基于发电机异步自励磁试验及机组轴系扭振暂态试验的同步电机参数修订辨识方法与流程

1.本发明是基于发电机异步运行试验和机组轴系扭振暂态试验的同步电机参数修订辨识方法，属于同步发电机电气参数实测技术领域。


背景技术：

2.保障电力系统稳定运行的技术措施是在对电力系统进行准确仿真计算分析的基础上制定的。同步发电机作为电力系统中最重要、最复杂的元件，由多个具有电磁耦合关系的绕组构成，动态特性十分复杂。反映同步发电机暂态、瞬态过程参数的准确程度，是电网故障计算、同步发电机电压波动计算、冲击电压计算和励磁系统设计等工作的前提条件，因此如何建立并获取更加精确的发电机电气参数一直是电网安全生产的重要研究课题。
3.目前实际工程项目中，通常采用厂家设计参数或通过时域测试法、抛载法等测辨得到的发电机电气参数，这些参数在研究电力系统常规稳态、暂态问题时能够满足工程可靠性要求，但在研究同步发电机组次同步谐振/振荡问题时具有较大的误差，尤其是在研究异步自励磁问题时通常会得到与实际工程实践完全相反的结论，这对当前次同步振荡问题频发及今后愈来愈复杂的电力系统来说是一项严重的挑战。因而，近年来又提出了基于同步发电机异步旋转频率响应试验的电气参数测辨法。该方法虽能够较为准确的描述同步发电机不同频率的外特性，但辨识过程较为复杂，且不能保证在计算机网复合共振和异步自励磁问题时均具备足够的精确度。
4.在进行次同步谐振/振荡风险评估、治理措施研究、尤其是阻塞滤波器系统设计时，若采用不够准确的同步发电机电气参数，可能导致次同步谐振/振荡风险评估结论不可靠、治理措施失效、甚至由于没有在预期研究中提前发现阻塞滤波器投运后可能引发的异步自励磁问题，很可能导致阻塞滤波器系统设计的失败，装置无法投入运行，影响电厂机组按时投产，造成巨大的经济损失。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种不仅在计算电力系统常规稳态、暂态问题时足够可靠，在计算机网复合共振和异步自励磁问题时也能得到可靠结论的同步发电机电气参数测辨方法。该方法在发电机厂家设计或者型式试验参数的基础上，利用发电机异步自励磁试验和机组轴系扭振暂态试验获取修订辨识同步电机参数的测量数据。
6.本发明采用如下方案：
7.一种基于发电机异步自励磁试验和机组轴系扭振暂态试验的同步电机参数修订辨识方法，包含如下步骤：
8.步骤1：获得机组轴系扭振暂态试验的试验数据，所述试验数据至少包含发电机组机头(或机尾)的转速差；
9.步骤2：获得异步自励磁模态频率下同步发电机异步运行状态的试验数据，所述试
验数据至少包含发电机机端定子电压、定子电流和励磁绕组电流；
10.步骤3：获得机组轴系扭振暂态试验的仿真数据，所述仿真数据至少包含发电机组机头(或机尾)的转速差；
11.步骤4：获得计算机网复合共振较为准确的发电机电气参数，所述发电机电气参数是在厂家设计参数或者型式试验参数的基础上，通过调整q轴运算参数中误差较大、对次同步谐振/振荡研究结论较为敏感的r
1q
、x
1q
、r
2q
、x
2q
等参数，直至各扭振模态频率下的发电机组转速差仿真值与试验录波值的阻尼特性基本吻合，辨识得到计算机网复合共振较为准确的发电机电气参数；
12.步骤5：获得发电机异步自励磁试验的仿真数据，所述仿真数据至少包含发电机机端定子电流；
13.步骤6：获得计算机网复合共振和异步自励磁均较为准确的同步发电机电气参数，所述发电机电气参数是在计算机网复合共振较为准确的发电机电气参数基础上，通过调整发电机d轴运算参数中误差较大、对次同步谐振/振荡研究结论较为敏感的r
1d
、x
1d
等参数，适当微调上述q轴运算参数，直至各扭振模态频率下的发电机组转速差仿真值与试验录波值的阻尼特性基本吻合、各异步自励磁模态频率下的发电机定子电流仿真值与试验录波值的发散或衰减速率基本吻合后，输出同步发电机的电气参数。
14.本发明中的机组轴系扭振暂态试验可以通过发电机组非同期(如5度角假同期)并网的方式，获得发电机组机头(或机尾)转速差的试验数据。采用可以整定并网角的同期装置实现发电机组5度角假同期并网，机组机头(或机尾)的转速信号用探头获取，使用特定的扭振录波装置对转速信号进行录波。
