（电力系统及其自动化专业论文）基于psasp的发电机励磁系统建模与参数辨识.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于p s a s p 的发电机励磁系统建模 与参数辨识，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，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：爰垄之日期：丝f ! 垒! 竺日 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：盔垒垒 日期：垒! ! 圭! 垒! 日 导师签名： r k r - i jj h 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 随着我国电网建设的飞速发展，稳定问题同益成为影响电网安全运行的主要问 题。作为丌展电力系统稳定性分析的基础，对发电机励磁系统进行计算和仿真软件 下的精确建模及参数辨识具有重要意义。本文在深入分析励磁系统结构的基础上， 对自并励静止励磁系统和三机常规励磁系统进行建模，并应用参数辨识法将自定义 模型转换为标准模型。本文还深入研究了线性积分时域辨识法( l i f 法) ，并总结了对 仿真模型和标准模型的校验方法。i 关键词：励磁系统、自定义建模、参数辨识、l i f 法、p s a s p a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep o w e rg r i dc o n s t r u c t i o ni n c h i n a ，s t a b i l i t y b e c o m e st h em a i ni s s u et oa f f e c tt h es a f eo p e r a t i o no fp o w e rg r i d s oi ti so fi m p o r t a n c et o m a k ec a l c u l a t i o na n da c c u r a t em o d e l i n gi ns i m u l a t i o ns o f t w a r ea n d i d e n t i f y t h e p a r a m e t e r sa st h eb a s i sf o rd e a l i n gw i t ht h ep o w e rs y s t e ma n a l y s i s o nt h eb a s i so ff u r t h e r a n a l y s i so fe x c i t a t i o ns y s t e m s s t r u c t u r e ，t h e t e s tm a k e sm o d e l so fs e l fe x c i t e ds t a t i c e x c i t a t i o ns y s t e ma n dt h r e em a c h i n e so fc o n v e n t i o n a le x c i t a t i o ns y s t e m ，a n dt u r n st h e c u s t o mm o d e li n t os t a n d a r dm o d e lw i t ht h em e t h o do fp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n i ta l s o p o i n t si n d e p t hs t u d yo ft h el i fm e t h o d ，a n a l y s e sp l p fm e t h o d 、l i fm e t h o d a n d f r e q u e n c y d o m a i ni d e n t i f i c a t i o nm e t h o d t h r o u g h s i m u l a t i o na n d c o m p a r i s o n ，a n d s u m m a r i z e st h ev a l i d a t i o nm e t h o d st ot h es i m u l a t i o nm o d e la n dt h es t a n d a r dm o d e l l im i n g w e n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f j i a oy a n j u n k e yw o r d s ：e x c i t a t i o ns y s