递函数（1）和（2），采用解析求解的方法求解，求得第二级调节器增益KB、励磁机电流反馈增益KH的数值；励磁调节器二级放大增益K2取1890，励磁机电流反馈增益Kf取0.0015,励磁机时间常数TE取2.13,励磁机磁场电阻Rfe取0.134，空载励磁电流的倒数KE取0.0121。
进一步，所述采用BPA仿真工具进行仿真校核包括以下步骤：
（1）修正BPA数据卡片，调用BPA程序进行仿真计算；
（2）将BPA仿真计算结果导入“仿真.xls”；
（3）启动程序；
（4）点击“导入仿真数据”选择“仿真.xls”；
（5）点击“导入实测数据”选择现场实测数据；
（6）点击“校核计算”，同时计算仿真和实测数据的超调量、上升、峰值、调节时间，并进行误差计算；
（7）校核仿真结果是否符合要求；
（8）若仿真结果不符合要求，则返回步骤（1）重新开始进行以上步骤；若仿真结果符合要求，则仿真校核结束。
进一步，采用BPA仿真工具进行仿真校核中所述程序为应用编程软件编写的可直接读取数据文件中数据的程序；所述程序开发相应的图形界面，并且读取数据时直接导入到相应的图形界面进行校核计算；所述的数据文件中的数据是通过电力系统分析软件BPA对修正BPA数据卡片进行仿真计算，得出计算结果导出至数据文件得到的；所述的数据文件是Excel文件；所述的BPA数据卡片包括励磁系统FM卡、励磁系统F+数据卡、发电机MF卡。
进一步，所述的励磁系统FM卡参数：调差系数Xc为0、调节器输入滤波器时间常数TR为0.004S、调节器PID增益K为23.55、积分调节选择因子Kv为0、电压调节器超前时间常数T1为20S、电压调节器滞后时间常数T2为20S、电压调节器超前时间常数T3为0.95S、电压调节器滞后时间常数T4为3.309S、电压调节器放大器增益KA为1、电压调节器放大器时间常数TA为0.004S、软负反馈放大倍数KF为0、励磁机电流反馈增益KH（标幺值)为0.107；其中，调节器PID增益K、积分调节选择因子Kv、电压调节器放大器增益KA、软负反馈放大倍数KF、励磁机电流反馈增益KH均为标幺值。
进一步，所述的励磁系统F+数据卡参数：调节器最大内部电压VAMAX为100、调节器最小内部电压VAMIN为-100、二级调节器增益KB为169.98、二级调节器时间常数T5为0.01、励磁机自励系数KE为1、励磁机时间常数TE为2.13S、最大励磁电压处的励磁机饱和系数SE1为0.154、75%最大励磁电压处的励磁机饱和系数SE2为0.048、电压调节器最大输出电压VRMAX为61.6、电压调节器最小输出电压VRMIN为-31.7、换相电抗的整流器负载因子KC为0.279、去磁因子KD为0.22、励磁机励磁电流限制增益KL1为40、励磁机电流限制VL1R为5.6、最大励磁电压EFDMAX为6；其中，调节器最大内部电压VAMAX 、调节器最小内部电压VAMIN、励磁机自励系数KE、电压调节器最大输出电压VRMAX、电压调节器最小输出电压VRMIN、换相电抗的整流器负载因子KC、去磁因子KD、励磁机励磁电流限制增益KL1、励磁机电流限制VL1R、最大励磁电压EFDMAX均为标幺值。
进一步，所述的发电机MF卡参数：发电机母线电压为24.0kV、发电机标幺参数的基准容量为1222.2MVA、直轴暂态电抗Xd′（标幺值）为0.403、交轴暂态电抗Xq′（标幺值）为0.571、直轴不饱和同步电抗Xd（标幺值）为1.81、交轴不饱和同步电抗Xq（标幺值）为1.74、直轴瞬态开路时间常数Tdo′为8.208S、交轴瞬态开路时间常数Tqo′为0.8S、定子漏抗为0.234、额定电压时电机饱和系数为0.0784、1.2倍额定电压时电机饱和系数为0.4941；其中直轴暂态电抗Xd′、交轴暂态电抗Xq′、直轴不饱和同步电抗Xd、交轴不饱和同步电抗Xq均为标幺值。
在未进行模型转换前，由于实测数据超过了BPA数据文件输入的范围，使得仿真工作无法开展；通过模型等效转换的方法以及采用BPA仿真工具进行仿真校核，应用计算程序不断修正计算，确定了励磁系统模型所有的参数，其仿真效果以及校核计算结果如图6所示。从图上可知仿真曲线与实测曲线基本相似，各项关键数据指标的误差均在励磁建模导则规定的范围内，表明所建的励磁系统仿真模型可用于日常的电网稳定分析。
