CN115017749A - 基于pscad的同步发电机组自定义建模及初始化方法 - Google Patents

基于pscad的同步发电机组自定义建模及初始化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法，涉及电磁暂态仿真技术领域，实现过程如下：将同步发电机的数学模型转换为状态空间表达式，根据状态空间表达式画出电气模型的系统结构图，并自定义建模；对同步发电机的控制系统，即励磁系统、原动机及其调速器进行自定义建模，得到自定义建模的同步发电机组模型；将同步发电机组模型分为电磁暂态与机电暂态，分别进行初始化。本发明解决了多机电力系统电磁暂态仿真时，PSCAD软件自带同步发电机数学模型阶数过高所面临的“维数灾”问题；提出的适用于同步发电机组模型的初始化方法，避免了多台发电机直接按其实际特性投入运行，系统难以稳定甚至无法达到稳定的情况。

Description

基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法
技术领域
本发明涉及电磁暂态仿真技术领域，具体为基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法。
背景技术
随着新能源产业的发展以及电网规模的不断扩大，大量电力电子设备、高压直流输电系统接入电网，这种以新能源为主体的新型电力系统对仿真提出了个更高的要求。我国电力系统传统以机电暂态仿真为主的现状，难以满足对电网精细化建模的需求。由此便催生了机电暂态仿真模型向电磁暂态仿真模型的转换，电力系统将迈入大规模电磁暂态仿真的新时代。但是相比于机电暂态仿真，电磁暂态仿真的仿真规模更小。
国内通用机电暂态仿真软件BPA于PSASP中，同步发电机数学模型均为6阶模型，而电磁暂态仿真软件PSCAD（Power Systems Computer Aided Design电力系统计算机辅助设计）中同步发电机数学模型则为8阶数学模型。目前的研究几乎一致认为二者的区别对转换结果的影响几乎是可以忽略的，但是电磁暂态仿真中，多机电力系统若考虑励磁系统、原动机及其调速器，系统将面临“维数灾”，给分析计算带来巨大的困难。因此，根据实际需求选择不同阶数的同步发电机模型，从而简化仿真模型，对大规模电力系统电磁暂态仿真的重要性不言而喻。
由于同步发电机组的惯性时间常数较大，其机电过程较长，若多台发电机在系统仿真之初直接按其实际特性投入运行，系统将难以稳定，甚至无法达到稳态。对此，针对自定义建模得到的同步发电机组提出一套初始化方法，在仿真开始时，便令该系统到达稳态也是及其必要的。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法，可根据实际仿真需求，选择不同阶数的同步发电机模型，且其初始化功能保证了同步发电机组在仿真开始时便直接到达稳态，跳过了长达数十秒的启动时间，且避免了系统发散的情况。技术方案如下：
一种基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法，包括以下步骤：
步骤1：将同步发电机实用模型转化为状态空间表达式的形式；
步骤2：根据所述状态空间表达式画出同步发电机的系统结构图；
步骤3：根据所述同步发电机的系统结构图在PSCAD中进行自定义建模；且根据所述状态空间表达式的输入输出变量不同，分别等效为受控电压源串联定子电阻、受控电流源并联定子电阻两种形式；
步骤4：对同步发电机的控制系统，即励磁系统、原动机及其调速器分别进行自定义建模；
步骤5：对步骤3与步骤4所搭建的同步发电机组模型进行初始化。
进一步的，所述同步发电机组包括五阶实用模型同步发电机、IEEE DC1A型励磁系统、以及理想水轮机与PID型调速器；
五阶实用模型方程如下：
Figure 619493DEST_PATH_IMAGE001
式中：r a 为定子电阻；u d 、u q 分别为发电机定子d、q轴端电压；i d 、i q 分别为发电机定 子d、q轴端电流；E f 为定子励磁电动势；
Figure 656457DEST_PATH_IMAGE002
分别为发电机q轴暂态电动势、次暂态电动 势；
Figure 854220DEST_PATH_IMAGE003
为d轴次暂态电动势；
Figure 401876DEST_PATH_IMAGE004
分别表示d轴同步电抗、暂态电抗、次暂态电 抗；
Figure 103115DEST_PATH_IMAGE005
分别为q轴同步电抗、次暂态电抗；
Figure 343604DEST_PATH_IMAGE006
分别为d轴开路暂态、次暂态时 间常数；
Figure 763084DEST_PATH_IMAGE007
为q轴开路次暂态时间常数；T J 为电机惯性时间常数；T m 为机械转矩；ω为转子 角速度；δ为q轴领先同步旋转坐标系实轴的角度；p为微分算子；
