CN101902195B - 一种励磁系统建模自动校核及pss优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种励磁系统建模自动校核及PSS优化方法，包括发电机励磁系统及PSS基本信息、现场试验项目、现场试验结果数据信息。该数据库基于Windows操作系统，面向对象，界面友好，可以同时处理多种数据信息。该系统能够自动录入励磁系统参数测试及PSS投运试验的试验数据，并对试验所得数据进行自动校核；利用实测励磁系统滞后特性对PSS参数进行优化设计，评价PSS抑制低频振荡的效果是否满足相关标准。本发明的电机励磁系统建模自动校核及PSS优化方法可以实现校核的规范化和自动化，有效提高工作效率，充分保证励磁系统及PSS建模的正确性。

Description

一种励磁系统建模自动校核及PSS优化方法

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，提供了一种发电机励磁系统的建模方法，该方法可以对模型进行自动校核及PSS参数优化。

背景技术

励磁控制对于电力系统的稳定性起着重要的、有时是关键性的作用，在进行电力系统稳定性分析计算时，需要精确的励磁系统模型及参数，同时，励磁系统参数及模型的准确性对电力系统低频振荡分析和PSS参数整定和优化设计也有很大的影响。

实际发电机组的励磁系统及PSS建模的正确性对电力系统数字仿真系统(如：PSASP、BPA等)的结果可靠性具有直接影响，PSS的参数对电力系统的阻尼特性和稳定性也具有十分重要作用。

全国各省市试验研究院已经广泛开展励磁系统及PSS模型的试验测试和参数拟合工作，但所建立的模型及其参数的正确性需要电网公司进行进一步校核，目前各电网公司均没有专用程序包，校核规范也难统一，校核结果的有效性难以充分保证，同时采用人工校核重复工作量也很大。此外，PSS参数要考虑能适应和兼顾华中电网多种运行方式下的阻尼特性和稳定性要求，人工整定的工作量大，耗时长。

目前国内外关于励磁系统及PSS建模的试验研究工作进行的比较多，主要通过对励磁系统及PSS进行现场和离线试验建模与参数拟合，人工参与程度非常高。而针对用户提供的励磁系统及PSS建模报告进行自动校核进行综合性的研究尚未见相关报道。

因此，提出针对发电机励磁系统及PSS建模和参数的自动校核开展研究，可以实现校核的规范化和自动化，有效提高工作效率，充分保证励磁系统及PSS建模的正确性。

发明内容

针对人工校核重复量大，参数计算及报告编写需要耗费大量时间，造成资源浪费，本发明提供了一种励磁系统建模自动校核及PSS优化方法。

本发明的励磁系统建模自动校核及PSS优化方法包括以下内容：

(1)发电机励磁系统及PSS建模自动校核信息数据库的建立：包括发电机励磁系统及PSS基本信息、现场试验项目、现场试验结果数据信息；

(2)根据发电机励磁系统及PSS现场实测试验进行仿真计算及仿真方法研究，包括时域仿真计算和频域仿真计算；

(3)设计发电机励磁系统及PSS建模的自动校核人机接口方案，将机组及相关试验信息输入后，选择相关校核项目校核，即完成自动校核，校核结果自动生成为Word文档形式，并给出校核通过与否的判断意见；

(4)PSS参数优化：通过设实时修改设置PSS各环节参数，自动计算得出PSS随参数变化的相位结果，根据国标和行标对PSS的相频特性和幅频特性要求，规定出PSS随参数变化的可取范围。

本发明提供的一种发电机励磁系统的建模校核方法，其特征在于：该系统能够自动录入励磁系统参数测试及PSS投运试验的试验数据，并对试验所得数据进行自动校核；利用实测励磁系统滞后特性对PSS参数进行优化设计，评价PSS抑制低频振荡的效果是否满足相关标准。

发电机励磁系统参数测试及PSS投运试验是励磁系统建模的一个重要环节，对于未知环节或系统，通过一些方法获取其模型参数；对于已知环节或系统，通过一些手段来验证其模型参数，最后得到符合实际的规格化的励磁系统或部件的数学模型参数。试验主要包括发电机空载试验、发电机空载特性参数计算、励磁系统放大倍数计算、发电机空载5％阶跃试验、发电机时间常数的测量、励磁系统PID参数计算、全控整流回路移相范围校核、发电机励磁系统滞后特性测试、PSS有补偿特性测试、PSS阻尼效果试验、PSS反调试验等。

