（电力系统及其自动化专业论文）基于gps—pmu的同步发电机参数辨识研究.pdfVIP

r e s e a r c ho nt h ei d e n t i f l c a t i o no fs y n c h r o n o u s g e n e r a t o rp a r a m e t e r sb a s e do ng p s p m u b y y u ec h e n x i ，f o rm a s t e rd e 口e eo fh o h a i u n i v e r s i t y a b s t r a c t v a l i d s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rp a r a m e t e r sp l a y a v e r yi m p o r t a n t r o l ei nt h e s t a b i l i t ya n a l y s i sa n ds h o r t c i r c u i tc a l c u l a t i o no fp o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e r , t h e m s e a r c hw o r ko nt h e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rp a r m n e t c ri d e n t i f i c a t i o n i sb a s e do n g p s - p m u t a k i n g t h ec o m p o s i t e s t a b i l i t ym o d e l a si t sm s e a r c h o b j e c t ，t h ef o l l o w i n g q u e s t i o n sa r ei n v e s t i g a t e d ： ( 1 ) s o m eo fp o w e ra n g l em e a s u r e m e n tm e t h o d sa r ea n a l y z e d ，c o n s i d e r i n gt h e p o w e ra n g l em e a s u r e db y t h em e t h o db a s e do nt h er o t a t es p e e ds i g n a lc a nb eu s e di n t h es y n c h r o n o u s g e n e r a t o rp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n t h et h e o r yo fi d e n t i f i c a t i o nb a s e d o ng p s p m ui sd e s c r i b e d t r a n s f c r e q u a t i o n s b e t w e e nt h ed a t am e a s u r e d b y g p s p m ua n dt h ed a t au s e di nt h ei d e n t i f i c a t i o na r ed e d u c e d t h ep a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o nf l o w c h a r ti s g i v e n ，t h e s i m u l a t i o ni l l u s t r a t i o ns h o w st h a tt h ed a t a m e a s u r e d b yg p s p m u c a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fi d e n t i f i c a t i o n ( 2 ) t h ei d e n t i f i a b i l i t yo f o l f rm e t h o di ss t u d i e d ，s e v e r a lc o n c l u s i o n sa r eg i v e n p a r a m e t e r si n q - a x i s c a nb ei d e n t i f i e d u n i q u e l y f o rp a r a m e t e r s i n d - a x i s ， x d a n d x a c a nb ei d e n t i f i e du n i q u e l y , t h ei d e n t i f i a b i l i t yo fo t h e rp a r a m e t e r sd e p e n d o nt h er e a lc o n d i t i o n ( 3 ) o l f r a n dt i m e