根据输入、输出变量可将上式中前五个方程变换为状态空间表达式，以
Figure 114431DEST_PATH_IMAGE008
为状态变量，
Figure 935756DEST_PATH_IMAGE009
为输入，
Figure 845681DEST_PATH_IMAGE010
为输出，具体状态空间表达式 如下：
Figure 752457DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 376337DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 317748DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 900039DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 294111DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 987261DEST_PATH_IMAGE016
。
更进一步的，所述步骤5具体包括：
步骤51：将同步发电机组分为机电暂态部分与电磁暂态部分；
所述机电暂态部分包括发电机转子运动方程、原动机及其调速器；以保证转子运动的角速度稳定在参考值附近；
所述电磁暂态部分包括发电机电磁方程与励磁系统，以保证机端电压稳定在参考值附近；
步骤52：对机电暂态部分和电磁暂态部分进行初始化：
步骤521：确定励磁系统结构图中所需初始化的传递函数框图；
步骤522：令积分环节输入为0，微分环节输出为0，与稳定状态保持相同；
步骤523：令步骤521中所述各传递函数框图采用其常数增益代替，即令复频率s=0；
步骤524：确定励磁系统中需要初始化的各环节输出变量，并用下标“0”表示各变量稳态值；
步骤525：根据步骤522与步骤523，进一步确定步骤524中各稳态值之间的关系；
步骤526：确定输入变量参考值以及输出变量的稳态值；
在五阶实用模型中，需确定u d、u q、i d、i q四个变量中三个变量的数值；在已知机端电压的条件下，根据dq变换确定u d、u q；采用定子电阻上的电流，近似等于受控电流源的电流，再进行dq变换以确定i d、i q；至此确定各个模块的稳态输出值；
步骤527：以步骤526中所确定各数值为输入，步骤524中各稳态值为输出，将步骤525中所确定的各稳态值之间的关系通过系统结构图表示出来，并在PSCAD中搭建相应的框图；
步骤528：通过PSCAD的复位功能强制各环节的输出保持在步骤527中由框图所确定的稳定值。
更进一步的，在仿真开始时，令各传递函数框图输出等于其稳态值，从而使同步发电机组跳过数十秒的启动时间直接到达稳态；计算得到的各环节稳态值通过采样保持器，再赋值给各传递函数框图，以便于通过对采样保持器进行时间设定，保证完成初始化后，同步发电机组真实动态特性的投入运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一套基于同步发电机数学模型及其控制系统结构图，进行同步发电机组自定义建模的方法，可通过选择低阶同步发电机数学模型，以简化电力系统，进而解决多机电力系统电磁暂态仿真时所面临的“维数灾”问题。
常用仿真软件均自带同步发电机模型供用户仿真建模使用，若进行大规模电磁暂态仿真，将面临“维数灾”，因此，大多直接将同步发电机简化为理想电压源（同样为仿真软件自带），但是理想电压源并不能反映同步发电机的动态过程。因此，一定条件下，低阶同步发电机模型便是更好的选择，但是部分仿真软件自带同步发电机并不能降低阶数，因此本发明给出了新的建模方法。
2、本发明提出了一套适用于自定义同步发电机组的初始化方法，避免了多台发电机直接按其实际特性投入运行系统难以稳定甚至无法达到稳定的情况。
附图说明
图1为五阶实用模型输出电流形式系统结构图。
图2为同步发电机等效结构图。
图3为IEEE DC1A型励磁系统的系统结构图。
图4为理想水轮机与PID型调速器系统结构图。
图5为电力系统组成结构图。
图6为励磁系统参考值-5%阶跃时机端电压仿真波形。
图7为调速器参考值-2%阶跃时角速度仿真波形。
图8为突加20%负载状态下机端电压仿真波形。
图9为突加20%负载状态下角速度仿真波形。
图10为初始化前后机端电压仿真波形对比。
图11为初始化前后角速度仿真波形对比。
图12本发明基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例：由五阶实用模型同步发电机、IEEE DC1A型励磁系统、以及理想水轮机与PID型调速器组成的同步发电机组。
步骤1、将同步发电机实用模型转化为状态空间表达式的形式。
常用的五阶实用模型方程如下：
