（电力系统及其自动化专业论文）发电机组参数有效性验证及灵敏度分析.pdf

摘要 数字仿真技术在电力系统稳定分析与控制中占有极其重要的地位，电力系统 的规划、运行和控制，都很大地依赖于数字仿真。随着全国同步互联电网的形 成和发展，整个电力系统更易遭受动态稳问题。电力系统仿真可信度的问题引 起越来越多电力科学专家的关注。本文以发电机组为研究对象，着重于对励磁 系统、汽轮机调速器以及同步发电机模型参数的研究，阐述了验证励磁系统和 汽轮机调速器模型参数有效性的方法，并通过自动循环仿真的方法研究同步发 电机短路响应对其模型参数的灵敏度，为实际仿真中验证上述模型参数的有效 性提供了一条新的途径。 关键词：参数有效性，灵敏度，励磁系统，汽轮机调速器，同步发电机 a b s t r a c t d i g i t a ls i m u l a t i o np l a y sa ne x t r e m e l ys i g n i f i c a n tr o l ei np o w e rs y s t e ms t a b i l i t y a n a l y s i sa n dc o n t r o ls i n c et h ep r o g r a m m i n g ，o p e r a t i o na n dc o n t r o lo fp o w e rs y s t e m d e p e n dp r i m a r i l yo nd i g i t a ls i m u l a t i o n t h ef o r m a t i o na n dg r o w t ho fn a t i o n w i d e s y n c h r o n o u sg r i dr e n d e rt h ew h o l ep o w e rs y s t e mm o r ev u l n e r a b l et od y n a m i c i n s t a b i l i t y s i m u l a t i o nc r e d i b i l i t yo fp o w e rs y s t e m i sa r o u s i n gm o r ea n dm o r e e m p h a s e sf r o me x p e r t so ne l e c t r i cp o w e rs c i e n c e t h i sp a p e rt a r g e t sg e n e r a t i n gu n i t a n df o c u s e so nt h er e s e a r c ho nm o d e lp a r a m e t e r so fe x c i t a t i o ns y s t e m ，t u r b i n e g o v e r n o ra n ds y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , w h e r em e t h o d s a r es t a t e do fv e r i f y i n g p a r a m e t e rv a l i d i t i e so fe x c i t a t i o ns y s t e ma n dt u r b i n eg o v e r n o rm o d e l sw h i l et h e s e n s i t i v i t yo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rr e s p o n s et oi t sp a r a m e t e r so nas h o r t c i r c u i t o u t a g ei ss t u d i e db yt h em e a n so fi t e r a t i v ea u t o s i m u l a t i o n t h u s ，an e wa p p r o a c hi s p r o p o s e dt ov e r i f yp a r a m e t e rv a l i d i t yo fm o d e l sa b o v e m e n t i o n e d l u ox i ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e m & a u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f h er e n m u k e yw o r d s ：p a r a m e t e rv a l i d i t y , s e n s i t i v i t y ，e x c i t a t i o ns y s t e m ，t u r b i n e g o v e r n o r s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文发电机组参数有效性验证及灵敏度分 析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：萋峻 e t期：2 塑丝至：星多 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 华北电力大学硕1 二学位论文 1 1课题研究的背景 1 1 1 我国电力系统的现状 第一章绪论 我国各地区的资源分布与经济发展很不平衡，水能资源主要集中在西部与遥南 部地区，煤炭资源则主要集中在华北与西北部地区，而能源消费中心是中部和东南 沿海地区，这些地区能源资源严重不足。