本发明属于电力系统仿真
技术领域：
，具体涉及一种快速平滑启动的发电机组电磁暂态仿真方法。
背景技术：
：未来的电力系统将包含大量采用电力电子换流器接口的新能源电源，加上早已存在的直流输电和柔性交流输电系统，使得电力系统除了传统的电磁元件外还包含了相当数量的电力电子装置，此种系统称为交直流混合电力系统(HybridAC/DCpowersystem)。在交直流混合电力系统中，机电暂态仿真程序一般用于分析交流系统对称故障或者直流系统闭锁情况下系统的安全稳定性。由于机电暂态分析程序对交流网络的模拟仅仅采用了基波频率下的正序相量描述，电力电子装置的响应特性只能基于交流系统的正序基波相量，因此机电暂态分析程序无法描述交直流混合电力系统非基波频率或交流系统不对称下的特性，而需要使用电磁暂态仿真来研究交直流电力系统的暂态过程。在大规模交直流电力系统电磁暂态建模时，若用理想源表示发电机会给稳定性研究带来较大误差，而常用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC模型库中仅包含了少量典型的IEEE励磁调速器、稳定器与调速器原动机模型，较国内常用的机电暂态仿真软件BPA稳定计算模型少很多且框图具有较大不同，因此为更好地从机电暂态数据转换成电磁暂态数据需要做模型自定义工作。如图1所示为BPA稳定计算所用励磁模型FV卡，如图2所示为PSCAD/EMTDC模型库中与之最为相似的ST1A模型，虽然两者均描述了自并励励磁系统，但因传递框图存在不同使仿真结果具有较大差异，对系统稳定性判别产生巨大影响。另一方面，发电机惯性时间常数较大，当系统中含有多台发电机并在系统启动阶段直接投入时，相互之间的影响作用将有可能引起系统的不稳定，因此需要通过初始化技术来平和地过渡此过程。现有一种解决软件模型种类不足的办法是采用软件提供的图形化传递函数搭建，但此种模型定义方法不方便初始化且定义的模型仅限于某一种仿真软件中使用，不具有跨平台使用能力。因此需要发明一种模型定义方法使得机组模型在电磁暂态仿真中能够快速平滑启动，且具有准确表达各环节动态特性的具有跨软件平台的模型定义方法。技术实现要素：针对一般电磁暂态仿真软件模型库中发电机组模型类型不足、采用图形化框图搭建机组启动存在困难的现状，本发明提供了一种快速平滑启动的发电机组电磁暂态仿真方法，该方法将机组模型表达成状态空间表达式，再使用编程语言定义，实际仿真计算时将过程分为三个阶段，分步决定机组模型中不同组件进行初始化或者数值积分；采用本发明方法定义和流程计算的机组模型可快速平滑地启动至预期运行点，可在不同仿真软件中被调用而具备跨软件平台使用的能力。一种快速平滑启动的发电机组电磁暂态仿真方法，包括如下步骤：(1)对于发电机组的任一组件，将该组件模型的传递函数方框图展开成时域的状态空间表达式，进而根据该状态空间表达式得到用于求解组件状态变量矩阵x的方程表达式如下：其中：y0为组件模型的预期输出，u为组件模型的输入变量矩阵，f()为组件模型的演化表达式，g()为组件模型的输出表达式；(2)使发电机组中的各组件按电力系统稳定器、励磁调节器、同步发电机、调速器原动机依次连接；(3)当发电机组所在系统启动时，同步发电机根据潮流计算得到的机端电压和相位角以理想电源形式运行，并根据发电机电磁回路稳态模型输出所需的励磁电压Ef0以及测量值ue(例如励磁电流或机端电压等)反解出励磁调节器模型中的状态变量xe，进而根据状态变量xe通过励磁调节器模型求得电压参考值Vref；使电力系统稳定器模型输出辅助控制信号Vs＝0，根据辅助控制信号Vs与输入反馈值up(例如机端电压或转速等)反解出电力系统稳定器模型中的状态变量xp；(4)待系统中其他元件初始化完成后，同步发电机由理想电源