t e m 、c u s t o mm o d e l i n g 、p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n 、 l i fm e t h o d 、p s a s p 0lk 华北电力人学硕十学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论- - l 1 1 选题背景及研究意义1 1 2 国内外研究概况2 1 2 1 模型研究概况2 1 2 2 模型参数辨识概况3 1 3 本论文主要内容5 第二章发电机励磁系统原始模型6 2 1 励磁系统结构6 2 2 同步发电机的传递函数6 2 3 励磁调节器数学模型7 2 4 励磁机模型及参数1 0 2 4 1 直流励磁机数学模型1 0 2 4 2 交流励磁机数学模型1 2 2 4 3 静止励磁机数学模型1 4 2 5 电力系统稳定器数学模型和参数l7 2 6 各种限制与保护数学模型1 7 第三章电力系统分析综合程序1 8 3 1 p s a s p 概j 2 f ；18 3 2 p s a s p 的u d 功能介绍19 3 3 电力系统稳定计算用励磁系统模型2 l 第四章基于p s a s p 的发电机励磁系统自定义建模2 2 4 1 原始资料和数据2 2 4 1 1 励磁系统建模所需搜集资料2 2 4 1 2 建立励磁系统原始模型工作步骤。2 3 h r 华北电力人学硕十学位论文目录 4 1 3 励磁系统参数基准值的选取2 4 4 1 4 励磁系统原始模型参数的确定2 5 4 2 p s a s p 环境下的励磁系统建模2 6 4 2 1 自定义建模2 6 4 2 2 初值平衡2 7 4 2 3 三机常规励磁系统建模2 8 4 2 4 模型校验2 9 4 3 模型转换3 0 4 3 1 仿真算例3 2 4 4 小结3 4 第五章参数辨识3 5 5 1 参数辨识3 5 5 2 l i f 法3 7 5 3 最小二乘法4 l 5 4 励磁系统参数辨识仿真计算4 2 5 5 j 、结4 4 第六章参数校核4 5 6 1 励磁系统模型参数的校核一4 5 6 1 1 发电机空载下小扰动试验校核方法4 5 6 1 2 发电机空载大扰动试验校核方法4 6 6 1 3 发电机空载电压阶跃响应试验4 6 6 2 校验指标4 8 第七章结论与展望4 9 7 1 结论4 9 7 2 展望4 9 致谢5 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况5 4 华北电力人学硕+ 学位论文 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 目前我国电网建设已经进入大电网、大机组、高电压和交直流混合互联电网的 新时期。一方面电网的规划、设计、运行和管理对电网分析计算的准确性提出了更 高的要求，而正确的元件模型和符合实际的电网参数则是其基础。另一方面加强电 网稳定性的管理工作、保障大电网的安全运行，已成为当前面临的一项重要而紧迫 的任务。而随着大区联网工程的实施，互联电网的规模迅速扩大，如何满足电网发 展和经济的快速发展对电网稳定分析工作提出了更高的要求，是今后一段时期值得 探讨的问题。发电机、励磁系统、调速系统、负荷等主要元件的数学模型及其参数 是影响电网仿真计算结果的直接因素。采用经典的发电机模型、理想详细模型而套 用经典参数或者采用同类调节器及参数等处理方法丌展电力系统稳定计算已经很 难适应现代发展中的大电网的要求。因此，作为丌展电力系统稳定性分析的基础， 对发电机励磁系统进行计算和仿真软件下的精确建模及参数辨识具有重要的意义。 发电机是构成电力系统的重要元件之一。在电力系统中发电机励磁控制系统具 有如下任务【1j ： ( 1 ) 维持发电机或其他控制点( 如发电厂高压侧母线) 的电压在给定水平，维持电 压在给定是励磁控制系统最主要任务。 ( 2 ) 控制并联运行机组无功功率合理分配。 ( 3 ) 提高发电机和电力系统静态稳定的能力。 ( 4 ) 提高发电机和电力系统动态稳定的能力，故障切除后，励磁系统的强励、强 减相互配合，乎息振荡。 ( 5 ) 提高电力系统传输功率极限。 ( 6 ) 改善电力系统及发电机的运行状况。 发电机励磁系统不仅对电能质量频率、电压的调整起着重要作用，其动态特性 对电力系统在电磁暂态和机电暂态过程中的动态行为包括功角、电压、频率、潮流 等的变化更是至关重要。研究表明，励磁控制对提高系统稳定性是全方位的，也是 全过程的，包括静态稳定、暂态稳定、电压稳定。计算表明，大区联网后系统动态 稳定问题变得突出，表现为系统的阻尼特性变差，甚至会出现低频振荡或多摆振荡 失步问题。研究这些稳定问题，其基础计算数据涉及发电机励磁系统的详细模型和 参数，并考虑其动态特性的影响。 