本发明基于现场参数实测报告并与仿真计算相结合，采用时域和频域分析相结合的方法进行励磁系统建模自动校核及PSS参数优化。获得的励磁系统模型参数具有足够的精确度，真实反映励磁系统的性能指标，为电力系统稳定性计算提供了可靠的依据。

附图说明

图1是励磁系统建模自动校核方法的流程图；

图2是参数正确性自动校核流程图；

图3是PID环节仿真模型图；

图4是PID环节仿真与实测频率特性；

图5是大扰动试验实测波形示意图；

图6是励磁系统参数性能校核流程图；

图7是空载阶跃试验仿真模型图；

图8是空载时发电机简化一阶模型图；

图9是发电机空载阶跃试验校核波形对比；

图10是PSS参数性能校核流程图；

图11是实测励磁系统无补偿频率特性；

图12是PSS仿真模型；

图13是励磁系统有补偿特性校核；

图14是PSS阻尼效果校核试验；

图15是发电机空载特性曲线及拟合气隙线。

具体实施方式

下面结合图1励磁系统建模自动校核方法的流程图和具体实施例对本发明进一步说明。

本发明励磁系统建模自动校核及PSS参数优化方法的主要工作步骤是：

步骤(1)搜集信息：搜集需要进行励磁系统建模自动校核及PSS参数优化机组的励磁系统参数测试试验报告，将相关试验信息输入数据库。

步骤(2)进行参数正确性校核：根据试验报告中内容和试验信息搭建相应的仿真模型，将实测试验结果与仿真结果进行对比，根据国家和行业标准判断所要校核的模型参数是否正确。当无法模拟实际机组试验信息时，直接采用实际试验结果，对该实验结果进行分析比较，查看是否满足国家和行业标准，如空载特性曲线的校核，大扰动试验校核，无补偿频率特性等均采用实测信息。校核完成后在界面上显示参数正确性校核结果，若未通过则在界面上进行实时仿真参数修改，直到校核成功。

步骤(3)参数性能校核：励磁系统参数性能校核通过观察励磁系统动态响应的特征量变化范围来确定。确定励磁系统动态仿真模型后，利用经过正确性校核的参数进行发电机空载时域仿真，在仿真波形上提取相关的特征量；PSS参数性能校核主要是看PSS参数在整个低频振荡区(如：0.1Hz～3Hz)提供能否良好的正阻尼。通过对有无PSS两种情况下负载阶跃响应特征量的计算，可以得出PSS的阻尼效果。

根据国标与行标中关于特征量范围的规定，查看特征量变化是否满足此范围，并在界面上显示校核结果。若未通过则在界面上进行仿真参数修改，直到校核成功。

步骤(4)励磁回路参数计算：利用实测与仿真信息进行发电机励磁回路参数计算，归一化到PSASP中可以使用的参数。

步骤(5)生成校核报告：将各项校核内容包括试验信息和仿真计算信息以及参数计算结果自动生成word形式的报告。

步骤(6)PSS参数优化：根据实测励磁系统无补偿相频特性，确定PSS需要补偿的相位范围。参考现场PSS参数优化试验得到的PSS参数，人工进行PSS参数设置，经过后台仿真计算会在界面上得到PSS关于参数变化的范围。观察得到适合的相位补偿参数后，即可将该参数保存在EXCEL中。

现以某发电厂#3机为算例，结合附图来进行该方法的说明。

1.信息搜集与录入：在得到需要进行励磁系统建模自动校核及PSS参数优化机组的励磁系统参数测试试验报告后，将相关试验信息输入数据库。该数据库可分为基本信息库、校核信息库及校核结果与评价信息库，

其中，基本信息库包括机组的模型和参数等信息，校核信息库包括现场试验项目、试验数据、试验条件等信息，校核结果与评价信息库包括参数正确性校核结果、参数性能校核结果、励磁系统参数计算结果等信息。

试验信息既可以实现手工输入，曲线扫描输入也支持直接从现场录波仪数据文件中自动读取数据。自动化程度很高。

2.励磁系统参数正确性校核：参数正确性校核项目包括：发电机空载大扰动校核，PID超前环节校核，PID超前滞后环节校核，PID整体环节校核，PSS隔直环节校核，PSS惯性环节校核，PSS比例滞后环节校核，PSS低通滤波环节校核，PSS+PID环节整体校核，励磁调节器静态放大参数正确性校核流程图见图2，分为环节特性仿真校核和对试验数据进行分析处理的方式进行校核。

