同步发电机建模教育课件.ppt

第第 3 3 讲讲同步发电机建模1研究学习I.一次任意抛载测试法2研究学习1.1 传统方法n分分2次甩负荷，测量端口电压、功角次甩负荷，测量端口电压、功角nd轴抛载：使发电机轴抛载：使发电机 Id = 0，， 亦即亦即nq轴抛载：使发电机轴抛载：使发电机 Iq = 0 ，， 亦即亦即3研究学习1.2 新方法 n 1次任意状态甩负荷次任意状态甩负荷－增加测量励磁电流和功角－增加测量励磁电流和功角－先利用前后稳态条件－先利用前后稳态条件－确定－确定4研究学习 时不变快过程快过程的幅值慢过程只能辨识二者之差n利用励磁电流辨识部分参数利用励磁电流辨识部分参数－利用暂态辨识－利用暂态辨识 Xd’ 和和 Td0’－利用次暂态辨识－利用次暂态辨识 Td0”5研究学习 未知q轴参数均未知由包络线只能辨识两个电抗之差完全已知n利用电压辨识剩余参数利用电压辨识剩余参数－－Xd” ，Xq”，Tq0”6研究学习n 辨识结果辨识结果辨识效果很好！辨识效果很好！7研究学习8研究学习9研究学习II. 基于励磁小扰动的参数辨识10研究学习Ø以往试验：抛载试验、系统故障以往试验：抛载试验、系统故障Ø励磁小干扰：改变电压参考值励磁小干扰：改变电压参考值 Uref Ø输入变量：励磁（绕组）电压输入变量：励磁（绕组）电压 Uf Ø输出变量：发电机功角、端口三相交流电输出变量：发电机功角、端口三相交流电压、端口三相交流电流压、端口三相交流电流Ø测量：测量：RTDS试验试验 PMU测量测量2.1 试验方法11研究学习除三相短路、抛载等特殊扰动能获得解析解外，一般采用数值解，如Runge－Kutta 法现场测量现场测量2.2 参数辨识12研究学习从从PMU读数据读数据数据处理数据处理优化算法辨识优化算法辨识相序变换相序变换Park变换变换标么化等标么化等蚁群算法蚁群算法13研究学习n辨识结果辨识结果 RDTS直接出来的数据辨识直接出来的数据辨识q轴结果轴结果PMU采集到的数据辨识采集到的数据辨识q轴结果轴结果14研究学习 RDTS直接出来的数据辨识直接出来的数据辨识d轴结果轴结果 PMU采集到的数据辨识采集到的数据辨识d轴结果轴结果15研究学习n 励磁扰动大小对辨识精度的影响励磁扰动大小对辨识精度的影响 q轴2％扰动下辨识结果 q轴10％扰动下辨识结果:q轴辨识结果轴辨识结果 2％阶跃时％阶跃时 10％阶跃时％阶跃时 16研究学习d轴辨识结果轴辨识结果 2％阶跃时％阶跃时 10％阶跃时％阶跃时 17研究学习Ø结果表明：结果表明： 扰动大小的改变对于稳态参数的辨扰动大小的改变对于稳态参数的辨识精度没有明显的影响，对于暂态与次暂态参识精度没有明显的影响，对于暂态与次暂态参数，辨识精度的改变相对明显。

数，辨识精度的改变相对明显18研究学习n 扰动类型对辨识精度的影响扰动类型对辨识精度的影响 Ø注意，扰动是通过改变电压参考值注意，扰动是通过改变电压参考值 Uref 来产生的，来产生的，而不能直接改变励磁绕组上的电压而不能直接改变励磁绕组上的电压 Uf 来产生的，来产生的，两者之间经过了电压调节器、稳定器和励磁机；两者之间经过了电压调节器、稳定器和励磁机；ØUref 为阶跃变化时的为阶跃变化时的 Uf 图形如下；图形如下；Ø另外，研究了在另外，研究了在Uref 上施加白噪声白噪声是一上施加白噪声白噪声是一个在全频段具有平均功率的随机过程，是理想的个在全频段具有平均功率的随机过程，是理想的试验信号，但经过中间环节后则已经不再是白噪试验信号，但经过中间环节后则已经不再是白噪声了；声了；19研究学习20研究学习Ø两种情况下两种情况下 Uf 的功的功率谱如图可见，率谱如图可见， Uf 的功率谱在的功率谱在 Uref 上施上施加白噪声信号时要好加白噪声信号时要好于阶跃信号，但并不于阶跃信号，但并不是恒定的是恒定的21研究学习 励磁阶跃励磁阶跃10％扰动下％扰动下q轴辨识结果轴辨识结果 白噪声扰动下白噪声扰动下q轴辨识结果轴辨识结果22研究学习 励磁阶跃励磁阶跃10％扰动下％扰动下d轴辨识结果轴辨识结果 白噪声扰动下白噪声扰动下d轴辨识结果轴辨识结果23研究学习n结果分析结果分析Ø信噪比在信噪比在2.0～～4.0时具有较好的精度，其中在信噪时具有较好的精度，其中在信噪比为比为2.5时时q轴辨识精度最好；轴辨识精度最好；Ø两种激励方式下，稳态电抗的辨识精度没有明显两种激励方式下，稳态电抗的辨识精度没有明显提高，暂态和次暂态电抗的辨识精度有较为明显提高，暂态和次暂态电抗的辨识精度有较为明显的提高；的提高；Ø因此，白噪声扰动方式更有利于激发同步发电机因此，白噪声扰动方式更有利于激发同步发电机的动态过程，有利于提高动态参数的辨识精度。