d o m a i ni d e n t i f i c a t i o nm e t h o da r e c o m p a r e d f o rs t e a d y s t a t e p a r a m e t e r s ，b o m m e t h o d sh a v e g o o da c c u r a c y f o r t r a n s i e n t s t a t ep a r a m e t e r si nq - a x i s ， o l f rd o e sb e t t e rt h a nt i m e d o m a i nm e t h o d f o rt r a n s i e n t - s t a t ep a r a m e t e r si nd - a x i s ， t i m e d o m a i nm e t h o dd o e sb e t t e rt h a no l f r a l t o g e t h e r , t h es a m p l i n gr a t ea t5 0 h z c a nn o ts a t i s f yt h ei d e n t i f i c a t i o no fs u b t r a n s i e n t p a r a m e t e r si n d - a x i sb yo l f r m e t h o d i ft h ef r e q u e n c y d o m a i ni n f o r m a t i o ni sr i c h ，t h eo l f rm e t h o dc a nb eu s e d ， b u tt h ei d e n t i f i a b i l i t yp r o b l e ms h o u l db ec a r e d ( 4 ) a ni m p r o v e d l o a dr e j e c t i o nm e t h o df o rp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nb a s e do nt h e p o w e ra n g l em e a s u r e d i sa d v a n c e d o nt h ec o n d i t i o no f p o w e ra n g l em e a s u r e d ，t a k i n g f i e l dc u r r e n t ，t e r m i n a lv o l t a g ea n dr o t a t es p e e da sm e a s u r e dq u a n t i t y , t h ew h o l e p a r a m e t e r si nda n dq - a x i sc a nb ei d e n t i f i e dt h r o u g hal o a dr e j e c t i o nt e s tu n d e ra n a r b i t r a r yr e f e r e n c e ( 5 ) a l lt h e s i m u l a t i o nr e s u l t si nt h i s p a p e ra r ec o m p a r e d f o rs t e a d y s t a t e p a r a m e t e r s ，a l lt h er e s u l t ss h o wg o o da c c u r a c y f o rt r a n s i e n t s t a t ep a r a m e t e r s ，a st h e d i s t u r b a n c em a n n e rr e f e r r e dt o ，t h el o a dr e j e c t i o nt e s tg a i n e dt h em o s ta c c u r a t e p a r a m e t e r s ，t h es t e pd i s t u r b a n c ei n e x c i t a t i o nv o l t a g el i e si nt h es e c o n d ，t h eo u t e r d i s t u r b a n c el i e si nt h el a s t a st h ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sr e f e r r e dt o ，t i m e d o m a i n m e t h o dd o e sb e t t e rt h a nf r e q u e n c y - d o m a i nm e t h o da saw h o l e ，b u tt h eo l f r c a r ln o t b ee x c l u d e di ft h ef r e q u e n c y d o m a i ni n f o r