专利名称：一种基于出厂数据的电动机机电暂态仿真模型参数获取方法
技术领域：
本发明属于电力系统领域，提出了一种基于电动机出场数据计算电动机仿真模型参数的方法。
背景技术：
电力系统仿真中所采用的模型参数是仿真准确性的重要决定因素，相对于比较成熟的发电机组和输电网络模型，负荷模型仍比较简单。随着国内外电网复杂程度的增加，电网规模的扩大，电网的动态稳定及电压稳定问题更突出，负荷模型对系统仿真计算结果的影响不容忽视。
在电力系统负荷中，对系统稳定特性影响较大的是电动机负荷。1996年8月10日和2000年8月4日发生在美国WSCC的两次停电事故促使WECC于2002年将之前采用的纯静态负荷模型替换为包含20％电动机的过渡负荷模型(Interim Load Model)。另外，自1990年以来美国California南部地区多次发生故障后出现负荷侧母线电压恢复缓慢的现象，相似的事故同样发生于Florida电力和照明公司，但是采用各种常规负荷模型甚至包括过渡负荷模型也无法模拟出这些故障后母线电压缓慢恢复的特性。研究结果表明，这些系统稳定特性与电动机的动态特性有着很大的关系。据统计，在电力系统负荷中超过60％都是电动机负荷，系统发生故障后数秒内的负荷动态特性主要来源于电动机负荷的综合响应特性。
确定感应电动机负荷的模型参数是电力系统负荷建模和稳定仿真计算所必需的。通常所采用的电动机模型参数直接参照IEEE自1987年推荐的几种典型参数。IEEE推荐的感应电动机的典型模型参数，距今已有20多年的历史，将这些典型模型参数应用于当前电网的仿真分析的适应性和准确性会受到限制。
基于试验实测数据确定的电动机仿真模型参数的适应性最强，但是由于电力系统中电动机负荷的种类、数量非常多，基于实测的模型参数确定方法的应用性受到限制。
因此，如何根据电动机的出厂数据，如额定功率、额定功率因数、最大电磁转矩、起动转矩、起动电流、转子转速等，估算适用于电力系统仿真程序用的电动机模型参数一直处于研究状态，该问题至今没有得到很好的解决。
发明内容
本发明基于PSD-BPA暂态稳定仿真程序采用的电动机三阶数学模型，提出根据电动机出厂数据估算适用于电力系统机电暂态仿真的电动机模型参数的方法。所提算法计算电动机模型参数的基础数据是电动机的出厂数据，且算法收敛特性好、鲁棒性较强。根据出厂数据计算模型参数，为电力系统仿真中采用的电动机模型参数的选择提供了方便性。
本发明提出了一种基于出厂数据的电动机机电暂态仿真模型参数获取方法，该方法基于感应电动机的出厂数据，估算能用于电力系统机电暂态仿真程序的电动机模型参数，所述感应电动机的出厂数据包括额定功率、额定功率因数、最大电磁转矩、起动转矩、起动电流和转子转速。
其中，该方法的基本步骤包括 (1)根据电动机的出厂数据所提供的同步转速和电动机极对数，来计算电动机的额定滑差Sn 其中为同步转速，单位为r/min，f为系统频率，p为极对数； (2)根据电动机的出厂数据所提供的电动机额定电压Un、额定电流In和额定功率因数cosθn，计算电动机输入的有功功率P和无功功率Q P＝3UnIncosθn Q＝Ptanθn(2) (3)根据步骤(1)计算得到的电动机的额定滑差和步骤(2)计算得到的电动机的有功功率以及出厂数据所提供的电动机的最大电磁转矩倍数κm，计算电动机的电磁功率Pem和最大电磁功率Pem_max (3) Pem_max＝κmPem 并令Pemt_max＝Pem_max，在电动机电气参数均以标幺值表示时，有P＝T，即电磁功率与电磁转矩在数值上相等，所以，算法中均用电磁功率代替电磁转矩。
