一种自励异步发电机暂态稳定分析模型及方法技术

本发明专利技术涉及自励异步发电机技术领域，涉及一种自励异步发电机暂态稳定分析模型及方法，其步骤包括有根据两相正交坐标系下的SEIG电压状态方程、磁链状态方程，通过复矢量系数转换成降阶的复系数电压状态方程与复系数磁链方程，然后在降阶的SEIG复系数状态方程基础上，推导并整理出自励异步发电机的2阶状态方程，结合导出的1阶复系数并联励磁电容状态微分方程，最终推导出SEIG的3×3阶自治系统状态矩阵方程，并基于复系数Routh递推表，分别对复系数状态方程的系数进行计算，依据系数计算值判断出SEIG自激建压的临界值。本发明专利技术计算结果精度高，能减小计算硬件开销，直接分析并确定系统稳定性边界，快速计算出自励异步发电机自激建压与电压暂态稳定的边界值。

【技术实现步骤摘要】
一种自励异步发电机暂态稳定分析模型及方法
本专利技术涉及自励异步发电机
，更具体地说，涉及一种自励异步发电机暂态稳定分析模型及方法。
技术介绍
异步电动机是当前现代工农业生产活动中应用最为广泛的动力电机，结构坚固，质优价廉，调速范围宽。在满足一定的磁链条件下，异步电动机可以直接连接原动机成为异步发电机。自励异步发电机(SEIG)与永磁同步发电机、双馈式感应发电机相比，虽三者发电机定子结构相似，但鼠笼式异步发电机转子结构更为稳固经济、无集电环和碳刷、可靠性高且维护成本低、不存在高温易退磁等显著特性，使得使用鼠笼式异步感应电机不仅可作为动力源，也可依靠转子剩磁和外接激磁电容而转换成为自励式异步发电机。这些优点使SEIG不仅在风能、水能和海洋能等可再生清洁能源发电系统，也在舰船、航空、钻井平台与海岛等独立式发电系统中得到了广泛的应用。但是SEIG系统具有非线性、高耦合、多变量的复杂暂态特征，经典发电机暂态稳定性分析常基于高阶实系数状态数学方程来进行稳定边界的判断，计算涉及过程复杂，计算量大。若采用其它忽略电机某些参数的简化降阶数学模型进行分析，又会丢失电机内部耦合动态过程的细节，不能完全描述自励异步发电机自激建压的完整暂态过程。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种自励异步发电机暂态稳定分析模型及方法，以解决现有技术的发电机自激建压及电压暂态稳定性分析与计算难度大，准确性与快速性不高的缺陷。一种自励异步发电机暂态稳定分析模型，包括有定子线圈电阻Rs、定子感应电动势Es、定子电感Ls、互感Lm、转子电感Lr、转子感应电动势Er、转子线圈电阻Rr以及并联励磁电容Cs；其中，所述转子感应电动势Er的正极串联定转子电感Lr和互感Lm后电性连接着所述转子线圈电阻Rr的一端，所述转子感应电动势Er的负极电性连接着所述转子线圈电阻Rr的另一端；所述并联励磁电容Cs的一端串联定子线圈电阻Rs后与所述定子感应电动势Es的正极电性连接，所述并联励磁电容Cs的另一端串联定转子电感Lr和互感Lm后与所述定子感应电动势Es的负极电性连接。优选地，该自励异步发电机暂态稳定分析模型还包括有负载L；所述定子感应电动势Es的正极串联定子线圈电阻Rs后电性连接着所述负载L的一端，所述定子感应电动势Es的负极串联定子电感Ls和互感Lm后电性连接着所述负载L的另一端。优选地，所述负载L包括有负载电感LL和负载电阻RL；所述负载电阻RL的一端依次串联负载电感LL和定子线圈电阻Rs后与所述定子感应电动势Es的正极电性连接，所述负载电阻RL的另一端依次串联定转子电感Lr和互感Lm后与所述定子感应电动势Es的负极电性连接。