这种一次能源分布和电力消费中心分布的 不均衡性带来了远距离跨区的呶网互联的趋势n 一1 。首先，实现全囡联嬲是电力系 统的发展规律，电力系统互联成为当今电力工业发展的趋势发展大电网是世界各国 的共同经验；其次，大电网互联可以取得显著的联网效益。目前，全国同步互联电 隧初步形成一个交流弱联系和交直流混合大电潮。在这种情况下，电溺动态特性更 加复杂，对系统供电可靠性要求也愈来愈高。电力系统动态仿真是提高系统可靠性 的重要手段，仿真的可信度和准确度直接影响到电网的安全经济运行。动态电力系 统仿真是电力系统研究、规划、运行、设计等各个方面不可或缺的工具，其结果具 有很重要的指导意义。因此，分析和提高电力系统动态仿真的“质量”已成为非常 紧迫和极其重要的课题。 。1 2 电力系统数字仿真的可信度 上述的我国电网现状对电力系统的安全稳定运行造成了重大的影响，动态稳定 问题囡益突出，促使我们要对动态稳定问题给出深层次的信息。众所周知，电力系 统的规划、运行和控制，都很大的辕赖于数字仿真，数字仿真技术在电力系统稳定 分析与控制中占有极其重要的地位。然而，电力系统数字仿真属于系统仿真的范畴， 它是系统仿真的个特例。由于仿真是基于模型而非真实对象本身进行试验，仿真 结果不可能完全精确地代表真实对象，于是带来了仿真可信度的问题。 系统仿真又称为“建模与仿真( m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ) ”，它的含义是建 立模型来模拟系统( 被研究的对象) 并对模型进行试验。在1 9 6 7 年，美国兰德公 司的k i v i a t 和f i s h m a n 提出了仿真模型有效性的概念，提出将仿真模型分解成模 型的确认( v a l i d a t i o n ) 和模型的验证( ￥e r 主f i e a 专i o n ) 两部分研究。模型的确认 是证实，按某个目的将模型从一种形式转化为另一种形式时有足够的精确度，它的 重点在于将研究对象“正确”地建立成一个模型哺1 。模型的验证则是证实，一个模 华北电力大学硕十学位论文 型在其可适用的范围内都能表现出令人满意的仿真精确度，它的重点在于将研究对 象建立成一个“正确 的系统。简单地说，模型的确认着重于仿真的理论模型符合 实际系统，焉模型的验证则着重予理论模型符合计算枫程序。 2 0 世纪六、七十年代各国电力科学的科研者做了大量工作研究电力系统动态仿 真软件的模型验证，也就是确定在计算机中实现的模型能准确表达模型开发者对系 统的认识和描述。现有的电力系统动态仿真软件在程序设计方面已进行了大量验证 王作，基本不存在闯题。电力系统动态仿真可信度研究主要针对模型确认，即电力 系统动态仿真的模型、参数对实际系统的描述是否足够准确n 4 1 。 1 。1 3 国内外研究现状 总体而言，国外对于建模和仿真的可信度的研究起步还是较早的，但多数都是 着眼于对计算机仿真的可信度。文献 6 第一次提出验证计算机仿真模型的概念。 此后，许多专家学者将研究转两这个领域。文献 ? 总结了翦续的研究工作，明确 地提出模型的确认和验证的概念。文献 1 0 进一步系统地阐述了仿真模型v v & a ( v e r i f i c a t i o n ，v a l i d a t i o na n da c c r e d i t a t i o n ，验证、确认和认定) 的研究方 法。 然惩电力系统动态仿真的可信度研究却是个崭新的课题。以往的电力系统动态 仿真校验大多是对单一元件的校验，也有针对某个扰动或者实验进行的研究工作， 但电力系统动态仿真可信度的问题引起越来越多专家学者的重视，并产生了这方面 研究的框架和构想。 文献 1 1 通过系统扰动试验，对调速器模型做了校验，指出原有的调速器模型 不能正确描述实际系统的特性，提出了新的更加符合实际的调速器模型。文献 4 首次提出了关于电力系统领域仿真验证的问题，该文中用w s c c 系统动态数据库重 现了1 9 9 6 年8 月l o 圈的故障，并与现场记录的曲线进行了比较，结论是否定的， 即现有的模型和参数不能正确地仿真出电力系统发生故障时的动态行为。而且，这 些只是整个故障过程中极小的一部分结果，整个故障过程是一个“复合暂态+ 动态 物理过程，对其进行全藤描述，尤其是对控制器动作的描述，至今尚无可能。