CN108647427B - 一种基于rtds主变压器空载冲击的仿真方法 - Google Patents

一种基于rtds主变压器空载冲击的仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电力系统主变压器空载冲击的仿真方法，尤其是涉及一种基于RTDS主变压器空载冲击的仿真方法。包括以下步骤：建立基于RTDS变压器空载冲击仿真模型，其中发电机模型、变压器模型、π型线路以及等值模型依次相连；提出主变压器空载冲击导致的功率波动的抑制策略：采用分相合闸，保证每一相都是在理想合闸角α＝90°时合闸，所产生励磁涌流大小最小。本发明建立了基于RTDS的主变压器空载冲击仿真模型，并提出功率震荡抑制策略方法，在保证仿真模型的高效准确性的同时，又提出了有效的抑制问题的解决办法，使得主变压器空载冲击过程对于电网及电厂的影响降到最低。

Description

一种基于RTDS主变压器空载冲击的仿真方法
技术领域
本发明涉及一种电力系统主变压器空载冲击的仿真方法，尤其是涉及一种基于RTDS主变压器空载冲击的仿真方法。
背景技术
大型电厂在空载冲击主变压器时，由于主变压器励磁绕组的饱和影响，使得高压母线易出现瞬间的低电压，在调速系统功率闭环运行方式下，相应容易导致同厂其它机组的电磁功率波动，严重情况下甚至会引起其它机组的跳闸解列而发生恶性事故。由于空载冲击主变压器是大型电厂的一项经常性的操作，如何对于主变压器空载冲击过程的机理进行仿真分析，并基于此提出有效的低电压及功率波动抑制策略，从而使得主变压器空载冲击过程对于电网及电厂的影响降到最低，是一个既有理论意义又有实际工程需要的课题。
相关研究人员对于主变压器空载冲击过程的仿真建模、机理、抑制策略进行了研究，并取得了有效成果。具体包括三类：
第一类基于录波信息的主变压器空载冲击过程分析及控制研究。该类方法通过对现场主变压器空载冲击过程进行录波，分析功率波动及励磁涌流波形，对其产生的原因进行理论分析，并提出一些相应的防范措施。该类方法虽然对主变压器空载冲击过程的录波波形进行理论分析，并提出低电压及功率波动抑制方法，但其所提出的方法还只是概念性的，并没有相应的仿真及试验验证，其有效性需要进一步论证。
第二类主变压器空载冲击过程励磁涌流的抑制研究。近年来提出了通过外部串联电阻来抑制主变压器空载冲击过程的励磁涌流，相应抑制其过低电压；该方法具有很好的励磁电流抑制作用，但需要外接电阻，从而导致其过程相应复杂。另一种方法是通过控制电压合闸角的方式来抑制励磁涌流，该方法有效，但如何进行合闸角的有效控制，也是一个需要进一步探讨的问题。
第三类基于Matlab的主变压器空载冲击过程仿真建模研究。该类方法基于Matlab仿真工具对主变压器空载冲击导致的功率波动现象进行仿真建模分析，从而找到影响其低电压及功率波动的主要影响因素。该方法从仿真建模角度而言，其建模及分析过程是有效的，但由于Matlab仿真工具若进行实时闭环仿真时，需要专门设计相应的接口，而该接口的设计相对比较复杂，因此该方法的工程推广存在一定的困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计算精度高、适用性广、推广性强、灵活性大的基于RTDS主变压器空载冲击的仿真方法，以克服现有技术存在的上述缺陷。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种基于RTDS主变压器空载冲击的仿真方法，包括以下步骤：
步骤一：建立基于RTDS变压器空载冲击仿真模型，其中发电机模型、变压器模型、π型线路以及等值模型依次相连；
步骤二：提出主变压器空载冲击导致的功率波动的抑制策略：采用分相合闸，保证每一相都是在理想合闸角α＝90°时合闸，所产生励磁涌流大小最小。
所述的步骤一中发电机模型为自定义励磁调速系统模型；变压器模型为YNd11的统一磁路模型三相变压器模型。
