CN107393384A - 一种发电机励磁仿真系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发电机励磁仿真系统和方法，所述系统包括设置模块，接收用户输入的仿真参数；数据转化模块，将所述仿真参数转化为数值类型或字符串类型；励磁仿真模块，基于仿真参数进行励磁仿真得到仿真结果；可视化生成模块生成仿真图像传输至可视化视图模块进行显示。本发明在仿真过程中将准同期并网前后的两个物理过程分开考虑，以及对可解耦的调速系统和原动机进行单独仿真，提高了并网前系统的仿真速度；并且通过用户自定义的参数设置，能够对各种不同情况进行仿真，丰富了用户体验。

Description

一种发电机励磁仿真系统和方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真培训领域，尤其涉及一种发电机励磁仿真系统和方法。

背景技术

近年来，随着发电机容量以及数量的不断增加以及输电线路的不断增长，各个发电机的联系变得比较松散，特别是在发生故障的情况下，发电机可能会失去同步。电力事故会给社会带来一系列不利影响。目前在提高电力系统稳定性的措施中，提高发电机励磁系统的性能是最为有效和经济的措施之一。具备良好性能的发电机励磁系统在保证电能质量、合理分配无功功率和提高电力系统运行的可靠性方面都起着极为重要的作用。

目前，国内高校电气工程及其自动化专业基本都开设了“电力系统自动化”课程以及配套的实验课程。为了方便教、学活动，课程常以单机无穷大系统为例进行讲解。然而，由于电力系统技术的高速革新，传统的电力系统自动化实验平台已经不能满足当下教学的要求。与传统的实验平台相比，借助计算机的虚拟实验具有以下优势：引进成本低；程序开源，教师可自主更新维护；不存在老化问题，使用寿命长；实验时间灵活，可提高学生实验的自主性；不需要学生直接操作带电设备，安全性高。虽然可以借助PSASP和PSS/E等一系列仿真软件进行励磁系统的仿真，但是这些软件操作较为复杂，对编程能力要求较高，难以在本科的课程实验教学中推广。

由此可见，如何设计一种高效可行的发电机励磁虚拟仿真系统和方法，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种电力系统发电机励磁仿真系统和方法，接收用户输入的仿真参数，对所述仿真参数进行格式转化，然后基于转化后的仿真参数进行励磁仿真，最后对仿真结果进行可视化。仿真过程中将准同期并网前后的两个物理过程分开考虑，并且对可解耦的调速系统和原动机进行单独仿真，提高了并网前系统的仿真速度；并且，通过用户自定义的参数设置，能够对各种不同情况进行仿真，丰富学习体验。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种发电机励磁仿真系统，所述系统包括：

所述设置模块，用于接收用户输入的仿真参数，并传输至数据转化模块；所述仿真参数包括：仿真时长、无穷大系统参数、故障信息和励磁系统参数；

所述数据转化模块，用于接收所述仿真参数，将所述仿真参数转化为数值类型或字符串类型，并存入数据库；

所述励磁仿真模块，调用数据库中的仿真参数，进行励磁仿真，并将仿真结果存入数据库；

所述可视化生成模块，提取数据库中的仿真结果，生成仿真图像并传输至可视化视图模块；

所述可视化视图模块，接收所述仿真图像并进行显示。

进一步地，所述励磁仿真模块采用单机无穷大系统，包括：同步发电机、励磁系统、调速系统、原动机和电力网络。

进一步地，所述同步发电机采用dq坐标下的五阶模型。

进一步地，所述励磁系统采用典型三阶模型。

进一步地，所述调速系统采用电液调速器模型。

进一步地，所述原动机采用只计及高压蒸汽容积效应的一阶汽轮机模型。

进一步地，所述电力网络采用辐射形4节点系统。

进一步地，所述同步发电机的输出量包括同步发电机的端电压dq轴分量U_d和U_q、转速ω和功角δ；所述励磁系统的输入量包括U_d、U_q和给定电压U_ref，输出量励磁电压E_f送到同步发电机作为输入量；所述调速系统的输入量包括ω和给定转速ω_ref，输出量汽门开度校正度△μ送到原动机作为输入量；所述原动机的输入量包括△μ和给定汽门开度μ，输出量机械功率P_m送到同步发电机作为输入量。

