CN112434409A - 基于恒定阻抗接口的同步发电机全电磁暂态仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的基于恒定阻抗接口的同步发电机全电磁暂态仿真方法，其特点是，包括：获取同步发电机的物理参量并将相关数据按照标准格式填入到数据文件中；利用数据搭建功能搭建同步发电机控制系统模型；将机电暂态仿真模型数据转换为全电磁暂态仿真数据；全电磁仿真程序读入仿真数据后，完成同步发电机的初始化；按照实际设置进行仿真，完成每步的仿真：将仿真结果曲线输出到指定文件进行稳定性判断步骤，其方法考虑了同步发电机的非线性，能够准确的仿真同步发电机的暂态过程，适应大多数的电磁暂态仿真软件的需要，其科学合理，适用性强，仿真准确，计算效率高，收敛精度高。

Description

基于恒定阻抗接口的同步发电机全电磁暂态仿真方法
技术领域
本发明属于电力系统建模与仿真技术领域，涉及一种基于恒定阻抗接口的同步发电机全电磁暂态仿真方法。
背景技术
电力系统全电磁暂态仿真技术主要是为了解决大规模电力电子接入的交直流电力系统稳定性分析的工具，仿真的对象是交直流系统，其中，仿真数量最大的元件是同步发电机。传统的电力系统稳定性分析中的核心元件就是同步发电机，同步发电机集电磁暂态变化与机械运动于一体，具有复杂的结构，同步发电机包括发电机电磁方程、转子运动方程以及原动机、励磁、PSS等控制系统模型。
发电机模型是电力系统数字仿真软件的核心，特别是机电暂态仿真的准确性对同步发电机模型的依赖性很大。根据研究目的以及其要求的准确度的不同，目前旋转电机可以被大致地分为三类模型：有限元(或有限差分)模型、等效磁路模型、耦合电路模型。其中前两类模型虽然能够提供更好的精度和更多的信息，但是效率较低，主要用于电机设计，在电力系统分析中真正广泛应用的还是耦合电路模型。耦合电路模型又可以被分为两类：忽略电磁暂态过程的相量模型和考虑电磁暂态过程的瞬时值模型。由于要建立双馈型风力发电机的详细模型，因此需要采用电磁暂态模型。电磁暂态模型还可以被分为三类：基于qd0变换的模型、相域模型(PD：Phase-domain)以及阻抗后的电压源模型(VBR： voltage-behind-reactance)。其中基于qd0坐标变换的模型是最为成熟可靠也是获得广泛应用的模型，几种主流的电磁暂态仿真程序(如：PSCAD/EMTDC，Matlab 等)和机电暂态仿真(BPA、PSASP等)采用的都是这种模型。
同步发电机本体模型中的电磁方程和转子运动方程为非线性方程，电磁暂态仿真计算的整体框架不具备迭代功能，不迭代的算法将影响全电磁暂态仿真的步长。另外一个问题是电磁暂态仿真将元件等效为一个由等值阻抗和注入电流组成的等值电路，同步发电机等值电路中的阻抗是不恒定的，时变距阵会导致反复进行矩阵分解。因此，基于恒定阻抗接口的电磁暂态方法对于全电磁暂态仿真方法具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是，为克服现有技术的不足,提供一种科学合理，适用性强，仿真准确，计算效率高，收敛精度高的基于恒定阻抗接口的同步发电机全电磁暂态仿真方法。
实现本发明目的采用的技术方案是，一种基于恒定阻抗接口的同步发电机全电磁暂态仿真方法，其特征是，它包括以下步骤：
1)获取同步发电机的物理参量以及网络中的线路的参数，并将相关数据按照标准格式填入到数据文件中：
①电网系统和同步发电机参数数据的收集：
获取电网系统和同步发电机的物理参量，具体为同步发电机的次暂态参数，电网区域划分、母线、发电机、负荷、电容电抗器和可投切电容电抗器、SVC、交流线路、变压器与移相器、换流器、直流线路数据；
②系统参数的填写与编辑：
获取到系统参数后按照机电暂态标准格式完成数据卡的填写，包括区域控制数据卡、节点数据卡、支路数据卡、数据修改卡，从而完成大电网网络数据的输入；
2)利用数据搭建功能搭建同步发电机控制系统模型，
包括原动机模型、调速器控制模型、励磁控制模型、电力系统稳定器PSS模型，所述PSS模型输出参考值VS给励磁控制模型，所述励磁控制模型输出励磁电压Ef给电磁方程，所述调速器控制模型输出有功功率Porder给原动机模型，所述原动机模型输出机械功率PM给转子运动方程；
3)将机电暂态仿真模型数据转换为全电磁暂态仿真数据，其中机电暂态模型简化处理为对称的三相模型；