该 文也修改了仿真参数，虽然修改后的仿真结果与实测数据基本相符，但是，由于这 些修改缺乏坚实的理论基础，众多专家对该修改提出了质疑，而且通过修改其他仿 真模型同样可以使仿真结果与实测数据基本相符。这种情况大大降低了修改的可信 度和通焉性。文献 5 】阐述了影响动态住址准确度的主要因素有：( 1 ) 模型参数| 曩 题；( 2 ) 控制系统参数十分重要；( 3 ) 动态负荷模型是有规律的。文章指出无论采 用哪种负荷建模方法，负荷参数的取得必须建立在实测数据的基础上。 随着通讯和测量技术的发展使褥以同步相量测量装置为基础的广域测量系统 2 华北电力大学硕t = 学位论文 ( w a m s ) 应运而生。广域测量系统为电力系统提供了新的安全监控手段，已经或将 在状态估计与动态监视、稳定预测与控制、模型验证以及继电保护和故障定位等方 面获褥实际应用。应明广域测量系统的实测数据检验电力系统仿真的可信度成为一 个新的研究课题。文献 1 3 运用扩展等面积准则( e x t e n d e de q u a l - a r e ac r i t e r i o n ， e e a c ) 从相量测量单元( p h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t ，p m u ) 记录的系统受扰轨迹中 提取稳定性信息，对实测电力系统动态响应的数据挖掘进行了研究。文献 1 4 分析 了电力系统动态仿真与其悠系统仿真理论的异嗣，提出电力系统动态仿真的应耀目 的是保证先验仿真的可信度和后验仿真的准确度，二者之间联系的关键则是模型与 参数的有效性。文献 1 2 将一个大的联网系统沿装有相位测量单元的线路解耦成若 干子系统，并用广域测量系统的实测数据作为予系统的边界条件，通过将解耦磊的 子系统的仿真结果与实测数据相比较，可以判断出该子系统参数的有效性。 1 2 本文的研究内容和主要贡献 本文以发电机组为研究对象，着重于对励磁系统、汽轮机调速器以及同步发电 机模型参数的研究。由于本文的重点在于对模型参数的有效性验证，文中将假设所 有涉及到的元件和仿真软件在模型的确认上是没有问题的，亦即所有的元件模型和 软件是严格的，丽电力系统动态仿真与实际系统的差异仅由错误的模型参数造成。 在此前提下，本文主要完成了以下内容： 1 以舀并励直流励磁系统为例，详细叙述了励磁系统模型的原理。在此基础上， 通过系列动态响应测试，检验并校正励磁系统模型关键参数的有效性和正确性。 2 论述了汽轮机调速系统的一般结构，并采用通过调速器阶跃响应测试的方 法，检验并校正汽轮机调速器模型有效性和正确性。 3 运用仿真软件p s s e 的舀动仿真功能，逐个改交同步发电机参数，并在多个 负荷水平上分别仿真模拟同步发电机端三相接地短路的情形。然后对得到的大量数 据应用数值型误差指标，从而得到在各个负荷水平上同步发电机的响应对其参数变 化的灵敏度。 4 初步采用灰色系统理论及灰色关联聚类的有关方法，对上述发电枫短路仿真 结果进行分析，以找如同步发电机响应对其参数变化的灵敏度在不同负荷水平上的 变化情况。 1 3 仿真软件p s s e 概览 电力系统仿真器( p o w e rs y s t e ms i 糯u 王a t 。r e n g i n e e r 主羚g ，p s s e ) 是本文采 3 华北电力人学硕上学位论文 用的主要仿真工具，它是美国电力技术公司( p o w e rt e c h n o l o g yi n c ，p t i ) 于1 9 7 6 年推漱的专为输电系统分析而设计的综合仿真软件包。2 0 多年来，该软件追随电力 系统技术的发展不断更新、升级，现今已推出3 0 版本。它采用高效建模技术。由 于其强劲的计算功能，到目前为止，世界上已有超过6 0 0 家不同的公司和组织、1 0 0 多个国家使用该软件，是应用最为广泛的电力系统分析程序之一。 p s s e 包含了电力系统机电暂态分析计算的常觅模块，其最大优点在于： ( 羔) 所允许的仿真规模菲常大，有剥于超大规模系统计算。p s s e - 3 0 版本处 理的电力网络的最大规模为5 万条母线、1 0 万条线路、l o 万个负荷以及1 20 0 0 台 发电机。 ( 2 ) 灵活的模型鲁定义。它是第一含有用户自定义动态模型功缝的商监化程 序。对模型的复杂性没有任何限制，可以适用于暂态及“长过程 稳定计算中。 ( 3 ) 用户可参与的强劲的交互式计算过程控制。用户可以根据需要随时随地 观测或修改仿真计算中的各变量。 p s s e 程序包主要包括潮流程序p s s e 3 0 、动态仿真程序p s s d s 4 、绘图程序 p s s p l t 以及数据转化4 个程序，此外还有如v c v 、a c c 等附加程序。p s s e 的用户 图形界面较简洁，主要由菜单、结果显示和命令行输入3 个区组成。其中命令行是 全面控制p s s e 的主要手段。尽管可通过菜单实现大部分常用的操作，但通过p s s e 所提供的“动作”库，几乎所有的菜单顼能实现的功能均可通过命令行加以替代， 其实现的功能远比菜单项多。