一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法

一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法
【专利摘要】本发明为了解决现有励磁系统建模过程中，传统测量发电机定子开路瞬变时间常数的方法一般需要更改一次回路接线，使得测量安全性要求较高、试验工作量较大的问题，提供一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，所述测量方法，基于matlab/simulink平台搭建发电机空载仿真系统，以实测同步发电机励磁电压为输入，仿真得出发电机输出电压曲线，对比发电机输出电压的实测曲线和仿真曲线，拟合得出定子开路瞬变时间常数。本发明提出的试验与仿真拟合相结合的测试方法，有效地解决了传统试验方法的接线复杂、结果准确性不高的问题，具有较高的经济性和实用价值。
【专利说明】—种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统运行与测量相关【技术领域】，进一步地说，涉及一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，尤其是采用自并励励磁系统的同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，以解决励磁系统建模过程中发电机定子开路瞬变时间常数的测量问题。
[0002]
【背景技术】
[0003]随着经济发展，电网互联规模不断增长，电源建设速度也同步加快。大容量发电机组并网运行时的安全稳定性能关系到整个电网运行的安全稳定，而这些机组的励磁系统对机组的稳定运行又起着至关重要的作用。因此，大容量新机组投运时励磁系统的调节性能能否满足机组并网安全稳定运行的要求，成为电力系统关注的焦点。
[0004]励磁系统建模是在为发电机组励磁系统投运试验提供技术支持和现场监督服务的基础上，建立能够真实反映机组调节特性的励磁系统模型，并结合各项投运试验波形，分析励磁系统的调节性能是否满足并网要求。其中，在励磁系统建模过程中，发电机定子开路瞬变时间常数对仿真结果影响很大，传统的测量方法由于需要更改一次回路接线，其安全性要求高、试验工作量大。

【发明内容】

[0005]本发明为了解决现有励磁系统建模过程中，传统测量发电机定子开路瞬变时间常数的方法一般需要更改一次回路接线，使得测量安全性要求较高、试验工作量较大的问题，提供一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法。
[0006]本发明的技术方案如下:
一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，其特征在于，包括如下步骤:
1、让被测同步发电机运行在空载工况下，调整同步发电机的输出电压小于同步发电机的额定输出电压，并使得励磁调节器运行在自动通道；
2、对被测同步发电机进行电压阶跃试验，记录阶跃试验过程中，被测同步发电机的输出电压曲线和励磁电压曲线；
3、采用matI ab/s imu I ink搭建被测同步发电机的空载仿真系统，在空载仿真系统中拟定定子开路瞬变时间常数，以步骤2中记录的被测同步发电机励磁电压曲线作为空载仿真系统的输入，输出同步发电机输出电压的仿真曲线；
4、当所述仿真曲线的上升时间、超调量和稳态值与被测同步发电机的输出电压曲线的偏差均满足预设偏差范围时，即将步骤3中拟定的定子开路瞬变时间常数作为被测同步发电机的定子开路瞬变时间常数，否则调整步骤3中拟定的定子开路瞬变时间常数，直到仿真曲线的上升时间、超调量和稳态值均满足预设偏差范围，得到被测同步发电机的定子开路瞬变时间常数。[0007]本发明中，所述步骤I中，调整同步发电机的输出电压为同步发电机的额定输出电压的50%至70%。
[0008]本发明中，所述步骤2中的电压阶跃试验为被测同步发电机3%至5%电压阶跃试验。
[0009]本发明中，所述步骤2中，对被测同步发电机的输出电压和励磁电压进行标幺化，得到标么后的被测同步发电机的输出电压标么曲线和励磁电压标么曲线，所述同步发电机输出电压标么值Ut=Ut_sc/Un,励磁电压标么值Uf=(Ut_w/Uf_w/Un)*Uf_sc,其中，Ut_sc为被测同步发电机的输出电压值，Un为被测同步发电机额定输出电压值，Uf_w为被测同步发电机电压阶跃试验稳态励磁电压值，Ut_w被测同步发电机稳态输出电压值。