4)全电磁仿真程序读入仿真数据后，启动仿真程序，根据同步发电机的实际参数，完成同步发电机的初始化，将同步发电机进行等值，等值电路中的阻抗为恒定的，生成系统的阻抗电路；
①同步发电机模型的初始化过程：
利用公式(1)进行计算，公式(1)的实数项为零，只有虚数项，从而能够利用公式(1)求得q轴的位置，然后根据公式(2)求出其他各项的值，
Figure BDA0002777719950000031
其中，
Figure BDA0002777719950000032
为初始电压；Rs为电阻；Xq为定子绕组的交轴同步电抗；Xd”为定子绕组直轴次暂态电抗；Xq”为定子绕组交轴次暂态电抗；
Figure BDA0002777719950000033
为定子电流。
Figure BDA0002777719950000034
其中，Ef为定子励磁电动势；Eq'为交轴暂态电动势；E″q为交轴次暂态电动势；Ed'为直轴暂态电动势；E″d为直轴次暂态电动势；Xd为定子绕组的直轴同步电抗；Xq为定子绕组的交轴同步电抗；X'd为定子绕组的直轴暂态电抗；X'q为定子绕组的交轴暂态电抗；X″d为定子绕组的直轴次暂态电抗；X″q为定子绕组的交轴次暂态电抗；ud为定子电压的直轴分量；uq为定子电压的交轴分量；id为定子电流的直轴分量；iq为定子电流的交轴分量；Rs为定子线圈绕组的电阻。
②同步发电机的等值过程：
同步发电机在全电磁暂态仿真过程中的等值电路由次暂态电势和等值阻抗组成，等值阻抗为公式(3)，
Figure BDA0002777719950000035
其中，
Figure BDA0002777719950000036
为线路自感；
Figure BDA0002777719950000037
为相间互感。
5)按照实际设置进行仿真，完成每步的仿真；
①计算运动方程，根据电磁功率和机械功率求转速和转子角度；
②利用机电暂态的转子次暂态方程公式(4)，计算次暂态电势，将次暂态电势转换为abc坐标下电势后修改电压源的电压值；
Figure BDA0002777719950000041
其中，Td0”为d轴开路次暂态时间常数；Td0'为d轴开路暂态时间常数；Tq0”为 q轴开路次暂态时间常数；Tq0'为q轴开路暂态时间常数。
③等待网络方程求解完毕，获得节点电压；
④根据节点电压和互感元件的电流，求得电磁功率，并分析电磁功率的误差用来判断是否需要迭代，误差计算公式5)，采用标幺值计算，若误差超过0.01 则进行迭代，否则计算成功不迭代；
Perr＝|Pnew-Pold| (5)
其中，Perr为迭代前后电磁功率的误差；Pnew为迭代后的电磁功率；Pold为未进行迭代时的电磁功率。
利用公式5)进行误差求解，利用迭代的方式提高收敛精度。
6)将仿真结果曲线输出到指定文件，同时监视电网中的关键曲线，对电力系统的稳定性进行判断：
监视系统中所有的发电机角度，发电机角度中的最大值与最小值之差若超过 180度则判断为功角失稳；监视系统中的所有母线电压，若母线电压标幺值低于 0.75，且持续超过1秒，则判断为电压失稳。
本发明的基于恒定阻抗接口的同步发电机全电磁暂态仿真方法，其特点是，包括：获取同步发电机的物理参量并将相关数据按照标准格式填入到数据文件中；利用数据搭建功能搭建同步发电机控制系统模型；将机电暂态仿真模型数据转换为全电磁暂态仿真数据；全电磁仿真程序读入仿真数据后，完成同步发电机的初始化；按照实际设置进行仿真，完成每步的仿真：将仿真结果曲线输出到指定文件进行稳定性判断步骤，其方法考虑了同步发电机的非线性，能够准确的仿真同步发电机的暂态过程，适应大多数的电磁暂态仿真软件的需要，其科学合理，适用性强，仿真准确，计算效率高，收敛精度高。
附图说明
图1为发电机及其控制系统模型框架图；
图2为基于恒定阻抗接口的电磁暂态模型接口电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作更详细的描述，电力系统全电磁暂态仿真技术主要是为了解决大规模电力电子接入的交直流电力系统稳定性分析的工具，仿真的对象是交直流系统，其中，仿真数量最大的元件是同步发电机。首先获取同步发电机的暂态参数和次暂态参数以及网络中的线路等参数，并将相关数据按照标准格式填入到数据文件中。电网系统和同步发电机参数数据可通过相关电网部门提交的数据文件获得，包括区域划分、母线、发电机、负荷、电容电抗器和可投切电容电抗器、SVC、交流线路、变压器与移相器、换流器、直流线路，来完成电网系统和同步发电机参数数据的收集。获取到系统参数后按照机电暂态标准格式完成数据卡的填写，包括区域控制数据卡、节点数据卡、支路数据卡、数据修改卡，从而完成大电网网络数据的输入。