一种自励异步发电机暂态稳定分析方法，用于分析一种自励异步发电机暂态稳定分析模型；包括以下步骤：S1、先建立两相正交坐标系下的自励异步发电机的电压状态方程式和磁链状态方程式；在步骤S1中，所述自励异步发电机电压状态方程式具体如公式(1)所示：所述自励异步发电机磁链状态方程式具体如公式(2)所示：S2、将步骤S1所得到的自励异步发电机电压状态方程式和磁链状态方程式通过复矢量系数分别转换成降阶的复系数电压状态方程式和复系数磁链方程式；在步骤S2中，所述复系数电压状态方程式具体如公式(3)所示：所述复系数磁链方程式具体如公式(4)所示：S3、建立并导出并联励磁电容的复矢量系数状态微分方程式；并通过转子磁链矢量与定子电流矢量作为系统状态变量，将步骤S2所得到的复系数电压状态方程式和复系数磁链方程式进行推导整理得到复系数转子磁链状态微分方程式和定子电流状态微分方程式；在步骤S3中，所述并联励磁电容的复系数状态微分方程式具体如公式(5)所示：所述复系数转子磁链状态微分方程式具体如公式(6)所示：所述复系数定子电流状态微分方程式具体如公式(7)所示：式中其中S4、利用并联励磁电容的复系数状态微分方程式、复系数转子磁链状态微分方程式以及定子电流状态微分方程式，整理得到自励异步发电机3×3阶的复系数自治系统状态方程式；在步骤S4中，所述自治系统复系数状态方程式具体如公式(8)所示：式中其中S5、对降阶后的自励异步发电机3×3阶的复系数自治系统状态方程特征多项式进行行列式求解，基于复系数Routh递推表及其稳定性判据充要条件，计算得到自励异步发电机自激建压的临界值；该步骤S5具体为：S51、先定义得到自治系统状态方程式具体如公式(9)所示：S52、对降阶后的自励异步发电机3×3阶复系数自治系统状态方程特征多项式进行行列式求解，得到复系数状态矩阵A的特征多项式具体如公式(10)所示：|sI-A|＝(a0+jb0)s3+(a1+jb1)s2+(a2+jb2)s+a3+jb3(12)(10)其中，行列式特征值各项系数分别如下：a0＝1；a1＝1/τr+1/τ′σ；a3＝1/CRστ′στr；b0＝0；b1＝-ω；b2＝Lmkrω/τrRστ′σ-ω/τ′σ；b3＝-ω/CRστ′σ；式中其中S53、基于复系数Routh递推表及其稳定性判据的充要条件，得到自励异步发电机自激建压的临界值：复系数Routh表第一列实部系数a1、a2或a3中任一系数值从正值变负值时，根据Routh稳定性判据可知此时系数即为励异步发电机自激建压的临界值。从上述的技术方案可以看出，与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)通过基于两相正交坐标系下的复矢量系数变换，将自励异步发电机的8阶状态方程直接降阶为3阶模型，比传统的8阶实系数状态方程简洁明了、运算高效，大幅减少对计算机硬件的开销；(2)在将发电机8阶状态方程降为3阶的基础上，采用复系数Routh判据进行稳定性分析与计算，进一步提高了自激建压临界边界分析与计算的快速性与实时性，这将大幅降低自励异步发电机自激建压过程的暂态稳定性分析与激磁电容容量的计算量，直接计算出自励异步发电机激磁自励电容的容量与发电机转速之间的量化关系，无另需寻优算法，解决现有技术的发电机自激建压及电压暂态稳定性分析与计算难度大，准确性与快速性不高的缺陷，提高了计算的精确性；(3)采用复系数自励异步发电机状态方程与复系数Routh稳定性判据，可实现自励异步发电机实时的稳定性分析与控制，既可离线运算又可实时计算，为发电机自激建压或电压的暂态稳定性的实时稳定性分析与控制提供可行性方案。附图说明图1为本专利技术实施例所提供的一种自励异步发电机暂态稳定分析模型的简化结构图；图2为本专利技术实施例所提供的一种自励异步发电机暂态稳定分析模型的并励电容空载自激建压过程等值电路结构图；图3为本专利技术实施例所提供的一种自励异步发电机暂态稳定分析模型的并励电容带载自激建压过程等值电路结构图；图4为本专利技术实施例所提供的一种自励异步发电机暂态稳定分析方法的步骤框图；图5为本专利技术实施例所提供的一种自励异步发电机暂态稳定分析模型在空载自激建压过程中的仿真与样机实验图；图6为本专利技术实施例所提供的一种自励异步发电机暂态稳定分析模型在发电机自激建压后带载仿真与样机实验图；图7为本专利技术实施例所提供的一种自励异步发电机暂态稳定分析模型对发电机自激建压过程进行计算得出的临界电容值与转速范围关系图。