所述的步骤二具体为：(a)求取外部网络的自导纳传递函数，建立基于频率响应的外部网络等值模型；(b)建立基于统一磁路模型的变压器饱和模型，建模根据三相变压器的接线方式，对三个单相变压器进行连接而形成所需要的接线方式；(c)建立六阶同步发电机模型、自定义调速系统一次调频控制，执行机构油动机，以及汽轮机模型。
所述的步骤(a)中自导纳传递函数的计算过程为：
Figure BDA0001653554710000031
把外部系统的所有电压源直接接地，电流源开路，在被等值系统的某一连接端口处注入一个单位的电流，其余端口开路；Y为s域下的外部系统节点导纳矩阵；Iinput为外部系统的节点电流注入列向量，对应注入单位电流节点的元素为1，其余元素都为0；d为节点关联矩阵，与观测节点相对应的位置元素为1，其余元素为零；
将自导纳传递函数式进行有理函数式的分解，相应得到边界等值RLC网络；最后计算外部等效电源，保证在工频下边界节点电压电流在等值前后相等。
所述的步骤(b)中统一磁路模型参数的求解过程具体为：双击统一磁路模型，在统一磁路模型的CONFIGURATION中输入变压器容量、一次侧和二次侧电压、频率、漏抗、空载损耗和铜损参数，在V1,I1…V10,I10中输入变压器饱和特性的分段线性化拐点值，其中I1rms-I10rms以及V1rms-V10rms为分段线性化拐点的有效值，具体步骤为：选取多组变压器空载试验数据，根据功率定义求取非线性电导中的电流，求出非线性电感中电流；根据非线性电阻和电感中的电流，计算出每一段电压所对应的电流值大小。
本发明所取得的有益效果为：
(1)本发明建立了基于RTDS的主变压器空载冲击仿真模型，并提出功率震荡抑制策略方法，在保证仿真模型的高效准确性的同时，又提出了有效的抑制问题的解决办法，使得主变压器空载冲击过程对于电网及电厂的影响降到最低。
(2)本发明通过基于RTDS的主变压器空载冲击仿真模型，不仅可以能够准确、全面地反应出主变压器空载冲击仿真时的实时状态，大大仿真运行水平，同时也能进行实时闭环仿真时，不需要专门设计相应的接口，具有工程推广性，具有重要的工程实践意义和现实意义。
(3)当前国家电网正全面保证系统的安全可靠性，由于本发明具有较高的仿真效率，同时又提出了较有效的解决措施，因此具有良好的工程应用前景。
附图说明
图1为本发明所述基于RTDS主变压器空载冲击的仿真方法流程图；
图2为非线性变压器等效电路图；
图3为某实际系统的物理结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明所述基于RTDS主变压器空载冲击的仿真方法包括以下步骤：
1)建立基于RTDS变压器空载冲击仿真模型；
2)提出主变压器空载冲击导致的功率波动的抑制策略。
所述步骤1)中，基于RTDS变压器空载冲击仿真模型，其中发电机模型、变压器模型、π型线路以及等值模型依次相连，其中发电机模型为自定义励磁调速系统模型；变压器模型为YNd11的统一磁路模型三相变压器模型。
所述步骤2)中的主变压器空载冲击导致的功率波动的抑制策略，分相合闸能够有效降低励磁涌流大小，利用相控技术，保证每一相都是在理想合闸角α＝90°时合闸，所产生励磁涌流大小最小。
具体为：
a)求取外部网络的自导纳的传递函数式，建立基于频率响应的外部网络等值模型；
b)建立基于统一磁路模型的变压器饱和模型建模根据三相变压器的接线方式，对三个单相变压器进行连接而形成所需要的接线方式。
c)建立六阶同步发电机模型、自定义调速系统GRE一次调频控制，执行机构油动机，以及汽轮机模型。
所述步骤a)中的频率响应的外部网络等值模型，自导纳传递函数的计算过程具体为：
把外部系统的所有电压源直接接地，电流源开路，在被等值系统的某一连接端口处(端口i)注入一个单位的电流,其余端口开路，得到YU＝Iinput若观测节点(端口j)的电压用F表示，则有F＝dTU。其中，Y为s域下的外部系统节点导纳矩阵；U为外部系统(包括端口)的各节点电压；Iinput为外部系统(包括端口)的节点电流注入列向量，对应注入单位电流节点的元素为1，其余元素都为0。d为节点关联矩阵，与观测节点相对应的位置其元素为1，其余元素为零。
