（电力系统及其自动化专业论文）基于rtds的励磁系统参数辨识的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 发电机励磁系统对电力系统的电压控制和稳定控制具有重要作用，励磁模型及 参数的准确性直接影响电力系统稳定计算的可信度，在对励磁系统进行仿真研究时 仿真的准确性与励磁模型的准确性息息相关，r t d s 使用灵活方便，计算结果准确 可靠，能保证实时运行，能对物理装置的性能进行测试。本文利用r t d s 作为仿真 工具建立包含励磁系统模型的单机无穷大系统模型，对模型进行阶跃扰动试验，观 察运行情况并采集辨识所需的输入输出数据；然后在m a t l a b 中利用遗传算法分别进 行了无噪声情况和有噪声情况下的励磁参数辨识。结果表明，单环节辨识结果优于 整体辨识，测量噪声越大辨识结果越不准确，本文最后提出了一种利用多次试验数 据叠加取均值的方法来消除噪声对仿真结果的影响。 关键词：励磁系统，r t d s ，参数辨识，噪声 a b s t r a c t g e n e r a t o re x c i t a t i o ns y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nt h ev o l t a g ec o n t r o la n ds t a b i l i t y c o n t r o lo ft h ep o w e rs y s t e m t h ea c c u r a c yo fe x c i t a t i o nm o d e la n dp a r a m e t e r sd i r e c t l y a f f e c tt h er e l i a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t y ，i nt h es i m u l a t i o ns t u d yo ft h e e x c i t a t i o ns y s t e m t h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o nc l o s e l yr e l a t e dt ot h ea c c u r a c yo ft h e e x c i t a t i o nm o d e l t h eu s eo fr t d si sf l e x i b l e i th a sa c c u r a t ea n dr e l i a b l er e s u l t sa n d c a ne n s u r er e a l - t i m eo p e r a t i o n ，i ta l s oc a nt e s tt h ep e r f o r m a n c eo fp h y s i c a ld e v i c e b y u s i n gr t d sa sas i m u l a t i o nt o o l ，t h i st e x te s t a b l i s h e sas i n g l ei n f i n i t es y s t e mm o d e l i n c l u d i n gt h ee x c i t a t i o ns y s t e mm o d e l m a k ep e r t u r b a t i o ns t e pt e s t st oo b s e r v et h e o p e r a t i o na n dc o l l e c tt h ed a t ao fi n p u ta n do u t p u tf o rt h ei d e n t i f i c a t i o n t h e nt h e e x c i t a t i o np a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nu n d e rw i t h o u tn o i s ea n dn o i s ew a sc a r r i e do u ti nt h e u s eo fg e n e t i ca l g o r i t h m si nm a t l a b t h er e s u l t ss h o wt h a ts i n g l e l i n ki d e n t i f i c a t i o n r e s u l ti sb e t t e rt h a nt h eo v e r a l li d e n t i f i c a t i o n ，t h eg r e a t e s tt h em e a s u r e m e n tn o i s ei s ，t h e r e s u l to fi d e n t i f i c a t i o ni sm o r ei n a c c u r a t e l a s t l y t h ep a p e rc o n c l u d e sw i t ht h em e t h o d o fu