这里命令行的指令称为动作( a c t i v i t y ) ，每个动作 是一个能实现某项功能的子程序或命令，类似于m a t l a b 中的函数或l i n u x 中的指 令。 4 华北电力大学硕 ：学位论文 2 1概述 第二章励磁系统模型参数有效性验证 2 。1 1 励磁系统豹结构 图2 一l 所示的通用框图表示各种同步电机励磁予系统。这些子系统可能包括端 电压传感器、负荷补偿器、励磁控制元彳孛和励磁机，多数情况下还应包含电力系统 稳定器( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ，p s s ) 。 2 1 2 励磁系统的作用 淄2 1同步电视麟磁系统通羽框图 同步发电机的励磁系统功能是： 正常运行时，励磁系统供给发电机励磁电流，并根据发电机所带负荷的变化 相应地自动调整励磁电流大小，以维持发电机的电压稳定及合理分配发电机的无功 功率： 当电力系统短路使发电机端电压严重下降时，励磁系统强行励磁，将励磁电 压迅速升到足够值，以提高电力系统的暂态稳定性； 当发电机突然解列甩负荷时，励磁系统强行减磁，将励磁电流迅速降到安全 值，以防止发电机端电压超标； 当发电机内部短路时，励磁系统快速灭磁，励磁电流迅速减零，以减小故障 损坏程度。 从以上凡点可以看出励磁系统在同步发电机的运行中起决定性的作用。 s 华北电力人学硕上学位论文 2 1 。3 励磁机的分类 按照不闷的依据，励磁枫有不丽戆分类。根据励磁方式，励磁机可以按如下分类； 励磁机 | 壹流威磁辊 旋转励磁机 交流麟磁枧 喜喜霾粪蓁未霎嚣薹羹象鬈襄( 无刷励磁机) 静止励磁叫黧篓恙机 2 。2 励磁系统模型分析 图2 3励磁机的分类 由于励磁系统种类繁多，其参数的有效性验证也比较复杂。简明起见，本文以 直流励磁系统为代表。这类励磁系统包括大多数带有旋转励磁机| l 冬持续动作系统 ( c o n t i n u o u s l ya c t i n gs y s t e m ) 。 图2 - 3连续动作的调节器和励磁机 图2 - 3 表示了这类励磁系统的传递函数，也可以表示其他输出电压封顶值不依 赖于发电机端工况的励磁系统。 2 2 1 持续动作励磁系统 现在，我们详细叙述图2 3 中的传递函数和术语。巧是回馈给电压调节器的发 电机端电压。第一个传递函数代表调节器输入的筛分( r e g u l a t o ri n p u t f i l t e r i n g ) 。对多数系统而言，时间常数鬈的值非常小，可以看作是零。 第一处求和点将输入筛分的输出信号和调蕊器的参照值楣比较，褥到输入到交 磁放大器的电压偏差。许多仿真软件不要求设罱，而是通过假定巧在t = o 时是 6 华北电力大学硕十学位论文 正确的稳态值而自动反推的取值。第二处求和点在电压偏差上叠加了励磁主环 路阻尼( e x c i t a t i o nm a j o rl o o pd a m p i n g ) 的反馈信号。 调节器的主体传递蚕数用增益羁和时闻常数乏表示，之后加置一个限制器， 以免大的电压偏差信号产生超过实际限制的调节器输出。 下一个求和点减去了代表励磁机饱和函数= 厂( ) 的信号，即是说，调节器 输出信号减去励磁机输出电压( 也就是发电机励磁电压) 和非线性的饱和函数 的乘积e 然后将其结果传入励磁机传递函数必定g + 葶磊) 中。励磁机的饱和现象将 在下一个小节里详述。 当采用自并励励磁时，置表示并励磁场电阻的设定，并产生励磁机输出的正反 馈。 初始化时，通常给磁赋一个合适的值，这个取值应等于发电机励磁电压其 稳态( 初始) 值时饱和函数的值。磁取这个值时，并励磁场恰好完全补偿励磁机 的饱和现象，这样，电压调节器不需要有输出就可阻建立并维持的初值。对予 他励的发电机系统，就需要量通过电压调节器的输枣来供给励磁枕的励磁磁场，从 而建立并维持的初值。 主环路的阻尼作用通过反馈传递函数州久l + s 品) 从励磁机输出传至第一个 求和点。 7、 需要强调的是，励磁枫输出的封顶值电压一、电压调节器输出上限珞擞、 励磁机饱和特性以及k 之间存在一个相互依赖的关系。在稳态时，它们之间必须 满足以下表态式： 珞一磁+ & ) = 毽幽蝴 ( 对于自并励系统，镌的符号是负的。) 达到封顶值，即= 一时， 吆蛳一磁+ 品蜥) 黼= 0 通常情况下磁的取值是在仿真前通过计算得出的，对子其余三个参数，一、 心一和& 一，已知其中两个就可以求出另一个。但需要注意的时，它们四个的取 值须满足上述的第二个表达式。 对于一些菲换相型励磁祝，的最小值为0 ，丽不能取受值。 2 2 2 饱和函数 励磁机的饱和函数定义为励磁机输出e ，。的一个乘数，它表示由于计及饱和现象 而引起励磁机励磁需求的增长。图2 4 说明了计算某个特定是值的方法。给定一个 励磁机输出电压，矗和b 的值分别是在恒电阻负载( c o n s t a n t - r e s i s t a n c e l o a d ) ? 