3 同步发电机建模

第3讲同步发电机建模I.一次任意抛载测试法1.1传统方法分2次甩负荷，测量端口电压、功角d轴抛载：使发电机Id=0，亦即q轴抛载：使发电机Iq=0，亦即0180oo或者UIqdrIqxIjQEdqdixxj)(qE90o1.2新方法,,dqrXX1次任意状态甩负荷－增加测量励磁电流和功角－先利用前后稳态条件－确定ddqqqqddquriXiuriXiE00000001cosddTtdDlTtddddfdffeTTeXXiXUiiii时不变快过程快过程的幅值慢过程只能辨识二者之差利用励磁电流辨识部分参数－利用暂态辨识Xd’和Td0’－利用次暂态辨识Td0”000000202022000cossinddqqddttTTddddddatTqqqqtttTTTddddddqqqUiXXXeXXeuUiXXXeEiXXeiXXeiXXe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利用电压辨识剩余参数－Xd”，Xq”，Tq0”辨识结果辨识效果很好！辨识效果很好！II.基于励磁小扰动的参数辨识以往试验：抛载试验、系统故障励磁小干扰：改变电压参考值Uref输入变量：励磁（绕组）电压Uf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测量：RTDS试验PMU测量2.1试验方法除三相短路、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2.2参数辨识从PMU读数据数据处理优化算法辨识相序变换Park变换标么化等蚁群算法辨识结果RDTS直接出来的数据辨识q轴结果PMU采集到的数据辨识q轴结果RDTS直接出来的数据辨识d轴结果PMU采集到的数据辨识d轴结果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2％阶跃时10％阶跃时d轴辨识结果2％阶跃时10％阶跃时结果表明：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数，辨识精度的改变相对明显。扰动类型对辨识精度的影响注意，扰动是通过改变电压参考值Uref来产生的，而不能直接改变励磁绕组上的电压Uf来产生的，两者之间经过了电压调节器、稳定器和励磁机；Uref为阶跃变化时的Uf图形如下；另外，研究了在Uref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，是理想的试验信号，但经过中间环节后则已经不再是白噪声了；0123456780.70.80.911.11.21.31.41.51.6x10-3t(s)Uf(p.u)RTDS仿真的励磁电压曲线图0510152025-160-140-120-100-80-60-40-2002040Frequency(Hz)powerspetraldensity(dB/Hz)两种扰动下ud功率谱白噪声扰动下ud功率谱励磁阶跃扰动下ud功率谱0510152025-160-140-120-100-80-60-40-2002040Frequency(Hz)powerspetraldensity(dB/Hz)两种扰动下uq功率谱白噪声扰动下uq功率谱曲线励磁阶跃扰动下uq功率谱曲线两种情况下Uf的功率谱如图。可见，Uf的功率谱在Uref上施加白噪声信号时要好于阶跃信号，但并不是恒定的。0510152025-120-100-80-60-40-200Frequency(Hz)powerspetraldensity(dB/Hz)两种扰动下uf功率谱白噪声扰动下uf的功率谱励磁阶跃扰动下uf的功率谱励磁阶跃10％扰动下q轴辨识结果白噪声扰动下q轴辨识结果励磁阶跃10％扰动下d轴辨识结果白噪声扰动下d轴辨识结果结果分析信噪比在2.0～4.0时具有较好的精度，其中在信噪比为2.5时q轴辨识精度最好；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的提高；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。方法：时域法没有严格条件，频域法有条件，2.3对比研究忽略脉变电势忽略转速变化忽略电阻励磁电压不变对q轴动态参数，时域法略差于频域法；对d轴动态参数，时域法优于频域法法；各有千秋，可以同时使用对比，但时域法更好些。干扰方式励磁白噪声好甩负荷辨识较好励磁阶跃扰动方式次之外部断线扰动方式再次之III.