(4)根据电动机的定子铜耗计算电动机定子绕组的电阻值Rs (5)根据电动机的静态等值电路和电动机的额定电压、吸收功率计算电动机额定滑差条件下的等值阻抗Zdeq Rdeq＝real(Zdeq)(5) Xdeq＝imag(Zdeq) (6)由最大电磁功率公式反演，见公式(6)，计算电动机的定子Xs和转子电抗Xr，因为根据简化的最大电磁功率公式计算得到的最大电磁功率要比实际的最大电磁功率大，所以需要通过迭代方法对定子和转子电抗进行修正 Xr＝Xs (7)根据已计算得到的定子电阻、定转子电抗和额定滑差下电动机的等值阻抗Zdeq计算电动机的转子电阻Rr和激磁电抗Xm (7) 其中Kr＝Rdeq-Rs，Kx＝Xdeq-Xs； (8)根据计算出来的所有电动机参数定子绕组电阻Rs和电抗Xs、转子绕组电阻Rr和电抗Xr、激磁电抗Xm和额定滑差sn，重新按照最大电磁转矩公式计算电动机的最大电磁功率 (9)根据戴维南等值原理计算电动机的临界滑差和电动机实际的最大电磁功率 戴维南等值阻抗Zdp为 Rdp＝real(Zdp)(9) Xdp＝imag(Zdp) 产生最大电磁功率的条件是 Sm为临界滑差，戴维南等值电路的开路电压为 因此，可根据下式重新计算新参数对应的实际最大电磁转矩 (10)比较第(8)和(9)步中得到的两个最大电磁转矩之间的差异，如果两者之间的差异非常小，则计算结束，最终得到电动机的模型参数，否则返回第(5)步重新进行迭代计算。
其中，所述计算电动机转子电阻和激磁电抗的步骤如下 (1)通过计算得到感应电动机的等值阻抗Zdeq，与电动机的静态等值电路建立关系，分别由关系的实部和虚部形成包括两个变量的方程组，这两个变量为电动机的转子电阻和激磁电抗，如式(13)所示 (13) (2)整理化简上述包括两个变量的方程组，通过其中之一确定转子电阻和激磁电抗之间的关系，并将其代入另一个方程中求得其中一个变量转子电阻Rr或激磁电抗Xm； (3)根据已求得的一个变量和两个变量之间的关系，可求得另一个变量的大小。
其中，电力系统机电暂态仿真程序可以是中国电力科学研究院出版发行的PSD-BPA暂态稳定程序软件。
本发明的电动机模型参数计算方法，其有效性的验证方法如下 通过对15台实际电动机使用上述的方法进行验证分析，并根据动模实验对其中的2台电动机进行了仿真对比和分析，进一步验证根据所提算法得到的电动机模型参数在电力系统机电暂态仿真分析中模拟实际电动机的有效性。
本发明的有益效果是 1.负荷模型对大区互联电网的稳定运行特性有着重要的影响，而电动机负荷在电力系统负荷中超过60％都是电动机负荷，系统发生故障后数秒内的负荷动态特性主要来源于电动机负荷的综合响应特性，准确确定各类电动机负荷的模型参数，对提到电力系统仿真精度、保证电网正常运行的安全性、可靠性运行具有重要的意义。
2.该方法基于感应电动机的出厂数据(如额定功率、额定功率因数、最大转矩倍数、转子转速等)估算适用于电力系统机电暂态仿真的电动机单笼模型参数的方法。该算法充分考虑了电动机的转矩-滑差物理机理特性，其收敛特性好、鲁棒性强。根据出厂数据计算模型参数，为电力系统仿真中采用的电动机模型参数的选择提供了方便性。
图1为动模试验系统，同样为数值仿真系统； 图2为电动机机端电压曲线的对比，其中实线“—”为电动机的动模实验实测曲线，虚线为根据发明的电动机模型参数计算方法计算的电动机模型参数得到的数值仿真曲线； 图3为电动机有功功率曲线的对比； 图4为电动机无功功率曲线的对比。
具体实施例方式 要在电力系统数值仿真分析中采用感应电动机模型，必须知道电动机定子和转子的具体参数。通常这些参数必须通过试验数据才能够得到，但是，系统中的大小电动机负荷数量很多，如果一一进行试验，工作量很大。
所以，根据电动机产品目录上的出厂数据估算电动机的模型参数具有重要的工程实用价值。电动机的出厂数据包括电动机型号、额定功率Pn(kW)、额定电压Un(V)、额定电流In(A)、额定转速nn(r/min)、额定效率ηn(％)、额定功率因素cosθn、最大转矩倍数κm(κm＝Tm/Tn，Tn为额定转矩，Tm为最大或临界转矩)、堵转或启动转矩倍数κst(κst＝Tst/Tn，Tst为启动或转矩)、堵转或启动电流倍数κist(κist＝Ist/In，Ist为启动或堵转电流)和飞轮矩GD2(kg□m2)。电动机转子极对数p可根据同步转速计算得到。