s et h ea v e r a g eo fas t a c kr e p e a t e dt e s td a t at oe l i m i n a t et h ei m p a c to ft h en o i s et ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：e x c i t a t i o ns y s t e m ，r t d s ，p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，n o i s e z h a ox i a o h u i ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gd e p a r t m e n t ) d i r e c t e db yp r o f h er e n m u 声明尸叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于r t d s 的励磁系统参数辨识的研 究，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：壑堕莹，日期： 加富、弓。0 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) 日期：煎! 圣! 夕 华北电力大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景及意义 第一章引言 随着现代电力系统的发展，发电机励磁系统对电力系统稳定的影响越来越受到 人们的重视。发电机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，励磁系统模型作为电力系统机电暂态过程数学模型的重要组成部分， 其模型参数设置正确与否直接决定电力系统稳定计算的正确性和可信度，影响电力 系统机电暂态过程模拟的精确性，研究表明，使用不同的励磁系统模型将对电力系 统暂( 动) 态行为分析起到不同的影响。另一方面，励磁系统的性能对电力系统稳定 性有很大的影响，而励磁系统性能的好坏取决于其参数的设置：适当的参数设置能 够提高系统稳定性，增加系统阻尼；不适当的参数设置可能会起到相反的作用。 此外，发电机励磁系统的模型和参数的准确性对电力系统稳定极限的计算结果 影响也很大，而计算电力系统稳定极限的准确性则对电力系统的安全性和经济性影 响极大。若由于励磁系统的模型和参数的误差，使计算所得的稳定极限高于实际稳 定极限，那么按计算所得的稳定极限来控制系统的输送功率将会给系统带来潜在的 危险，一旦系统发生故障，将会失去稳定，引发更大的事故。反之若计算所得的稳 定极限小于实际稳定极限，则按计算所得的稳定极限来控制系统的输送功率将会使 系统传输的功率降低，在受端需电量较大时可能使受端限负荷运行；也可能为了满 足受端用电的需求，建设更多的线路，使电网投资增大，两者都会给电网带来经济 损失【1 1 。 目前电力系统在进行电网规划、电网调度及事故预想分析时普遍采用电网数字 模拟仿真计算，在进行仿真计算时励磁系统的模型及参数的准确性直接关系到整个 仿真计算结果的准确性。随着计算机技术及控制理论的发展，目前励磁控制系统各 有特点，并且由于励磁系统生产厂家对各自的技术保密，在进行电网的模拟计算时 很难得到各生产厂家的励磁系统的真实模型及参数，为此计算时只能采用一些常规 的控制模型，各参数也只能采用经验值或默认值来代替，这样构成的励磁控制系统 特性指标特别是动态特性指标往往与实际不符，很难保证计算结果与实际相符，也 就无法将计算结果用来指导电网的运行。因此辨识励磁系统模型参数得到了国内外 学者的普遍重视，我国各电力系统都在进行励磁系统参数辨识工作的研究。 现在有很多对励磁系统进行仿真的研究，对励磁系统各个环节的建模与参数辨 识进行了深入探讨，但大部分是非实时离线的。电力系统离线仿真是在数字计算机 上为电力系统的物理过程建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真研究的过程， 1 华北电力大学硕士学位论文 其仿真速度与实际系统的动态过程不等。离线仿真的规模基本不受限制能够较完整 的模拟大规模电力系统，但离线计算程序不能接入实际的物理装置进行仿真，对于 新型电力系统物理装置的模拟需要准确的数学模型，而数学模型的获得除理论分析 外还需要仿真试验来验证，在验证仿真模型是否符合实际模型时采用现场试验的方 法不太现实，当需要测试设备在各种故障情况下的性能时对系统施加大的扰动或故 障代价比较大，因此需要有实时数字仿真系统。 电力系统实时仿真用来模拟实时电力系统运行过程，能接入实际的物理装置进 行试验，仿真速度与实际系统动态过程完全相同。在2 0 世纪9 0 年代初，随着商业化 高速数字信号处理器( d s p ) 的问世，加拿大m a n i t o b a 直流研究中, 凸, r t d s 公司率先推 出了国际上第l 台电力系统全数字实时仿真系统( r t d s ) 。