Figure 16134DEST_PATH_IMAGE017
式中：r a 为定子电阻；u d 、u q 分别为发电机定子d、q轴端电压；i d 、i q 分别为发电机定 子d、q轴端电流；E f 为定子励磁电动势；
Figure 503748DEST_PATH_IMAGE002
分别为发电机q轴暂态电动势、次暂态电动 势；
Figure 385116DEST_PATH_IMAGE003
为d轴次暂态电动势；
Figure 881956DEST_PATH_IMAGE004
分别表示d轴同步电抗、暂态电抗、次暂态电 抗；
Figure 532381DEST_PATH_IMAGE005
分别为q轴同步电抗、次暂态电抗；
Figure 190895DEST_PATH_IMAGE006
分别为d轴开路暂态、次暂态时 间常数；
Figure 559559DEST_PATH_IMAGE007
为q轴开路次暂态时间常数；T J 为电机惯性时间常数；T m 为机械转矩；ω为转子 角速度；δ为q轴领先同步旋转坐标系实轴的角度。
根据输入、输出变量的不同，可将上式中前五个方程变换为两种状态空间表达式。 第一种以
Figure 594512DEST_PATH_IMAGE018
为状态变量，
Figure 869416DEST_PATH_IMAGE019
为输入，
Figure 698832DEST_PATH_IMAGE010
为输出；第二种 以
Figure 554792DEST_PATH_IMAGE020
为状态变量，
Figure 393435DEST_PATH_IMAGE021
为输入，
Figure 752872DEST_PATH_IMAGE022
为输出。
本实施方案仅对第一种形式进行说明，具体状态空间表达式如下：
Figure 753189DEST_PATH_IMAGE023
式中，
Figure 830867DEST_PATH_IMAGE024
；
Figure 971736DEST_PATH_IMAGE025
；
Figure 451259DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 888056DEST_PATH_IMAGE026
；
其中，
Figure 453030DEST_PATH_IMAGE016
。
步骤2、根据步骤1得到的状态空间表达式画出同步发电机的系统结构图。
由于两种状态空间表达式均含多个输出变量与输入变量，难以对各输出变量与输入变量之间的传递函数进行解耦，因此，这里采用电气模型的系统结构图进行自定义建模。步骤1所确定的状态空间表达式所对应的系统结构图（如图1所示）。
输入变量E f 由励磁系统提供，u d 、u q 可由机端电压测量值进行dq变换得到，输出变量i d 、i q 进行dq反变换得到受控电流源电流i a 、i b 、i c。故可用受控电流源并联定子电阻进行等效，具体等效发电机模型（如图2所示），图中r a、r b、r c分别为A相、B相、C相定子电阻。
步骤3、根据步骤2所确定的同步发电机系统结构图在PSCAD中进行自定义建模。
步骤4、对同步发电机组的控制系统，即励磁系统、原动机及其调速器进行自定义建模。
IEEE DC1A型励磁系统的系统结构图（如图3所示），图中，V C为发电机机端电压，V ref为机端电压参考值；T C、T B分别为超前滞后环节的超前时间常数与滞后时间常数；K A、T A分别为放大器增益与时间常数；T E、K E、S E分别为励磁机的时间常数、自励系数与饱和系数；K F、T F、V F分别为励磁系统稳定器的增益、时间常数与输出电压；E FD为励磁电压。
理想水轮机与PID型调速器组成的系统结构图（如图4所示），图中，ω为转子角速度，ω ref 为角速度参考值；K P、K I、K D分别为调速系统比例环节系数、积分环节系数与微分环节系数；T y为随动系统时间常数；T w为水启动时间；T m、T e分别为机械转矩与电磁转矩；b p为调差系数。
步骤5、对步骤3与步骤4所搭建的同步发电机组模型进行初始化。
首先，应将同步发电机组分为机电暂态部分与电磁暂态部分（如图5所示），图中，
Figure 633476DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 967505DEST_PATH_IMAGE028
分别表示电力系统联络线上的电流、电压；
Figure 575204DEST_PATH_IMAGE029
分别表示负荷电流、负荷电压。机 电暂态部分由发电机转子运动方程、原动机及其调速器构成，保证转子运动的角速度稳定 在参考值附近；电磁暂态部分由发电机电磁方程与励磁系统组成，保证机端电压稳定在参 考值附近。之后，分别对机电暂态部分、电磁暂态部分进行初始化。
现以电磁暂态部分为例以对初始化方法进行说明，具体过程如下：