单笼电动机等值电路中包括5个不同的电气参数，但仅有4个参数是独立变量。因此，在这5个参数之间应该增加一个限制条件。通常情况下，假定定子绕组电抗Xs等于转子绕组电抗Xr。
由感应电动机的等效电路可见，电动机吸收的有功功率P1一部分消耗在定子绕组的电阻上，称为定子铜耗Pcu1；一部份消耗在铁芯上，称为铁耗，由于其所占的比例非常小，本文将其忽略不计；剩余的大部分电功率通过气隙磁场传递给转子，称为电磁功率Pem。
电磁功率Pem被分为2部分一部分消耗在转子绕组电阻上，称为转子铜耗Pcu2；其余部分则转化为机械功率Pmec传递到转子轴上，本文将转子轴上因轴承摩摖、风扇阻力等造成的机械损耗及由高次谐波引起的杂耗都归并到机械功率Pmec中。所以机械功率Pmec近似等于电动机输出的机械功率。
电动机的额定电磁功率Pemn或额定转矩Temn、转子的额定滑差sn和最大电磁功率Pem_max或最大电磁转矩Tem_max是能代表电动机内机械特性的几个最重要的参数。基于此，根据出厂数据估算感应电动机模型参数的方法。
根据电动机的出厂数据可首先逐步求得电动机的额定滑差、有功功率和无功功率、额定滑差条件下电动机的等值阻抗、电磁功率和最大电磁功率以及定子电阻值，然后根据(1)式可计算得到电动机的定子电抗和转子电抗。假定Xr＝Xs，并且根据该式计算的Xs和Xr必然偏小，因为根据简化的最大电磁功率公式计算得到的最大电磁功率要比实际的最大电磁功率大。所以需要通过迭代方法对Xs和Xr进行修正。
Xr＝Xs 计算电动机根据所求得的电动机定子电阻Rs、定子电抗Xs、转子电抗Xr和电动机额定滑差条件下的等值阻抗，结合式(2)和(3)可求得电动机的转子电阻Rr和激磁电抗Xm。
Kr＝Rdeq-Rs(2) Kx＝Xdeq-Xs (3) 按照如式(4)所示的简化公式可计算电动机近似的最大电磁功率。
根据戴维南等值电路可计算电动机精确的最大电磁功率，如式(5)～(6)。式(5)为戴维南等值阻抗，式(6)为产生最大电磁功率的条件，Sm为临界滑差，式(7)为戴维南等值电路的开路电压，式(8)为精确的最大电磁功率。
Rdp＝real(Zdq)(5) Xdp＝imag(Zdp) 采用如图1所示4机发、输、配的电力系统，首先在动模实验室在该系统中进行三相短路故障试验，记录如图1所示的电动机M2和M4的机端电压、吸收的有功功率和无功功率；然后采用根据本发明计算得到的电动机M2和M4的模型参数，采用相同的故障通过仿真计算同样得到M2和M4的机端电压、吸收的有功功率和无功功率；最后对比动模实测结果和仿真结果，如图2～4所示，对比了电动机机端电压、吸收的有功功率和无功功率曲线。
从图3中可以看出在短路故障发生和短路故障消失的瞬间电动机吸收的有功功率会发生突变，有功功率突变的幅度比较大，持续时间短暂。采用电动机模型得到的仿真结果在这种突变瞬间的值与实测结果相差较大，通过分析主要有两方面的原因1)测量引起的误差；2)实际系统中存在的电磁暂态突变量。对于电力系统机电暂态仿真，并不考虑电磁暂态过程，采用的电动机模型为三阶机电暂态模型。在电力系统机电暂态仿真研究中这种误差可以忽略。
因此，从图2～4的对比可以看出，采用本发明计算得到的电动机的模型参数的仿真结果与实际电动机的动态响应特性非常接近，验证了本发明的可靠性和有效性。
上面通过特别的实施例内容描述了本发明，但是本领域技术人员还可意识到变型和可选的实施例的多种可能性，例如，通过组合和/或改变单个实施例的特征。因此，可以理解的是这些变型和可选的实施例将被认为是包括在本发明中，本发明的范围仅仅被附上的专利权利要求书及其同等物限制。
权利要求
1.一种基于出厂数据的电动机机电暂态仿真模型参数获取方法，该方法基于感应电动机的出厂数据，估算能用于电力系统机电暂态仿真程序的电动机模型参数，所述感应电动机的出厂数据包括额定功率、额定功率因数、最大电磁转矩、起动转矩、起动电流和转子转速。
2.如权利要求1所述的电动机模型参数计算方法，其特征在于该方法的基本步骤包括
(1)根据电动机的出厂数据所提供的同步转速和电动机极对数，来计算电动机的额定滑差Sn