15.本发明中可以通过进行发电机异步自励磁试验的方式，获得异步自励磁模态频率下同步发电机异步运行状态的试验数据。采用单机-并联电容的接线方式，励磁系统退出，励磁绕组回路通过电缆短路，在发电机定子对地回路连接有电容器和电阻串接支路，电容器两端并联有一定容量的金属氧化物避雷器(mov)，转子拖动并保持一定转速，发电机发生异步自励磁，发电机此时处在异步运行方式；机端电压用三相电压互感器(pt)测量得到，机端电流用三相电流互感器(ct)测量得到，励磁绕组电流用变送器测量得到。
16.本发明的基于发电机异步自励磁试验和机组轴系扭振暂态试验的同步电机参数修订辨识方法中，获得计算机网复合共振较为准确的发电机电气参数，其关键在于发电机q轴参数的调整方法：对于发电机q轴运算参数r
1q
、x
1q
、r
2q
、x
2q
进行适当调整，调整方向为使得转换后的标准参数t
′
qo
、t
″
qo
值均较大幅度减小。
17.本发明的基于发电机异步自励磁试验和机组轴系扭振暂态试验的同步电机参数修订辨识方法中，获得计算机网复合共振和异步自励磁均较为准确的同步发电机电气参数，其关键在于发电机d轴运算参数的调整方法：适当增加r
1d
、减小x
1d
、其中r
fd
和x
fd
保持不变，使得转换后的标准参数t
″
do
较大幅度减小。
18.本发明的有益效果是：作为次同步谐振问题详细评估的基础，机组轴系参数测试已包含机组轴系扭振暂态试验，无需重复试验便可获得试验录波数据，只需记录好试验条件作为仿真建模的基础；次同步谐振问题风险评估已对待研究系统完成了仿真建模，无需过多工作量即可输出仿真数据；因此，实际工程中利用本方法辨识同步电机参数，只需进行发电机异步自励磁试验即可，该试验仅涉及发电机本身，不涉及电厂接入系统，试验实施方
便；并且通过本方法辨识所得的同步发电机电气参数在计算机网复合共振和异步自励磁问题时均有足够的精确度，尤其适用于采用阻塞滤波器方案抑制次同步谐振的工程。本方法已在托克托电厂五期工程阻塞滤波器的系统设计中得到成功应用。
附图说明
19.图1为本发明中通过同步发电机异步自励磁试验获取异步运行状态下发电机机端定子电流的试验接线。
20.图2为本发明中通过同步发电机机组轴系扭振暂态试验(非同期并网试验)获取发电机组转速信号的试验接线。
21.图3为发电机二阶经典等值电路模型的结构。
22.图4为厂家设计参数下机组转速差的仿真值与试验值的对比曲线。
23.图5是采用本方法辨识所得参数下机组转速差的仿真值与试验值的对比曲线。
24.图6是厂家设计参数下发电机机端定子电流的仿真值与试验值的对比曲线。
25.图7是采用本方法辨识所得参数下发电机机端定子电流的仿真值与试验值的对比曲线。
26.图8是采用本方法辨识所得参数与厂家设计参数下的发电机功角曲线比较图。
具体实施方式
27.一种基于发电机异步自励磁试验及机组轴系扭振暂态试验的同步电机参数修订辨识方法，通过同时比对同步电机异步自励磁和机组轴系扭振暂态两种试验的现场试验结果与仿真试验结果来修订确定同步电机参数的方法。
28.具体是，在同步电机厂家设计或者型式试验参数的基础上，保持部分较为可靠的d、q轴参数不变，调整部分潜在误差较大且对次同步谐振/振荡较为敏感的d、q轴参数，采用调整后的参数由电磁暂态仿真程序进行与现场试验相同条件下的所述两种仿真试验，将仿真异步自励磁试验和仿真机组轴系扭振暂态试验的结果与现场试验的结果进行比对，经过多次迭代，直至轴系扭振各模态的振荡特性、以及异步自励磁的激发特性与相同条件下的现场试验结果基本吻合时，认为仿真试验使用的参数为修订辨识的同步电机参数。
29.其中部分潜在误差较大且对次同步谐振/振荡较为敏感的轴参数包括q轴参数r
1q
、x
1q
、r
2q
、x
2q
和d轴参数r
1d
、x
1d
。
30.其中轴系扭振各模态的振荡特性主要关注扭振的衰减速率，或者说阻尼特性；轴系扭振各模态的振荡特性通过测量机头或者机尾的转速偏差来观测。
31.其异步自励磁的激发特性主要关注同步电机异步自励磁的发散或者衰减速率；异步自励磁的激发特性通过同步电机的机端电流中各特征频率分量来观测。
32.其机组轴系扭振暂态试验采用非同期并网的暂态试验，记录试验前的系统运行状态作为仿真计算的边界条件，记录机组机头(或机尾)的转速(或者转速偏差)录波作为试验结果。
33.发电机异步自励磁试验采用单机-并联电容的接线方式，励磁系统退出，励磁绕组回路短路，在发电机定子对地回路连接有电容器和电阻串接支路，电容器两端并联有一定容量的金属氧化物避雷器(mov)，转子拖动并保持一定转速，发电机发生异步自励磁，发电