华北i 乜力大学颂一 ：学位论义 饱和曲线和气隙线上产生同样输出电压所需的励磁机励磁量，从而，饱和函数& 定 义为 品= 等 图2 4励磁机饱和函数的定义 不同文献或软件中可能用不同的方式表达励磁机的饱和特性，值大致上饱和函 数可以由薅个点来确定。图2 - 5 是实际应雳中饱和函数的求法。 器告墨 篙 1 0 岂岂墨 篷、- ，、一；= o 圈2 - 5 励磁杌饱嗣l 函数的实际求法 8 华北电力人学硕上学位论文 2 3励磁系统模型参数的检验 基子励磁系统的物理特性，假设励磁系统各个参数的取值都落在其各自的合理 取值区间，以下方法可以有效地找出可能的错误参数。 2 3 1 计算稳态时的发电机满载励磁电压 励磁机的饱和特性曲线对励磁系统的动态特性有很大的影响。通常，它可以由 曲线上的两个点来确定。如图2 5 所示，根据励磁机的设计原理，第一点e l 应该 在发电机满载励磁电压附近。因此，初始化时把这诖发电机以额定功率因数，比如 0 9 5 ，运行在额定工作点上，然后计算此时的发电机励磁电压。这个可以作为判断 e i 的根据。 2 。3 。2 校验k 。、e 2 和s 。( e 。) 对于某些直流励磁系统，k e 、v r m a x 和v r m i n 等参数可以用如下的方法交叉检 验： 著已知k 嚣、e 2 和s e ( e 2 ) ，v r m a x 可由下式健计： 1ri s e ( e 2 ) e 2 ，k e 0 懈1 l ( s e ( e 2 ) + k e ) e 2 ，k e o 同时，v r m 粼可设置为一v r m a x 。 若已知v r m a x 和v r m m ，k e 威设置为一个适当的值，这个k 嚣值能使当电压 调整器的输出为一个相对v r m a x 较 、的值( 例如v r m ) 时发电机励磁电压e f d 维持在稳态值。由此，k e 可以由下式来计算： k e - 撼吨( 蹦 2 。3 3 标称晌应测试及励磁机机饱和曲线的校正 励磁系统的封顶值主要取决于其饱和曲线的特点，其实取决予励磁控制器的输 蹬上限。在这个环节中，主要集中予检验并校蔗e 2 、s e ( 嚣2 ) 和v r m a x 等参数。在此 之前，先介绍一下励磁系统标称响应的概念。 9 华北电力大学颂j ：学位论文 嬲2 - 6赫磁系统繇嚣端庶 如图2 - 6 所示，励磁系统标称响应v e 是出励磁系统电压响应曲线确定的励磁 系统输出电压的增量除以额定磁场电压。这个比率，假定保持恒定，所扩展的电压 时阕祗积，与在第一个半秒钟时阕阍隔肉得到浆实际鼗线露积耀等( 如果有特澍规 定，也可用不网的时闻间隔) 。 m e 盘= 丽b c 弼时，三角形a b e 酌面积= 不撬剐形a b d e 的面积。 在菜一时刻，铡翔t = o s 时，在邀基调节器匏输出鸯嚣上一个较大的除跃，遭使 励磁机的输出电压迅速上升至封顶值。饱和曲线的第二个点憋应该设在接近封顶 值的位置。同时，记荥下增加阶跃后的o 5 秒内的发电机励磁电压的值，这样按照 上述宠义，可以计算感励磁系统标称螭纛值。 按据相关的技术标准，直流励磁系统的标称响应该在0 5 l 。0 s 的范围蠹。 不失般性，在以下的章节里我们假设励磁系统的标称响应为1 0 s ，其封顶电压 是额定发电机励磁电压的两倍。根据仿真所得的数据观察励磁机输出电雁的封顶值 并计算标称晌瘦，荐按照上述标准黪改s e ( e 2 ) 或v 燃a x ，以使得该麟磁系统的封顶 电压和标称响应符合要求。 2 。3 。| 毒阶跃响应测试及励磁枕参数的调整 遮项测试假设发电机以额定转速并空载，在某一时刻，例如t = o s 时，在电压 调节器翳参照锻压处加上个除跃。这项测试是考虑在菲饱翻嚣肉的情况。测试过 熏o 华北电力大学硕士学位论文 程中需要观测发电机的励磁电压和端电压，以判断电压调节器增益k a 和时间常数 t a 的正确性。由于这个测试的目的在于揭示励磁系统的小信号特性，典型的阶跃信 号是0 0 2 0 1 p u 。通常来说，一组调整好的k a 和t a 值对空载的阶跃响应的影响 是使响应曲线既有足够的阻尼，又不令稳定过程过分缓慢。 2 4实例 2 4 1 标称响应测试实例 作为励磁系统的范例，考虑i e e e 标准直流励磁系统d c l a 模型。 图2 7d c l a 直流励磁系统 由于这个测试是假设励磁系统在从系统中隔离出来的状态下进行的，与这个模型本 身处于怎样的网络环境没有关系。因此，这里采用如图所示的简单网络计算稳态数 据。 10 5 0 2 0 图2 - 8实例中使用的单机系统图 初始时的参数设置如表2 - 1 ，并分别填入动态数据卡中。 