r t d s 是一套专门用来仿 真电力系统的仿真设备，硬件基于数字信号处理器( d s p ) 并应用了先进的并行处 理技术以维持持续的实时处理：软件包括了构成物理电力系统的许多复杂元件的精 确的电力系统元件模型，通过这些基本的元件，用户可以建立需要进行研究的电力 系统网络。r t d s 还提供了基于w i n d o w s 操作系统的通用计算机工作站上的友好的图 形化用户界面r s c a d ，它可以使用户方便的建立被仿真的电力系统、控制系统运行 及分析仿真结果【2 】。r t d s 通过以太网与工作站相连，在工作站上可以通过r s c a d 对r t d s 完成各种操作，计算结果具有实时性【3 】。 r t d s 使用灵活方便，计算结果准确可靠，运算速度极快，能保证实时运行， 在电力系统中得到了广泛应用。r t d s 使电力专家有可能确定网络结构的同时对运行 年限的各个方面进行实时试验，系统的问题能更快地被发现，解决的办法也能立即 进行设计和试验。使用r t d s 仿真装置，电力系统新设备和网络的设计或改进也能够 被评价和准确地试验。使用r t d s 在实时的条件下也就是如同在实际的网络运行状态 下，设备能被试验、运转和优选，意外事故能被设计和模拟，元件间的互相影响能 被更好地分析和理解1 3 】。 研究表明，发电机励磁系统对发电机乃至整个电网的安全稳定运行都具有重要 的影响，它不仅能将发电机机端电压控制在给定的范围内，还能改善和提高电力系 统的静态、暂态和动态稳定性。发电机励磁系统的参数设置和特性对发电机的运行 特性至关重要，而在发电机运行一定时间后，由于发电机参数漂移、电网结构变化 或电网运行方式改变等原因，发电机励磁系统参数往往需要重新设置和优化，发电 机才能保持良好的运行特性。因此，在发电机投运前或运行一段时间后对其励磁系 统进行测试是很有必要的【钔。 为了测试发电机励磁系统，可以将其与实际发电机连接，但这种测试方法费用 昂贵，而且存在人身伤害和设备损坏方面的风险。而采用r t d s 对发电机励磁系统进 行测试，不仅能解决以上问题，还能增加测试的灵活性，可以方便的测试发电机及 其励磁系统在不同运行模式和各种故障条件下的运行状况，从而掌握发电机励磁系 2 华北电力大学硕十学位论文 统的性能并对其进行参数优化【4 j 。 上世纪7 0 年代，美国电科院( e p r i ) 提出“要用新型在线测试技术进行参数测 量 ，并强调“电机参数与运行方式密切相关。因此研究一种可对励磁系统参数进 行在线辨识的装置是很有必要的，该装置可包括数据采集系统和参数辨识系统，将 数据采集系统采集的电力系统实时运行状态数据输入到参数辨识系统中，实现励磁 系统参数实时在线辨识仿真。r t d s 可用来对物理装置的性能进行测试，首先通过 实时计算电力系统状态并输出到工作站或外部试验装置，将r t d s 实时产生的模拟 量和开关量输入被测试装置，再将被测试装置的响应输出信号引入仿真系统的模拟 量、开关量输入接口，即可实现对被测试装置的闭环实时仿真试验。而要对该装置 进行性能测试实验并将其应用于实践，励磁系统参数辨识方法、设备的随机噪声对 参数辨识效果的影响、装置与r t d s 的连接等方面都必须进行预先的研究。 1 2 国内外研究现状 发电机励磁系统对电力系统的稳定可靠运行发挥着举足轻重的作用，运用参数 辨识法对励磁系统模型参数进行辨识，得到其在所用仿真软件下的标准模型，可为 运行调度人员进行系统稳定仿真计算带来方便。我国在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、原动机及调速系统的测试和建模是急需解 决的研究课题。作为电力系统四大参数辨识之一，励磁系统参数辨识已经发展的较 为成熟，国内外在这方面已进行了大量的研究和实践，并取得了一定的成果。 在励磁系统参数辨识方面，国内外进行了很多工作，采用的方法主要是时域辨 识法和频域辨识法。频域法应用信号处理技术，通过快速傅立叶变换将时域信号转 换到频域进行处理，得到系统频域响应，再利用拟合技术求取励磁系统的模型参数， 其优点是输入为伪随机信号，不影响机组正常发电，测试方法实用，可以直接求得 传递函数系数。时域辨识法按模型分类，可分为两类。第一类是非参数型辨识法： 首先获得待测系统的非参数特性模型，即脉冲响应或阶跃响应，再用动态拟合技术 求得系统的传递函数。第二类是参数辨识法：以系统的微分方程为研究对象，对微 分方程的等式两边进行积分、滤波及正交变换等处理，直接求得微分方程的各阶系 数，或者用状态空间模型，以具体参数为估计对象，通过最小二乘法直接得到具有 物理意义的特性参数。时域参数辨识法做试验较简单，无需随机信号发生器及频谱 分析技术，只需对系统施加人为阶跃扰动、实录波形即可提供分析【6 】。励磁系统参 数辨识算法的研究是随着系统辨识理论的发展而不断发展完善的，辨识工作者及时 追踪并消化新的系统辨识理论，将其用于励磁系统的参数辨识工作中，一些新的辨 识方法，如遗传算法、小波变换与轨迹灵敏度法等也被广泛用于系统参数辨识中， 这些方法将在第二章中详细介绍。 3 华北电力大学硕士学位论文 以前对励磁参数的辨识主要是离线的，利用现场取得的数据用离线计算程序辨识， 近年来研究的重点集中在在线辨识方面。