（1）、确定系统结构图中所需初始化的传递函数框图。根据图3所示励磁系统，需要 初始化的模块包括超前滞后环节
Figure 361894DEST_PATH_IMAGE030
，输出量为Y 3；放大器环节
Figure 578987DEST_PATH_IMAGE031
，输出量为Y 2；积分 环节
Figure 33102DEST_PATH_IMAGE032
，输出量为E FD；励磁系统稳定器
Figure 811702DEST_PATH_IMAGE033
，输出量为V F。
（2）、令积分环节输入为0，微分环节输出为0，与稳定状态保持相同。
（3）、令（1）中所述各传递函数框图采用其常数增益代替，即令s=0。
（4）、确定（1）中所述各环节输出变量，并用下标“0”表示各变量稳态值。
（5）、根据（2）与（3），可进一步确定（4）中各稳态值之间的关系，如下所示：
Figure 85688DEST_PATH_IMAGE034
。
（6）、确定输入变量参考值以及输出变量的稳态值。输入变量参考值参考实际仿真需求，现分析输出变量的稳态值。由于定子励磁电动势E f 为同步发电机状态空间表达式的输入变量，且与励磁电压E FD存在如下关系：
Figure 607937DEST_PATH_IMAGE035
；
式中，X ad为d轴电枢反应电抗；r f为励磁电阻。
因此，若要确定E FD0需从同步发电机数学模型进行分析。分析图1所示运算结图，仅有3个积分环节需进行初始化。而五阶实用模型中，含有8个变量，除去3个状态变量，以及待确定的定子励磁电动势，应至少确定u d、u q、i d、i q四个变量中三个变量的数值。在已知机端电压的条件下，可根据dq变换确定u d、u q。又由于定子阻值一般很小，因此可采用定子电阻上的电流，近似等于受控电流源的电流，再进行dq变换以确定i d、i q。至此，便可确定各个模块的稳态输出值。
（7）、以（6）中所确定各数值为输入，（4）中各稳态值为输出，将（5）中所确定的各稳态值之间的关系通过系统结构图表示出来，并在PSCAD中搭建相应的框图。
（8）、通过PSCAD的复位功能强制各环节的输出保持在（7）中由框图所确定的稳定值。需要注意的是，计算得到的各环节稳态值应通过采样保持器，再赋值给各传递函数框图，以便于通过对采样保持器进行时间设定，保证完成初始化后，同步发电机组真实动态特性的投入运行。
至此，便完成了同步发电机电磁暂态部分的初始化，机电暂态部分初始化方法同电磁暂态部分。
现针对本实施例对本发明所提技术路线进行验证：
首先，采用PSCAD库文件中的同步发电机，控制系统则采用自定义建模的DC1A型调速系统、理想水轮机与PID型调速系统，得到模型1。在该模型额定负载稳定运行的状态下，分别对机端电压参考值作-5%阶跃，对角速度参考值作-2%阶跃。由图6和图7可知，机端电压超调量约为3.16%，角速度超调量约为0.45%，其中，pu表示标幺值。
其次，将仿真模型1中的同步发电机，更改为自定义建模元件，得到全自定义发电机组仿真模型2。在稳定运行状态下，突加20%负载。由图8和图9可知，机端电压几乎无影响，角速度最大超调量约为2.5%，约6秒后，振荡范围小于±2%。
最后，对全自定义发电机组仿真模型2进行初始化。由图10和图11可知，通过初始化后，机端电压可提前约9秒进入稳态，角速度则可提前约65秒进入稳态，省去大量启动时间。
图12为本发明基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法的流程图。
综上，本发明解决了多机电力系统电磁暂态仿真时，PSCAD软件自带同步发电机数学模型阶数过高所面临的“维数灾”问题。由于同步发电机数学模型根据精度不同，具有不同的阶数（也就是维数），常用的同步发电机数学模型为2~6阶，本发明提供了一种实现阶数降低的方法，数学模型阶数的降低，可减少所需的存储空间，加快仿真软件的计算速度。
本发明还提出了一套适用于同步发电机组模型的初始化方法，避免了多台发电机直接按其实际特性投入运行系统难以稳定甚至无法达到稳定的情况。
最后说明的是，以上实施例仅说明发明的技术方案而非限制。若本领域技术人员在不脱离本发明的宗旨与范围所作的非实质性改变或改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (4)

1.一种基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将同步发电机实用模型转化为状态空间表达式的形式；
步骤2：根据所述状态空间表达式画出同步发电机的系统结构图；
步骤3：根据所述同步发电机的系统结构图在PSCAD中进行自定义建模；且根据所述状态空间表达式的输入输出变量不同，分别等效为受控电压源串联定子电阻、受控电流源并联定子电阻两种形式；
步骤4：对同步发电机的控制系统，即励磁系统、原动机及其调速器分别进行自定义建模；