附图说明
图1三菱MEC7000励磁系统现场实测模型；
图2 BPA无刷励磁系统模型图；
图3三菱MEC7000励磁系统现场实测模型中b模块等效图；
图4 BPA无刷励磁系统模型中d模块等效图；
图5是仿真校核计算流程图；
图6是仿真校核程序图形界面截图；
图7是程序的图形界面截图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
三菱MEC7000励磁系统现场实测模型进行BPA仿真时采用FM型无刷励磁系统作为等效模型，在等效转换时，将KE计入模型中，分别对三菱MEC7000励磁系统现场实测模型图1的主励磁机及不可控功率整流器模块b和BPA无刷励磁系统模型图2的主励磁机及不可控功率整流器模块d进行转换，分别得到的转换模型图如图3和图4所示。
建立励磁系统模型转换图的等效传递函数，令KB1=K2/Rfe，励磁系统现场实测模型的主励磁机及不可控功率整流器模型转换后的模型如图3，它的等效传递函数为：
（1）
无刷励磁系统模型的主励磁机及不可控功率整流器模型转换后的模型如图4，结合传递函数计算的一般方法，可以求得式（2），它的等效传递函数为：
（2）
其中：KB为第二级调节器增益，KH为励磁机电流反馈增益；SE为励磁机饱和系数，VA为励磁调节器输出电压，VE为不可控三相全波整流桥的输出电压，其中K2为励磁调节器二级放大增益，Kf为励磁机电流反馈增益，TE为励磁机时间常数，Rfe为励磁机磁场电阻，KB1为励磁调节器二级放大增益K2与励磁机磁场电阻Rfe的比值。
等效传递函数（1）和（2），采用解析求解的方法求解，可求得第二级调节器增益KB、励磁机电流反馈增益KH的数值；励磁调节器二级放大增益参数取值K2取1890，励磁机电流反馈增益参数取值Kf取0.0015,励磁机时间常数参数取值TE取2.13,励磁机磁场电阻均为参数取值Rfe取0.134。
采用解析求解的方法求解等效传递函数，将参数代入式（1），令式（1）等于式（2），即：
可求得第二级调节器增益KB、励磁机电流反馈增益KH的数值，如表1所示，
表1 KB、KH转换前后参数值对比
| BPA参数 | 转换前的值 | 转换后的值 | 限值 |
| KB | 14104 | 170 | 9999（最大值） |
| KH | 0.0015 | 0.1065 | 0.001（最小值） |
由表1可得，模型转换后KB、KH的数值在其取值的限值内，另外由于式（1）等于式（2），可说明参数转换后，两个模型的仿真效果仍然一致的。
采用BPA仿真工具进行仿真校核以下步骤：
1）在进行校核计算前，先修正BPA数据卡片，调用BPA程序进行仿真计算，将BPA仿真计算结果导出至Excel文件；这些数据卡片如表2、表3、表4所示。
表2 励磁系统FM卡参数表
| 参数名称 | 参数 |
| 调差系数Xc | 0 |
| 调节器输入滤波器时间常数T<sub>R</sub>（秒） | 0.004 |
| 调节器PID增益K（标幺值） | 23.55 |
| 积分调节选择因子Kv（标幺值） | 0 |
| 电压调节器超前时间常数T<sub>1</sub>（秒） | 20 |
| 电压调节器滞后时间常数T<sub>2</sub>（秒） | 20 |
| 电压调节器超前时间常数T<sub>3</sub>（秒） | 0.95 |
| 电压调节器滞后时间常数T<sub>4</sub>（秒） | 3.309 |
| 电压调节器放大器增益K<sub>A</sub>（标幺值） | 1 |
| 电压调节器放大器时间常数T<sub>A</sub>（秒） | 0.004 |
| 软负反馈放大倍数K<sub>F</sub> (标幺值) | 0 |
| 励磁机电流反馈增益KH（标幺值） | 0.107 |
表3 励磁系统F+数据卡参数表
| 参数名称 | 参数 |
| 调节器最大内部电压V<sub>AMAX</sub>（标幺值） | 100 |
| 调节器最小内部电压V<sub>AMIN</sub>（标幺值） | -100 |
| 二级调节器增益KB | 169.98 |