2.1环节特性试验校核步骤：

步骤1：根据搜集的机组励磁系统模型和参数信息确定进行环节特性校核时的仿真模型；

步骤2：根据所确定模型，采用现场实测得到的环节参数进行后台频域仿真计算；

步骤3：将仿真得到的频域特性校核曲线与现场实测得到频域特性曲线进行对比；

步骤4：将仿真与实测对比图形显示在同一坐标轴内。当仿真与实测曲线相差较大时，可以进行参数的修改，直到拟合出与实测相同的曲线。

步骤5：将通过校核的参数显示和输出，以备后续环节使用。

以PID环节校核为例，在校核软件中搭建仿真模型，如图3所示，按照现场试验所用参数进行仿真：K_R＝500.0，

T_C2＝0.10，T_B2＝0.05，

T_C1＝1.0，T_B1＝7.14。

表1：PID环节特性校核仿真实测数据对照表

将仿真计算与现场实测对比如图4所示，由仿真与实测幅相特性对比可以看出，该环节仿真与实际得到的频率特性是基本一致的，该环节建模正确性可以保证。

当实测频域特性与仿真频域特性不一致时，可以经过参数修改与拟合得到与实测一致的仿真曲线。

2.2对试验数据进行分析处理的校核：

当某些试验不能进行仿真时，从相关实测曲线上得到实测数据，利用实测数据计算该实验所确定的参数是否满足国标与行标。以空载大扰动试验校核和静态放大倍数校核为例，空载大扰动试验实测波形如图5所示，现场试验时，使发电机空载运行于80％额定电压，进行20％额定电压上阶跃和下阶跃试验，记录发电机电压、发电机励磁电压和电流、电压调节器输出电压、调节器重要控制环节的输出量的响应波形。自并励励磁系统按照式(1)和式(2)计算U_RMAX和U_RMIN：

U_RMAX＝(U_f1+K_cI_f1)/U_t1                       (1)

U_RMIN＝(U_f2+K_cI_f2)/U_t2                       (2)

式中：

U_f1和U_f2——试验中最大和最小发电机励磁电压，单位为标幺值(pu)；

U_t1和U_t2——对应于U_f1和U_f2的试验中发电机电压，单位为标幺值(pu)；

I_f1和I_f2——对应于U_f1和U_f2的试验中发电机励磁电流，单位为标幺值(pu)；

K_c——换弧压降系数；

U_RMAX和U_RMIN——调节器最大和最小输出限幅值，单位为标幺值(pu)。

利用实测大扰动曲线见图8求出最大最小a角。

计算得到的最大最小α角公式：

该α角范围在满足国标和行标要求。

励磁系统静态放大倍数校核

现场试验方法：静态下进行静态参数测量.改变输入量大小，测量输出量变化，计算放大倍数.现场试验数据如表2所示：

表2：励磁调节器比例放大倍数数据表

Vref-Vab(pu)	ΔVref-Vab(pu)	Vavr_out(pu)	ΔVavr_out(pu)	Kp(pu)
					0.0180	0.0180	0.1310	0.1310	20.00
0.0220	0.0040	0.2110	0.0800	25.50
					0.0260	0.0040	0.3130	0.1020	24.00
0.0300	0.0040	0.4090	0.0960	19.20
					0.0350	0.0050	0.5050	0.0960	23.75
0.0390	0.0040	0.6000	0.0950	20.60
					0.0440	0.0050	0.7030	0.1030	20.60
0.0490	0.0050	0.8060	0.1030	20.33
					0.0520	0.0030	0.8670	0.0610	31.00
0.0540	0.0020	0.9290	0.0620	17.25
					0.0580	0.0040	0.9980	0.0690	19.75
0.0620	0.0040	1.0770	0.0790	22.00
					0.0660	0.0040	1.1650	0.0880	18.83
0.0720		1.2780

按照试验得出的数据进行拟合。求出以Δ(U_ref-U_AB)为横坐标和ΔV_{avr_out}为纵坐标的拟合直线，求出该直线的斜率即为静态放大倍数：

$K_p=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{avr}\_\mathrm{out}}}{\mathrm{\Δ}(U_{\mathrm{ref}}-U_{\mathrm{AB}})}$