m a t i o ni sr i c h i naw o r d ，t h es e l e c t i o no f d i s t u r b a n c em a n n e ra n dt h es e l e c t i o no f i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sa r et h es 锄ei m p o r t a n t t ot h es y n c h r o n o u s g e n e r a t o rp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，g p s p m u ，o l f r ， l o a dr e j e c t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 乏阵鲤 2 0 0 5 年；月彩日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文以外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授 权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 二陈廷 2 0 0 5 年z 月埸目 第一章绪论 1 1 研究意义“捌 第一章绪论 “十五”期间，“西电东送、南北互供、全国联网”成为我国电力产业战略 性结构调整的重大举措。随着电力系统容量和规模日益增大，确保其安全稳定运 行成为首要问题。这就给电力系统稳定计算、安全控制、事故分析等带来了更高 的要求。在计算机与电力系统数值仿真技术不断发展的今天，合理而精确的同步 发电机模型和参数对准确计算和分析电力系统的行为有着决定性的意义0 1 。目前 所用的计算程序虽然都给出了发电机、励磁系统等数学模型，但往往缺少实际参 数，在计算中只能查用工厂或手册的典型数据，或不得已采用简化模型。由于数 据不全，且未计及涡流、磁滞、饱和等实际运行工况的影响，所以计算结果与实 际情况不符，严重影响了计算的准确度和可信度。如采用不考虑励磁系统作用的 e ：恒定模型，多数情况下使计算结果偏于保守，不能挖掘机组潜力“1 。又有现场 试验证实，计及饱和效应的发电机稳态电抗x 。实测值要比不计饱和效应的x 。设 计值小2 5 左右。1 ，这将对机组稳态运行功角以及静态稳定储备产生显著的影 响。有鉴于此，1 9 9 0 年全国电网计算讨论会将发电机模型和参数测试列为电网 计算中急需解决的问题，近年来，电力界对于建立电网四大参数( 发电机、负荷、 励磁系统和调速系统参数) 数据库的呼声日益高涨，国内在这方面也开展了许 多有意义的工作。吲。 实际上，同步发电机是一个绕组复杂的旋转铁磁元件，影响模型参数的因素 很多，参数设计值不能真实地反映实际电机动态行为，常规电机实验”3 ，如三 相稳态短路试验、低转差法、电压恢复法等，这些试验的特点是从参数的物理意 义出发去做测量，方法成熟，有一定的适应性，但试验条件与实际工况仍有较大 差异，所得参数还是不能真实地反映实际电机动态行为。随着系统辨识理论的发 展，利用在线测试和系统辨识相结合的方法成为获取同步电机参数的另一有效途 径”1 。它的显著特点是：直接计及电机运行各种因素，一旦辨识成功，即可包含 各种因素的效应，计算简单，不用附加过多假设条件，不影响电机正常运行，所 得参数能很好地反映电机动态行为。 河海大学硕士学位论文 过去的几十年中，系统辨识理论”。2 1 、相角测量技术。”( p m u ) 、全球定位技 术“2 1 ( g p s ) 等新理论和技术在电力系统获得了广泛的应用，而充分利用这些新 技术构筑的平台，加强对同步发电机模型和参数的研究就非常有实际意义。 1 2 研究方法概述 根据同步发电机所处的不同状态可以将研究方法归结为三类：设计阶段的数 值计算法、出厂或并网前的离线试验测试法、运行状态下的在线测辨法。 1 2 1 数值计算法 在电机设计阶段，需要对所设计的电机电磁性能进行必要的分析，为优化设 计和产品定型提供依据。现代科学计算的发展使得这项工作成为可能，通过对电 机电磁性能分析可以较为精确地得到所需的发电机参数，分析发电机在不同出 力、励磁等条件下的电磁特性即可得到参数变化情况，常用的数值计算方法有有 限元方法”和磁路磁导法“。 ( 1 ) 有限元方法是求解连续体偏微分方程的一种离散化方法。许多具有空 间分布规律的工程问题，在数学物理方法上都可以归结为边值问题的求解。从物 理上讲，发电机电磁场边值问题的最后归结于一组麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程对 电磁场的描述，从数学的角度看，对发电机电磁场的分析就归结于一组麦克斯韦 方程的求解。由于电机电磁场空间分布不规则，传统分析方法显得力不从心，而 有限元法将由偏微分方程表征的连续函数所在的封闭场域划分为有限个小区域， 每一个小区域用一个选定的近似函数来代替，于是整个场域上的函数被离散化， 由此获得一组近似的代数方程，联立求解得到该场域中函数的近似数值。