其中为同步转速，单位为r/min，f为系统频率，p为极对数；
(2)根据电动机的出厂数据所提供的电动机额定电压Un、额定电流In和额定功率因数cosθn，计算电动机输入的有功功率P和无功功率Q
P＝3UnIncosθn
Q＝Ptanθn(2)
(3)根据步骤(1)计算得到的电动机的额定滑差和步骤(2)计算得到的电动机的有功功率以及出厂数据所提供的电动机的最大电磁转矩倍数κm，计算电动机的电磁功率Pem和最大电磁功率Pem_max
Pem_max＝κmPem(3)
并令Pemt_max＝Pem_max，在电动机电气参数均以标幺值表示时，有P＝T，即电磁功率与电磁转矩在数值上相等，所以，算法中均用电磁功率代替电磁转矩。
(4)根据电动机的定子铜耗计算电动机定子绕组的电阻值Rs
(5)根据电动机的静态等值电路和电动机的额定电压、吸收功率计算电动机额定滑差条件下的等值阻抗Zdeq
Rdeq＝real(Zdeq)(5)
Xdeq＝imag(Zdeq)
(6)由最大电磁功率公式反演，见公式(6)，计算电动机的定子Xs和转子电抗Xr，因为根据简化的最大电磁功率公式计算得到的最大电磁功率要比实际的最大电磁功率大，所以需要通过迭代方法对定子和转子电抗进行修正
Xr＝Xs
(7)根据已计算得到的定子电阻、定转子电抗和额定滑差下电动机的等值阻抗Zdeq计算电动机的转子电阻Rr和激磁电抗Xm
其中Kr＝Rdeq-Rs，Kx＝Xdeq-Xs；
(8)根据计算出来的所有电动机参数定子绕组电阻Rs和电抗Xs、转子绕组电阻Rr和电抗Xr、激磁电抗Xm和额定滑差sn，重新按照最大电磁转矩公式计算电动机的最大电磁功率
(9)根据戴维南等值原理计算电动机的临界滑差和电动机实际的最大电磁功率戴维南等值阻抗Zdp为
Rdp＝real(Zdp)(9)
Xdp＝imag(Zdp)
产生最大电磁功率的条件是
sm为临界滑差，戴维南等值电路的开路电压为
因此，可根据下式重新计算新参数对应的实际最大电磁转矩
(10)比较第(8)和(9)步中得到的两个最大电磁转矩之间的差异，如果两者之间的差异非常小，则计算结束，最终得到电动机的模型参数，否则返回第(5)步重新进行迭代计算。
3.如权利要求2所述的电动机模型参数计算方法，其特征在于所述计算电动机转子电阻和激磁电抗的步骤如下
(1)通过计算得到感应电动机的等值阻抗Zdeq，与电动机的静态等值电路建立关系，分别由关系的实部和虚部形成包括两个变量的方程组，这两个变量为电动机的转子电阻和激磁电抗，如式(13)所示
(2)整理化简上述包括两个变量的方程组，通过其中之一确定转子电阻和激磁电抗之间的关系，并将其代入另一个方程中求得其中一个变量转子电阻Rr或激磁电抗Xm；
(3)根据已求得的一个变量和两个变量之间的关系，可求得另一个变量的大小。
4.如权利要求1-3所述的电动机模型参数计算方法，其特征在于电力系统机电暂态仿真程序可以是PSD-BPA暂态稳定程序。
5.如权利要求1-4所述的电动机模型参数计算方法，其有效性的验证方法如下
通过对15台实际电动机使用权利要求1-4所述的方法进行验证分析，并根据动模实验对其中的2台电动机进行了仿真对比和分析，进一步验证根据所提算法得到的电动机模型参数在电力系统机电暂态仿真分析中模拟实际电动机的有效性。
全文摘要
本发明涉及一种基于出厂数据的电动机机电暂态仿真模型参数获取方法，该方法基于感应电动机的出厂数据(如额定功率、额定功率因数、最大转矩倍数、转子转速等)估算适用于电力系统机电暂态仿真的电动机单笼模型参数的方法。该算法充分考虑了电动机的转矩-滑差物理机理特性，其收敛特性好、鲁棒性强。根据出厂数据计算模型参数，为电力系统仿真中采用的电动机模型参数的选择提供了方便性。
文档编号G06F17/50GK101727522SQ20091024186
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者汤涌, 赵兵, 张文朝, 王 琦, 邱丽萍 申请人:中国电力科学研究院