机此时处在异步运行方式；用三相电压互感器(pt)测量得到机端电压，用三相电流互感器(ct)测量得到机端电流，用变送器测量得到励磁绕组电流。
34.获得机组轴系扭振暂态的仿真结果，采用电磁暂态仿真软件建立发电机组非同期并网试验仿真模型，发电机电气参数采用参数辨识过程中得到的各中间及最终参数，发电机轴系参数采用实测轴系参数；仿真输出发电机机头(或机尾)转速差。
35.获得同步发电机异步自励磁试验的仿真结果，采用电磁暂态仿真软件建立发电机异步自励磁试验仿真模型，发电机电气参数采用参数辨识过程中得到的各中间及最终参数；仿真输出发电机机端定子电流。
36.具体的，如图1所示，对于同步发电机异步自励磁试验，采用单机-并联电容的接线方式，励磁系统退出，励磁绕组回路通过电缆短路，在发电机定子对地回路连接有电容器和电阻串接支路，电容器两端并联有一定容量的mov；将同步发电机的转子由拖动装置拖动到指定转速，然后逐相合入三相断路器，将右侧的电容器和电阻与待测同步发电机连接，同步发电机经过一个暂态过程后，进入稳态异步运行状态。在第三相断路器合入时，启动暂态录波采集装置，开始记录机端定子电压、定子电流和励磁绕组电流。在采集一定时间段的数据后，断开三相断路器。完成一次异步自励磁频率下同步发电机异步运行状态试验数据的采集。
37.同步发电机异步自励磁试验中，拖动同步发电机转子的拖动装置，如果在火电厂的现场就是机组本身的汽轮机，如果在电机设备厂家进行试验就是大功率电机；发电机定子电压、电流和励磁绕组电流的试验测量设备为高精度的电力系统暂态记录仪，仪器采样率至少保证在2k以上，对同步发电机异步自励磁试验的暂态过程和稳态过程中相关电气量进行全程录波记录，包括暂态过程和稳态运行。
38.如图2所示，对于同步发电机组轴系扭振暂态试验，采用可以整定并网角的同期装置实现发电机组5度角假同期并网，机组机头(或机尾)的转速信号用探头获取，使用特定的扭振录波装置对转速信号进行录波。扭振录波装置应能够保证足够的测量精确度，需要对同步发电机组非同期并网试验的暂态和稳态过程中的转速信号进行全程录波记录，包括暂态过程和稳态运行，从并网时刻算起应至少记录30s数据。与此同时，为保证试验安全进行，需同时利用暂态记录仪监测自动准同期装置的导前合闸脉冲、发电机电压、系统电压等电气量。
39.如图3所示，本发明中同步发电机模型采用的是二阶经典等值电路模型，对应调整的发电机q轴和d轴电气参数是其运算参数，具体包括x
l
、x
ad
、x
1d
、r
1d
、x
fd
、r
fd
、x
aq
、x
1q
、r
1q
、x
2q
、r
2q
；而输入电磁暂态仿真软件中进行仿真计算的是发电机标准参数，具体包括：xd、x
′d、x
″d、t
′
do
、t
″
do
、xq、x
′q、x
″q、t
′
qo
、t
″
qo
；运算参数与标准参数两者之间的换算关系为：
40.xd＝x
l
+x
ad
41.x
′d＝xd(t4+t5)/(t1+t2)
42.x
″d＝xd(t4t6)/(t1t3)
43.t
′
do
＝t1+t244.t
″
do
＝t3[t1/(t1+t2)]
[0045]
其中，
[0046][0047][0048][0049][0050][0051][0052]
以上为d轴运算参数与标准参数的换算公式，类似的表达式可用于q轴，以上全部参数均为标幺值，上述时间常数的标幺值除以ω0＝2πf，就得到用s表示的时间常数。
[0053]
式中，x
l
、x
ad
、x
1d
、r
1d
、x
fd
、r
fd
、x
aq
、x
1q
、r
1q
、x
2q
、r
2q
对应图3中同步发电机二阶经典等值电路模型中相应的直轴、交轴电抗或电阻。其中，x
l
为定子漏电抗，x
ad
、x
aq
为直轴、交轴的电枢反应电抗，直轴阻尼绕组用x
1d
、r
1d
表示，励磁绕组用x
fd
、r
fd
表示，两个交轴阻尼绕组分别用x
1q
、r
1q
和x
2q
、r
2q
表示。
[0054]
式中，xd、xq为直轴、交轴同步电抗，x
′d、x
′q为直轴、交轴暂态电抗，x
″d、x
″q为直轴、交轴次暂态电抗，t
′
do
、t
′
qo
为直轴、交轴暂态开路时间常数，t
″
do
、t
″
qo
为直轴、交轴次暂态开路时间常数。