基于上述系统，本发明还提供了一种发电机励磁系统虚拟仿真方法，包括以下步骤：

步骤1：经由用户界面接收用户设置的励磁仿真参数；所述仿真参数包括仿真时长、无穷大系统参数、故障信息和励磁系统参数；

步骤2：将所述仿真参数转化为数值类型或字符串类型；

步骤3：根据所述仿真参数进行励磁仿真，得到仿真结果；

步骤4：基于所述仿真结果生成仿真图像，并进行显示。

进一步地，所述步骤3包括：

(1)调用仿真参数数据和初始设置；

(2)将仿真时刻t₀指针置零；设t_i,i＝0,1,2,…,n表示第i个仿真时刻；

(3)根据网络参数形成4×4阶的导纳矩阵；

(4)判断本时刻同步发电机是否满足准同期并网条件；

若未满足准同期并网条件，发电机空载运行，则执行(5)；若满足准同期并网条件，发电机并网运行，则执行(6)；

(5)对同步发电机、励磁系统、调速系统和原动机组成的系统进行仿真；

(6)判断系统是否发生操作或者故障；若发生故障，则执行(7)；若未发生故障，

则执行(8)；

(7)进行操作或者故障处理，修改导纳矩阵；

(8)对单机无穷大系统进行仿真；

(9)判断是否完成仿真；当t_i＝t_n时，仿真结束，否则，仿真未结束，执行(10)；

(10)对时钟进行操作，t_i+1＝t_i+T，并执行(4)，其中，T＝0.001s。

本发明的有益效果：

1.本发明的励磁系统考虑了饱和效应，完善了励磁系统的仿真细节；

2.本发明的仿真过程将准同期并网前后的两个物理过程分开考虑，降低了并网前系统微分—代数方程组的阶数，提高了并网前系统的仿真速度；

3.本发明的仿真过程对可解耦的调速系统和原动机进行单独仿真，降低了系统微分—代数方程组的阶数，提高了系统的仿真速度；

4.本发明的参数设置灵活，通过设置不同的参数能够得到不同实验结果，极大地丰富了学习体验，用户可进行并不仅限于进行以下励磁虚拟实验：通过调节励磁系统参数认识励磁系统对系统暂态稳定性的影响；通过设置不同的故障点、故障持续时间来了解故障点与发电机的距离和持续时间对系统暂态稳定性的影响；通过设置无穷大系统的电压与相位认识并网时压差和相位差对系统稳定性的影响；

5.本发明的仿真结果不仅可以以图像形式显示，还通过数据库存储，用户可以随时从数据库导出所需数据并保存。

附图说明

图1为本发明发动机励磁仿真系统图；

图2为本发明单机无穷大系统模型图；

图3为本发明励磁系统传递函数图；

图4为本发明电液调速器传递函数图；

图5为本发明只计及高压蒸汽容积效应的一阶汽轮机传递函数图

图6为本发明双绕组变压器和线路简化模型图；

图7为本发明发动机励磁仿真方法流程图；

图8为本发明实施例仿真曲线图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例的目的是提供一种电力系统发电机励磁仿真系统。

为实现上述目的，本实施例提供了一种发电机励磁仿真系统(图1)，所述系统包括：设置模块、数据转化模块、励磁仿真模块、可视化生成模块、可视化视图模块和数据库；其中，所述设置模块与数据转化模块和数据库模块依次连接，所述励磁仿真模块与数据库连接，所述可视化视图模块与可视化生成模块和数据库模块依次连接。

具体地，

所述设置模块，用于接收用户输入的仿真参数，并传输至数据转化模块；所述仿真参数包括：仿真时长、无穷大系统参数、故障信息和励磁系统参数；

所述数据转化模块，用于接收所述仿真参数，将所述仿真参数转化为数值类型或字符串类型，并存入数据库；

所述励磁仿真模块，调用数据库中的仿真参数，进行励磁仿真，并将仿真结果存入数据库；

所述可视化生成模块，提取数据库中的仿真结果，生成仿真图像并传输至可视化视图模块；

所述可视化视图模块，接收所述仿真图像并进行显示。

具体地，所述励磁仿真模块采用单机无穷大系统(图2)，包括：同步发电机、励磁系统、调速系统、原动机和电力网络。

优选地，所述同步发电机采用dq坐标下的五阶模型。

优选地，所述励磁系统采用典型三阶模型(图3)。

优选地，所述调速系统采用电液调速器模型(图4)。

优选地，所述原动机采用只计及高压蒸汽容积效应的一阶汽轮机模型(图5)。

优选地，所述电力网络采用辐射形4节点系统。

具体地，所述电力网络中的双绕组变压器和线路采用仅考虑串联阻抗的简化模型(图6)，其中，所述电力网络节点1连接同步发电机，节点1与节点2之间为一台双绕组变压器，节点2与节点3之间为双回线，节点3与节点4之间为一台双绕组变压器，节点4连接无穷大系统。