| 二级调节器时间常数T5 | 0.01 |
| 励磁机自励系数KE（标幺值） | 1 |
| 励磁机时间常数TE（秒） | 2.13 |
| 最大励磁电压处的励磁机饱和系数SE1 | 0.154 |
| 75%最大励磁电压处的励磁机饱和系数SE2 | 0.048 |
| 电压调节器最大输出电压V<sub>RMAX</sub>（标幺值） | 61.6 |
| 电压调节器最小输出电压V<sub>RMIN</sub>（标幺值） | -31.7 |
| 换相电抗的整流器负载因子K<sub>C</sub>（标幺值） | 0.279 |
| 去磁因子KD（标幺值） | 0.22 |
| 励磁机励磁电流限制增益KL1（标幺值） | 40 |
| 励磁机电流限制VL1R（标幺值） | 5.6 |
| 最大励磁电压EFDMAX（标幺值） | 6 |
表4 发电机MF卡
| 参数名称 | 参数 |
| 发电机母线电压（kV） | 24.0 |
| 发电机标幺参数的基准容量（MVA） | 1222.2 |
| 直轴暂态电抗Xd′（标幺值） | 0.403 |
| 交轴暂态电抗Xq′（标幺值） | 0.571 |
| 直轴不饱和同步电抗Xd（标幺值） | 1.81 |
| 交轴不饱和同步电抗Xq（标幺值） | 1.74 |
| 直轴瞬态开路时间常数Tdo′（秒） | 8.208 |
| 交轴瞬态开路时间常数Tqo′（秒） | 0.8 |
| 定子漏抗 | 0.234 |
| 额定电压时电机饱和系数 | 0.0784 |
| 1.2倍额定电压时电机饱和系数 | 0.4941 |
2）启动已经编写好的计算程序，对应着仿真校核程序图形界面如图3点击“导入仿真数据”和“导入实测数据”，最后点击“校核计算”，计算机程序同时计算仿真和实测数据的超调量、上升时间、峰值时间、调节时间并进行误差计算。
3）通过仿真校核计算程序的不断修正计算，确定了所有励磁系统模型参数，得到图6为5%发电机电压阶跃仿真曲线与现场实测曲线的对比。
4）其中Excel文件包括仿真数据文件和实测数据文件。
本发明达到了在保证仿真效果的情况下，降低了KB，增大了KH的取值，创新的采用了此等效转换的方法，并解决了BPA数据文件输入格式的限制；采用BPA仿真工具进行仿真校核，大大缩短校核时间，同时避免了人工读数的误差，极大提升了励磁建模仿真的工作效率和精度，很好的完成了仿真建模工作。
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种励磁系统建立仿真模型的方法，其特征在于：采用BPA仿真工具搭建与现场实测模型功能效果一致的仿真模型；所述一种励磁系统建立仿真模型的方法包括以下步骤：
（1）采用等效转换的方法的，将励磁系统现场实测模型与无刷励磁系统模型等效转换；所述等效转换的方法包括以下步骤：
1）励磁系统现场实测模型进行仿真时采用无刷励磁系统作为等效模型，在等效转换时，分别对励磁系统现场实测模型的主励磁机及不可控功率整流器模型和无刷励磁系统模型的主励磁机及不可控功率整流器模型进行转换；
2）建立励磁系统模型转换的等效传递函数，令KB1=K2/Rfe，励磁系统现场实测模型的主励磁机及不可控功率整流器模型转换后得到等效传递函数为：
（1）
无刷励磁系统模型的主励磁机及不可控功率整流器模型转换后得到等效传递函数为：
（2）
其中：KB为第二级调节器增益，KH为励磁机电流反馈增益，SE为励磁机饱和系数，VA为励磁调节器输出电压，VE为不可控三相全波整流桥的输出电压，其中K2为励磁调节器二级放大增益，Kf为励磁机电流反馈增益，KE为空载励磁电流的倒数，TE为励磁机时间常数，Rfe为励磁机磁场电阻,KB1为励磁调节器二级放大增益K2与励磁机磁场电阻Rfe的比值；
（2）采用BPA仿真工具进行仿真校核，检验搭建的仿真模型的功能效果。
2.根据权利要求1所述的一种励磁系统建立仿真模型的方法，其特征是：所述等效转换方法步骤2)中等效传递函数（1）和（2），采用解析求解的方法求解，求得第二级调节器增益KB、励磁机电流反馈增益KH的数值；励磁调节器二级放大增益K2取1890，励磁机电流反馈增益Kf取0.0015,励磁机时间常数TE取2.13,励磁机磁场电阻Rfe取0.134，空载励磁电流的倒数KE取0.0121。