[0010]采用被测同步发电机电压阶跃试验稳态后，励磁电压曲线上多个时刻点的励磁电压值的平均值作为被测同步发电机电压阶跃试验稳态励磁电压值，采用前所多个时刻点的励磁电压值各自在同一时刻的同步发电机输出电压值的平均值作为被测同步发电机稳态输出电压值。
[0011]所述步骤3中，将励磁电压标么曲线作为空载仿真系统的输入，空载仿真系统输出同步发电机输出电压标幺曲线的仿真曲线。
[0012]所述步骤4中，当所述输出电压标幺曲线的仿真曲线的上升时间、超调量和稳态值与被测同步发电机的输出电压标么曲线的偏差均处于预设偏差范围时，即将步骤3中拟定的定子开路瞬变时间常数作为被测同步发电机的定子开路瞬变时间常数。
[0013]本发明中，当所述仿真曲线的超调量偏大时，调大步骤3中拟定的定子开路瞬变时间常数，反之调小步骤3中拟定的定子开路瞬变时间常数。
[0014]所述拟定的定子开路瞬变时间常数的调节步长为0.0ls至0.05s。
[0015]本发明中，所述上升时间的预设偏差范围为±0.005s，所述超调量的预设偏差范围为±1%，所述稳态值的预设偏差范围为不超过阶跃量的±1%。
[0016]本发明同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，提出了试验与仿真拟合相结合的测试方法，本发明具有不需要更改一次回路接线、试验过程简单的优良特性，本发明尤其适用于自并励励磁系统的发电机定子开路瞬态时间常数的测量，有效地解决了传统试验方法的接线复杂、结果准确性不高的问题，具有较高的经济性和实用价值。
【专利附图】

【附图说明】
[0017]图1为本发明的流程图。
[0018]图2为电压阶跃试验中，同步发电机输出电压标幺曲线与空载仿真系统仿真标幺曲线，第一种情况的对比示意图。
[0019]图3为电压阶跃试验中，同步发电机输出电压标幺曲线与空载仿真系统仿真标幺曲线，第二种情况的对比示意图。
[0020]图4为电压阶跃试验中，同步发电机输出电压标幺曲线与空载仿真系统仿真标幺曲线，第三种情况的对比示意图。
[0021]
【具体实施方式】[0022]首先，需要说明的是，对于同步发电机，尤其是采用自并励励磁系统，发电机的励磁电压是励磁调节器输出的，输入到发电机转子回路进行励磁，发电机的输出电压由定子输出。
[0023]参见图1，本发明同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，包括如下步骤: 首先，让被测同步发电机运行在空载工况下，调整同步发电机的输出电压小于同步发
电机的额定输出电压，并使得励磁调节器运行在自动通道。为了取得较好的测量效果，同步发电机的输出电压较好的是为同步发电机的额定输出电压的50%至70%，这是因为，在同步发电机电压低于70%的时候，发电机处于未饱和状态，其模型为一阶惯性环节，而大于70%的时候，发电机运行在饱和区，其模型需考虑饱和特性，模型相对复杂；自并励励磁系统电压过低无法建立电压，所以同步发电机的输出电压也不能低于额定输出电压的50%，此时励磁系统运行稳定。
[0024]然后，对被测同步发电机进行电压阶跃试验，电压阶跃试验较好的是采用被测同步发电机3%至5%电压阶跃试验，这是因为，阶跃量过大容易进入励磁调节器限幅区，阶跃量过小过程又不够清晰显著，对阶跃试验过程中，被测同步发电机的输出电压曲线和励磁电压曲线进行记录，记录过程可以采用电量记录分析仪进行，通过电量记录分析仪的录波数据形成曲线。
[0025]接着,采用matlab/simulink搭建被测同步发电机的空载仿真系统,在空载仿真系统中拟定定子开路瞬变时间常数，以前一步骤中记录的被测同步发电机励磁电压曲线作为空载仿真系统的输入，这里，将电量记录分析仪对励磁电压的录波数据转换为excel文件并导入到matlab中，本领域技术人员对此是熟知的，此处不再累述，最终，空载仿真系统输出同步发电机输出电压的仿真曲线；
最后，将空载仿真系统输出同步发电机输出电压的仿真曲线与被测同步发电机的输出电压曲线进行对比，当仿真曲线的上升时间、超调量和稳态值与被测同步发电机的输出电压曲线的偏差均满足预设偏差范围时，即将空载仿真系统中拟定定子开路瞬变时间常数作为被测同步发电机的定子开路瞬变时间常数，否则调整空载仿真系统中拟定定子开路瞬变时间常数，直到仿真曲线的上升时间、超调量和稳态值均满足预设偏差范围，得到被测同步发电机的定子开路瞬变时间常数。这里，对于上升时间、超调量和稳态值的预设偏差范围，较优的是上升时间的预设偏差范围为±0.005s，即仿真曲线与被测同步发电机的输出电压曲线相比上升时间的偏差在±0.005s之内；超调量的预设偏差范围为±1%，即仿真曲线与被测同步发电机的输出电压曲线相比超调量的偏差不超过±1%;稳态值的预设偏差范围为不超过阶跃量的±1%，即仿真曲线与被测同步发电机的输出电压曲线相比稳态值的偏差不超过土 1%。
