同步发电机参数辨识方法综述

同步发电机参数辨识方法综述

刘柏私,甄　威,唐永红

(四川电力试验研究院,四川成都　610072)

摘　要:综述了同步发电机参数辨识的方法,对比分析了这些方法的优缺点,为即将开展的同步发电机参数辨识工作奠定基础。

关键词:同步发电机;参数辨识;综述

Abstract:The parameter identification methods of synchronous generator are summarized and their strong and weak points are com2 pared,which has laid a foundation for the future parameter identification of synchronous generator.

K ey w ords:synchronous generator;parameter identification;summarization

中图分类号:T M762　文献标识码:A　文章编号:1003-6954(2007)02-0078-02

“十五”期间,“西电东送、南北互供、全国联网”成为中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。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′q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。有现场试验证实[1],计及饱和效应的发电机稳态电抗X d实测值要比不计饱和效应的X d设计值小25%左右,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。

1　辨识方法

过去的几十年中,系统辨识理论、相角测量技术(PMU)、全球定位技术(G PS)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。

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。1.1　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。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,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得多。

该方法的等值思想决定了它的精度不高的特点,

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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。

1.2　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,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、抛载试验、静态频域法。

(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/T1029-93)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20世纪70年代提出后即获得了广泛的应用。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。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轴定为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)SSFR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,SSFR需要大功率的变频电源作为信号源,其可调频率至少应在0.01～100H 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,微小的机械位移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。1.3　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得多。常见的测辨方法有励磁电压扰动试验、在线频域法(简称O LFR)和神经网络观测法[2]。

(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 LFR方法是在机组运行时施加扰动,利用FFR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SSFR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。

2　结论

对常用同步发电机参数辨识方法进行综述,分析和比较这些方法的优缺点,为即将开展的同步发电机参数辨识工作奠定基础。

参考文献

[1]　鞠平.电力系统非线性辨识[M].南京:河海大学出版

社.19991

[2]　沈善德.电力系统辨识[M].北京:清华大学出版社.

19931(收稿日期:2007-01-30)

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