华北电力人学硕十学位论文 不同的励磁系统模型和参数将对电力系统暂态行为起不同的影响，尤其是对故 障状念下的暂态稳定影响更大。所以对发电机励磁系统的精确建模和参数辨识己得 到了国内外学者的普遍重视。励磁系统是保证发电机电压调节精度及提高电力系统 稳定运行的重要环节，既要求励磁系统稳定性好，又要求励磁系统反应速度快，调 节能力强。为此励磁系统的国标及部标都规定了发电机的电压精度、1 0 阶跃响应、 强励倍数及励磁电压上升速度等技术指标。由于励磁系统性能对电力系统稳定计算 有很大影响，我国各电力系统已经开始进行建立励磁系统数学模型及其数据库的工 作。 在建立励磁系统模型库时主要存在以下几个问题： ( 1 ) 在电力系统规划、设计阶段，待建机组励磁系统的模型与参数均未知，需要 设计出性能符合国家标准的励磁系统模型及参数。 ( 2 ) 发电机励磁系统在运行若干年后，其实际参数与制造厂家的设计值并不一 致，以及由于疏于管理，许多励磁系统的相关资料已经丢失，因此需要进行工业实 验和参数辨识的方法获得其实际参数。 ( 3 ) 不同的电力系统分析计算软件，其采用的励磁系统模型和参数与实际励磁系 统模型和参数很不一致，需要进行模型转换和参数优化。 基于上述原因，很有必要采用现代辨识技术通过现场试验来获取可靠的实际励 磁系统模型参数，从而得到励磁系统在所用仿真软件下的标准模型。 本文所做的主要工作是研究在p s a s p 软件下建立励磁系统自定义模型，并通过 参数辨识方法转换为该软件中对应的标准励磁系统模型。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 模型研究概况 2 0 世纪6 0 年代以前，由于计算手段的限制，发电机是用暂态电抗后的恒定电 势来表示的。进入6 0 年代，随着计算机技术的飞速发展和现代控制理论的进步， 出现了许多新型的励磁调节器。而电力系统规模的不断扩大也使电力系统的动态稳 定问题同益突出起来，人们逐渐认识到，励磁控制对电力系统的稳定性产生着重大 的影响，使得传统的电力系统稳定性理论逐步成为现代电力系统稳定性及控制理 论。反映在电力系统稳定性计算中就要求用更符合实际、更精确的发电机模型来模 拟同步发电机的行为特性，以反映实际运行设备在大的严重干扰下的运行特性和小 干扰下的运行特性。在此基础上，美国电气电子工程师学会( i e e e ) 电力生产委员会 励磁系统分委会，进行了大量工作，提出了用于模拟当时广泛使用的各种不同励磁 控制系统的计算机模型和通用的专业术语。i e e e 于1 9 6 8 年提出的励磁系统模型适 2 华北电力人学硕十学位论文 应了当时电力系统研究的需要，并使励磁系统用户和制造厂家对需要的产品性能指 标有了更好的认识和沟通。 i e e e 早在1 9 6 8 年就提出了励磁控制系统的数学模型，以后又分别在1 9 8 1 年、 l9 9 2 年、2 0 0 5 年三次更新了提出的模型【2 1 ，中国电力科学院在1 9 9 1 年、1 9 9 4 年也 提出了稳定计算用励磁系统模型【3 】。2 0 世纪9 0 年代以后改进励磁控制数学模型的 工作一直在进行。由于计算技术的发展，使得模型可以包括非线性等详尽的细节， 现在的励磁控制系统不但对控制回路环节进行了详尽模拟，而且也对保护、限制等 附加功能也作了详尽模拟。 与i e e e l 9 8 1 年版模型相比，2 0 0 5 年版模型不仅包含了更多的励磁系统，而且 对模型的表达有了规格化的标准。包括了3 种直流励磁机模型d c l a d c 3 a ，6 种 交流励磁机模型a c l a a c 6 a ，3 种静止励磁模型s t l a s t 3 a ，2 种p s s 模型 p s s i a p s s 2 a ，3 种附加的断续励磁控制模型d e c l a d e c 3 a 。1 9 9 2 年版模型不但 包括了更多的励磁模型，而且对模型的表达有了规格化的标准。 i e e e 公布的励磁模型并不是和实际装置的所有控制回路一一对应的，而是经过 处理的降阶模型，因此推荐采用由现场试验数据得到励磁模型参数的方法。据所收 集到的i e e e 资料，没有提供通过现场试验参数测试建立励磁数学模型的具体方法 和过程，也没有如何校验由现场试验数据得出模型参数是否讵确的判据或标准。 中国电力科学研究院结合励磁系统的调研和参数测定工作，提出了一组更为通 用性的新型励磁系统模型，即f m f v 共l o 种励磁模型。新型励磁模型吸取了i e e e 模型的精华，在模型表达上采用高阶的传递函数配合可变的类型选择变量，使同一 个模型可以模拟更多的励磁系统，形成了自己独特的风格，并增加了过励磁限制、 过励磁保护和低励磁限制功能，以适应中长过程计算的需要。这些模型已被编进中 国版b p a 暂念稳定程序和p s a s p 电力系统分析综合程序。 