文献【5 】详细阐述了用一个电厂的暂态记录系 统得到的在线测量数据来辨识励磁系统的过程，用变梯度平均随机逼近法辨识了 i e e ea c l a 和d c l 模型，同时也提出了用单一的输入输出数据辨识时可能引起不可 辨识问题，这时就需要结合内部信号如电压调节器的输出来辨识。文献 6 提出了一 种快速傅立叶变换最d , - 乘法( f f t l s e ) 辨识励磁系统参数，应用信号处理技术， 通过快速傅立叶变换将系统输入输出时域信号转换到频域，经噪声滤波后获得系统 的幅频、相频特性，再利用最d - - 乘法拟合辨识出励磁系统的模型参数。文献 7 提出一种基于e e 模型的分段线性多项式函数p l p f 法，它通过对输入输出离散采样数 据的多重积分估计模型参数值，直接求取待辨识系统传递函数相对应的微分方程的 系数，再根据微分方程的系数由待定系数法得到一个非线性方程组，然后用牛顿迭 代法求解出传递函数的模块环节实际参数。文献 8 中介绍的线性积分滤波l i f 法用 线性积分滤波器完全消除了初始条件的影响。文献 9 详细介绍了用时域法对励磁 系统进行辨识的方法，对建立的励磁系统模型提供适当的扰动输入信号，分析系统 噪声和随机噪声的影响，并提出一种估计励磁系统参数的算法，最后对辨识得到的 模型进行了验证，为在线辨识励磁系统参数提供了强有力的依据。文献1 1 0 1 提出了一 种在频域内在线辨识同步发电机励磁系统参数的新方法，该方法用于发电机运行时的励 磁系统建模，用频谱分析发电机励磁系统的暂态过程，通过在频域内建立适当的动态程 序得到励磁系统的参数和频率特性，扰动信号通过伪随机二进制序列提供。 一般情况下试验时要求采用的扰动信号小不激励系统的非线性环节，系统只运 行于线性区域，实际上稍有不慎很容易触发系统非线性环节，如果此时忽略非线性 环节的影响，辨识结果肯定不准确，因此也非常有必要研究励磁系统非线性环节的 辨识方法。文献 1 1 通过加入伪随机信号辨识i e e ea c i a 模型的非线性环节参数， 把非线性环节在运行点处按高阶泰勒展开然后利用传统的最小二乘法辨识参数，同 时讨论了系统噪声和随机噪声削弱策略和模型校验方法。文献 1 2 通过搭建一个单 机无穷大系统，采用线路三相故障时的数据，用轨迹灵敏度法辨识了i e e ed c l 和 s t 3 模型的非线性环节。文献 1 3 1 利用基于奇异值或奇异矢量的灵敏度矩阵直接对 非线性模型进行辨识，在辨识过程中诊断函数会及时提示操作者是否取得适当的结 果。该方法计算简单，一般只需几次迭代即可完成，但现场的噪声将在一定程度上 影响辨识结果。 近年来遗传算法及其改进算法被广泛用来辨识励磁系统参数，文献 1 4 就是采 用遗传算法辨识励磁系统参数，通过建立待辨识励磁系统的传递函数结构模型，以 励磁系统的实际输入作为模型的输入，以实际励磁系统和模型的输出误差最小作为 目标，利用遗传算法对模型参数进行优化调整，最终得到满足误差要求的励磁系统 参数。文献 1 5 】将改进遗传算法的参数辨识方法用于发电机励磁系统的参数辨识中， 4 华北电力大学硕士学位论文 解决了一般辨识方法无法对非线性系统参数做有效辨识的问题。在遗传算法的应用 中，改进了初始群体和目标函数的选取方法及子代选择方法，提高了辨识效率。对 实际发电机励磁系统参数辨识的结果表明该算法能较精确地辨识出非线性系统参 数。文献【1 6 】针对遗传算法应用于时变时滞和参数在线辨识时存在无法兼顾收敛速 度和辨识精度的缺点，提出一种遗传算法和单神经元有机结合的混合遗传算法，利 用g a 的全局最优性在整个空间搜索可能的极值，而用单神经元的误差梯度下降特 性在极值点附近快速搜索，从而达到全局最优与快速搜索的有机结合，提高了收敛 速度和辨识精度，并对混合遗传算法进行了改进，使之更适用于在线辨识。 此外，在励磁参数辨识现场测试中，如果能够增加测点多引出些输入输出信号， 对励磁模型各环节进行分环节辨识，辨识的结果将会比整体辨识结果准确得多。另 一方面，在测试过程中会存在系统噪声和测量设备引起的随机噪声，这些噪声势必 会对辨识结果造成影响，因此在辨识过程中也必须考虑如何消除这些噪声对结果的 影响，提高辨识精度。常用的减小噪声影响的方法有采用滤波器滤波和采用相关辨 识法辨识参数等。 r t d s 的开发没有先例，但它使用灵活方便，计算结果准确可靠，能保证实时 运行，作为电力系统领域专用的实时数字仿真器，已处于国际领先水平。目前，r t d s 主要应用于直流电网实时暂态分析计算和交直流联网系统的运行研究；高压直流输 电系统及其控制系统的研究；研究电力系统暂态过程中稳定性及对电网的影响问 题；开发测试电力系统新装置；进行事故分析和仿真计算。 国内外有不少将r t d s 应用于励磁系统仿真方面的文献资料。文献 1 7 】利用 r t d s 研究了励磁控制系统的实时仿真和建模问题，建立了岩滩电厂发电机励磁控 制系统的仿真模型，并在r t d s 上进行仿真试验，将仿真波形与现场试验的波形进 行对比，最后得出了岩滩电厂励磁系统仿真模型和实际参数。文献 1 8 】提出一种离 线状态下进行发电机励磁系统闭环试验的新方法，利用r t d s 进行发电机励磁系统 闭环试验，完成了调节参数整定、发电机空载阶跃响应和发电机负载p s s 参数整定、 系统故障模拟等试验，仿真结果与现场试验结果吻合，验证了该方法的可靠、正确、 便捷性。