其次，利用数据搭建功能搭建同步发电机控制系统模型，包括原动机模型、调速器控制模型、励磁控制模型、电力系统稳定器PSS模型。整个发电机及其控制系统的整个框架如图1所示。PSS模型输出参考值VS给励磁控制模型，所述励磁控制模型输出励磁电压Ef给电磁方程，所述调速器控制模型输出有功功率 Porder给原动机模型，原动机模型输出机械功率PM给转子运动方程。
再将机电暂态仿真模型数据转换为全电磁暂态仿真数据，其中机电暂态模型简化处理为对称的三相模型。
在全电磁仿真程序读入仿真数据后，启动仿真程序，根据同步发电机的实际参数，完成同步发电机的初始化。
利用公式(1)进行计算，公式(1)的实数项为零，只有虚数项。从而能够利用公式(1)求得q轴的位置，然后根据公式(2)求出其他各项的值。
Figure BDA0002777719950000051
其中，
Figure BDA0002777719950000052
为初始电压；Rs为电阻；Xq为定子绕组的交轴同步电抗；Xd”为定子绕组直轴次暂态电抗；Xq”为定子绕组交轴次暂态电抗；
Figure BDA0002777719950000053
为定子电流。
Figure BDA0002777719950000061
其中，Ef为定子励磁电动势；Eq'为交轴暂态电动势；E″q为交轴次暂态电动势；Ed'为直轴暂态电动势；E″d为直轴次暂态电动势；Xd为定子绕组的直轴同步电抗；Xq为定子绕组的交轴同步电抗；X'd为定子绕组的直轴暂态电抗；X'q为定子绕组的交轴暂态电抗；X″d为定子绕组的直轴次暂态电抗；X″q为定子绕组的交轴次暂态电抗；ud为定子电压的直轴分量；uq为定子电压的交轴分量；id为定子电流的直轴分量；iq为定子电流的交轴分量；Rs为定子线圈绕组的电阻。
将同步发电机进行等值，等值电路中的阻抗为恒定的，生成系统的阻抗电路。如图2所示。等值电路由次暂态电势和等值阻抗组成。等值阻抗为公式(3)
Figure BDA0002777719950000062
其中，
Figure BDA0002777719950000063
为线路自感；
Figure BDA0002777719950000064
为相间互感。
计算运动方程，根据电磁功率和机械功率求转速和转子角度；
利用机电暂态的转子次暂态方程，如公式(4)，计算暂态电势和次暂态电势，将次暂态电势转换为abc坐标下电势后修改电压源的电压值；
Figure BDA0002777719950000065
其中，Td0”为d轴开路次暂态时间常数；Td0'为d轴开路暂态时间常数；Tq0”为 q轴开路次暂态时间常数；Tq0'为q轴开路暂态时间常数。
等待网络方程求解完毕，获得节点电压；
根据节点电压和互感元件的电流，求得电磁功率，并分析电磁功率的误差，可以用来判断是否需要迭代。误差计算公式如(5)所示，采用标幺值计算，若误差超过0.01则进行迭代，否则计算成功不迭代。
Perr＝|Pnew-Pold| (5)
其中，Perr为迭代前后电磁功率的误差；Pnew为迭代后的电磁功率；Pold为未进行迭代时的电磁功率。
从上述步骤的描述可以看出，这种方法将定子部分转换为了隐式求解，在求解转速和转子角度、暂态电势和次暂态电势的值中还都是利用上一步的值进行的计算，是显式方法。因此，电磁功率中可以进行误差求解，利用迭代的方式提高收敛精度。
将仿真结果曲线输出到指定文件，同时监视电网中的关键曲线，对电力系统的稳定性进行判断。失稳判断方法为：监视系统中所有的发电机角度，发电机角度中的最大值与最小值之差若超过180度则判断为功角失稳；监视系统中的所有母线电压，若母线电压标幺值低于0.75，且持续超过1秒，则判断为电压失稳。
本发明的特定实施例已对本发明的内容作出了详尽的说明，但不局限本实施例，本领域技术人员根据本发明的启示所做的任何显而易见的改动，都属于本发明权利保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于恒定阻抗接口的同步发电机全电磁暂态仿真方法，其特征是，它包括以下步骤：