p s a s p 6 1 版的暂态稳定用户自定义系统模型库包含有1 6 种同步发电机励磁系 统模型，还提供了l 一1 2 型标准励磁系统模型，可以用来模拟我国电力系统中已有 的绝大部分的励磁系统，满足电力系统稳定计算的需要。 1 2 2 模型参数辨识概况 在励磁系统参数辨识方面，国外进行了许多工作1 4 。9 】。早在2 0 世纪7 0 年代，美 国电力科学研究院( e p r i ) 提出“要用新型在线测试技术进行参数测量9 9 9 并强调“电 机参数与运行方式密切相关”，i e e e 相继公布有关四大参数的数学模型。8 0 年代辨 识技术及测试手段的发展，促使美、同、加多国迸一步开展参数测试研究，但由于 工作涉及面广，协调比较困难，且方法不统一，使这方面的研究工作具有一定的难 度。1 9 9 0 年全国电网会议上的调查表明，对负荷、励磁系统、发电机、原动机及调 3 华北电力人学硕十学位论文 速系统的测试和建模已分别列居急需解决研究课题的第2 、4 、5 、6 位。1 9 9 3 年国 家调度通讯局发文阐明各大电网都应丌展四大参数的测试和建模工作，这推动和加 快了动态参数辨识在我国的研究。在四类参数测试中，首推励磁系统参数，现已形 成了一套成熟的技术。 励磁系统参数辨识的研究我们可以从两方面进行讨论，其一为励磁系统参数辨 识的各类算法的研究；其二为模型参数校核方法的探讨。只有认真做好以上两个方 面的工作，才能提高实测工作的效率并得到较可靠的辨识参数。 励磁系统参数辨识方法有很多种，从国内应用情况看，目前较为成熟的理论大 致分为时域法【1 0 13 1 、频域法【1 4 6 1 和基于遗传算法的智能辨识法【1 7 - 2 0 1 。时域法基于现 代控制理论，常用状态空间方程直接获得系统的参数，常用的有p l p f 法、p l p f 改 进算法、l i f 法。频域法基于经典控制理论，常用的即f f t l s e 算法，将系统输入 输出时域信号转换为频域信号后，利用自相关函数和互相关函数的一些特性，滤去 噪声，获得无干扰的结果，即系统的相频特性和幅频特性，再通过最小二乘法拟合 获得估计的参数。基于g a 的智能辨识法使得非线性环节参数的辨识成为可能，能 较准确的辨识出系统各个环节的数学模型。 当完成励磁系统参数辨识试验及分析得到辨识结果后，还需要校核模型和参 数，文献【引】提出了几种校核方法：根据经验和设计值进行比较，判断其合理性；现 场实测曲线与辨识得到的模型参数来仿真计算的响应曲线比较，看其拟合程度的准 确性；选择在多种运行工况条件下辨识参数，检查其一致性；利用系统的三相短路 试验或断线应曲线比较，看其j 下确性。第四种方法是最重要的一类校核试验，有较 强的说服力。校核试验方法如下：首先在系统上施加一个断线故障扰动，同时记录 下各主要节点的动态响应，然后我们以辨识的参数为依据将仿真计算的动态响应与 扰动试验获得的动态响应曲线进行比较，从而判别模型和参数的准确性。发电机空 载阶跃响应能全面反映调节器参数，是校核计算的基础项目，进行其他校核计算之 前先通过该校核。 励磁系统实测建模工作量相当大，需要很多单位的密切配合，特别是现场试验 和现场辨识，一定要统筹安排，应处理好励磁实测建模过程中的以下几个环节： a 、重视励磁系统原始模型资料的收集工作。己并网的机组，实际上励磁资料齐 全的很少，大部分要利用机组大修机会进行励磁试验，现场辨识补齐资料。 b 、做好励磁系统原始模型向p s s e 和b p a 软件固定模型的转换这一环节的工 作，使励磁原型与转换成p s s e 和b p a 软件固定模型的特性一致。 c 、在励磁模型应用阶段，必须检查发电机励磁系统对扰动的响应是否符合有关 的励磁标准规则。 4 华北电力人学硕十学位论文 。 d 、推行励磁系统实测建模工作的滚动进行，逐步完善励磁建模技术，建立完 整的励磁系统模型参数数据库。 总之，励磁系统参数辨识是一个理论紧密联系实际的工作，一方面我们可以针 对现有的辨识方法提出必要的改进，进一步引入更好的线性和非线性辨识方法。同 时我们不应仅注重于方法的提出，还应该对方法的实际应用细节进行必要的探讨， 以促进辨识方法的广泛采用与接受。另一方面现场励磁参数辨识经验及模型参数校 核方法的总结也是一个很重要的环节，有助于我们提高现场辨识的效率和得到具有 较好的适应性和可信性的模型。 上世纪9 0 年代以来，东北、华北、西南等地区的电力试验研究院和电力公司 都在个别实际机组上做过励磁系统参数辨识的工作【2 1 ，用的方法主要是时域法和频 域法。福建、江苏电网等采用智能辨识法完成了对励磁系统的参数辨识，技术比较 成熟，已经形成了一套完善的程序。河北南网从2 0 0 1 年起也丌始了这方面的工作。 1 3 本论文主要内容 本文主要工作主要包括两部分：一是发电机励磁系统建模，即在p s a s p 软件下 建立用户自定义模型，并校验该模型的币确性；二是对参数辨识算法的研究，通过 对时域辨识法、频域辨识法和人工智能辨识法的深入研究，选择合适的参数辨识法， 将用户自定义模型转换为标准励磁系统模型。 