把上述两个方程进行合并得到如式下示的混合方程：
Figure BDA0001653554710000051
利用科莱姆法则求取得
Figure BDA0001653554710000052
因此导纳传递函数为：
Figure BDA0001653554710000053
将导纳传递函数式进行有理函数式的分解，相应得到边界等值RLC网络。最后计算外部等效电源，保证在工频下边界节点电压电流在等值前后相等。
所述步骤b)中的基于统一磁路模型的变压器饱和模型建模，统一磁路模型模型参数的求解过程具体为：
双击统一磁路模型，在统一磁路模型中CONFIGURATION中输入变压器容量，一次侧、二次侧电压，频率、漏抗、空载损耗、铜损等基本参数，在V1,I1…V10,I10中输入变压器饱和特性的分段线性化拐点值。其中I1rms-I10rms以及V1rms-V10rms为分段线性化拐点的有效值，具体步骤如下：
选取多组变压器空载试验数据，根据功率定义
Figure BDA0001653554710000061
求取非线性电导(即图2中的Rm)中的电流；根据公式/>
Figure BDA0001653554710000062
求出非线性电感(即图2中的Lm)中电流；c.根据非线性电阻、电感中的电流，通过公式/>
Figure BDA0001653554710000063
可以计算出每一段电压所对应的电流值大小。
如图1所示，本实施例基于RTDS的主变压器空载冲击仿真模型，包括以下步骤：
S201、建立外网基于频率等值模型：
把外部系统的所有电压源直接接地，电流源开路，在被等值系统的某一连接端口处(端口i)注入一个单位的电流，其余端口开路，得到YU＝Iinput若观测节点(端口j)的电压用F表示，则有F＝dTU。其中，Y为s域下的外部系统节点导纳矩阵；U为外部系统(包括端口)的各节点电压；Iinput为外部系统(包括端口)的节点电流注入列向量，对应注入单位电流节点的元素为1，其余元素都为0。d为节点关联矩阵，与观测节点相对应的位置其元素为1，其余元素为零。
把上述两个方程进行合并得到如式下示的混合方程：
Figure BDA0001653554710000071
利用科莱姆法则求取得
Figure BDA0001653554710000072
因此导纳传递函数为：
Figure BDA0001653554710000073
将导纳传递函数式进行有理函数式的分解，相应得到边界等值RLC网络。最后计算外部等效电源，保证在工频下边界节点电压电流在等值前后相等。
S202、建立基于统一磁路模型主变压器饱和模型
在统一磁路模型中CONFIGURATION中输入变压器容量，一次侧、二次侧电压，频率、漏抗、空载损耗、铜损等基本参数，在V1,I1…V10,I10中输入变压器饱和特性的分段线性化拐点值，所示。其中I1rms-I10rms以及V1rms-V10rms为分段线性化拐点的有效值，具体步骤如下：
1)选取多组变压器空载试验数据，根据功率定义
Figure BDA0001653554710000074
求取非线性电导(即图中的Rm)中的电流；
2)根据公式
Figure BDA0001653554710000075
求出非线性电感(即图2中的Lm)中电流；根据非线性电阻、电感中的电流，通过公式/>
Figure BDA0001653554710000076
可以计算出每一段电压所对应的电流值大小。
S203建立自定义励磁调速系统同步发电机模型
(1)构建六阶同步发电机模型
根据发电机的接线图，将发电机的机端节点与变压器的低压侧节点相连，在EF端口处标明与之后搭建的励磁系统输出相同的信号，表明这两个信号是相同的，系统自动实现该两个端点的连接；同理端口TM标注与调速系统输出的相同信号。
(2)励磁系统及PSS模型构建
1)根据给定的励磁调节器数学模型搭建励磁系统的PID控制框图
a)在Generator control调用电压补偿模块(IEEEVC)，对于采样的机端电压标幺值VT1_VRMS，经过20ms的滤波后接入电压补偿模块；