文献【1 9 】介绍了6 0 0 m w 机组的励磁系统的现场测试和模型参数辨识工作， 利用r t d s 建立了该发电机及励磁系统的实测和i e e e 标准模型，进行了大量的仿 真试验及分析，验证了实测模型和参数的可信性和实用性。文献 2 0 3 介绍了利用 r t d s 实时仿真系统对现场用故障录波器记录下来的波形文件进行回放，并将相关电 压、电流等模拟量输出到继电保护设备中，以分析查出故障的原因。文献 2 1 介绍 了电力系统实时数字仿真系统( r t d s ) 在西北一华中联网背靠背直流工程灵宝换流 站直流控制保护系统仿真试验中的应用情况，详细说明了仿真系统的配置、建模以 及与外部系统的接口，并对r t d s 用于直流控制保护系统仿真研究进行了总结。文 献 2 2 在保留地区电网的省级电力系统的等值计算基础上建立了等值电网的r t d s 5 华北电力大学硕士学位论文 模型。通过开展r t d s 模型建立、潮流计算、系统故障仿真等初步应用研究，论证 了该模型的正确性和可行性。 1 3 论文工作的主要内容 综上所述，我们认为有必要对励磁系统参数辨识进行进一步的研究，本文作为 在线参数辨识装置的开发、测试和应用的前期研究，所进行的工作主要有以下三个 方面： ( 1 ) 利用r t d s 建立含有励磁系统的单机无穷大电力系统仿真模型，对模型中 励磁系统进行阶跃扰动试验，采集辨识所需的输入输出数据。 ( 2 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 搭建与r t d s 中相同的励磁系统模型，采用遗传算 法对该励磁模型参数进行辨识。 ( 3 ) 在各输出处加入白噪声作为测量噪声，研究降低测量噪声对辨识效果影 响的方法。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章发电机励磁系统及参数辨识方法 2 1 励磁系统组成及分类 2 1 1 励磁系统组成 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它直接影响发电机的运行特性。根据 我国国家标准，同步发电机励磁系统是指向同步发电机提供励磁的所有部件的总 和，一般由励磁功率单元和励磁调节器组成，同时同步发电机和励磁系统组成同步 发电机的励磁控制系统。励磁功率单元向发电机转子提供直流励磁电流，励磁调节 器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出，从而达到调节励磁电 流的目的。 励磁系统的元件主要包括励磁机、调节器、端电压传感器和负荷补偿器、电力 系统稳定器及限制器和保护电路。图2 1 表明了大型同步发电机典型励磁系统的功 能框图。励磁控制系统之所以能够划分为若干环节，是因为它的前后两环节之间几 乎没有“负载效应，这样分别求得各个环节的传递函数后，根据框图可以求得闭 环系统的传递函数，并保证闭环传递函数的准确性【2 3 1 。 参考 图2 1 同步发电机励磁系统的功能框图 电力系统 ( a ) 励磁机给同步电机磁场绕组提供直流功率，由励磁系统的功率级组成。 ( b ) 调节器处理和放大输入控制信号到一定水平，并形成适合于励磁机控 制的信号，包括调节和励磁系统稳定功能( 速率反馈或超前滞后补偿) 。 ( c ) 端电压传感器和负荷补偿器检测发电机机端电压，将其整流和滤波成 直流量，并与表示所希望的端电压的参考信号相比较。此外，如果希望与发电机端 电气距离较远的某点电压保持恒定时，可以提供负荷( 或线路压降，或无功) 补偿。 7 华北电力大学硕+ 学位论文 ( d ) 电力系统稳定器给调节器提供一个附加的输入信号，以阻尼电力系统 的振荡。某些常用的输入信号有转子速度偏差、加速功率和频率偏差。 ( e ) 限制器和保护电路包括大量的控制和保护功能，以保证励磁机和同步 发电机不超过容量极限。某些常用的功能是励磁电流限制器、最大励磁限制器、端 电压限制器、v h z 调节器和保护，以及欠励限制器。它们通常有不同的电路，并且 它们的输出信号作用于不同的地方，作为励磁系统综合输入或选通输入。为方便起 见，将它们组合起来表示为一个方框。 2 1 2 励磁系统分类 励磁系统有多种分类方法，一般按励磁系统电源供给方式的不同将励磁系统分 为三类：直流励磁机励磁系统、交流励磁机励磁系统和静止励磁系统。 2 1 2 1 直流励磁机励磁系统 过去常用直流励磁机励磁系统，它包括他励和自励励磁系统，这类励磁系统用 一个与同步发电机共轴的直流励磁机作为励磁功率电源，通过电压调节器控制直流 励磁机的磁场电压，并通过滑环给同步电机的转子提供电流。由于同轴高速励磁机 受到机械强度和换向困难等限制，功率极限在3 0 0 - - 5 0 0 k w ，同时它是靠机械整流 子换向整流的，当励磁电流过大时，换向就很困难，所以这种方式不能用于大型机 组。另外，直流励磁机有较大的时间常数，电压响应速度慢，不适应现代电力系统 发展的要求，正逐步消失。 2 1 2 2 交流励磁机励磁系统 这类励磁系统采用与主机同轴的交流电机作为主发电机励磁功率电源，由于励 磁电源来自主机以外的独立电源，故又称他励励磁系统。包括静止整流器励磁系统 和旋转整流器励磁系统( 无刷励磁系统) 。 