切换至固定转速电机模型，并投入励磁调节器模型与电力系统稳定器模型；投入使用后励磁调节器根据初始化阶段得到的状态变量xe按照状态空间表达式进行数值积分并输出积分结果，若励磁调节器模型缺失情况下则励磁调节器输出初始化时刻的励磁电压Ef0并保持不变；电力系统稳定器根据初始化阶段得到的状态变量xp按照状态空间表达式进行数值积分并输出积分结果，若电力系统稳定器模型缺失情况下则电力系统稳定器输出辅助控制信号Vs＝0并保持不变；此阶段过程中同步发电机根据转子摇摆稳态方程输出所需的机械转矩Tm0以及测量值ug(例如转速等)反解出调速器原动机模型中的状态变量xg；(5)系统运行若干毫秒后投入调速器原动机模型，投入使用后调速器原动机根据初始化阶段得到的状态变量xg按照状态空间表达式进行数值积分并输出积分结果，若调速器原动机模型缺失情况下则调速器原动机输出初始化时刻的机械转矩Tm0并保持不变；至此发电机组模型启动完成，所有组件按照所述状态空间表达式执行后续仿真。所述状态空间表达式如下：其中：为组件状态变量矩阵x的导数，y为组件模型的输出信号。所述步骤(3)中通过以下方程反解出励磁调节器模型中的状态变量xe：其中：fe()为励磁调节器模型的演化表达式，ge()为励磁调节器模型的输出表达式。所述步骤(3)中通过以下方程反解出电力系统稳定器模型中的状态变量xp：其中：fp()为电力系统稳定器模型的演化表达式，gp()为电力系统稳定器模型的输出表达式。所述步骤(4)中通过以下方程反解出调速器原动机模型中的状态变量xg：其中：fg()为调速器原动机模型的演化表达式，gg()为调速器原动机模型的输出表达式。发电机组的准确仿真是大规模交直流电力系统电磁暂态仿真基本保障，采用本发明上述仿真算法可用Fortran编写出与BPA稳定计算中完全相同的机组模型，该模型能够快速启动，启动后与稳态计算保持一致，克服了以往电磁暂态仿真中机组启动困难的技术瓶颈；本发明以编程语言为基础的模型定义方式不受仿真软件限制而可跨软件平台使用，避免了重复性工作与图形化形式定义模型的繁琐；由此，本发明对电力系统规划与运行阶段的电磁暂态仿真具有重要意义。附图说明图1为电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中的ST1A励磁模型示意图。图2为电磁暂态仿真软件BPA中的FV卡励磁模型示意图。图3为发电机组模型中各组件统一信号连接方式示意图。图4为发电机组模型的仿真计算流程示意图。图5为四机两区测试系统的结构示意图。图6(a)为四机两区测试系统在模型BPA、模型ST1A以及本发明模型仿真下发电机G1的励磁输出结果示意图。图6(b)为四机两区测试系统在模型BPA、模型ST1A以及本发明模型仿真下发电机G2的励磁输出结果示意图。图6(c)为四机两区测试系统在模型BPA、模型ST1A以及本发明模型仿真下发电机G3的励磁输出结果示意图。图6(d)为四机两区测试系统在模型BPA、模型ST1A以及本发明模型仿真下发电机G4的励磁输出结果示意图。具体实施方式为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。本发明方法将机组模型表达成状态空间表达式，再使用编程语言定义，实际仿真计算时将过程分为三个阶段，分步决定机组模型中不同组件进行初始化或者数值积分。本发明中发电机组模型定义包括以下两个环节：首先，对机组模型各组件的传递函数方框图展开成时域的状态空间表达式，即表达成以下形式：其中：x为状态变量矩阵，u为组件输入变量矩阵，y为组件输出，f(·)为组件演化表达式，g(·)为组件输出表达式。