同步发电机励磁系统的参数辨识研究

发布时间：2016-10-23 08:26

1   绪论 

1.1   引言 
近年来我国电力行业飞速发展，各电网并联运行成为趋势，这将使系统的阻尼特性变差，出现多摆振荡失步问题，并且随着大容量发电机和各种先进的电力设备投入电网运行，对电网的安全稳定运行提出了更高的要求，这就需要在电力系统的计算和分析中采用更加精确的模型，才能满足控制运行的需求[1]。 国际上曾发生过多起大停电事故，事故后电力部门试图对事故过程进行模拟，但由于采用的模型和参数不精确，使得事故重现的结果与实际情况有很大的差别。可见准确的模型对电力系统的模拟是多么的重要，也是电力工作者亟待解决的问题之一。 发电机是电力系统中必不可少的元件之一，发电机励磁系统参数是电力系统四大参数（发电机参数、调速系统参数、励磁系统参数、负荷模型参数）之一，发电机励磁系统的调节控制作用与电力系统的电压质量和动态行为之间都有着密切的联系，对系统的稳定性有重要的影响[2,3]。在进行电力系统的计算中，采用发电机的恒定电势经典模型已不能满足并联大电网分析的要求，一些仿真软件中提供的标准励磁模型也不能涵盖实际应用中所有的励磁系统，因此有必要对一些大容量机组的励磁系统运用参数辨识的方法求出其详细的模型和参数，从而更加准确的预测和监视系统的运行。 目前 IEEE 等组织已经提供了多种可供选择的标准化励磁模型，模型的结构确定下来之后就需要对其中的参数进行辨识。一个精确的励磁系统模型不仅要反映出各个元件单独作用时的特性，还应该能反映出多个元件联接在一起后相互作用的特性，而制造厂家提供的参数往往是在离线条件试验下，对各个元件单独测量，然后综合在一起而得到的参数，如果用这些厂家给定的参数进行电力系统的稳定计算，将会使得到的结果与实际情况不符[4]。因此对现场运行的励磁系统，如果能用现场测量数据进行系统辨识，一般可以得到精确的模型参数，从而准确的对系统进行分析。 
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1.2   参数辨识简介 
任何待研究的对象都可以看做是一个系统，模型就是对系统本质的抽象。根据对实际的需要，模型一般仅考虑影响系统的主要因素，以简化模型。 从本质上来讲，系统辨识问题就是一个参数的优化求解问题，即将待研究的系统用一个适当的模型来代替，然后再对模型的参数进行参数估计。这种方法对解决线性系统或者近似线性系统有很好的效果，但对一些非线性系统或者是较为复杂的系统误差较大。现实世界中的系统多为非线性系统，这就迫使人们对非线性系统进行研究，于是人们总结提出了几种典型的模型集[5,6]。神经网络不需要进行系统建模，是一种高度非线性的模型，可对非线性模型进行在线参数辨识，且收敛速度不依赖于系统的维数，其中前馈神经网络和反馈神经网络是目前得到广泛应用的两种，前者表示静态非线性模型，后者表示动态非线性模型。
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2   发电机励磁系统的数学模型 

2.1   发电机励磁系统的结构 

按照国家标准，发电机励磁系统定义为向发电机提供励磁的所有部件之和，它对电力系统的输送能力和系统的稳定性有着巨大的影响。励磁系统主要由励磁电源和励磁调节器组成，励磁电源向发电机转子提供励磁电流，励磁调节器按照给定的调节准则调节输出[20,21,22]。整个励磁系统的原理框图如图 2.1 所示，各变量的含义如表 2.1 所示。根据功率源的差异，可将励磁系统分为三类。其中直流励磁系统的直流励磁机与主机同轴，与电网其他部分的运行状态无关，当电网其他部分发生故障时不受影响，仍可正常工作，但功率较小，响应速度很慢，一般不用于大型发电机的励磁，只在中小型发电机中应用[23,24]。 交流励磁系统的励磁机和主机同轴，故电网其他部分发生故障时仍可正常工作，并且时间常数很小，一般只有几十毫秒，响应速度很快，对提高电力系统的稳定性有很大的作用，由于不含整流子，因此在大中型火电机组中应用十分广泛，但用在水轮发电机上时，若发电机由于故障甩负荷时，会引起过电压[25]。 静止励磁系统包括交流侧自并励和交流侧串并联自复励两种，无旋转设备，易于维修，响应时间短，非常适用于大型机组，且可以缓解上述交流励磁系统用于水电机组时产生的问题，但是在发生机端故障和电网故障时容易引起失磁问题[26]。