全文章节安排如下： 第l 章简要介绍了励磁系统建模及参数辨识的意义和国内外研究现状，并叙述 了本文主要工作及各章节安排。 第2 章深入研究了励磁系统结构及各部分传递函数和参数。 第3 章主要介绍了电力系统分析综合程序软件的功能。 第4 章总结了通过收集、整理资料和计算、实验等手段获得励磁系统参数测试 报告的过程。在p s a s p 软件下对西柏坡5 号机组和l 号机组进行建模，并将自定义 模型转换为标准模型。 第5 章讨论了p l p f 法、l i f 法、频域辨识法和人工智能法的工作原理，并对 l i f 法进行了深入研究。 第6 章总结了各种参数校核方法。 第7 章是全文总结，总结了本文工作的主要内容，并对未来工作提出要求。 5 华北电力人学硕十学位论文 第二章发电机励磁系统原始模型 2 1 励磁系统结构 同步发f b 机的励磁系统【2 2 2 5 】主要由主励磁系统和励磁调节系统两部分( 见图 2 - 1 ) ，按照励磁电源不同，励磁系统分为以下三种类型： a 、直流励磁机励磁系统，多用于中、小型汽轮发电机组； b 、交流励磁机励磁系统，包括静止或旋转、可控或不可控的整流器； c 、静止励磁系统，包括自并励静止励磁系统、恒定电压源静止励磁系统和交流 侧串联自复励静止励磁系统，最具代表性的是自并励静止励磁系统。后两种多用于 大型( 容量在1 0 0 m w 及以上) 汽轮发电机组或水轮发电机，本节将主要介绍这两种类 型。励磁调节系统包括常规的励磁调节器( a v r ) 以及电力系统稳定器( p s s ) 等。 2 2 同步发电机的传递函数 图2 1 励磁控制系统 同步发电机是电力系统中物理过程最复杂的元件，既有机械运动过程又有电磁 暂态过程，并且包含的变量众多，因此很难建立一个全面而统一的发电机数学模型。 为理解方便，这罩仅列出其近似传递函数模型。 图2 2 发电机数学模型 6 华北电力人学硕十学位论文 旦盟：l u ，( s ) s + 1 ( 2 - 1 ) 其r f l ：u 为机端电压，u ，为施加在转子绕组上的励磁电压，这些变量常用标 幺值表示。 在p s a s p 软件中，有6 种不同阶数由微分方程组表示的发电机模型供用户使用， 也可以建立发电机的自定义模型。这罩仅介绍常用的3 阶发电机模型： 礁堡a r t = e 一【+ ( 为一) 厶+ ( 一1 ) e 】 7 = r 鲁= 鲁一( 一l ) 叫缈- _ o 坳石 ( 2 - 2 ) 百d 8 = ( 缈一1 ) 2 万石 2 3 励磁调节器数学模型 以可控硅励磁调节器为例，介绍其数学模型。该调节器由以下几部分组成：量 测补偿调差、综合放大、移相触发、可控硅输出及转子电压软反馈等单元组成。 1 、电压测量及调差补偿单元 该单元由量测比较电路和滤波整流电路组成( 见图2 - 3 ) ，机端电压啡和定子电 流j f r 经调差后输出坼，则： u c - - i o fh r c + j x c 、l i t 其中：心+ 成为调差阻抗。 整流滤波电路可由一阶惯性环节表示为： 啪) = 去 其中：k 鼻为电压比例系数，瓦为时间常数，一般在o 0 2 0 0 6 s 之间。 7 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 厶ll 华北电力人学硕十学位论文 图2 3 电压测量与无功调差单元数学模型 2 、综合放大单元 该单元由调节器中的综合放大、移相触发及可控整流电路组成。放大电路可看 成惯性环节，同步触发器是一个比例环节，无时滞影响。对于可控硅整流器，考虑 到在运行中改变控制电压的调节过程中，整流器的平均输出电压对触发器电压有滞 后作用，经适当处理后，也可看成一阶惯性环节。这样，综合控制单元的传递函数 可近似为一阶惯性环节： 啪) = 恚 式中：k 一为综合放大倍数，兀为综合时间常数。 3 、转子软反馈单元 ( 2 - 5 ) 为了提高调节系统的动态稳定性和改善其调节品质，通常设有转子软反馈单 元，其实这是一个惯性微分环节，其传递函数为： 啪) = 急 式中：k ，、乃分别放大倍数和时间常数。 4 、励磁机环节 该环节可简化为一阶惯性环节： q 2 百b 8 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 华北电力人学硕十学位论文 5 、串联校诈单元 该单元又称p i d 励磁调节器，其由两个环节组成。一般一个为超前环节，有石( 或 互) 互( 或瓦) ，一个为滞后环节，有五( 或互) ( 或互) 。图2 - 4 中正，瓦，巧，瓦为时问 常数，k 为其增益，k 为积分选择因子，k ，= 0 时为纯积分校币。也有只使用一个 校正环节的情况，此时巧= 。 