的动态过程，有利于提高动态参数的辨识精度24研究学习 n 方法：方法：时域法没有严格条件，时域法没有严格条件， 频域法有条件，频域法有条件， 2.3 对比研究Ø 忽略脉变电势忽略脉变电势Ø 忽略转速变化忽略转速变化Ø 忽略电阻忽略电阻Ø 励磁电压不变励磁电压不变25研究学习Ø对对q轴动态参数，时域法略差于频域法；轴动态参数，时域法略差于频域法；Ø对对d轴动态参数，时域法优于频域法法；轴动态参数，时域法优于频域法法；Ø各有千秋，可以同时使用对比，但时域法更各有千秋，可以同时使用对比，但时域法更好些26研究学习n 干扰方式干扰方式Ø励磁白噪声好励磁白噪声好Ø甩负荷辨识较好甩负荷辨识较好Ø励磁阶跃扰动方式次之励磁阶跃扰动方式次之Ø外部断线扰动方式再次之外部断线扰动方式再次之27研究学习III. 基于Park模型的参数辨识28研究学习3.1 两种模型n结构示意图结构示意图29研究学习nPark模型模型30研究学习n五阶实用模型五阶实用模型 31研究学习3.2 两种模型参数间的关系n同步发电机同步发电机d、、q轴等值电路轴等值电路32研究学习p 实用参数与基本参数的关系实用参数与基本参数的关系 实用实用 经典表达经典表达 精确表达精确表达33研究学习n前向变换前向变换n后向变换后向变换 n实用参数实用参数n电路参数电路参数n电路参数电路参数n实用参数实用参数34研究学习n结论结论Ø等值电路模型参数具有独立性等值电路模型参数具有独立性Ø当采用当采用5阶实用模型时，阶实用模型时，d轴的实用参数轴的实用参数 是不独立的是不独立的Ø两种模型可以互相推导，有唯一性两种模型可以互相推导，有唯一性35研究学习3.3 Park模型d轴参数的可辨识性分析n由磁链、电压方程得：由磁链、电压方程得： 36研究学习n线性化得：线性化得： 37研究学习nLaplace变换，可得传递函数：变换，可得传递函数： 38研究学习n根据线性系统辨识理论，根据线性系统辨识理论， 均可辨识均可辨识n但不能单独辨识但不能单独辨识 ： 39研究学习n由前后稳态条件可辨识由前后稳态条件可辨识Ø稳态方程稳态方程n利用扰动前、后的稳态条件和动态过程，利用扰动前、后的稳态条件和动态过程，同步发电机同步发电机Park模型中模型中d轴电路参数均是轴电路参数均是可以唯一辨识的可以唯一辨识的 40研究学习3.4 Park模型q轴参数的可辨识性分析n分析方法同分析方法同d轴轴n利用扰动前稳态条件和动态过程，同步利用扰动前稳态条件和动态过程，同步发电机发电机Park模型模型q轴电路参数是唯一可辨轴电路参数是唯一可辨识的识的 41研究学习3.4 参数辨识策略与过程n分步策略分步策略Ø稳态参数稳态参数Ø动态参数动态参数Ø提高速度，精度提高速度，精度Ød轴原来辨识的参数轴原来辨识的参数 现在辨识参数现在辨识参数42研究学习n优化方法优化方法Ø蚁群算法蚁群算法n辨识过程辨识过程43研究学习3.5 基于实用模型的参数辨识结果n目标函数目标函数Ø观测量选的是观测量选的是d、、q轴的电流轴的电流 44研究学习n辨识流程辨识流程 45研究学习n仿真算例仿真算例Ø单机无穷大单机无穷大ØRTDS仿真系统仿真系统Ø额定容量额定容量217.43MVA，功率因数，功率因数0.875Ø在在t=0.5s时发电机励磁阶跃参考电压升高时发电机励磁阶跃参考电压升高3% 46研究学习■ 稳态参数辨识结果稳态参数辨识结果参数参数xd(p.u)xq(p.u)已知已知值值0.9920.608辨辨识值识值0.99190.6077误误差差%-0.0081-0.042847研究学习■ 