交流励磁机静止整流器励磁系统的接线方式又称三机系统，在我国得到了广泛 的应用。这种发电机的主轴上连接两台交流励磁机，4 0 0 5 0 0 h z 的中频交流副励磁 机经晶闸管整流后供给交流主励磁机励磁。交流主励磁机是1 0 0 h z 频率，经大功率 晶闸管整流后供给发电机励磁。调节器通过对晶闸管触发角的控制来调整发电机的 励磁。副励磁机是采用自励恒压方式进行调节的交流发电机或永磁发电机。 无刷励磁系统的特点是把交流励磁机的定子绕组与励磁绕组的安置位置互换， 即把交流绕组( 电枢) 装在转子上，励磁绕组装在定子上。晶闸管也是同轴旋转， 整流后的励磁电流直接引向发电机的励磁绕组，因而可以取消炭刷和滑环，较适合 于大型机组。 交流励磁机静止整流器励磁系统与交流励磁机旋转整流器励磁系统在结构上 8 华北电力大学硕士学位论文 虽有较大差异，但在励磁接线的原理上却是一致的，都是用交流励磁机经晶闸管整 流出励磁电流【2 引。 2 1 2 3 静止励磁系统 这种系统的所有元件是静态的或静止的，可控或不可控静态整流器通过滑环直 接将励磁电流供给主发电机的磁场。整流器的电源取自主发电机( 或电站辅助母线) 通过一个变压器降至适当的电压，或者在某些情况下取自发电机内的辅助绕组。包 括电势源可控整流器系统、复合源整流器系统和复合可控整流器励磁系统。 电势源可控整流器系统也称为母线馈入或变压器馈入静态系统，它的励磁功率 经一个变压器取自发电机端或电站辅助母线，并靠一个可控整流器来调节。它的固 有时间常数非常小，但是最大励磁输出电压取决于输入交流电压，从而在引起发电 机端电压下降的系统故障期间，可利用的励磁顶值电压减小了。但是该励磁系统的 这种局限性在很大程度上被它的实际瞬时响应和高故障后强励能力所补偿，这种系 统比较便宜和容易维护，对于与大电力系统连接的发电机能满意地运行。 复合源整流器系统利用主发电机的电压和电流来构成励磁系统的功率，这可借 助于一个电力电势变压器和一个饱和变流器达到，也可将电压源和电流源结合成一 个励磁变压器，称之为饱和电流电势变压器。调节器通过控制励磁变压器的饱和来 控制励磁输出，发电机空载时电枢电流为零，由电势源供给全部的励磁功率，负载 条件下，部分励磁功率取自发电机电流，在系统故障期间，发电机端电压严重下降， 电流输入能够使励磁系统提供高强励能力。 复合可控整流器励磁系统利用励磁输出电路中的可控整流器，并在发电机定子 内将电压源和电流源进行复合来提供励磁功率，有高起始响应和中各故障期间的强 励能力i 巧j 。 2 2 励磁系统在电力系统中的作用 励磁系统的基本功能是给同步电机磁场绕组提供直流电流，此外，励磁系统通 过控制磁场电压并随之控制磁场电流，完成控制和保护功能。同步发电机的励磁系 统在电力系统中的作用概括起来就是通过励磁调节充分发挥发电机的作用来提高 电力系统稳定性。 2 2 1 提高电力系统暂态稳定 暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后，能否经过暂态 过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的运行状态。发生暂态不稳定的过程时 间较短，主要发生在事故后发电机转子第一摇摆周期内。 9 华北电力人学硕士学位论文 电力系统在发生短路故障时发电机电压下降，输出的有功功率减少，而原动机 机械功率不变，故产生加大的过剩功率，使发电机转子加速，如果发电机的功角加 速面积大于减速面积则发生失步，称失去暂态稳定。如果励磁系统及时提供强励， 按照等面积原则，如强励后的减速面积大于加速面积则功角在达到某最大值后减 少，不至于发生第一摆失去稳定。强励倍数越大、强励上升的速度越快，发电机功 角增加越小，越容易稳定。 2 2 2 提高小信号稳定性 小信号稳定性是指系统遭受n d , 扰动后保持同步的能力，由发电机的同步力矩 和阻尼力矩所决定，受电力系统结构和发电机工况影响，与励磁系统有关【1 4 】。不稳 定结果有由于缺乏同步转矩而引起发电机转子角度持续增大和由于缺乏足够的阻 尼力矩而引起的增幅转子振荡两种形式【2 5 1 。 采用快速和高放大倍数的励磁调节时可以提高同步力矩，近似达到维持机端电 压不变，输送功率极限比恒定励磁增加6 0 左右，另一方面又导致发电机阻尼削弱， 产生小信号稳定中的振荡问题。快速励磁系统容易产生负阻尼，削弱机组原有的阻 尼。交流励磁机励磁系统也可能在系统振荡模式下产生负阻尼。 低频振荡是一种机电振荡。在电力系统联系电抗大、输送功率大时，电力系统 产生等幅或增幅的低频功率振荡。发电机转子角的变化引起电气量的变化，经过励 磁控制的作用对发电机转子运动产生影响，该影响如果削弱了原有的阻尼则加重了 发电机转子的振荡【2 6 1 。电力系统稳定器( p s s ) 可以为电力系统提供抑制低频振荡 的阻尼，提高小信号稳定水平【2 3 1 。 2 2 3 提高电压稳定性 电压稳定是指电力系统在正常条件下及受到扰动以后维持系统中所有母线电 压在可接受水平的能力。当发生扰动、增加负荷用电或改变系统条件时会引起电压 逐渐并失控地衰减，系统进入电压不稳定状态。引起不稳定的主要因素是电力系统 不能满足无功功率需求【2 5 1 。 维持发电机电压恒定是励磁系统的基本作用，当电力系统电压变化时迅速改变 发电机励磁可以维持电压在一定的精度内。