剖盈酵 图2 - 4 串联校正单元( p i d 调节器) 标准模型 6 、并联校f 单元 并联校正单元即励磁系统稳定器( e s s ) ，其传递函数为： 郫) = 羔 ( 2 - 8 ) 其输入信号可以是发电机的励磁电压( 仅用于有刷励磁系统) 或交流励磁机 的励磁电流，砸( 有刷或无刷系统均有使用) ，输出信号的嵌入点可因调节器的不同而 不同。 7 、功率放大单元： 自动电压调节器的功率放大单元大多数为三相可控硅整流桥。功率放大单元模 型如图2 5 所示。、。；。分别为自动电压调节器的功率放大单元最大输出电 压、最小输出电压，k 为其增益，r 为其等效时f b j 常数。输入为校正单元或综合放 大器的输出。 图2 5 自动电压调节器的功率放大单元模型 功率放大单元模型参数有一、m ；。、足、r 。当自动电压调节器的功率放 大单元由同轴副励磁机提供时，。、u r 。；。由式2 - 9 、2 1 0 求得，坳、i n 、口胁 9 华北电力人学硕十学位论文 分别为副励磁机电压( 取强励时的输出电压) 、最小控制角和最大控制角。 。= 1 3 5 u p c o s ( a 。i n ) u 詹m i 。= 1 3 5 u pc o s ( a 。) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 当自动电压调节器的功率放大单元由励磁变压器从发电机端取得时，u r 。、 。i 。由式2 11 2 - 1 5 求得： u 詹。= u u 露。j l v 。；。= 。洲 。j i v = 1 3 5 u _ ，c o s ( a 。i 。) 。洲= 1 3 5 氓c o s ( 口。) k = 乩n ( 2 - i1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 【，詹哪。、。抽分别为发电机电压为额定值时功率放大单元的最大输出电压和 最小输出电压。等效时间常数t 由调节器特性决定，对模拟式调节器且从副励磁机 取得电源时，可以忽略，功率单元由机端变供电时为o 0 0 3 0 0 2 秒，对数字式调节 器，还受其采样及计算周期的影响，可有试验测定。u 为发电机电压为额定值时励 磁变压器的二次电压。 2 4 励磁机模型及参数 2 4 1 直流励磁机数学模型 直流励磁机励磁系统( 如图2 6 ) 是过去常用的一种励磁方式，一般用于i o o m w 以下中小容量机组。直流励磁机大多与发电机同轴，它是靠剩磁来建立电压的，按 供电方式不同，又分为自励式和他励式。他励式直流励磁系统比自励式直流励磁系 统多了一台副励磁机，励磁单元的时间常数比自励方式减小了，即提高了励磁系统 l o 华北电力人学硕十学位论文 的电压增长速率。 图2 - 6 直流励磁机模型 图中：k ，为自励系数，是励磁机总励磁安匝中调节器提供的安匝与总励磁安匝 的比值。在不同运行工况下，自励系数是不同的，对它励式励磁机有k ，= 1 0 。足为 饱和系数，& 越大，励磁机越饱和，s ，= 0 时，励磁机不饱和。厂家应提供励磁机 在强励电压、7 5 的强励电压和额定电压三个工作点的饱和系数。如图2 7 所示， 通过励磁机饱和特性试验，描出励磁机饱和特性曲线，即可求得各点对应的励磁机 励磁电流a 、b ，代入下式可求得各点的饱和系数。 u 瞄 曰彳 图2 7 励磁机饱和特性 是= 了a - b ( 2 - 1 6 ) 如是反映励磁机负载电流厶的助磁( 或去磁) 作用的系数。为证时为去磁，为 负时为助磁。对于负荷特性与空载特性相差很大的励磁机，系数k o 不能忽略。其在 发电机额定运行点( 如图2 8 ) 时按下式求得。 华北电力人学硕十学位论文 u j d 图2 8 励磁机空载特性( o d ) 和负载特性( o c ，o c ) = 了c - d ( 2 - 1 7 ) 瓦为励磁机励磁绕组空载时间常数，最好由阶跃试验测定，上升、下降各一次， 取平均值。e 埘为励磁机输出电压，即发电机励磁电压。为励磁调节器输出电压。 直流励磁机励磁系统如图2 - 9 所示： 图2 - 9 直流励磁机励磁系统框图 2 4 2 交流励磁机数学模型 交流励磁机励磁系统根据所用功率整流器的不同可以分为交流励磁机不可控 整流器励磁系统和交流励磁机可控整流器励磁系统( 它励可控硅励磁系统) 。用于交 流励磁机可控整流器励磁系统的交流励磁机一般均为自励恒压交流发电机。因此可 以用一个恒压源来模拟。用于交流励磁机不可控整流器励磁系统的交流励磁机一般 均为它励式交流发电机，机端电压随发电机的运行工况的变化而变化，负载电流的 电枢反应较大，不能忽略，因此必须建立专用的数学模型。在以后的叙述中交流励 1 2 华北电力人学硕十学位论文 磁机数学模型即为用于交流励磁机不可控整流器励磁系统的交流励磁机模型( 见图 2 1 0 ) ，不再赘述。 图2 1 0 交流励磁机模型 1 、交流励磁机模型 图中，k ，为自励系数，当励磁机采用他励时，k ，= 1 0 ，当励磁机采用自并励 时k e = “。