b)在controls中调用PID传递函数以及数学计算符号，根据数学模型相连，经过PID控制以及励磁机输出与上述相同的励磁电压EF。
2)根据给定的PSS数学模型构建PSS模型。
(3)调速系统建模
1)根据给定的速系统GRE一次调频的数学模型，构建调速系统GRE一次调频结构框图
2)根据给定的执行机构油动机的数学模型，构建执行机构油动机结构框图，
3)根据给定的汽轮机的数学模型，构建汽轮机结构框图，并输出与上述相同的STM1为发电机机端转矩信号。
S204建立基于RTDS主变压器空载冲击模型
某实际等值系统结构图如图3所示，其中发电机为1号发电机，励磁调速系统分别为1号发电机的励磁调速系统，与1号发电机相连的变压器为1号主变压器，该主变压器的高压端与500kV母线相连，高压母线通过传输线路和等值网络相连，等值网络根据本文详细说明中的方法计算获得。连接在高压母线的另一变压器为2#变压器，处于空载状态，是用于进行主变压器空载冲击试验的变压器。基于本文所提出的基于RTDS环境下的变压器统一磁路模型模型及发电机系统模型(发电机、励磁及调速系统)的构建方法，在RTDS环境下构建相应的仿真系统，发电机采用六阶发电机模型，励磁采用自励无刷励磁系统模型，调速系统采用汽轮机调速系统模型，并结合等值网络，构建了相应的仿真系统。
S205提出一种功率波动的抑制方法
通过RTDS中锁相环技术，计算出主变压器冲击高压母线的实时相角，当给定合闸信号之后，每一相相角第一次到达90°时，对其进行合闸，功率波动以及电压降落明显减少。

Claims (3)

1.一种基于RTDS主变压器空载冲击的仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：建立基于RTDS变压器空载冲击仿真模型，其中发电机模型、变压器模型、π型线路以及等值模型依次相连；
步骤二：提出主变压器空载冲击导致的功率波动的抑制策略：采用分相合闸，保证每一相都是在理想合闸角α＝90°时合闸，所产生励磁涌流大小最小；
所述的步骤二具体为：(a)求取外部网络的自导纳传递函数，建立基于频率响应的外部网络等值模型；
所述的步骤(a)中自导纳传递函数的计算过程为：
Figure FDA0003869380270000011
把外部系统的所有电压源直接接地，电流源开路，在被等值系统的某一连接端口处注入一个单位的电流，其余端口开路；Y为s域下的外部系统节点导纳矩阵；Iinput为外部系统的节点电流注入列向量，对应注入单位电流节点的元素为1，其余元素都为0；d为节点关联矩阵，与观测节点相对应的位置元素为1，其余元素为零；
将自导纳传递函数式进行有理函数式的分解，相应得到边界等值RLC网络；最后计算外部等效电源，保证在工频下边界节点电压电流在等值前后相等；
(b)建立基于统一磁路模型的变压器饱和模型，建模根据三相变压器的接线方式，对三个单相变压器进行连接而形成所需要的接线方式；(c)建立六阶同步发电机模型、自定义调速系统一次调频控制，执行机构油动机，以及汽轮机模型。
2.根据权利要求1所述的基于RTDS主变压器空载冲击的仿真方法，其特征在于：所述的步骤一中发电机模型为自定义励磁调速系统模型；变压器模型为YNd11的统一磁路模型三相变压器模型。
3.根据权利要求1所述的基于RTDS主变压器空载冲击的仿真方法，其特征在于：所述的步骤(b)中统一磁路模型参数的求解过程具体为：双击统一磁路模型，在统一磁路模型的CONFIGURATION中输入变压器容量、一次侧和二次侧电压、频率、漏抗、空载损耗和铜损参数，在V1,I1…V10,I10中输入变压器饱和特性的分段线性化拐点值，其中I1rms-I10rms以及V1rms-V10rms为分段线性化拐点的有效值，具体步骤为：选取多组变压器空载试验数据，根据功率定义求取非线性电导中的电流，求出非线性电感中电流；根据非线性电阻和电感中的电流，计算出每一段电压所对应的电流值大小。
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