[0026]参见图2至图4，本发明以某台同步发电机为例，采用本发明方法测量发电机定子开路瞬变时间常数，并结合同步发电机说明书中提供的数据及现场实际情况，来验证本发明方法的有效性。具体实施过程如下:
在被测同步发电机空载运行时，调整被测发电机输出电压至额定输出电压的50%，对被测同步发电机进行5%电压阶跃试验，在阶跃试验过程中，采用电量记录分析仪的录波数据形成被测同步发电机的输出电压曲线和励磁电压曲线。
[0027]为了避免被测同步发电机环境温度对被测同步发电机的输出电压曲线和励磁电压曲线的影响，造成对最终同步发电机定子开路瞬变时间常数测量结果的影响，本实施方式中，对被测同步发电机的输出电压和励磁电压进行标么化，得到标么后的被测同步发电机的输出电压标么曲线和励磁电压标么曲线，具体方法如下:
设任意时刻同步发电机输出电压的标幺值为Ut,任意时刻励磁电压的标幺值为Uf,任意时刻被测同步发电机的输出电压值为Ut_SC，被测同步发电机额定输出电压值为Un，被测同步发电机电压阶跃试验稳态励磁电压值为Uf_w，被测同步发电机稳态输出电压值为Ut_w，存在以下公式:
同发电机输出电压标么值Ut=Ut_sc/Un(I)
励磁电压标么值 Uf= (Ut_w/Uf_w/Un) *Uf_sc(2)
那么，通过之前获取的被测同步发电机的输出电压曲线和励磁电压曲线，即可将被测同步发电机的输出电压和励磁电压进行标幺化，得到标幺后的被测同步发电机的输出电压标幺曲线和励磁电压标幺曲线。
[0028]由于被测同步发电机电压阶跃试验稳态励磁电压值Uf_w是通过励磁电压曲线进行读取的，为了消除取值不准确带来的影响，可以在稳态时多选取几点计算再取平均值，即被测同步发电机电压阶跃试验稳态后，在励磁电压曲线上不同的多个时刻点选取几个读数点，以上述几个读数点励磁电压值的平均值作为被测同步发电机电压阶跃试验稳态励磁电压值，再读取前所每个时刻点(读数点)的同步发电机输出电压值，以上述几个时刻点(读数点)同步发电机输出电压值的平均值作为被测同步发电机稳态输出电压值。
[0029]这样，在空载仿真系统拟定定子开路瞬变时间常数，进行电压阶跃试验时，将采用励磁电压标么曲线作为空载仿真系统电压阶跃试验的输入，空载仿真系统输出的将是同步发电机输出电压标么曲线的仿真曲线。进一步，在判断空载仿真系统中拟定的定子开路瞬变时间常数是否可以作为被测同步发电机的定子开路瞬变时间常数时，将采用输出电压标幺曲线的仿真曲线的上升时间、超调量和稳态值是否与被测同步发电机的输出电压标幺曲线的偏差均处于预设偏差范围。采用标么曲线进行比较与采用实际电压值曲线进行比较，预设偏差范围是相同的，此处不再累述。
[0030]再参见图2，空载仿真系统中拟定的定子开路瞬变时间常数
匕很不合理，并且励磁电压标么值未采用本发明的方法计算，仿真曲线(即空载仿真系统
输出的同步发电机输出电压标么曲线的仿真曲线，图3和图4亦同)与实测曲线(即被测同步发电机输出电压标么曲线，图3和图4亦同)无论是上升时间、超调量，还是稳态值的偏差都很大。
[0031]再参见图3，为了尽可能快速完成对定子开路瞬变时间常数:C的测试，在空载仿
真系统中拟定的定子开路瞬变时间常数&时，较好的是首先选取同步发电机说明书提供
的定子开路瞬变时间常数作为空载仿真系统中拟定的定子开路瞬变时间常数？I，本实施
例中，同步发电机说明书中的定子开路瞬变时间常数Tj0为8.6s。经过再次仿真，仿真曲线和实测曲线的稳态值一致，但仿真曲线的超调量超出了预设偏差范围，那么，需要修改空载仿真系统中拟定的定子开路瞬变时间常数。[0032]当仿真曲线的超调量偏大时，应当调大空载仿真系统中拟定的定子开路瞬变时间常数匕，反之，应当调小空载仿真系统中拟定的定子开路瞬变时间常数。，拟定的定子
开路瞬变时间常数Ti的调节步长为较好的是采用0.0ls至0.05s。
[0033]再参见图4，本实施方式中，以0.05s的步长调大拟定的定子开路瞬变时间常数 并仿真得出仿真曲线，经过几次调节，当拟定的定子开路瞬变时间常数=8.85s时，
仿真曲线与实测曲线吻合的很好，仿真曲线的上升时间、超调量和稳态值均满足预设偏差范围，最终，得到被测同步发电机的定子开路瞬变时间常数=8.85s。
【权利要求】