基于Park模型的参数辨识3.1两种模型结构示意图++-fuDi-++--cicuaiaububiabcabcoDfQQiadbqcPark模型QDfqdQDadadfaqadadaqqadaddQDfqdiiiiiiXXXXXXXXXXXXXX0000000000000000000000000QQDDffaqadadqQDfqdQDfqdiriririririruuuuuu0000000五阶实用模型ddqqfdfdadddddddddqdqddqfdfdaddddddqdqiXEuuRXTiTXXTXXETETTdtEduRXTiXXTETdtEd0000000001)(1)11(1)(11qqddqqqqdqdiXEuiTXXETdtEd001)1(1DMMdtdMdtdem3.2两种模型参数间的关系同步发电机d、q轴等值电路DClXflDXflXfrfuDrDlXadXaqXQrQlXlX实用参数与基本参数的关系实用经典表达精确表达0112445033112664[/()][ddddTTTTTTTTTTTTTTTTTT454145124613461311213141/()](/)()/()(/T)()/()11()ddddddadfdaddfddadfdddadfdTTLLTTLTTTTLLTTTLTTTTLLLLTTRRLLTLTRLL516111()11()()adlfdfdadladlfdadldddadldadladfdfdlLLLRLLLLLLLTLTLRLLRLLLLLL前向变换后向变换实用参数电路参数电路参数实用参数结论等值电路模型参数具有独立性当采用5阶实用模型时，d轴的实用参数是不独立的两种模型可以互相推导，有唯一性KTTXXXddddd,,,,,0'0'3.3Park模型d轴参数的可辨识性分析由磁链、电压方程得：22222()()()()()()()()()()()(fadDlfadDdadadadDlffadadfladDlDadflDadfdadadadflDadadfladDladfladDldfadfladDladadfladDrxxxixxxxpuxxxxxrxxxixxxxpxxxxxxxxxxxxxxxxxx222)2()()()()()DladadadadfladadDladldadfladDladxxxxxxxxxxixxxxx线性化得：pXAXBUYCXDUTfDXdYTdfiuUTadflDllsfDxxxxrrraLaplace变换，可得传递函数：112()()()()TGsCsIABDGsGs2121121212()bsbdsasaGssasa122212()cscGssasa根据线性系统辨识理论，均可辨识但不能单独辨识：1212121,,,,,,aabbccd,,,,,,adflDllsfDxxxxrrr22fDadDlrraxxc2222Dfadrraxc2212adfDlDflDxrxrxbrc由前后稳态条件可辨识稳态方程利用扰动前、后的稳态条件和动态过程，同步发电机Park模型中d轴电路参数均是可以唯一辨识的,,,adaqlfxxxrddqqqddqadffffurixiuxirixiuri3.4Park模型q轴参数的可辨识性分析分析方法同d轴利用扰动前稳态条件和动态过程，同步发电机Park模型q轴电路参数是唯一可辨识的3.4参数辨识策略与过程分步策略稳态参数动态参数提高速度，精度d轴原来辨识的参数现在辨识参数ldddddXKTTXXX,,,,,,0'0'''00,,,ddddXXTT,,,,,,adflDllsfDxxxxrrr,,flDlDxxr优化方法蚁群算法辨识过程3.5基于实用模型的参数辨识结果目标函数观测量选的是d、q轴的电流20(){[()()]}NddmdckEZikik20(){[()()]}NqqmqckEZikik辨识流程采集同步电机端口电压、电流，有功，无功，功角，励磁电压，电流数据同步电机实用五阶模型测量的蚁群算法调整参数辨识出实用参数,dqii计算的,dqii否是abc0dq0dqabc励磁阶跃扰动实验仿真算例单机无穷大RTDS仿真系统额定容量217.43MVA，功率因数0.875在t=0.5s时发电机励磁阶跃参考电压升高3%■稳态参数辨识结果参数xd(p.u)xq(p.u)已知值0.9920.608辨识值0.99190.6077误差%-0.0081-0.0428■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0.25730.21948.85200.13370.23940.2967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