它既能 反应实际电磁场的复杂非线性特征，又能有效求解。 但有限元方法由于计算量大，目前研究大多局限于二维剖分问题，做到三维 剖分还有一定的困难，计算精度也有待进一步提高。联网的发电机在电气上是一 个整体，它们之间是互相关联影响的，而目前利用有限元方法还只能研究单机电 磁性能 ( 2 ) 与电磁场有限元的“场”方法不同，磁路磁导法属于典型的“路”方 法，它以磁回路为分析单元，根据实际问题需要，建立相应的电磁回路方程式， 2 第一章绪论 在不同工况下求解得到同步发电机各参数值。它具有物理概念清晰，方程的建立、 扩展方便，相对有限元方法计算量小的多。 该方法的等值思想决定了它的精度不高的特点，难以象有限元那样反映实际 电机中的各种复杂非线性特征，对与各次气隙谐波关系紧密的电气量计算不够准 确。但对于定性分析是一种理想的方法，在同步发电机内部故障分析应用较多“。 随着科学研究对象的日益复杂化，传统的科学实验、科学理论的局限性日益 明显，科学计算正成为继科学实验、科学理论之后一种新的科学研究方法。在同 步发电机参数随工况的变化研究中“，数值计算以其代价小、精度高的特点成为 这项研究中不可替代的一类方法。尽管多数研究表明发电机参数设计值与实际值 有出入，但经过严格电磁场计算的设计值已具有一定的精度”3 。 1 2 2 离线试验测试法 发电机出厂或并网前需要经过一系列试验，根据同步发电机参数的物理意义 以及定义，同步发电机有着一整套完整的测试方法，它有着严格的操作规程，有 的已经有成文的国际标准。1 ，有些是国家规定发电机出厂前必须进行测试“”。应 用较多的针对全局参数的试验有短路试验”3 、抛载试验“”、静态频域法“” ( s t a n d s till f r e q u e n c yr e s p o n s em e t h o d 简称s s f r ) 。 ( 1 ) 同步发电机的瞬态电气参数是基于突然三相短路定义的，所以三相突 然短路试验是获取发电机瞬态参数最有效的方法。目前，国家标准三相同步 电机试验方法( g b t1 0 2 9 - - 9 3 ) 也推荐使用该方法来测量电机的瞬态参数，对 一些参数未知的新型概念电机，短路试验也是测取其瞬态参数的有效手段“”。但 是该方法具有较大破坏性，不能并网进行，只能在出厂前进行突然三相短路试验， 并且试验不能持续或多次进行，所得参数也有一定的局限，尤其超瞬态参数，持 续过程短，并且短路瞬间干扰大，难于获取，而机械参数、阻尼参数本身就有一 定的复杂性，所以三相短路试验也并非万能。 ( 2 ) 抛载试验于上世纪7 0 年代提出后即获得了广泛的应用1 。它的优点是 易于执行，计及工况对参数的影响，计算简单，考虑全面，无需过多假设，也不 象三相突然短路试验那样破坏性强。一般它分别在d 、q 两个轴分别进行试验， 最后得到两个不同轴的动态响应，最后经过动态拟合得到d 、q 轴的电气参数。 河海大学硕士学位论文 但它的局限性也很明显：只在超瞬变参数的测量过程中，电机的状态才与运行条 件比较接近，其它参数的测量仍于实际运行条件相差甚远。研究表明试验所测d 轴参数较准，q 轴定位需要准确的功角参数，运行工况难以调整，所得参数误差 较大。 ( 3 ) s s f r 方法是在电机静止时加不同频率的正弦信号，利用频谱分析求电 机参数。此法辨识出来的发电机参数已具有一定的精度，但静态时转子仍不能计 及阻尼绕组的影响，并且，s s f r 需要大功率的变频电源作为信号源，其可调频 率至少应在0 0 1 l o o h z 之间，这对于大型同步电机来说是难以满足的，并且对 于大型多极同步电机d 、q 轴的准确定位非常困难“，微小的机械位置差异会带 来很大的电角度差，所以该方法一般较适宜于试验机组的测试。 1 2 3 在线测辨法 在不影响发电机正常工作的情况下，通过施加人为扰动或捕捉系统自然扰动 辨识同步发电机参数的方法都可归入在线测辨法。辨识一旦成功，肯定计及了实 际工况的影响，所得参数具有较高精度，并且，一般的在线测辨比起离线试验测 试来说要容易一些，对发电机的影响也小的多。常见的澳4 辨方法有励磁电压扰动 试验。“、在线频域法。2 1 ( o n l i n ef r e q u e n c yr e s p o n s em e t h o d 简称o l f r ) 和 神经网络观测法“”。 ( 1 ) 励磁电压扰动试验易于激发发电机的动态过程，对于联网运行的发电 机影响不大，且发电机的励磁电压调节方便，因而励磁电压扰动试验成为同步发 电机参数在线辨识的首选试验方法。但该试验是在发电机运行时进行的，要准确 获取动态过程会受较大的环境噪声影响，所得参数尤其瞬态参数由于动态过程激 发不是很充分，参数精度会受到一定的影响。 ( 2 ) o l f r 方法是在机组运行时施加扰动，利用f f r 和动态拟合来求取参数。 由于是在运行工况下测得的数据，所以就包含了饱和效应等因素的影响，这种参 数比起通过s s f r 方法得到的参数更加能够反映实际运行工况，更适用于动态稳 定的研究。但频率响应法是建立在对象是线性系统基础上，用它来测算同步发电 机非线性参数仍感困难，同时需要严格的试验条件。 ( 3 ) 神经网络观测法不需要过多人为干预，直接针对发电机参数非线性本 第一章绪论 质，利用神经网络对复杂非线性问题的模拟以及自动学习能力，可以很好的追踪 发电机参数的变化。并且神经网络具有自学习、自适应功能，不断地在发电机实 际运行中得到训练，能够较好地在线观测同步发电机参数。但由于故障状态下的 样本难于获取，利用神经网络观测器对瞬态参数的在线观测仍较难实现。 1 3 研究现状 自从上世纪三十年代第一篇关于同步发电机模型、参数的文章“4 。2 ”发表以 来，对于这一领域的研究就一直没有停止。综观近年来这一领域的研究，可以从 以下几个方面概括研究现状。 ( 1 ) 科学计算理论的发展和计算机性能的提高为在设计阶段解决同步发电 机参数问题提供了强有力支持。目前，有限元方法已逐步取代传统的图解、模拟、 解析方法，成为设计阶段解决同步发电机参数问题的最有效方法。并且几十年来 有限元方法本身也取得了长足进步，对于转子运动、凸极效应、饱和、负荷效应 等实际工况的分析已有一定的准确性。精确的电磁场分析摆脱了以往“设计一试 制一修正”的复杂过程，在设计阶段就能对发电机的性能进行较准确的分析。通 过数值计算得到了一些新结论，如d 、q 轴之间的正交磁化。”，极限运行时发电 机同步d 轴与q 轴的同步电抗会出现2 倍关系”。这些问题在实际测试、运行中 难以发现，而采用有限元分析可以很方便的研究这些问题，弥补了实验和理论分 析的不足。另外，对于同步发电机在一些极端或者异常运行条件下特性的研究， 有限元方法也是一种简单、有效的方法。 ( 2 ) 系统辨识理论在电力系统中的成功应用为同步发电机参数研究开辟了 一条新途径“。2 1 。在系统辨识理论没有引入以前，对同步发电机的参数研究多停 留在离线测试和数值计算层面，所得参数误差较大，系统辨识理论的引入开创了 在线参数辨识研究新局面，所得参数精度大大提高。 ( 3 ) 对同步发电机模型可辨识性的研究为参数辨识提供了理论指导。定 的参数总和一定的模型匹配，对有些模型来讲，有的参数是不能唯一被辨识的， 即使辨识能得到结果，所得结果的可信度也不高。文献 2 8 2 9 在这方面作了许 多开创性工作，研究表明，对于六阶b p a 模型，d 、q 轴电气参数可以分别唯一 辨识，而机械参数呈难以辨识的趋势。 河海大学硕士学位论文 ( 4 ) 新的辨识算法的引入使搜寻到同步发电机参数最优解成为可能。同 步发电机动态过程是通过一个微分方程组来描述的，参数呈现出很强的非线性， 采用传统梯度类搜索方法，如最小二乘法、卡尔曼滤波法等，方法的收敛性与初 值、权重因子等的选取密切相关，往往搜索不到最优解。随着精度高、全局性好、 鲁棒性强、易于收敛的模拟进化类方法引入电力系统辨识领域，以及计算机技术 的迅猛发展，使得这类优化问题得到了较好的解决。 ( 5 ) g p s - - p m u 技术为同步发电机参数辨识搭建了一个新的平台。基于g p s 的电网监控系统给我们提供了一个很好的同步发电机在线监视平台，并且瓶兴的 p m u 技术已经能够实现对全网发电机功角进行在线测量。“，利用这个平台获取同 步发电机扰动数据用于发电机参数辨识，一旦辨识成功，由于是在线测量，计及 了发电机实际运行工况，所得到的参数具有很高的参考价值。 ( 6 ) 对于同步发电机参数随工况变化的研究渐成热点”1 。在同步发电机 的模拟中，存在两类非线性问题。，一类称之为结构非线性，这类非线性由同步 发电机本身几何结构决定，在我们熟知的非线性模型( 基于p a r k 变换的同步发 电机模型) 中，结构非线性得到了较好的处理，如采用功角的正弦、余弦函数将 定子变量归算到转子侧；另一类称之为非结构非线性，这类非线性在通常的同步 发电机模型中没有考虑，比如，转子、定子铁芯部分的磁饱和问题，虽然有文献 针对磁饱和问题试图定义一些新的模型结构，但由于饱和曲线与发电机运行状态 有关，新模型结构仍难以反应所有实际情况，事实上没有一种唯一的非线性模型 可以描述实际发电机在运行条件剧烈变化时整个系统的动态行为。为了达到在一 定程度上考虑非结构非线性的b 的，大体有两类方法，一类方法不需要知道模型 结构，也不估计物理参数，只是将输入数据集和输出数据集对应起来；另一类方 法假设模型结构已知，利用在线测量对物理参数进行估计，通过对参数变化的研 究达到研究非结构非线性的目的。后一类方法由于可以获得有明确物理意义的参 数深受广大电力工程师欢迎。 随着对同步发电机参数问题研究的深入，人们还发现除正常工况范围内，同 步发电机参数会随运行工况变化而变化外，对于异常运行状态和极限运行状态， 同步发电机参数会发生较大变化。“。为更好的计及同步发电机非线性特点对系统 稳定的影响，满足变参数仿真计算的需要，研究参数随工况变化规律渐成热点0 1 。 第一章绪论 ( 7 ) 对同步发电机阻尼问题的研究成为难点”3 。系统阻尼不足容易引发 系统振荡，严重危及系统稳定，而同步发电机阻尼正是系统阻尼的一个重要组成 部分，电力系统的许多低频振荡事故就是由于发电机出现了弱阻尼甚至负阻尼现 象引起的。 同步发电机阻尼主要来自两个方面，一是电机本身的阻尼回路，如d 、q 轴 阻尼回路；二是机械运动阻尼，主要指转子运动方程中的阻尼系数d 。两方面的 阻尼本身又有联系，采用不同的同步发电机模型，阻尼系数所包含的意义也不一 样，取值可以相差数十倍。 