1)获取同步发电机的物理参量以及网络中的线路的参数，并将相关数据按照标准格式填入到数据文件中：
①电网系统和同步发电机参数数据的收集：
获取电网系统和同步发电机的物理参量，具体为同步发电机的次暂态参数，电网区域划分、母线、发电机、负荷、电容电抗器和可投切电容电抗器、SVC、交流线路、变压器与移相器、换流器、直流线路数据；
②系统参数的填写与编辑：
获取到系统参数后按照机电暂态标准格式完成数据卡的填写，包括区域控制数据卡、节点数据卡、支路数据卡、数据修改卡，从而完成大电网网络数据的输入；
2)利用数据搭建功能搭建同步发电机控制系统模型，
包括原动机模型、调速器控制模型、励磁控制模型、电力系统稳定器PSS模型，所述PSS模型输出参考值VS给励磁控制模型，所述励磁控制模型输出励磁电压Ef给电磁方程，所述调速器控制模型输出有功功率Porder给原动机模型，所述原动机模型输出机械功率PM给转子运动方程；
3)将机电暂态仿真模型数据转换为全电磁暂态仿真数据，其中机电暂态模型简化处理为对称的三相模型；
4)全电磁仿真程序读入仿真数据后，启动仿真程序，根据同步发电机的实际参数，完成同步发电机的初始化，将同步发电机进行等值，等值电路中的阻抗为恒定的，生成系统的阻抗电路；
①同步发电机模型的初始化过程：
利用公式(1)进行计算，公式(1)的实数项为零，只有虚数项，从而能够利用公式(1)求得q轴的位置，然后根据公式(2)求出其他各项的值，
Figure FDA0002777719940000011
其中，
Figure FDA0002777719940000012
为初始电压；Rs为电阻；Xq为定子绕组的交轴同步电抗；Xd”为定子绕组直轴次暂态电抗；Xq”为定子绕组交轴次暂态电抗；
Figure FDA0002777719940000013
为定子电流。
Figure FDA0002777719940000021
其中，Ef为定子励磁电动势；Eq'为交轴暂态电动势；E″q为交轴次暂态电动势；Ed'为直轴暂态电动势；E″d为直轴次暂态电动势；Xd为定子绕组的直轴同步电抗；Xq为定子绕组的交轴同步电抗；X'd为定子绕组的直轴暂态电抗；X'q为定子绕组的交轴暂态电抗；X″d为定子绕组的直轴次暂态电抗；X″q为定子绕组的交轴次暂态电抗；ud为定子电压的直轴分量；uq为定子电压的交轴分量；id为定子电流的直轴分量；iq为定子电流的交轴分量；Rs为定子线圈绕组的电阻。
②同步发电机的等值过程：
同步发电机在全电磁暂态仿真过程中的等值电路由次暂态电势和等值阻抗组成，等值阻抗为公式(3)，
Figure FDA0002777719940000022
其中，
Figure FDA0002777719940000023
为线路自感；
Figure FDA0002777719940000024
为相间互感。
5)按照实际设置进行仿真，完成每步的仿真；
①计算运动方程，根据电磁功率和机械功率求转速和转子角度；
②利用机电暂态的转子次暂态方程公式(4)，计算次暂态电势，将次暂态电势转换为abc坐标下电势后修改电压源的电压值；
Figure FDA0002777719940000031
其中，Td0″为d轴开路次暂态时间常数；Td0'为d轴开路暂态时间常数；Tq0″为q轴开路次暂态时间常数；Tq0'为q轴开路暂态时间常数。
③等待网络方程求解完毕，获得节点电压；
④根据节点电压和互感元件的电流，求得电磁功率，并分析电磁功率的误差用来判断是否需要迭代，误差计算公式5)，采用标幺值计算，若误差超过0.01则进行迭代，否则计算成功不迭代；
Perr＝|Pnew-Pold| (5)
其中，Perr为迭代前后电磁功率的误差；Pnew为迭代后的电磁功率；Pold为未进行迭代时的电磁功率。
利用公式5)进行误差求解，利用迭代的方式提高收敛精度；
6)将仿真结果曲线输出到指定文件，同时监视电网中的关键曲线，对电力系统的稳定性进行判断：
监视系统中所有的发电机角度，发电机角度中的最大值与最小值之差若超过180度则判断为功角失稳；监视系统中的所有母线电压，若母线电压标幺值低于0.75，且持续超过1秒，则判断为电压失稳。
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