表2 1d c i a 励磁系统的初始动态参数 参数 值参数值参数值参数 值 t ( s e e ) 0 t c ( s ) 1 0 k e 0 e l 2 4 7 - r k a 4 0 v 南a x 1 0 5 t ( s e e ) 0 5 s e ( e 1 ) 0 0 3 5 1 e 华北电力大学硕上学位论文 t ( s e c ) 0 0 6 v 0 州 1 0 5 k f 0 1 6 e 2 3 5 a t ( 8 e c ) 1 o t ( s e e ) 1 2 s e ( e 2 ) o 6 - b 1 f i 经过初始化可以得到稳态的数据： 一一l n c h 工玎ii i 叮i t i 童工c o r d i t i o 玎g 一一 b u s x - - n a h e - - xb a s k vi de t e r he p dp o w e rv a i l gp f w g l i 工d1 0 1b u s lz 0 0 0 011 o 0 0 03 6 7 8 1 4 7 s 0 0 1 5 6 工z0 9 s 0 0 3 3 5 90 7 8 5 7 0 6 1 8 6 由上可以看出发电机额定励磁电压是3 6 7 9 1 p u ，这样，在接下来的标称响应测 试中，我们希望得接近1 o s 的标称响应，同时，期望的励磁机输出电压封项是 2 x 3 6 7 8 1 = 7 3 5 6 2 p u 。标称响应的计算方法参见，将测试的时间延续得足够长( 这样 取2 秒) ，就可以使励磁机的输出电压达到封顶值。 在第一次进行标称响应测试中可以看到，在t = o 5 0 s 时，励磁系统的标称响应 值为0 2 2 2 2 9 s ，如图。 b u s sx - 一n a h 置- - xb a s k vl i j l 阻 7 u l ll o a dl f d叠e s p o n s e 媳t 1 0 1b u s lz 0 0 0 013 6 7 8 工工0 2 2 2 2 9 0 $ 0 0 03 9 5 2 7 在t = 2 o o s 时，发电机的励磁电压e f d ( 即励磁机的输出电压) 为3 9 6 0 8 p u 。 可以认为此时的e f d 就是励磁机输出电压的顶值。 t 工矗一x - v a l u t - - xx 一一一工d 暑耵工，工l a 一- xx - v a l u t - - xx - 一- 工d i l r r i ，i i r x 1 9 8 0 03 9 6 0 0l f db u s 工h c h 珊1 1 9 9 0 03 9 6 0 8 2 0 0 0 03 9 6 0 8 显然，二者都没有达到预期的数值，这就需要修改参数v r m a x 、e 2 和s e ( e 2 ) 的 值。先将v r m a x 值增大到2 1 0 再重复上述步骤，测试得到的标称响应从0 2 2 2 2 9 上升到0 4 2 1 9 6 ，励磁机输出电压封顶值从3 9 6 8 上升到4 1 9 3 8 ，但这仍然不够。 可见，单纯地提高电压调节器的上限不足以改善励磁系统模型的性能，需要对励磁 机的饱和曲线作修改。 将参数e 2 的值由3 5 改为4 3 ，s e ( e 2 ) 由0 6 改为o 3 。按前述步骤重新运行 测试，得到标称响应0 8 0 0 1 6 s ，励磁机输出电压封顶值5 5 1 1 6 。这样的结果仍然 不理想，反复进行上述的步骤，当e 2 = 7 3 且s e ( e 2 ) = 0 3 2 时，得到标称响应0 9 2 5 3 3 和励磁机输出电压封顶值7 3 9 1 6 。此时，可以认为这组参数可以满足对直流励磁系 统的要求。 2 4 2 阶跃响应测试实例 在这个测试中，在电压调节器的参考端v r e f 增加一个阶跃信号( 典型值是 0 0 5 0 1 p u ) ，选取的幅度是0 0 8 p u 。仿真运行1 0 秒钟，发电机励磁电压和端电流 1 2 华北电力大学硕上学位论文 如图2 9 所示。可以看到，励磁电压在最开始的o 5 秒内有明显的抖动，说明电压 调节器缺乏足够的增益k a 。将调节器增益k a 从4 0 增加至1 0 0 ，重新进行阶跃响应 测试，得到如图2 一1 0 所示的响应波塑。可以看出，这组波型有明显的改善。 在实际仿真中，如果发现仿真的结果与w a m s 的实测数据不吻合，有必要检验 励磁系统的参数，这种测试可以有效地找到电压调节器参数中可能存在的问题。 图2 - 9 参数调整前酶励磁系统除跃晌疲 薹3 r”湛注旷h帕咐nnh惜匿瞄峙 瞎mn法嚣n一 一 一 | j 】o o o t；， o 。o o o o 一 一 蠛辩hm n阱m 滞m”一一 一 一o。搿盛；。，；，。，；巷 一。ooo 华北电力大学硕士学位论文 t 】朔t s e c o n d $ j 5 7e p = 0 。0 8 阁2 1 0 参数调整后的励磁系统阶跃响应 1 4 华北电力人学硕i ：学位论文 3 i概述 第三章汽轮机调速器模型参数有效性验证 3 。 。1 汽轮机调速系统的组成 汽轮机调速系统是原动机运行状态的控制系统，它也可能包含不直接与调速器 控制汽轮祝转速或机械功率输出相关的控制功能。 参照设嚣点 规缓转速 选择性反 馈俯譬 调速机 幅l 葛 i ” 控 毒| | 器 圈3 一l汽轮枫调速系统示意图 从组成结构上看，汽轮机调速系统由转速感受机构、传动放大机构、配汽机构 和反馈机构四部分构成。