标准规定了电压静差率、发电机空载电 压阶跃指标就是规定了维持发电机电压恒定的精度和响应速度。发电机对电机稳定 作用是有限的，受到最大励磁电流和最小励磁电流的限制，以保护发电机免受磁场 绕组过热、端部高磁密过热或电力系统静态稳定破坏。在许可的范围内扩大励磁调 节的范围，有利于电压稳定【2 6 1 。但是励磁调节时需要通过调节器的限制和保护功能 保证发电机和励磁系统不超出其规定值，以确保设备的安全。 l o 华北电力大学硕士学位论文 2 3 励磁系统模型 在电力系统分析工作中广泛应用发电机励磁系统数学模型来描述励磁系统的 物理过程，它作为电力系统机电暂态过程数学模型的重要组成部分必须比较精确地 模拟。i e e e 对励磁系统的标准进行了定义并给出了一些标准励磁系统模型的结构框 图，于2 0 0 5 年给出的标准励磁系统模型如表2 1 所示，其中还包括了新增添的不连 续控制励磁系统模型，这些模型用于暂态稳定和小信号稳定研究时，基本上能够满 足仿真分析的需要。对于每一个励磁模型，i e e e 也给出了相应的典型参数值，在没 有准确的励磁系统参数时，应当采用较简单的模型及可靠的经验参数，这样分析结 果更为可靠。本文简单介绍几种典型的完整励磁系统模型及本文所采用的励磁系统 模型。 表2 - 1i e e e 标准励磁系统模型 直流励磁系统 d c l a 、d c 2 a 、d c 3 a 、d c 4 b 交流励磁系统 a c l a 、a c 2 a 、a c 3 a 、a c 4 a 、a c 5 a 、a c 6 a 、a c 7 a 、a c 8 b 静止励磁系统 s t l a 、s t 2 a 、s t 3 a 、s t 4 b 、s t 5 b 、s t 6 b 、s t 7 b 不连续控制励磁系统 d e c l a 、d e c 2 a 、d e c 3 a 2 3 1d c l a 型直流励磁系统模型 d c l a 型励磁系统模型( 图2 2 ) 表示带有连续作用电压调节器的控制磁场直流 换向器励磁系统，可以模拟自励或他励式直流励磁系统。自励时，选择k 使得初始 时= o ，表示了运行人员周期地调整并联磁场变阻器的整定点以跟踪电压调节器 的作用。 图2 2 i e e ed c l a 型励磁系统模型 1 1 华北电力大学硕士学位论文 i e e e 提供的d c l a 的典型参数如下1 2 6 】： 髟= 4 6 、l = 0 0 6 、k r = o 1 、乃= 1 0 、i = 3 1 、2 = 2 3 、乃= o 、乃= o 、 眦= 1 0 、屹删= - o 9 、乃= 0 4 6 、品( 。) = 0 3 3 、s e ( ：) = o 1 0 、k e 待定， 通过计算使初始时圪= 0 ，不使用负荷补偿器。 2 3 2a t l a 型交流励磁系统模型 a c l a 型励磁系统模型( 图2 3 ) 表示有不可控整流器的控制磁场交流电机励磁 系统，可用于无刷励磁系统。二极管整流特性将为零的下限施加在励磁机的输出电 压上。由副励磁机供给励磁机的磁场，电压调节器的电源不受外部暂态的影响【2 5 1 。 图2 - 3i e e e 标准模型a c l a i e e e 提供的a c l a 的典型参数如下【2 7 】： 巧= 4 0 0 、l = o 0 2 、坼= o 0 3 、耳= 1 0 、= 0 2 0 、= o 3 8 、乃= 0 、乏= 0 、 k e = 1 0 、乏= 0 8 、= 6 0 3 、巧泓w = 一5 4 3 、圪m a x = 1 4 5 、圪埘茹一1 4 5 、 品( 珞。) = o 1 0 、& ( ：) = 0 0 3 、。= 4 1 8 、2 = 3 1 4 ，忽略五，不使用负荷补偿器。 需要说明的是： ( 1 ) 励磁机的电枢及整流器都是与主轴一同旋转的，所以励磁机输出电压无法引 出，模型中负荷电流，m 的去磁效应通过反馈回路中的常数k d 作用在励磁机的输出 电压上，励磁控制系统所需的动态校正改为励磁机励磁电流软反馈，从引出。 ( 2 ) 交流励磁机的数模中已经考虑了负载电流引起的整流器换向压降以及励磁机 电枢反应压降，所以饱和系数叉由交流励磁机空载特性求出。 ( 3 ) 整流器只能输出正向电压不能输出负向电压，所以模型中励磁机环节的限幅 下限值为零。常数表示整流器换向电抗对于励磁电压的影响，而最r 表示整流器 的外部特性。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 3 3s t l a 型静止励磁系统模型 s t l a 型励磁系统模型( 图2 4 ) 表示电势源可控整流器励磁系统。从发电机端 经一个变压器供给励磁功率，励磁机的顶值电压直接正比于发电机的端电压，用群 表示整流器调节对顶值电压的影响。该模型中既有串联的超前滞后校正也有并联的 励磁电压软反馈，对快速励磁系统常用串联校正一种，选用一级已满足要求，使分 母的时间常数大于分子的时间常数，从而使暂态过程中放大倍数减小。系统由非常 高的强励能力，有时采用磁场电流限制器，用j ，。定义极限，用k ，。定义增益。 