校核判据：将计算出的静态放大倍数与试验时设置的PID参数进行比较，

若

说明试验中还有其他放大环节存在，该环节在仿真计算时可K_B代替。校核曲线如图6所示

通过计算得到的直线表达式为：y＝21.368x-0.24

计算得到的倍数不大于设定放大倍数，说明试验中无其它放大环节存在。试验整定的励磁系统静态放大倍数是正确的，

3.参数性能校核

确认励磁系统及PSS建模正确性后，继续进行参数性能校核。参数性能校核包括励磁系统参数性能校核与PSS参数性能校核。

3.1励磁系统参数性能校核是通过发电机空载阶跃试验进行时域仿真计算进行校核的。

下面结合校核流程图6和实例说明校核步骤：

步骤1：利用经过正确性校核所得到的参数和模型信息以及基本信息库中的发电机信息，搭建发电机空载仿真模型，见图7，

步骤2：按照现场试验条件进行发电机空载阶跃响应的时域仿真计算。从时域响应曲线上提取反映动态性能的特征量。

步骤3：将仿真曲线与实测曲线比较，并将仿真计算多得到的特征量与试验曲线的特征量进行对比。并根据国标和行标中相关标准判定参数的动态性能是否满足要求。

步骤4：校核结果的显示与输出。

在得到该校核机组相关模型和参数信息后进行信息和模型的处理，现场整定的参数需要整定成仿真计算需要的标幺值形式，建立空载试验仿真模型如图7，发电机采用三阶模型，空载时机端电流为零，将该三阶模型进行了化简，得到只与转子时间常数有关的一阶模型，如图8所示，按照所搭建的模型进行仿真。仿真曲线与实测曲线的对比见图9，并参照国标与行标，看试验曲线是否满足要求。表3给出了仿真与实测的试验结果的动态性能评价，仿真与实测波形均满足标准要求，具有良好的动态响应品质，励磁系统参数性能良好；仿真与实测值误差也在标准允许范围内，同时也说明该励磁系统模型的正确性。

表3 5％阶跃空载试验质量评价表

3.2 PSS参数性能校核：

PSS参数性能校核主要是看PSS参数在整个低频振荡区(如：0.1Hz～3Hz)提供能否良好的正阻尼。校核流程图见图10.

校核步骤如下：

步骤1：将励磁系统实测无补偿特性曲线录入，根据相关PSS及励磁系统参数，仿真计算得到PSS对于励磁系统的有补偿频率特性曲线。将仿真曲线与实测有补偿曲线进行对比。观察PSS的相位补偿效果是否良好。

步骤2：根据现场实测得到的有、无PSS的负载阶跃试验波形，提取相关特征量，校核加装PSS以后的阻尼特性是否满足要求。

步骤3：按照相关标准进行阻尼特性的评价和计算后，将校核结果显示和输出。

该机组的无补偿相频特性见图11，按照图12搭建的PSS模型进行仿真，经仿真得到的PSS有补偿特性与PSS实测有补偿特性对比图见图13；从图中可以看到，PSS参数能够补偿0.1～2HZ频段的相位滞后，相位补偿效果良好。

实测的发电机负载阶跃试验波形如图14所示，利用实测曲线上计算有无PSS时的振荡次数，振荡频率和阻尼比，查看加入PSS以后各特征量变化是否满足要求校核通过判据为：

a)比较有无PSS负载阶跃有功功率的振荡频率检验PSS相位补偿和增益是否合理，有PSS的振荡频率应是无PSS的振荡频率的95％～110％；

b)有PSS应比无PSS的负载阶跃响应的阻尼比提高0.05或0.1，其中0.05值对应无PSS的阻尼比大于0.1的情况，0.1值对应无PSS的阻尼比小于0.1的情况，对于机端并列机组有PSS的负载阶跃响应的阻尼比比无PSS的提高大于0.1～0.2。

表4波形特征评价表

仿真与实测的对比表明，增加PSS以后，阻尼效果得到了明显的改善。整定的PSS参数性能符合要求。

5.归一化到PSASP的发电机励磁回路参数计算：

利用发电机空载特性可确定发电机励磁回路的计算基准值及模型参数数，发电机空载特性曲线机拟合气隙线见图15

具体包括以下几项：

1)发电机励磁电流基准值I_FDB

2)发电机励磁回路电阻的基准值R_FDB

3)发电机励磁电压基准值U_FDB

4)整流器换相压降系数K_c的计算：

5)励磁调节器最大最小输出电压计算：

该电厂励磁回路计算过程及结果如下：

A.由发电机空载特性可确定发电机励磁回路的计算基准值及模型参数：

(1)发电机励磁电流的基准值I_FDB：

选取发电机空载特性曲线气隙线上与发电机额定电压相对应的发电机励磁电流为发电机励磁电流的基准值I_FDB＝1250.0A，实测I_FDB＝1272.6A，误差＝-22.6A