然后，由组件模型预期输出y0和组件输入变量矩阵u反解出组件状态变量矩阵x，即求解以下方程组：发电机组中的各组件按上述方式定义好后，按照使用如图3的统一方式连接，组件根据其模型名称调用不同的子函数。图4为所定义的发电机组模型在仿真计算时的计算流程，其中下标e表示励磁系统相关模型，下标p表示稳定器相关模型，下标g表示调速器原动机相关模型；实际仿真计算过程分为以下三个阶段：(i)系统启动时，同步电机按照潮流计算得到的机端电压与相角按照理想源运行，并根据发电机电磁回路稳态模型输出所需励磁电压Ef0,根据Ef0与其他量测量ue(例如励磁电流、机端电压等)可以按照式(2)反解出励磁调节器控制系统中所有状态变量xe与电压参考值Vref；稳定器模型输出Vs＝0，根据Vs与输入反馈值up(例如机端电压、转速等)按照式(2)反解所有状态变量xp。(ii)待系统中其他元件初始化完成后，同步电机切换至固定转速电机模型，投入励磁调节器与稳定器模型，投入使用后从励磁根据初始化阶段得到的状态变量xe按照式(1)往后数值积分，若不含有励磁调节器则以初始化时刻Ef0作为励磁输出，保持不变；稳定器根据初始化阶段得到的状态变量xp按照式(1)往后数值积分，若不含稳定器模型则Vs保持0不变；此阶段机组将根据转子摇摆稳态方程输出所需机械转矩Tm0，根据Tm0与其他量测量ug(例如转速等)按照式(2)反解出调速器原动机模型中所有状态变量xg。(iii)运行若干毫秒后投入原动机调速器模型，调速器原动机以初始化阶段得到的状态变量xg按照式(1)往后数值积分，若不含调速器原动机模型，则以初始化时刻Tm0作为原动机输出保持不变，至此发电机组模型启动完成。现以图2所示BPA软件中励磁模型FV卡为例，说明将此模型定义为可快速平滑启动的电磁暂态机组励磁模型的过程。根据图2的方框图写出其等价的时域状态空间表达式如下：根据模型的预期输出与外部相关输入条件，求解各状态变量与电压参考值的初始条件如下：在使用编程语言编写该模型时，根据使能信号选择如式(4)的初始化操作或者根据式(3)进行数值积分；稳定器、原动机调速器模型均按照类似方法定义。下面对如图5所示的四机两区算例实施本发明仿真计算流程作为该模型定义的有效性验证。发电机励磁模型均采用FV卡模型，其余发电机组件或网络元件均与众所周知的四机两区模型相同，图4中发电机模型模式切换时间分别为1.2s与1.3s。2s时8号母线侧三相短路故障，延时0.1s故障切除的仿真结果如图6所示，其展示了各发电机励磁输出的PSCAD计算结果与BPA计算结果，同时展示了现有模型库中自带的ST1A模型，其参数根据图1和图2按照近似对应原则给出，两者参数取值与对应如表1所示：表1FVST1A0TR＝0.02TR＝0.021K＝500VIMAX＝102Kv＝1.0VIMIN＝-103T1＝1.0TC(sec)＝T14T2＝10.0TB(sec)＝T25T3＝0.025TC1(sec)＝T36T4＝0.025TB1(sec)＝T47KA＝1KA＝KA*K8TA＝0.01TA＝0.019VAmax＝10.0VAMAX＝10.010VAmin＝-10.0VAMIN＝-10.011KF＝0.0VRMAX＝1012TF＝1.0VRMIN＝-1013KC＝0.001KC＝0.00114VRmax＝10KF＝0.015VRmin＝-10TF＝1.016KLR＝017ILR＝0由图6可见，根据参数近似对应关系得到的模型仿真曲线在故障切除后有发散振荡的趋势，而采用本发明自定义模型不仅与自带的模型一样可以快速启动，同时自定义励磁模型输出与BPA励磁输出具有很高的相似性，对系统稳定性研究结论的有效性具有重大提升作用。上述对实施例的描述是为便于本
技术领域：
的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3