一般认为，对于汽轮机采用d 、q 轴分别有l 和2 条阻尼支路的l d x2 q 模型 可以较好的模拟其动态行为；对于水轮机采用d 、q 轴分别只有l 条阻尼支路的 l d l q 模型即可，但研究表明这种模型并不能很好的与实际相吻合，为了准确 地分析故障时发电机的响应，一般用增加转子阻尼支路的办法进行更精确地模 拟，如采用2 d x3 q 模型，这样同步发电机模型结构就发生了变化“，新模型在 带来精确的模拟效果同时，又带来了新的参数如何确定的难题。 对于单机而言，阻尼系数d 是个测试难点”3 ；而对于互连系统中的同步发电 机，各台机的阻尼系数还与其他机的参数、运行状况有关，文献 3 5 推导的两机 系统阻尼系数d 的表达式，该表达式已经非常复杂。 如何有效地研究同步发电机阻尼问题成了难点。 1 4 本文主要工作 经验表明，同步发电机一般设计参数具有一定的准确度，但还是不能很好的 计及饱和、涡流、磁滞等实际工况的影响。研究利用新兴的基于g p s 的电网监控 系统和在线功角测量技术，实现同步发电机d 、q 轴参数的解耦辨识，减少同时 辨识未知参数的个数，在线获取计及实际工况的同步发电机参数就显得非常有意 义。这一工作不但开辟了一个新的同步发电机参数研究平台，同时也拓展了g p s - - p b l o 这个平台的应用范围，具有较强的理论意义和实用价值。 本文结合与河南省电力公司合作的项目“利用g p s 高精度时钟进行发电机功 角测量的可视化安全稳定监视和控制系统及试点应用”，研究了基于g p s p m u 的 同步发电机参数辨识问题。 河海大学硕士学位论文 主要研究工作如下： ( 1 ) 以g p s - - p m u 作为同步发电机参数研究平台，对能否利用该装置可以对 同步发电机参数辨识进行了论证。对基于6 p s 的广域相角测量技术做了简要介 绍，分析了不同功角测量方法优缺点以及对同步发电机参数辨识的影响。提出了 基于p t 4 u 测量的实时功角数据，解耦辨识d 、q 轴电气参数的思想。从现有的g p s - - p m u 测量量出发，推导了测量量和辨识所需物理量之间的转换关系。阐述了基 于g p s - - p m u 的同步发电机参数时域法辨识原理，给出了详细的参数辨识流程图。 通过时域仿真获得了明确的论证结果。 ( 2 ) 对基于o l f r 法的同步发电机参数可辨识性问题进行了详细探讨，并将 它和时域辨识法进行了详细比较。对同步发电机参数o l f r 法辨识原理和步骤作 了详细介绍，分析了o l f r 法的可辨识性问题，给出了具体的结论。利用同一仿 真算例对两大类辨识方法时域辨识法和频域辨识法进行了详细分析比较，得 到了具体的结论，并对方法的选择提出了建议。 ( 3 ) 提出了一种基于功角可测的同步发电机改进抛载试验方案。对抛载试 验原理进行了简要介绍，通过分析任意轴抛载后同步发电机的响应，基于功角可 测改进了原来抛载试验方案，该方案较原方案更易于实施，计及因素全面，所得 参数具有较高精度，仿真算例所得结果与分析一致。 ( 4 ) 综合比较了本文所有仿真辨识结果，对辨识方法以及扰动方式进行了 对比分析，得到了一些定性的结论。 第二章同步发电机模型与辨识 2 1 模型概述 2 1 1 模型m 1 第二章同步发电机模型与辨识 所谓模型( m o d e l ) 就是把关于实际的本质的部分信息简缩成有用的描述形 式 e y k h o f f ，1 9 7 4 。对实际过程来说，模型一般不可能考虑过程的所有因素。必 须承认，如果模型的输出响应童r 和实际的输出响应z r 七j “几乎必然”处处相 等，记作2 r j 生l 斗z f 纠( a s = a l m o s ts u r e l y ) ，那么应该说所建立的模型就 是满意的了。但是，如果要求模型越精确，模型就会变得越复杂。这就是说，建 立实际过程的模型时，存在着精确性和复杂性这对矛盾，找出两者的结合点往 往是建立实际过程模型的关键。 常用的模型可分为物理模型和数学模型两大类。物理模型是根据相似原理构 成的一种物理模拟，例如水力学模型、电力系统动态模拟等：数学模型是指以数 学表达式来描述过程的动态特性，常见的形式有代数方程、微分方程、差分方程 和状态方程等。两种模型的形式不同，研究方式也有差异。物理模型通常通过模 型试验来进行动态特性的研究，例如在动态模拟实验室，可以进行电力系统各种 动暂态过程的模拟试验，从而来分析其动态性能；而数学模型则需通过数字仿真 计算来阐述动态过程。随着计算技术的发展，用数字仿真进行动态模拟已愈来愈 显示出其优越性。 2 1 2 建模途径 建模通常有两条途径：按物理机理建模和按辨识建模。 1 物理机理建模 适用于对物理机理了解较透彻的学科，如物理、化学等学科，用内在物理机 理给出的一些定理和定律来写出模型。在电力系统中人们所熟悉的描述同步电机 过渡过程的派克( p a r k ) 方程，小干扰动态过程的h e f f r o n p h i l i p s 模型以及网 络潮流方程等都属于这一类。用物理机理建模的优缺点是： 9 河海大学硕士学位论文 ( 1 ) 用连续时间模型、微分方程形式描述，模型参数的物理概念清晰，便 于计算和分析： ( 2 ) 模型是在一定的假设和简化条件下得出的，具有局限性。