其中，转速感受机构是将转子的转速信号转变为一次控制 信号；传动放大机构则对一次控制信号进行功率放大，并按调节的爵的作控制运算， 产生、油动机的控制信号；配汽机构是将油动机的行程转交为各调节汽f - 】的开度，通 过配汽机构的非线性传递特性，汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关 系。 3 。1 2 汽轮机调节特性 图3 - 2 汽轮规调速系统的缀成 汽轮机调节系统在受到外界的干扰作用时( 如负荷的变化) 就产生相应的调节 动作经过一定的时间，在新在平衡建立以后，调节过程就宣告结束。但是平衡和静 止是相对的，不平衡是绝对的，新的平衡建立以后，又会出现破坏平衡的因素，又 l s 华北电力大学硕上学位论文 开始新的调节过程，重新建立平衡关系。 实践表明，汽轮机从额定负荷过渡到空负荷并非都是缓慢的，有可能是迅速的。 图3 - 3 表示一个调节系统可能呈现的过渡过程。如栗调节系统迅速，转速的变纯属 于曲线l ，转速从嘞变化到强的过程中，最高即为最后的稳定转速悔，这种情况是 最好堆理想的，但目前一般难以达到。通常调速系统转速随时间的变化的特性如曲 线2 所示，转速从上升，到达最高转速嚣蛳，然后下降到稳定转速码。最高转速 与稳定转速之差称力超调量觇渊积，即 蝴= 。一垮 最高转速与甩负荷前转速( 额定转速) 之差称为转速飞舞锄妇，即 ，= 。一 分析研究中常用相对值表示超调量和转速飞升，即 织蝴删：4 k n o v e r s h o o t 1 0 0 ：址1 0 0 ，：垃1 0 0 ：处1 0 0 留s 图3 - 3调节系统的过渡过程 调节系统的静态特性和动态特性是判断调节系统优劣的重要指标。所谓调节系 统的静态特性，是指调节过程结束以后，建立起新的平衡状态时，各元件参数( 如 转速、压力、功率、位移等) 的相互关系。它是指机组的平衡工况，工况的特性即 机组在平衡工况下进行的输入信号与输出信号的关系，这里输入信号是功率，输出 信号是转速。而调节系统的动态特性，则是在调节过程中，各元件的运动规律和相 互关系。它是指枫组平衡工况受n ； t - 界干扰破坏时的运动性和从一个平衡_ i 况过渡 到另一个平衡工况时过渡过程的特性。为了保证机组安全可靠运行，调节系统的动 态特性应满足以下两方面的要求：一是调节系统稳定性要好，无论负荷有多么大的 变化，转速最终能趋予某一稳定值；二是要求调节系统动作要迅速，调节汽门关闭 鼐快，使慝负荷后汽轮枫最高转速不超过危急遮断器动作转速。 1 6 华北电力大学硕上学位论文 汽轮机甩负荷后转速急剧升高，其最大动态升速不仅与不等率有关，还与调节 汽门关闭过程、关门时间和有害蒸汽容积的大小有关。 3 2汽轮机调速器的阶跃晌应测试 汽轮机调速系统的响疲需要进行调校以匹配旋转惯性、永柱惯性、汽轮机控制 伺服电机的时间设置以及接载的电气负荷豹特性。调校鬻时下降率型( t e m p o r a r y d r o o p ) 调速系统控制器阻尼时，调节的主要参数是暂时下降率和调速器时间常数。 对汽轮机调速器模型参数检测的方法是进行调速器响应测试，这项测试蹬在确保调 速器增益和时间常数经过调节，以校正响应豹阻尼到一个合适的值。 这项测试假设将机组的调速循环隔离出来并仿真该循环的响应。负荷的有功功 率维持恒定，调整无功功率以保持发电机端电压为额定值。这样，测试的结果反映 宙汽轮机和调速器组成的循环的阻尼特性，从而可以用来判断调速器增益和时间常 数是否与调节最确的阻尼响应一致。 在阶跃变化产生之前，调速器须接载某个特定的负荷水平作为初始状态，这个 负荷水平一般用0 8 p u 。由于调速循环的阻尼通常随负荷的增加而降低，水轮机调 速器的响应测试应该在满载附近的运行状态下进行。在某一时刻，例如t = o s 时， 负荷发生一个小的阶跃( 典型值是o 0 5 0 1 p u ) 并直保持恒定，也就是说假定负 荷在发生跳变以后能独立于频率保持不变，从而响应只涉及到汽轮机一调速器环的 阻尼。 3 3实例 这里，将采爝图3 - 4 所示的水轮机调速器模型，作为汽轮机调速器模型参数有 效性验证的实例。 1 7 华j i ：电力人学硕l j 学位论文 图3 _ 4水轮机调速器概图 与庶磁系统参数有效性验证熬实铡样，我翻仍采掰銎2 - 8 新示的篱单系统。 调速器的初始参数如表3 - 1 。 表3 - 1 水轮机凋速器初始参数 参数德参数 毽 r ，永久下降率 o 。0 5 g m a x ，门开度上限1 0 0 r ，暂辩下降率。2 5 g u m ，门开度下限0 t ，调萤器对间常数5 ，o o t w ，水时闯嚣数l ，7 5 t f ，f i l t e rt i m ec o n s t a n t o ，0 5 丸，轮机增螽1 1 5 鼍，攘骚电橇对淘鬻数 o + 8 g d 脯，轮枫疆麓0 。4 5 v e l m ，动作速度默制 税2 0 秣轧， 空载流速e 。0 8 酋先，在初始化时，将汽轮机的初始负衙设为0 8 p u ，负荷的阶跃幅值设为 0 0 8 p u 。