图2 _ 4i e e es t l a 型励磁系统模型 i e e e 提供的s t l a ( 具有暂态增益减小) 的典型参数如下【2 7 】： 巧= 1 9 0 、乃= 0 、乙= 1 0 、乃= 1 0 0 、t c l = 0 、t b i = 0 、k r = 0 、乃= l 、= o 0 8 、 似= 7 8 、圪删= - 6 7 、吃似= 9 9 9 、= - 9 9 9 、如= 0 、k = 0 2 3 4 本文所用s t l 型静止励磁系统模型 本文利用r t d s 来建立仿真研究用的电力系统模型，因而其中的励磁系统模型 采用r t d s 中提供的模型。r t d s 提供的i e e e 标准励磁系统模型如表2 2 所示。 表2 2r t d s 提供的i e e e 标准励磁系统模型 直流励磁系统d c 2 交流励磁系统a c l 、a c l a 、a c 2 、a c 3 、a c 4 静止励磁系统 s t l 、s t 2 、s t 3 此外，还有反映原i e e e 标准励磁系统的模型t l 、t 2 、t 3 、t 4 、t 5 和x l 、x 2 、 1 3 华北电力大学硕士学位论文 x 2 a ；非标准模型有s c r x 、p i c l 、i v o 、b r o w nb o v e r i 。 随着发电机容量的增大、电力电子技求的发展和大功率半导体整流元件制造工 艺的日益成熟，静态励磁系统以其明显的优势被广泛作为大型机组的励磁方式。本 文采用的电势源可控整流器励磁系统模型( s t l 模型) 如图2 5 所示。 图2 - 5s t l 型励磁系统模型 图2 5 中所示的是s t l 励磁系统的内部传递函数，r t d s 中为了显示方便和图 形直观，已经在仿真模型库中整合成一个励磁系统模块。此次研究需要采集励磁系 统各环节的输入输出数据，而在r t d s 模型库中的s t l 励磁系统模块中这些数据大 多是可以监视而不能具体取值的，所以我们在研究时利用r t d s 的用户自定义功能， 搭建了图2 5 所示的s t l 励磁系统的内部传递函数模型。模型中各参数采用r t d s 说明书中某一含有s t l 励磁系统的例子中的参数值： 瓦= 0 、= l 、似= 1 0 、吃删= 一1 0 、= 1 0 、五= 2 0 0 、k a = 2 0 0 、7 = i = o 0 2 、 砗= 0 、耳= 1 、k c = o 1 7 5 、似= 5 7 、哪= - 4 9 2 4 参数辨识方法 按照对待辨识系统的了解程度可以把系统分为三类，即 黑箱：对系统一无所知，其模型结构、阶数、参数等均未知。 灰箱：对系统部分了解，如：已知模型结构、阶数，待测模型参数。 自箱：系统模型可用物理机理写出【2 甜。 励磁系统的模型结构通常是已知的，待辨识的是模型的参数，所以励磁系统的 辨识建模属于灰箱建模。 由于交、直流励磁机存在饱和特性，功率整流器外特性有三种工作状态，调节 1 4 华北电力大学硕士学位论文 器中又存在幅值限制单元，考虑这些因素后，整个励磁系统实际是一个非线性系统。 但是励磁系统在正常运行情况下，基本运行在饱和特性曲线的线性段，功率整流器 也工作在第1 种换向状态，而励磁调节器的各个单元在通常情况下不会触及限幅环 节，因此可以认为励磁系统是一个线性系统，本文中采用小扰动信号进行实验，不 会触发励磁系统的非线性环节，所以只考虑线性励磁系统。 根据辨识理论，辨识方法通常分为经典辨识法和现代辨识法两类，随着辨识技 术的发展，又涌现出了一些其它的辨识法。目前我国电力系统中常用的励磁系统参 数辨识方法有时域辨识法、频域辨识法和基于遗传算法的智能辨识法等。 2 4 。1 经典辨识法 经典辨识法获得的模型属于非参数型，通过建立系统的时域脉冲响应、频域响 应等，再用动态拟合的方法求得系统的传递函数，即间接辨识法。 文献 7 提出的基于e e 模型的p l p f ( 分段线性多项式函数) 法直接在时域上进 行辨识，快捷、便利，较好地解决了由传递函数多项式系数转化为传递函数框图环 节参数的实际需求。但该方法对存在某些无法求解的情况，需要增加测量点。 采用p l p f 法近似多重积分运算时都假设初始条件为零，若这一条件不能满足， 则辨识得到的结果会受到很大影响，如果p l p f 法欲在非零初始条件下得到准确的 辨识结果则需要增加辨识参数的数目，但阶数越高辨识的难度越大。文献 2 9 详 细介绍了p l p f 法在连续时间线性模型参数辨识中的应用，进而提出基于线性积分 滤波器( l i f ) 的辨识方法，通过m a t l a b 仿真工具箱建立励磁模型对其参数进行辨 识，结果证明l i f 法在对非零初值与噪声的适应性上均优于p l p f 法。又因为l i f 法与p l p f 法本质上都是采用了复化梯形公式的数值积分法，所以l i f 和p l p f 法 在零初始条件下会得到相同精度的辨识效果。 2 4 2 现代辨识法 现代辨识法求得的模型为状态空间方程或差分方程，属于参数型，这类方法只 需一步就能求得参数，又称为直接辨识法。现代辨识法可以多参量一次辨识，且可 避免非线性系统最小二乘估计中产生的多值性和收敛性等问题。 现代辨识法在励磁系统参数辨识中的应用主要体现在最小二乘法的应用。最小 二乘法的基本结果有两种形式，一种是在