对一些较复 杂的生产过程，例如锅炉的燃烧过程等，准确地描述就有困难； ( 3 ) 无法计及动态过程中的一些实际因素，例如发电机数学建模中，对电 磁元件引起的诸如饱和、涡流、非线性影响等。 2 辨识建模 利用待测系统动态过程提供的输入、输出数据，经计算处理后建立数学模型， 如图2 1 所示。图中，x 代表输入向量，y 代表测量向量，是量测噪声，z 是 输出向量，疹是模型参数向量。 图2 1 辨识建模 辨识建模的特点是： ( 1 ) 无需确切知道系统的物理机理； ( 2 ) 用现场辨识( 测试) 动态建模，可计及运行中的一些实际因素； ( 3 ) 适用于一些物理机理尚不清楚或难以用简单规律描述的动态过程，特 别是一些颞兴学科如生物工程等。 2 1 3 电力系统建模特点 按照对待测系统的了解程度，可较形象地把系统分成三类1 即： 黑箱( b l a c kb o x ) ：对系统一无所知，其模型结构、阶数、参数等均未知。 灰箱( g r e yb o x ) ：对系统部分了解，如已知模型结构、阶数、待测模型参 数等。 白箱( w h i t eb o x ) ：系统模型可用物理机理写出。 从原理上，辨识建模仅需利用输入、输出信息，即只关，l i , 其外特性，可以 对系统内部过程所知不多，因此可以把系统( 也称过程) 看成“黑箱”，也称辨 识建模为“黑箱”建模。 第二章同步发电机模型与辨识 与之相反的是，对于物理机理建模，模型可用物理定理和定律预先写出，因 此，物理机理建模又称为“白箱”建模。 还有一些系统，如电力系统，利用较严谨的电工理论基础进行分析，它的动 态机理多数是已知的，如发电机、原动机及其控制系统中的励磁系统、调速系统 动态等。但又不完全，例如数学模型可按机理列出，而模型参数却不知道。这时 可按物理机理先列出数学模型，再用系统辨识求出参数。这种方法可称之为“灰 箱”建模。“灰箱”建模是电力系统建模的一大特点。 2 2 辨识概述 2 2 1 辨识 系统辨识是一门新兴的学科，迄今为止还没有统一的系统辨识定义。常用的 定义有两种： 1 9 6 2 年l a z a d e h 曾给辨识下过这样的定义：“辨识就是在输入和输出的基 础上，从一组给定的模型类中，确定一个与所测系统等价的模型。” 1 9 7 8 年l l j u n g 给辨识下的一个实用性定义是：“辨识有三个要素数 据、模型类和准则，辨识就是按照一个准则在一组模型类中选择一个与数据拟合 得最好的模型。” z a d e h 的定义明确了辨识的三大要素：( 1 ) 输入输出数据；( 2 ) 模型类；( 3 ) 等价准则。其中，数据是辨识的基础；准则是辨识的优化目标：模型类是寻找模 型的范围。当然，按照z a d e h 的定义，寻找一个与实际过程完全等价的模型无疑 是非常困难的。相比较而言，l j u n g 的定义更具有实用性。 总而言之，辨识的实质就是从一组模型类中选择一个模型，按照某种准则， 使之能最好地拟合所关心的实际过程的动态特性。而模型参数的辨识是在模型 结构确定后，运用测试数据进行拟合。 2 2 2 辨识方法分类 根据辨识理论，辨识方法可分为经典辨识法和现代辨识法两类“1 。经典辨识 法是与经典控制理论相对应的，其建立的数学模型如时域脉冲响应、频域相频、 河海大学硕士学位论文 幅频特性等均属此范畴；现代辨识法适应现代控制理论的需要，其建立的数学模 型有状态空间方程、差分方程等。 此外，从辨识数据的处理过程看，辨识又可分为离线辨识( 见图2 2 a ) 和在线 辨识( 见图2 2 b ) 两种。前者把辨识过程分为两个步骤：第一步，在现场用磁带 记录仪记录数据，第二步，离线用计算机处理数据以获得数学模型。这一种方法 多半用于非参数辨识，间接求取数学模型。后者用微机在线处理数据，直接求得 参数模型，并可进一步用于适应性控制，构成在线辨识数学模型。 z ( km ( k发生器ill系统1 - l 记录仪1) | 处理机1) 图2 2 a 离线辨识过程 m ( kl 发生器ll 系统lilj 图2 2 b 在线辨识过程 对于同步发电机参数辨识，经典辨识法和现代辨识法都有一定的应用。8 ”。 随着计算机技术的发展，同步发电机参数在线辨识技术应用越来越广泛。一般说 来，对同步发电机参数有一定的认识，不需要对其进行在线修正，但为更好地解 决同步发电机参数非线性问题，研究参数随工况变化规律，采用在线测量，离线 处理的自适应辨识算法成为目前时域参数辨识研究的发展趋势。 2 2 3 电力系统参数辨识的特点“1 电力系统在本质上属于高阶、非线性、复杂的随机系统范畴，所以把参数辨 识技术用于电力系统要比其它工程领域显得困难。例如最小二乘估计、卡尔曼滤 波等行之有效的估计方法，多数适宜于线性系统，故只能采取线性化一类的近似 方法，这就容易产生多值性及收敛等问题。此外，电力系统的动静态过程属于快 过程，给在线辨识在近似速度和方法上带来困难。所有这些造成迄今为止，辨识 技术在电力系统领域中的应用远不如其它领域的一个主要原因。 第二章同步发电机模型与辨识 电力系统按辨识对象的复杂程度分为两类：即单个元件的测试辨识和复杂系 统的动态等值。