为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所述的附图作简单地介绍，显本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自励异步发电机暂态稳定分析模型，其特征在于，包括有定子线圈电阻Rs、定子感应电动势Es、定子电感Ls、互感Lm、转子电感Lr、转子感应电动势Er、转子线圈电阻Rr以及并联励磁电容Cs；其中，所述转子感应电动势Er的正极串联定转子电感Lr和互感Lm后电性连接着所述转子线圈电阻Rr的一端，所述转子感应电动势Er的负极电性连接着所述转子线圈电阻Rr的另一端；所述并联励磁电容Cs的一端串联定子线圈电阻Rs后与所述定子感应电动势Es的正极电性连接，所述并联励磁电容Cs的另一端串联定转子电感Lr和互感Lm后与所述定子感应电动势Es的负极电性连接。

【技术特征摘要】
1.一种自励异步发电机暂态稳定分析模型，其特征在于，包括有定子线圈电阻Rs、定子感应电动势Es、定子电感Ls、互感Lm、转子电感Lr、转子感应电动势Er、转子线圈电阻Rr以及并联励磁电容Cs；其中，所述转子感应电动势Er的正极串联定转子电感Lr和互感Lm后电性连接着所述转子线圈电阻Rr的一端，所述转子感应电动势Er的负极电性连接着所述转子线圈电阻Rr的另一端；所述并联励磁电容Cs的一端串联定子线圈电阻Rs后与所述定子感应电动势Es的正极电性连接，所述并联励磁电容Cs的另一端串联定转子电感Lr和互感Lm后与所述定子感应电动势Es的负极电性连接。2.如权利要求1所述的一种自励异步发电机暂态稳定分析模型，其特征在于，该自励异步发电机暂态稳定分析模型还包括有负载L；所述定子感应电动势Es的正极串联定子线圈电阻Rs后电性连接着所述负载L的一端，所述定子感应电动势Es的负极串联定子电感Ls和互感Lm后电性连接着所述负载L的另一端。3.如权利要求2所述的一种自励异步发电机暂态稳定分析模型，其特征在于，所述负载L包括有负载电感LL和负载电阻RL；所述负载电阻RL的一端依次串联负载电感LL和定子线圈电阻Rs后与所述定子感应电动势Es的正极电性连接，所述负载电阻RL的另一端依次串联定转子电感Lr和互感Lm后与所述定子感应电动势Es的负极电性连接。4.一种自励异步发电机暂态稳定分析方法，其特征在于：用于分析权利要求1-3中任一项权利要求所述的一种自励异步发电机暂态稳定分析模型；包括以下步骤：S1、先建立两相正交坐标系下的自励异步发电机的电压状态方程式和磁链状态方程式；S2、将步骤S1所得到的自励异步发电机电压状态方程式和磁链状态方程式通过复矢量系数分别转换成降阶的复系数电压状态方程式和复系数磁链方程式；S3、建立并导出并联励磁电容的复系数状态微分方程式；并通过转子磁链矢量与定子电流矢量作为系统状态变量，将步骤S2所得到的复系数电压状态方程式和复系数磁链方程式进行推导整理得到复矢量系数转子磁链状态微分方程式和定子电流状态微分方程式；S4、利用并联励磁电容的复系数状态微分方程式、复系数转子磁链状态微分方程式以及定子电流状态微分方程式，整理得到自励异步发电机自治系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙军，滕开良，卢子广，甘霖，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西,45