( 这罩还采用了忽略励磁机换向电抗上压降的假设) ，若励磁机励磁有发电 机机端取来，则k f = u ，u 为发电机机端电压标幺值。不过交流励磁机通常采用 他励，故只要设k ，= 1 0 。疋为交流励磁机电枢丌路时励磁机励磁绕组时间常数乃。 【，。为未计及换弧电抗压降的不可控三相全波整流桥的输出电压其他参数同直流励 磁机模型。去磁作用系数k d 由式2 18 确定，其中，加、，忙。需通过交流励磁机空载 和负载特性实验确定，见图2 1 l 。 舻乏一一万k c 图2 11 交流励磁机空载特性和负载特性 2 、三相不可控全波整流桥模型 1 3 ( 2 1 8 ) 华北电力人学硕十学位论文 图2 1 2 不町控三相仝波整流桥数学模型 图中，昵为未计及换弧电抗压降的不可控三相全波整流桥的输出电压。为 计及换弧电抗压降后不可控三相全波整流桥输出电压，即发电机励磁电压。，肋为 励磁机负载电流即发电机的励磁电流，通常由岛表示。为整流器调节特性函数。 在p s a s p 软件中其表达式为： 式中： = ( 2 - 1 9 ) 砗：娑也士譬 (2-20)2 冗 r f d 8 s n 、 、凡、磁、t ，分别为交流励磁机额定视在功率、额定电压、次暂态电抗 和负序电抗，尺脚为发电机励磁绕组基准电阻。 图2 - 1 3 他励交流励磁系统的传递函数框图 2 4 。3 静止励磁机数学模型 1 4 堕 ，一， ，一，- 警 3 仍剑乃 l e l 8 一一 一 | | 季i 伊炉 卜扛 华北电力人学硕十学位论文 静止励磁系统利用发电机的机端电压通过可控整流器整流后，直接供给发电机 励磁，有时也利用电流源在交流侧与电压源串联再整流后供给发电机励磁。由于这 种系统没有旋转元件，故称为静止励磁。只用电压源的为自并励静止励磁系统【2 刚， 既用电压源也用电流源的为自复励静止励磁系统。 l 、自并励静止励磁机模型( 见图2 一1 4 ) v , v r 哪。一k f _ 一 图2 1 4 自并励励磁机模型 图中。、。；。和砗分别为静止励磁机( 三相全波可控整流桥) 的最大输出电 压、最小输出电压和换弧压降系数。心、l 分别为移相回路的增益和等值时间常 数。 自励式静止励磁机( 三相全波可控整流桥) h q 并联于发电机机端的励磁变压器从 发。电机本身取得电源。模型参数。、。i 。和由式2 - 2 1 2 - 2 6 确定。 。= 。 。；。= k 。 。 ，= 1 3 5 u c o s ( 口。i 。) 。i n = 1 3 5 c o s ( 口m 。) ( 2 2 i ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) x 监晶 5 拦 告垢 3 一万 口 。刀 k 华北电力人学硕十学位论文 。、。洲分别为发电机电压为额定值时的最大输出电压和最小输出电压， 当静止励磁机为半控桥时有。；。= 0 。口。；。为最小控制角，口。为最大控制角。瓯、 u 和x x 分别为励磁变压器的额定视在功率、二次额定电压和短路电抗。尺肋口为发 电机励磁绕组基准电阻。 它励式静止励磁机( 三相全波可控整流桥) 由励磁变压器从厂用母线或由同轴交 流励磁机取得巾源。目有 。= 1 3 5 u c o s ( a 。i 。) 。i n = 1 3 5 u c o s ( a 一) ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) u 、6 而。、t 2 。分别为励磁变压器二次额定电压( 或交流励磁机额定电压) 、最小 控制角和最大控制角。k 、z 与自励式静止励磁机相同。 由励磁变压器从厂用母线取得电源时坼按式2 2 5 计算，由同轴交流励磁机取 得电源时，短路电抗x f = 0 5 ( 置。+ x 2 ) 。 当静止励磁机为半控桥时有。= 0 。 2 、自复励静止励磁机模型 图2 1 5 自并励励磁机模型 e f d 这一传递函数框图与他励系统相比，具有三个特点：( 1 ) 用静止变压器代替了交 流励磁机，简化了系统。由于变压器的暂态过程远较同步机为短，故在一般情况下， 常可令疋= o ，k 占= 0 ：( 2 ) 取消了交流电枢反应环节k l , ；( 3 ) 增加了串联变压器的相复 励环节，变压器供出的励磁电源电压为两部分之和，即 1 6 华北电力人学硕十学位论文 u e = i 托u r + 弘，j r | ( 2 2 9 ) 式中k ，u r 为电压源供给的励磁部分。弘，r 为串联电流源供给的励磁部分。整 流器的换弧压降效果用= f ( i ) 表示。 2 5 电力系统稳定器数学模型和参数 电力系统稳定器作为一种附加励磁控制不仅可以补偿励磁调节器的负阻尼，而 且可以增加正阻尼，能有效提高遏制系统低频振荡能力、静态稳定和暂态稳定。实 际运行的电力系统稳定器一般包括信号测量单元、隔直单元( 可以有1 3 个参数和结 构都相同的环节) 、相位补偿调节单元( 可以有1 3 个参数不同而结构相同的环节) 和 限幅等单元。