具体地，所述同步发电机的输出量包括同步发电机的端电压dq轴分量U_d和U_q、转速ω和功角δ。所述励磁系统的输入量包括U_d、U_q和给定电压U_ref，输出量励磁电压E_f送到同步发电机作为输入量。所述调速系统的输入量包括ω和给定转速ω_ref，输出量汽门开度校正度△μ送到原动机作为输入量。所述原动机的输入量包括△μ和给定汽门开度μ，输出量机械功率P_m送到同步发电机作为输入量。

实施例二

本实施例的目的是提供一种采用实施例一中所述系统的发电机励磁系统虚拟仿真方法。

基于上述目的，本实施例提供了一种发电机励磁系统虚拟仿真方法(图7)，该方法基于以上仿真系统，包括以下步骤：

步骤1：接收用户设置的励磁仿真参数；所述仿真参数包括：仿真时长、无穷大系统参数、故障信息和励磁系统参数；

步骤2：将所述仿真参数转化为数值类型或字符串类型；

步骤3：根据所述仿真参数进行励磁仿真，得到仿真结果；

步骤4：基于所述仿真结果生成仿真图像，并进行显示。

具体地，所述步骤1中仿真参数包括：

A.仿真时长T_END单位：秒(s)

B.无穷大系统参数

a)系统电压幅值U_sys单位：标幺值(p.u.)

b)系统电压功角δ_sys单位：弧度(rad)

C.故障信息

a)故障时刻T_FAULT单位：秒(s)

b)故障位置

故障位置可设置在母线处。仿真系统采用的单机无穷大系统模型(图2)为四节点系统，可设置故障位置为BUS 1、BUS 2、BUS 3和BUS 4。

c)故障类型

故障类型可设置为瞬时性故障和永久性故障。

d)故障持续时间FAULT_DURATIONS单位：秒(s)

仅在故障类型为瞬时性故障时设置。

e)故障切除选择

仅在故障位置为BUS 2且故障类型为永久性故障时设置。此时可认为故障位置为紧靠BUS 2的一条单回线上。

D.典型励磁系统参数

典型励磁系统模型传递函数如图2所示。仅在选择第二、三部分实验时设置。

a)电压调节器放大倍数K_A单位：标幺值(p.u.)

电压调节器的放大倍数一般可达几百。

b)电压调节器时间常数T_A单位：秒(s)

电压调节器的时间常数一般为几十毫秒。

c)励磁机饱和系数S_E

励磁机饱和系数S_E与发电机励磁电压E_f有关，可分段线性化，在某一时步有S_EE_f＝K₁E_f-K₂。其中，K₁和K₂可根据励磁机饱和特性获得。

d)励磁机自并励系数K_L单位：标幺值(p.u.)

e)励磁机时间常数T_L单位：秒(s)

T_L在数值上为自励绕组和他励绕组时间常数之和。

f)励磁系统稳定器放大倍数K_F单位：标幺值(p.u.)

励磁系统稳定器时间常数T_F单位：秒(s)

本实施例中，仿真时长为100s，无穷大系统电压幅值为1p.u.，功角为4.2rad，故障时刻为75s，故障位置为靠近母线2的一条单回线上，故障类型为永久性故障，0.1s后切除故障。励磁系统参数如表1所示。

表1励磁系统参数

具体地，所述步骤3包括：

(1)初始化参数；

励磁仿真模块调用数据库中的数据，包括同步发电机、励磁系统、调速系统、原动机、线路和变压器的参数以及初始时刻上述元件和各节点的电压、电流、转速、功角和功率等物理量的初值；

(2)励磁仿真模块将仿真时刻t₀指针置零；设t_i,i＝0,1,2,…,n表示第i个仿真时刻；

(3)形成导纳矩阵；

根据网络参数(线路、变压器参数)形成4×4阶的导纳矩阵，其中对角线元素Y_ii的数值等于i节点的自导纳，其余元素Y_ij的数值等于i节点与j节点之间的互导纳的负值；