(2)发电机励磁回路电阻的基准值R_FDB：

选取发电机铭牌额定励磁电压与额定励磁电流之比作为发电机励磁绕组电阻的基准值

实测R_FDB＝0.098Ω，误差＝-0.00Ω

(3)发电机励磁电压的基准值U_FDB：

U_FDB＝R_FDB×I_FDB＝125.0V，实测U_FDB＝122.7V.误差＝-2.3V

B.整流器换相压降系数K_C的计算：

励磁变压器短路电抗X_K＝0.1

励磁变压器额定容量S_N＝6500kVA

励磁变压器二次额定线电压U_N＝950V

$K_c=\frac{3\×U_k\×U_N^2}{\mathrm{\π}\×R_{\mathrm{FDB}}\×S_N}$

得：K_C＝0.105，实测K_C＝0.105误差＝-0.00

C.励磁调节器最大最小输出电压计算：

发电机晶闸管最大最小控制角分别为：α_min＝31.1°，α_max＝113.8°由V_rmax＝1.35Ucosα_min/U_FDB；V_rmin＝1.35Ucosα_max/U_FDB；

计算得：V_rmax＝8.79实测：V_rmax＝9.56误差＝0.78

计算得：V_rmin＝-4.14，实测：V_rmax＝-6.44误差＝-2.30

6.电力系统稳定器(PSS)参数优化

(1)PSS参数优化整定校核

根据在线无补偿特性测试结果及试验前进行的PSS参数设计计算，对PSS频率响应特性进行仿真修正计算，得到多组PSS参数。

根据现场参数优化整定试验得到的多组PSS参数，计算出该系统的相频特性曲线，并判断所选择PSS参数的是不是符合电力系统稳定器试验导则的相关要求。

(2)PSS增益特性校核

现场采根据时域特性求出PSS的临界增益，再由临界增益整定PSS的增益。

按DL/T843和DL/T650的规定：PSS的输入信号为功率时PSS增益可取临界增益的1/3～1/5(相当于开环频率特性增益裕量为9dB～14dB)，PSS的输入信号为频率或转速时可取临界增益的1/2～1/3(相当于开环频率特性增益裕量为6dB～9dB)；

因此，校核时根据PSS的频域特性，求取PSS的开环频率特性的增益裕量是否在DL/T843和DL/T650规定的范围内，并给出结论。

(3)PSS参数手工优化

根据现场实测试验及PSS仿真模型，计算出PSS随参数变化的频率特性。由国家和行业标准得到，在该电力系统低频振荡区内使PSS输出的力矩向量对应Δω轴在超前10°～滞后45°；当有低于0.2Hz频率要求时，最大的超前角不得大于40°，在计算出频率特性的同时给出国家和行业标准规定的频率特性范围，使在该范围内的PSS参数均可以提供良好的阻尼。

进行手工优化时，可以根据不同PSS参数在后台计算出PSS频率特性，并实时显示出随参数变化的频域特性曲线，依照上述标准，当得到较好的补偿效果的频域特性曲线时即可将改组PSS参数保存与输出。

Claims (1)

1.一种励磁系统建模自动校核及PSS优化方法，其特征在于：该方法包括以下内容：

(1)发电机励磁系统及PSS建模自动校核信息数据库的建立：包括发电机励磁系统及PSS基本信息、现场试验项目、现场试验结果数据信息；

(2)根据发电机励磁系统及PSS现场实测试验进行仿真计算及仿真方法研究，包括时域仿真计算和频域仿真计算；

(3)设计发电机励磁系统及PSS建模的自动校核人机接口方案，将机组及相关试验信息输入后，选择相关校核项目校核，即完成自动校核，校核结果自动生成为Word文档形式，并给出校核通过与否的判断意见；

(4)PSS参数优化：通过实时修改设置PSS各环节参数，自动计算得出PSS随参数变化的相位结果，根据国标和行标对PSS的相频特性和幅频特性要求，规定出PSS随参数变化的可取范围。

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