3.根据权利要求1所述的一种励磁系统建立仿真模型的方法，其特征是：所述采用BPA仿真工具进行仿真校核包括以下步骤：
（1）修正BPA数据卡片，调用BPA程序进行仿真计算；
（2）将BPA仿真计算结果导入“仿真.xls”；
（3）启动程序；
（4）点击“导入仿真数据”选择“仿真.xls”；
（5）点击“导入实测数据”选择现场实测数据；
（6）点击“校核计算”，同时计算仿真和实测数据的超调量、上升、峰值、调节时间，并进行误差计算；
（7）校核仿真结果是否符合要求；
（8）若仿真结果不符合要求，则返回步骤（1）重新开始进行以上步骤；若仿真结果符合要求，则仿真校核结束。
4.根据权利要求3所述的一种励磁系统建立仿真模型的方法，其特征是：采用BPA仿真工具进行仿真校核中所述程序为应用编程软件编写的可直接读取数据文件中数据的程序；所述程序开发相应的图形界面，并且读取数据时直接导入到相应的图形界面进行校核计算；所述的数据文件中的数据是通过电力系统分析软件BPA对修正BPA数据卡片进行仿真计算，得出计算结果导出至数据文件得到的；所述的数据文件是Excel文件；所述的BPA数据卡片包括励磁系统FM卡、励磁系统F+数据卡、发电机MF卡。
5.根据权利要求4所述的一种励磁系统建立仿真模型的方法，其特征是：所述的励磁系统FM卡参数：调差系数Xc为0、调节器输入滤波器时间常数TR为0.004S、调节器PID增益K为23.55、积分调节选择因子Kv为0、电压调节器超前时间常数T1为20S、电压调节器滞后时间常数T2为20S、电压调节器超前时间常数T3为0.95S、电压调节器滞后时间常数T4为3.309S、电压调节器放大器增益KA为1、电压调节器放大器时间常数TA为0.004S、软负反馈放大倍数KF为0、励磁机电流反馈增益KH为0.107；其中，调节器PID增益K、积分调节选择因子Kv、电压调节器放大器增益KA、软负反馈放大倍数KF、励磁机电流反馈增益KH均为标幺值。
6.根据权利要求4所述的一种励磁系统建立仿真模型的方法，其特征是：所述的励磁系统F+数据卡参数：调节器最大内部电压VAMAX为100、调节器最小内部电压VAMIN为-100、二级调节器增益KB为169.98、二级调节器时间常数T5为0.01、励磁机自励系数KE为1、励磁机时间常数TE为2.13S、最大励磁电压处的励磁机饱和系数SE1为0.154、75%最大励磁电压处的励磁机饱和系数SE2为0.048、电压调节器最大输出电压VRMAX为61.6、电压调节器最小输出电压VRMIN为-31.7、换相电抗的整流器负载因子KC为0.279、去磁因子KD为0.22、励磁机励磁电流限制增益KL1为40、励磁机电流限制VL1R为5.6、最大励磁电压EFDMAX为6；其中，调节器最大内部电压VAMAX 、调节器最小内部电压VAMIN、励磁机自励系数KE、电压调节器最大输出电压VRMAX、电压调节器最小输出电压VRMIN、换相电抗的整流器负载因子KC、去磁因子KD、励磁机励磁电流限制增益KL1、励磁机电流限制VL1R、最大励磁电压EFDMAX均为标幺值。
7.根据权利要求4所述的一种励磁系统建立仿真模型的方法，其特征是：所述的发电机MF卡参数：发电机母线电压为24.0kV、发电机标幺参数的基准容量为1222.2MVA、直轴暂态电抗Xd′为0.403、交轴暂态电抗Xq′为0.571、直轴不饱和同步电抗Xd为1.81、交轴不饱和同步电抗Xq为1.74、直轴瞬态开路时间常数Tdo′为8.208S、交轴瞬态开路时间常数Tqo′为0.8S、定子漏抗为0.234、额定电压时电机饱和系数为0.0784、1.2倍额定电压时电机饱和系数为0.4941；其中直轴暂态电抗Xd′、交轴暂态电抗Xq′、直轴不饱和同步电抗Xd、交轴不饱和同步电抗Xq均为标幺值。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106383974A (zh) | 2017-02-08 |
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