1.一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)让被测同步发电机运行在空载工况下，调整同步发电机的输出电压小于同步发电机的额定输出电压，并使得励磁调节器运行在自动通道； 2)对被测同步发电机进行电压阶跃试验，记录阶跃试验过程中被测同步发电机的输出电压曲线和励磁电压曲线； 3)采用matlab/simulink搭建被测同步发电机的空载仿真系统,在空载仿真系统中拟定定子开路瞬变时间常数，以步骤2)中记录的被测同步发电机励磁电压曲线作为空载仿真系统的输入，输出同步发电机输出电压的仿真曲线； 4)当所述仿真曲线的上升时间、超调量和稳态值与被测同步发电机的输出电压曲线的偏差均满足预设偏差范围时，即将步骤3)中拟定的定子开路瞬变时间常数作为被测同步发电机的定子开路瞬变时间常数，否则调整步骤3)中拟定的定子开路瞬变时间常数，直到仿真曲线的上升时间、超调量和稳态值均满足预设偏差范围，得到被测同步发电机的定子开路瞬变时间常数。
2.根据权利要求1所述的一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，其特征在于:所述步骤I)中，调整同步发电机的输出电压为同步发电机的额定输出电压的50%至70%。
3.根据权利要求1所述的一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，其特征在于:所述步骤2中的电压阶跃试验为被测同步发电机3%至5%电压阶跃试验。
4.根据权利要求1所述的一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，其特征在于:所述步 骤2)中，对被测同步发电机的输出电压和励磁电压进行标么化，得到标幺后的被测同步发电机的输出电压标幺曲线和励磁电压标幺曲线，所述同步发电机输出电压标幺值Ut=Ut_sc/Un,励磁电压标么值Uf=(Ut_w/Uf_w/Un)*Uf_sc,其中，Ut_sc为被测同步发电机的输出电压值，Un为被测同步发电机额定输出电压值，Uf_w为被测同步发电机电压阶跃试验后稳态励磁电压值，Ut_w被测同步发电机稳态输出电压值。
5.根据权利要求4所述的一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，其特征在于:采用被测同步发电机电压阶跃试验稳态后，励磁电压曲线上多个时刻点的励磁电压值的平均值作为被测同步发电机电压阶跃试验稳态励磁电压值，采用前所多个时刻点的励磁电压值各自在同一时刻的同步发电机电压定子值的平均值作为被测同步发电机稳态输出电压值。
6.根据权利要求4或5所述的一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，其特征在于:所述步骤3)中，将励磁电压标么曲线作为空载仿真系统的输入，空载仿真系统输出同步发电机输出电压标幺曲线的仿真曲线。
7.根据权利要求6所述的一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，其特征在于:所述步骤4)中，当所述输出电压标么曲线的仿真曲线的上升时间、超调量和稳态值与被测同步发电机的输出电压标么曲线的偏差均处于预设偏差范围时，即将步骤3)中拟定的定子开路瞬变时间常数作为被测同步发电机的定子开路瞬变时间常数。
8.根据权利要求1所述的一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，其特征在于:当所述仿真曲线的超调量偏大时，调大步骤3)中拟定的定子开路瞬变时间常数，反之调小步骤3)中拟定的定子开路瞬变时间常数。
9.根据权利要求8所述的一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，其特征在于:所述拟定的定子开路瞬变时间常数的调节步长为0.01s至0.05s。
10.根据权利要求1所述的一种同步发电机定子开路瞬变时间常数的测量方法，其特征在于:所述上升时间的预设偏差范围为±0.005s，所述超调量的预设偏差范围为±1%，所述稳态值的预设偏差范围为不超过阶跃量的±1%。
【文档编号】G01R31/34GK103823183SQ201410071550
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】戴申华, 何晓伟, 赵龙, 罗亚桥, 桂国亮, 郑国强, 高博, 谢毓广, 徐斌, 丁津津 申请人:国家电网公司, 国网安徽省电力公司电力科学研究院