稳定计算程序中的电力系统稳定器的模型一般如图2 1 6 所示。其输入 信号根据需要可取转速偏差、功率偏差、端电压偏差。电力系统稳定器的参数有信 号测量单元时间常数l 、隔直单元时间常数乃、相位补偿调节单元时间常数互瓦、 输出限幅值虬棚。、。；。和增益k 。 图2 1 6 电力系统稳定器模型 2 6 各种限制与保护数学模型 励磁调节器中的限制和保护主要有过磁通( 伏赫) 限制和保护、低励磁限制和保 护，过励磁限制和保护，高起始励磁系统的励磁机磁场电流瞬时过流限制等。这些 装置很复杂，不易获取其模型及参数，这罩不作详细介绍。励磁调节器中的限幅环 节比较常见，包括硬限幅和软限幅。硬限幅即单元的幅值不受限制，而下一单元的 幅值受限制。软限幅即本单元的幅值受限制。 丑 图( 1 ) 硬限幅 图2 - 17 限幅环节 1 7 层f l ( 2 ) 软限幅 一厂广 - sk 孑k 怪忸蛋怪固 华北电力人学硕十学位论文 3 1p s a s p 概述 第三章电力系统分析综合程序 由电科院丌发的电力系统分析综合程序( p s a s p ) 2 7 】是一套功能强大、使用方便 的大型电力系统仿真软件，它是具有我国自主知识产权，资源共享，使用方便，高 度集成和丌放的大型软件包。p s a s p 基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自 定义模型库的支持，可进行电力系统( 输电、供电和配电系统) 的各种计算分析，能 处理潮流计算，暂态稳定计算自定义建模和动态仿真等问题。 p s a s p 具有文本和图形两种录入编辑方式的电网基础数据库，是支持p s a s p 各种计算的公用数据，包含发电机、变压器、交流输电线、负荷、直流输电线、静 止无功补偿器等电网基本元件，可提供各种分析计算的基本数据支持，可按地区、 年度、运行方式从中抽取计算的基本数据。 p s a s p 设计了功能强大的用户自定义( u d ) 建模方法，提供了自行建模来研究电 力系统新设备、新装置的得力工具。近年来国内多所大学和科研单位应用p s a s p 的u d 功能做了大量的研究工作。 所谓用户自定义建模方法是在无须了解程序内部结构和编程设计的条件下，用 户可按自己计算分析的需要，用工程技术人员熟悉的概念和容易掌握的方法，设计 各种模型，使其在原则上可以灵活模拟任何系统元件、自动装置和控制功能。从而 可以扩充p s a s p 的功能。它具有以下特点：可自由建立任何元件的模型( 电源、负 荷、各种控制保护装置、f a c t s 元件等) ，作为各种计算的模型库：直观方便的文 本和图形两种模型编辑方式；调用简单，计算快速。 p s a s p 结构分为三层，如图l 所示。第一层是公用数据和模型的资源库，其中 包括：电网基础库、固定模型库、用户自定义模型库和用户程序库等；第二层是基 于资源库的应用程序包，包括稳态分析、故障分析、机电暂态分析和暂态稳定计算； 第三层是计算结果库和分析工具，软件进行各种分析计算后，生成的结果数据以多 种形式输出或转换为e x c e l 、a u t o c a d 、m a t l a b 等其他数据格式。p s a s p 的功能 主要有稳态分析、故障分析和机电暂念分析。稳态分析包括潮流分析、网损分析、 最优潮流和无功优化、静态安全分析、谐波分析和静态等值等。故障分析包括短路 计算、复杂故障计算及继电保护整定计算。机电暂态分析包括暂态稳定计算、电压 稳定计算、控制参数优化等。 1 8 华北电力人学硕十学位论文 报表、图形、曲线、其他工具 潮流计算短路计算稳定分析 静念安全分析电址稳定谐波分析等 千ttt l 电网基础数据固定模型用户自定义模型固定模型 图3 - 1p s a s p 的体系结构 p s a s p 是电力系统规划设计人员确定经济合理、技术可行的规划设计方案的重 要工具；是运行调度人员确定系统运行方式、分析系统事故、寻求反事故措施的有 效手段；是科研人员研究新设备、新元件投入系统等新问题的得力助手；是高等院 校用于教学和研究的软件设施。 3 2 p s a s p 的u d 功能介绍 所谓用户自定义建模方法【2 8 l 是在无须了解程序内部结构和编程设计的条件下， 用户可按自己计算分析的需要，用工程技术人员熟悉的概念和容易掌握的方法，设 计各种模型，使其在原则上可以灵活模拟任何系统元件、自动装置和控制功能，从 而使p s a s p 在功能上产生了本质的飞跃。p s a s p 在自定义建模上提供了即时拖放 功能并支持参数同步编辑，而且采用了数据库存储技术，使得建模更加方便。为了 实现用户自定义建模功能，p s a s p 完成了以下几方面的工作。 ( 1 ) 基本功能框的建立 各种基本功能框是自定义模型的最小组成部分。通过一些功能框的连接装配， 即可设计