动态参数辨识结果动态参数辨识结果收搜范收搜范围围（（%））参数参数xd (p.u)xd (p.u)Td0 (s)Td0 (s)xq (p.u)Tq0 (s)已知值0.2570.2018.770.140.240.3(-30,+ 30)辨识值0.25730.21948.85200.13370.23940.2967误差%0.10139.17280.9346-4.4759-0.2488 -1.0978(-60,+10)辨识值0.19280.18139.86820.09950.22190.2794误差%-24.9918-9.777112.5221-28.9189-7.5337-6.8521(-60,+30)辨识值0.11520.253911.30610.16230.22050.2726误差%-55.162726.341328.917415.9421-8.1071-9.1469(-60,+60)辨识值0.34680.24957.73790.11490.24380.2946误差%34.931024.1246-11.7683-17.92651.5951-1.7888(-30,+60)辨识值0.36880.28567.49140.14200.23280.2910误差%43.517842.0762-14.57891.4506-3.0000-3.0000(-10,+60)辨识值0.35210.28977.66900.16670.23280.2910误差%37.014144.1445-12.553919.0665-3.0000-3.0000(-60,+80)辨识值0.32800.27727.93630.12630.24080.2852误差%27.627937.9061-9.5066-9.80770.3242-4.9215(-80,+80)辨识值0.17020.267110.20140.13220.24000.2841误差%-33.764532.8984 16.3212-5.56870.0083-5.301848研究学习n曲线拟合曲线拟合Ø—— RTDS测量输出测量输出 - — - 实用模型实用模型 49研究学习3.6 基于Park模型的参数辨识结果n目标函数目标函数Ø观测量选的是观测量选的是d、、q轴的磁链轴的磁链50研究学习n由电压方程由电压方程n获得测量磁链获得测量磁链51研究学习n辨识流程辨识流程 52研究学习n磁链拟合磁链拟合Ø—— RTDS测量输出测量输出 - — - Park模型模型 53研究学习■动态参数辨识结果动态参数辨识结果收搜范围（%）参数xd(p.u)xd(p.u)Td0(s)Td0(s)xq(p.u)Tq0(s)已知值0.2570.2018.770.140.240.3(-30,+ 30)辨识值0.27240.21157.52850.13500.24130.2994误差%5.97775.2354-14.1558-3.59660.5479-0.2108(-60,+10)辨识值0.26450.20267.47570.12970.24410.2929误差%2.90880.8086-14.7577-7.36241.7239-2.3653(-60,+30)辨识值0.27030.21157.50590.13490.24410.2929误差%5.16595.2353-14.4141-3.67270.5479-0.2108(-60,+60)辨识值0.26780.21507.47940.14290.24130.2994误差%4.19676.9445-14.71582.09500.5479-0.2108(-30,+60)辨识值0.28590.21657.67780.14650.23840.3062误差%11.23147.7236-12.45404.6376-0.64652.0769(-10,+60)辨识值0.29770.21487.81370.14700.25150.3174误差%15.85176.8802-10.90415.02724.77315.8035(-60,+80)辨识值0.27840.21647.59540.14580.25060.2792误差%8.32917.6822-13.39384.11804.3987-6.9353(-80,+80)辨识值0.26910.21517.49300.14290.24130.2994误差%4.69797.0046-14.56082.06590.5479-0.210854研究学习3.6 