其中同步发电机、励磁系统的动态响应试验、传递函数测定、模 型测试求取都属于第一类。而对于复杂的、高阶的电力系统，一般难于直接辨识 其原型，通常用降价的模型系统来动态拟合原型系统，即所谓动态等值。 2 3 同步发电机模型h “”1 建立同步发电机的数学模型是研究电机静、动态行为和电力系统运行状况的 重要部分和基础。过去的几十年里，人们已经提出了大量的同步电机数学模型， 针对不同的研究目的和运行工况要求，可采用不同的模型。本节以d 、q 轴各有 一个阻尼绕组的五阶模型为例，首先介绍了同步发电机的基本方程，然后介绍了 同步发电机的导出模型，这个模型也是本文后面几章将要详细研究的，一般称之 为五阶模型或综合稳定计算模型，接着介绍了几种常用同步发电机模型导出的假 设条件以及适应范围。 2 3 1 同步发电机基本方程 假设电机为理想电机，转子励磁绕组中心轴为d 轴，并设q 轴沿转子旋转方 向领先d 轴9 0 0 屯角度。在d 轴上有励磁绕组( f ) 及一个等值阻尼绕组c d ) ， 在q 轴上有一个等值阻尼( q ) ，上述简化一般地已能满足多机电力系统分析的需 要。如果根据定子a 、b 、c 三相绕组及f 、d 、q 绕组回路直接列写磁链方程和电 压方程会因为方程系数时刻在变难以进一步分析，一般地，采用坐标变换可以将 定子、转子方程统- - n 同一坐标系下进行研究。自上世纪2 0 年代以来，先后建 立四种坐标变换方式“”：p a r k 变换、c l a r k e 变换、顾氏变换以及l y o n 变换，这 四种变换方式各有特点，并且能够互相转化，而这四种变换中又以p a r k 变换应 用最广泛，下面简要介绍一下基于p a r k 变换的同步发电机基本方程。 设定子各相绕组电流产生的磁通方向与各该相绕组轴线的正方向相反时，电 流为正值：转子各绕组电流产生的磁通方向，与q 轴正方向相同时，这些电流为 正值。可以得到基于p a r k 变换的同步发电机磁链方程和电压方程分别如式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) ( 设采用x 。基值系统) 。 河海大学硕士学位论文 式中d q o 表示经由p a r k 变换后得到的新坐标系下与a b c 绕组对应的绕组：】f ， 表示各绕组磁链：i 表示流经各绕组的电流；x 表示各绕组的自阻抗以及各绕组 间的互阻抗。“表示各绕组电压，表示各绕组电阻，0 2 , 表示发电机转速，如果 发电机以同步速旋转，c o = 1 。 + 00 x d x 口0 0 0 x o 0 00 x ， 00 x d x w 00 一。 印v d 0 0 0 o + l ， f d - l 口 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 另有两个同步发电机转子运动方程可写为： j m d 出( 9 m 。一m 。一。d 西6 ，m 。一言a t q - - i j q t d ) 一。白一q ) 。一。， 1彩 i百钏一q 上式中，为电角速度，c o 。为系统公共参考轴的转速，一般在标么值系统下取 出。= 1 ，膨为发电机惯性对间常数，彤。为机械转矩，m 。为电磁转矩，m 。为机 械阻尼转矩，d 为阻尼系数，占为功角。 上面有6 个磁链方程，6 个电压方程，2 个转子运动方程，共1 4 个方程，仍 为8 阶动态模型，其中变量有：“( 。1 ) ，( 6 。1 ) ，1 ( 6 “) ，c o ，0 ，m 。，如果考虑 ds 0 ， ；0 ，则实际变量为1 9 个，故还需要有1 9 1 4 = 5 个约束条件方可求解，一般 地，可以认为励磁电压群，已知：机械力矩m 。为已知；另外根据定子三相绕组与 网络的接口，还有三个网络接口方程与之联立求解。因此上述方程可以求解。 由于d q o 三轴间的解耦以及d q o 坐标下的电感参数是常数，因而p a r k 变换 和同步发电机p a r k 方程在实用分析计算中得到了广泛应用。 fuihiiiiiinju业 o o o 一 “以o， 瓦n。k如。 k0b，d d p。0弋一小一i 吖。七饧 以o o以扎。眈叽，”峋 第二章同步发电机模型与辨识 对于同步发电机参数辨识而言，有些文章采用基本方程进行辨识“。“3 ，但由 于基本方程未知参数较多，辨识比较困难，辨识所得参数不直观，仍需要转化为 实用参数才能用于实际分析计算，因此现在一般不直接用同步发电机基本方程进 行参数辨识。但是基本方程在同步发电机频域分析，理论解析研究方面仍然有着 十分重要的意义“，本文第五章的研究就是利用同步发电机基本方程开展的。 2 3 2 同步发电机导出模型 上一节讲的基于p a r k 变换的方程一般称之为基本方程，所采用的参数也称 为基本参数，分别表征着电机各线路之间的自感、互感、电阻等。而为了研究方 便，通常将派克方程中的转子变量( 如f 朋，妒归。及“，) 折合到定子侧，用实用 物理量表示，以便在定子侧进行分析及度量，这样就得到了同步发电机的导出模 型。导出模型将动态过程分解为超瞬变、瞬变和稳态过程，对应这些过程，引出 响应的参数( 如爿：，x ：，x ；及巧。，等) ，称之