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2.2   同步发电机的数学模型 
同步发电机是旋转的铁磁元件，其绕组结构十分复杂，包含的参数变量很多，模型特性也十分复杂，因此在建立同步发电机的模型时一般会根据对精度的要求来进行不同的简化，常用的有六阶 BPA 模型、五阶模型（综合稳定计算模型）、四阶模型、三阶模型、和二阶模型[27]。如今随着大容量发电机的不断投入使用，直流励磁系统的性能已经不能满足要求。所以这里仅对交流励磁机的数学模型进行介绍，它由励磁机和功率整流器两部分组成[28]。在我国，大部分交流励磁机采用他励发电机，又由于其负载接近于恒定，因此它的模型比同步发电机的模型更为简化，我国发电机励磁系统中使用的励磁调节器发展过程大致经历了三个阶段：主要起调压作用的机电型励磁器（也称调压器）、相位复式励磁调节器（电磁型励磁调节器）和晶体管可控硅型励磁调节器，其中前两种已趋于淘汰行列，第三种也随着控制技术的飞速发展在功能、构成原理和控制方式上不断地改进。这里仅介绍第三种，可控硅型励磁调节器主要由电压测量调差补偿环节、综合放大控制环节、幅值限制环节、功率放大环节、转子软反馈环节和串并联校正环节等构成。 
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3   励磁系统的可辨识性研究 .... 20
3.1   可辨识性的概念 .... 20 
3.2   轨迹灵敏度与可辨识性的关系 .... 21 
3.3   系统可辨识与参数可辨识 ...... 23 
3.4   可辨识性与算法的关系 .... 24 
3.5   可辨识性与系统输入之间的关系 ...... 25 
3.6   自并励励磁系统的可辨识性研究 ...... 26 
3.7   本章小结 .... 28 
4   励磁系统的辨识方法 ...... 29 
4.1   PLPF 辨识法 .... 29 
4.1.1   PLPF 法的原理 ..... 29 
4.1.2   实际系统各参数的求解 ......... 32 
4.2   励磁系统参数的频域辨识法 ........ 32 
4.2.1   频域辨识法的原理 ..... 33 
4.2.2   频域辨识法的辨识过程 ......... 34 
4.3   遗传算法在励磁系统参数辨识中的应用 ...... 36 
4.4   简单仿真算例 ........ 42
4.5   本章小结 .... 45 
5   励磁系统辨识算例 .... 46 
5.1   MATLAB/SIMULINK 简介 .... 46 
5.2   搭建励磁系统的模型 ........ 47 
5.3   单个环节的辨识 .... 48 
5.4   整个环节的辨识 .... 54 
5.5   本章小结 .... 59 

5   励磁系统辨识算例 

5.1   MATLAB/SIMULINK 简介 
在二十世纪七十年代左右，Cleve  Moler 博士和他的同事开发了用于求解线性方程的 Linpack 子程序库和用于求解特征值的 Eispack 子程序库，后来 Cleve Moler 博士又设计了 Linpack 子程序库和 Eispack 子程序库的接口程序，并取名为 MATLAB，这就是 MATLAB 的起源。 MATLAB 是 matrix 和 laboratory 两个词的组合，是由美国 Mathworks 公司研制的，，主要用于算法开发、数据可视化以及数据分析和计算，MATLAB 拥有良好的交互界面，所使用的编程语言简单易学，并且可以边编程边运行，从而不用去考虑程序的结构，MATLAB 的计算能力十分强大，通过简单的命令就可对大型的矩阵进行快速运算，其对图形的处理能力也很出色，并且可对数据进行各种可视化处理。经过多年的发展，MATLAB 已经涵盖了几乎所有学科的研究工具，集成了许多只通过简单操作就能实现复杂模拟的工具箱，操作简单，易于上手，将数值计算和可视化连接在一起，在学术界和工程界广受欢迎，是目前世界上最流行的计算软件之一。 SIMULINK 是 MATLAB 的重要组成部分，它基于框图设计环境，为研究者提供了一个方便易用的动态系统建模仿真和分析的集成环境，只需要通过简单的操作就可以模拟出十分复杂的系统，并进行参数设置和动态监测分析，被广泛的应用于线性和非线性系统、数字控制和模型分析等领域。SIMULINK 可以对构建的模型进行实时的仿真分析和动态测试，并及时分析系统的运行结果，使用十分便捷。SIMULINK 还提供了电力系统分析的工具箱 Sim Power，给电力系统的仿真和分析带来了很大的方便，使我们能够模拟出一些现实中无法实现的状况[57]。 
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结论

励磁控制系统对电力系统的稳定性和电力系统的电能输送能力有着很大的影响，因此就需要对励磁系统进行深入的研究，建立实用的励磁系统模型，并根据实际运行情况辨识出模型中的参数。 励磁系统的参数是电力系统四大参数之一，励磁系统的参数辨识也是电力系统学科中一个较为困难的难题，尽管人们通过不同的测量工具和辨识方法取得了一定的成就，但是还有许多问题有待解决，如励磁系统中的可辨识性问题以及实际系统的数据测量问题等。本文主要作了以下工作：介绍了参数辨识的概念、内容和步骤等，介绍了励磁系统参数辨识取得成就和研究现状；对励磁系统的工作原理和组成部分作了详细的分析，并对励磁系统中的各个环节进行了等效和简化，写出了它们的近似传递函数；对当前人们关注较少的励磁系统的可辨识性问题进行了分析和综合，介绍了可辨识性问题的提出和可辨识性的概念，分析了影响励磁系统可辨识性的因素，并用数值法对一个简单的励磁系统进行了可辨识性分析；详细介绍了当前在励磁系统参数辨识中几种较为常用的方法，分析了不同方法中影响参数辨识精度的因素，并对这几种方法进行了分析比较；最后对两个励磁系统进行了单环节辨识和整体辨识，用实例验证了前述结论的正确性。 虽然本文对励磁系统进行了辨识，但辨识的精度还有待提高，并且随着加入噪声信号的增大，辨识结果的准确性也将降低，辨识中的数据也都由搭建的模型测得，在实测时，测量信号中的噪声将会变得不确定，辨识结果的误差也将大大加大，这是需要改进的地方。本文中关于可辨识性问题的研究也只是在理论方面，实际中影响可辨识性的因素有很多，并且不确定，因此还需要有更加系统的分析方法来进行研究。随着科技的进步，更加先进的控制器等设备将会被应用到励磁系统当中，这将会大大加大励磁系统的复杂程度，给励磁系统的参数辨识带来挑战，就需要有更加先进的测量手段和更好的辨识方法。 
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参考文献(略)

本文编号：150172