步骤5：对步骤3与步骤4所搭建的同步发电机组模型进行初始化。
2.根据权利要求1所述的基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法，其特征在于，所述同步发电机组包括五阶实用模型同步发电机、IEEE DC1A型励磁系统、以及理想水轮机与PID型调速器；五阶实用模型方程如下：
Figure 766476DEST_PATH_IMAGE001
式中：r a 为定子电阻；u d 、u q 分别为发电机定子d、q轴端电压；i d 、i q 分别为发电机定子d、q 轴端电流；E f 为定子励磁电动势；
Figure 152458DEST_PATH_IMAGE002
分别为发电机q轴暂态电动势、次暂态电动势；
Figure 135457DEST_PATH_IMAGE003
为d轴次暂态电动势；
Figure 999508DEST_PATH_IMAGE004
分别表示d轴同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗；
Figure 282722DEST_PATH_IMAGE005
分别为q轴同步电抗、次暂态电抗；
Figure 308447DEST_PATH_IMAGE006
分别为d轴开路暂态、次暂态时间常 数；
Figure 542857DEST_PATH_IMAGE007
为q轴开路次暂态时间常数；T J 为电机惯性时间常数；T m 为机械转矩；ω为转子角速 度；δ为q轴领先同步旋转坐标系实轴的角度；p为微分算子；
根据输入、输出变量可将上式中前五个方程变换为状态空间表达式，以
Figure 945019DEST_PATH_IMAGE008
为状态变量，
Figure 817160DEST_PATH_IMAGE009
为输入，
Figure 279366DEST_PATH_IMAGE010
为输出，具体状态空间表达式如下：
Figure 236957DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 177232DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 402414DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 301100DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 745988DEST_PATH_IMAGE015
；
其中，
Figure 224374DEST_PATH_IMAGE016
。
3.根据权利要求1所述的基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：
步骤51：将同步发电机组分为机电暂态部分与电磁暂态部分；
所述机电暂态部分包括发电机转子运动方程、原动机及其调速器；以保证转子运动的角速度稳定在参考值附近；
所述电磁暂态部分包括发电机电磁方程与励磁系统，以保证机端电压稳定在参考值附近；
步骤52：对机电暂态部分和电磁暂态部分进行初始化：
步骤521：确定励磁系统结构图中所需初始化的传递函数框图；
步骤522：令积分环节输入为0，微分环节输出为0，与稳定状态保持相同；
步骤523：令步骤521中所述各传递函数框图采用其常数增益代替，即令复频率s=0；
步骤524：确定励磁系统中需要初始化的各环节输出变量，并用下标“0”表示各变量稳态值；
步骤525：根据步骤522与步骤523，进一步确定步骤524中各稳态值之间的关系；
步骤526：确定输入变量参考值以及输出变量的稳态值；
在五阶实用模型中，需确定u d、u q、i d、i q四个变量中三个变量的数值；在已知机端电压的条件下，根据dq变换确定u d、u q；采用定子电阻上的电流，近似等于受控电流源的电流，再进行dq变换以确定i d、i q；至此确定各个模块的稳态输出值；
步骤527：以步骤526中所确定各数值为输入，步骤524中各稳态值为输出，将步骤525中所确定的各稳态值之间的关系通过系统结构图表示出来，并在PSCAD中搭建相应的框图；
步骤528：通过PSCAD的复位功能强制各环节的输出保持在步骤527中由框图所确定的稳定值。
4.根据权利要求3所述的基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法，其特征在于，在仿真开始时，令各传递函数框图输出等于其稳态值，从而使同步发电机组跳过数十秒的启动时间直接到达稳态；计算得到的各环节稳态值通过采样保持器，再赋值给各传递函数框图，以便于通过对采样保持器进行时间设定，保证完成初始化后，同步发电机组真实动态特性的投入运行。
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