两种模型参数辨识结果对比n曲线拟合曲线拟合(+-30%)Ø—— RTDS测量输出测量输出 - — - 实用模型实用模型 - - - -Park模型模型 55研究学习n曲线拟合曲线拟合(-30%,+60%)Ø—— RTDS测量输出测量输出 - — - 实用模型实用模型 - - - -Park模型模型56研究学习n结论结论Ø分步辨识策略是有效的分步辨识策略是有效的Ø同步发电机同步发电机Park模型参数辨识取磁链为输出量模型参数辨识取磁链为输出量是可行的是可行的 Ød，，q轴磁链拟合的比较好，参数辨识有较高的轴磁链拟合的比较好，参数辨识有较高的精度，适合于工程实践精度，适合于工程实践 ØPark模型辨识结果稳定模型辨识结果稳定 ，适应性强，适应性强Ø验证了验证了Park模型电路参数是互相独立的，而实模型电路参数是互相独立的，而实用模型用模型d轴参数不是完全独立的轴参数不是完全独立的 57研究学习IV. 考虑饱和的参数辨识58研究学习4.1 饱和概述n额定运行点都有一定程度的饱和额定运行点都有一定程度的饱和n饱和程度越深，电抗减少越明显饱和程度越深，电抗减少越明显 Ø水轮发电机减少水轮发电机减少25%左右左右 Ø汽轮发电机减少汽轮发电机减少15%-25% Ø极限运行情况下更加明显极限运行情况下更加明显59研究学习4.2 考虑饱和的同步发电机模型60研究学习n饱和系数饱和系数Øa、、b、、n的参数值可根据实际饱和曲线用拟合的参数值可根据实际饱和曲线用拟合的方法（如最小二乘法）求出的方法（如最小二乘法）求出 61研究学习4.3 考虑饱和的参数辨识n辨识步骤辨识步骤Ø根据发电机手册（或空载试验）上的空载饱和根据发电机手册（或空载试验）上的空载饱和曲线，求参数曲线，求参数a，，b，，n Ø进行励磁阶跃扰动试验，采集数据进行励磁阶跃扰动试验，采集数据 Ø用蚁群算法进行优化用蚁群算法进行优化Ø判断参数是否达到收敛条件，如果达到，则结判断参数是否达到收敛条件，如果达到，则结束辨识，否则，回到第三步束辨识，否则，回到第三步 62研究学习n算例分析算例分析Ø单机无穷大系统单机无穷大系统Ø空载特性曲线空载特性曲线 63研究学习n辨识结果辨识结果Øa＝＝0.9258，，b =0.0791，，n =8.0417 参数xd(p.u)xd(p.u)xd(p.u)Td0(s)Td0(s)xq(p.u)xq(p.u)Tq0(s)真值0.9920.2570.2018.770.140.6080.240.3S结果0.9100.2500.2308.2420.1250.6080.2400.30S误差（%）-8.241-2.50714.563-6.020-10.5940.00.0150.00U结果0.8140.1830.2349.4730.1180.6080.2400.300U误差（%）-17.926-28.61416.7088.017-15.1550.00.0150.0064研究学习nd轴曲线拟合轴曲线拟合Ø —不饱和模型不饱和模型 -----饱和模型饱和模型 ——仿真曲线仿真曲线 65研究学习nq轴曲线拟合轴曲线拟合Ø-----(不不)饱和模型饱和模型 ——仿真曲线仿真曲线 66研究学习V. 其它参数67研究学习p 励磁及其调节系统励磁及其调节系统Ø励磁系统励磁系统Ø调节系统调节系统ØPSS68研究学习p 机械系统机械系统Ø 原动机（汽轮机、水轮机）原动机（汽轮机、水轮机）Ø 调速系统调速系统Ø 动力系统动力系统69研究学习p 摇摆方程摇摆方程Ø 惯性时间常数惯性时间常数Ø 阻尼系数阻尼系数70研究学习p 阻尼系数问题阻尼系数问题Ø机械阻尼机械阻尼Ø阻尼绕组阻尼绕组Ø励磁绕组及其调节系统励磁绕组及其调节系统Ø阻尼系数与模型内含有关阻尼系数与模型内含有关71研究学习第3讲结 束 !72研究学习。