(4)判断本时刻同步发电机是否满足准同期并网条件；

若未满足准同期并网条件，发电机空载运行，则执行(5)；若满足准同期并网条件，发电机并网运行，则执行(6)。

其中，所述准同期并网条件为：和其中，ω_sys为系统频率，在本实施例中，ω_sys＝1。

在本实施例中，54.438s满足准同期并网条件。

(5)对同步发电机、励磁系统、调速系统和原动机组成的系统进行仿真，将仿真结果导入数据库，并执行(9)；

(6)判断系统是否发生操作或者故障；

若发生故障，则执行(7)；若未发生故障，则执行(8)。

(7)进行操作或者故障处理，修改导纳阵；

进行操作或者故障处理时，修改有关节点的自导纳与互导纳

(8)对单机无穷大系统进行仿真，并将仿真结果导入数据库；

(9)判断是否完成仿真；

当t_i＝T_END时，仿真结束，否则，仿真未结束，执行(10)。

(10)对时钟进行操作，t_i+1＝t_i+T，并执行(4)，其中，T＝0.001s。

励磁虚拟实验仿真图像如图8所示。

本领域技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种发电机励磁仿真系统，其特征在于，所述系统包括：

所述设置模块，用于接收用户输入的仿真参数，并传输至数据转化模块；所述仿真参数包括：仿真时长、无穷大系统参数、故障信息和励磁系统参数；

所述数据转化模块，用于接收所述仿真参数，将所述仿真参数转化为数值类型或字符串类型，并存入数据库；

所述励磁仿真模块，调用数据库中的仿真参数，进行励磁仿真，并将仿真结果存入数据库；

所述可视化生成模块，提取数据库中的仿真结果，生成仿真图像并传输至可视化视图模块；

所述可视化视图模块，接收所述仿真图像并进行显示。

2.如权利要求1所述的一种发电机励磁仿真系统，其特征在于，所述励磁仿真模块采用单机无穷大系统，包括：同步发电机、励磁系统、调速系统、原动机和电力网络。

3.如权利要求2所述的一种发电机励磁仿真系统，其特征在于，所述同步发电机采用dq坐标下的五阶模型。

4.如权利要求2所述的一种发电机励磁仿真系统，其特征在于，所述励磁系统采用典型三阶模型。

5.如权利要求2所述的一种发电机励磁仿真系统，其特征在于，所述调速系统采用电液调速器模型。

6.如权利要求2所述的一种发电机励磁仿真系统，其特征在于，所述原动机采用只计及高压蒸汽容积效应的一阶汽轮机模型。

7.如权利要求2所述的一种发电机励磁仿真系统，其特征在于，所述电力网络采用辐射形4节点系统。

8.如权利要求2所述的一种发电机励磁仿真系统，其特征在于，所述同步发电机的输出量包括同步发电机的端电压dq轴分量U_d和U_q、转速ω和功角δ；所述励磁系统的输入量包括U_d、U_q和给定电压U_ref，输出量励磁电压E_f送到同步发电机作为输入量；所述调速系统的输入量包括ω和给定转速ω_ref，输出量汽门开度校正度△μ送到原动机作为输入量；所述原动机的输入量包括△μ和给定汽门开度μ，输出量机械功率P_m送到同步发电机作为输入量。

9.一种发电机励磁系统虚拟仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：经由用户界面接收用户设置的励磁仿真参数；所述仿真参数包括仿真时长、无穷大系统参数、故障信息和励磁系统参数；

步骤2：将所述仿真参数转化为数值类型或字符串类型；

步骤3：根据所述仿真参数进行励磁仿真，得到仿真结果；

步骤4：基于所述仿真结果生成仿真图像，并进行显示。

10.如权利要求9所述的一种发电机励磁系统虚拟仿真方法，其特征在于，步骤3包括：

(1)调用仿真参数数据和初始设置；

(2)将仿真时刻t₀指针置零；设t_i,i＝0,1,2,…,n表示第i个仿真时刻；

(3)根据网络参数形成4×4阶的导纳矩阵；

(4)判断本时刻同步发电机是否满足准同期并网条件；

若未满足准同期并网条件，发电机空载运行，则执行(5)；若满足准同期并网条件，发电机并网运行，则执行(6)；

(5)对同步发电机、励磁系统、调速系统和原动机组成的系统进行仿真；

(6)判断系统是否发生操作或者故障；若发生故障，则执行(7)；若未发生故障，则执行(8)；

(7)进行操作或者故障处理，修改导纳矩阵；

(8)对单机无穷大系统进行仿真；

(9)判断是否完成仿真；当t_i＝t_n时，仿真结束，否则，仿真未结束，执行(10)；

(10)对时钟进行操作，t_i+1＝t_i+T，并执行(4)，其中，T＝0.001s。