这样，可以计算出装备这个调速器的发电机的初始情况如下： i r i t z e lc o i 黪 r t i o nl o a dy l o i iu s e dei t x p 睦t i o n s - 一n , k c h i n l l 工h 上i 工- - 1 c o r d 工t z 目属s _ 一 b u s # x 一一n a m i c 一拣b a s k vi d鬈雾嚣譬嚣嚣f 蚤争臻鼙嚣裴v a r s争， 。a n g l ei d i q lb u s i2 0 0 0 0 王1 0 0 0 02 6 6 4 84 0 0 0 00 0 0l ，0 0 0 0 3 8 。3 1o 4 7 2 40 s 9 7 e 然螽开始运行测试。嶷予汽轮枫调速器霹麓有较大的蹲阗常数，汽轮枫调速器 的响应测试必须至少运行5 秒，燃气轮机的响应测试至少运行1 5 秒。在本实例中， 仿真过程持续2 5 秒，并记录机械转矩和转子转速的数据，得到如图3 5 所示的曲 线。可以看鲞，畴纛信号表现懑缀大鼹振荡，说赣调速系统缺乏足够的阻燕。 为了褥到更好的阻尼，分别将暂时下降率r 从0 2 5 p u 增至0 + s 0 p u 和调速器时 间常数t r 从5 o s 增至7 5 s 。此时的响应曲线如图3 - 6 所示。 1 8 传北电力大学硕士学位论文 善】辩t s e c o n d s j lo f l d = 0 。8s _ ef = 0 。0 8 图3 5参数调整前的汽枫调速器阶跃影响 1 9 习一：广 l |麓l 曩l2 l 譬霉 墓鏖 懂：| f b 删 ll 捆 _ l 华北电力大学硕上学位论文 t j 糟t s e e o n o s j l0 嗣1 3 = 0 8s 1e p = 0 。0 8 图, 3 - 6参数调整后的汽机调速器阶跃影响 2 0 华北i ；l 力人学硕1 ：学位论文 第四章基于自动仿真的参数灵敏度分析 4 1 参数灵敏度分析的基本概念 系统中的元件，出于环境温度的变化、元件自蹙的发热或老化等原因，会使其 参数发生变化。所谓的参数灵敏度，就是定量表征系统的响应对其中元件参数变化 的敏憨程度。通常，参数灵敏度可以由系统酶传递函数计算凄来。本章将采掰仿真 的方法，在p s s e 裂境串模拟发电桃发生三相接地短路对熬情况，观察在三楣接地 短路这样大扰动下发电机系统响应对自身参数的灵敏度。 4 。2p s s e 自动仿真篙述 由于以下需要用到p s s e 的自动循环仿真的功能，这里简要介绍一下i p l a n 语言。 4 2 1p s s e 的二次开发和ip l a n 编程语言 p s s e 仿真熊每一个操作都是通过“a c t i v 疆y ”指令来实现熊，现行的3 。0 版本的软件虽然提供了菜单项操作，但在w i n d o w s 窗口中同样提供了命令行输 入方式来输入指令。这种指令和d o s 指令极为相似。这样，仿真的整个过程相巍 于群a c t i v i t y 弦指令的有序集合。幽一个脚本程序来组织这整指令裁可以对p s s e 进行二次开发，实现对仿寞翅始化、执行和控制等。 i p l a n 正是这样的一种脚本语言。i p l a n 的书写风格类似f o r t r a n ，提供了 常见的数学计算函数，如芷弦函数，指数函数等。通过它，用户可以在仿真过程中 生成套己的变量，进行个性能控毒l 与输避。 4 2 2i p l a n 的基本编程思路 i p l a n 语畜的语法与f o r t r a n 楣似。用户编写豹程序调用p s s e 计算模块， 调用顺序须按照正常的手动操作过程进行。“p u s h 指令提供了调用p s s e 中的 靠a c t i v i t y 的接口。此外，p s s e 提供了很多其它的接闷蘧数，用户可以通过 这些透数查看运行过程中躲交量徨息，进蔼瓣臻真过程避行控制。接爨函数鲍调髑 指令为“c a l l 。 2 1 华北电力大学硕士学位论文 4 。3同步发电机模型参数的灵敏度分析 4 3 1 主要方法 本章以下篇幅中介绍的对同步发电机模型参数的灵敏度分析，本质上是通过 p s s e 的自动仿真功能，对单一发电机参数和或负荷水平发生变化的条件下进行连 续仿真，然后对仿真结果运用一些数值指标评估同步发电机对上述参数变化的敏感 程度。 本文在图2 。7 所示的简单系统，稳态的主要参数如表。 表4 一l母线稳态参数 电鬟基值接地电导接地也纳 电压幅值电压攘角 参数编号母线类型 k v p up up u 角度 l2 0 平衡结点 0o1 髓 0 值 22 0负荷母线 o o1 0 5o 表4 2受蘅稳态参数 恒功率负载有功功率恒功率负载的无功功率 参数连接的母线 恒电流和恒阻抗受荷的 m wm v a r 有功、无功功率均为0 德 24 7 51 5 6 。1 2 4 9 表4 3 发电机稳态参数 有功功率输出无功功率输出机组总容量基值 参数母线编号 m wm v a rm v a 值 l4 7 51 5 6 。1 2 4 95 发电机电阻发电机电抗 参数 p up u 值 0 0 0 2 8 5 4 40 2 5 2 表4 4支路稳态参数 支路电阻支路电抗 参数始端