一种燃气往复式发电机组机电暂态仿真模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种燃气往复式发电机组机电暂态仿真模型构建方法，该发电机组包括由燃气发动机和往复式压缩机共同组成的往复式内燃机(原动机)和直线同步交流发电机；首先获取燃气往复式发电机组的定子电阻、额定电压和额定容量等有关原始参数，用于后续建模计算；然后进行模型假设并选取各物理量的参考正方向；最后推导燃气往复式发电机组的定子三相绕组及励磁绕组的磁链方程、定子三相绕组的电压平衡方程和动子的运动方程以构成其机电暂态仿真模型；本发明专利技术填补了现有研究在燃气往复式发电机组暂态仿真数学模型上的空白，并有助于更好地研究燃气往复式发电机组的控制系统及其运行特性。

A method for building mechanical and electrical transient simulation model of gas reciprocating generator set

The invention discloses a method for constructing electromechanical transient simulation model of gas turbine generating units of the reciprocating, including reciprocating internal combustion engine composed of gas engine and reciprocating compressor (prime mover) and linear synchronous alternator; reciprocating type gas generator first gets the original stator resistance, rated voltage and rated capacity related parameters for the subsequent modeling calculation; then the model assumptions and the selection of various physical quantities are reference direction; motion equation of voltage balance equation of stator flux linkage equation, three-phase windings of three-phase stator windings and excitation windings are finally derived gas reciprocating generator and the rotor to form the electromechanical transient simulation model; the invention fills the gaps in the existing research the transient simulation model of gas reciprocating generator, and contribute to a better study The control system and its operating characteristics of the gas reciprocating generator set.

【技术实现步骤摘要】
一种燃气往复式发电机组机电暂态仿真模型构建方法
本专利技术涉及电力系统暂态稳定分析领域，具体涉及一种燃气往复式直线发电机的机电暂态仿真模型构建方法。
技术介绍
近年来，能源问题越来越严重，对石油和天然气的需求越来越大，而海洋油气储量丰富，建设海上油气平台成为解决当下能源危机的重要手段。当前我国海洋经济发展迅速，而海上平台电力系统为海上油气平台提供动力，保障其安全可靠运行越来越重要。同时由于海上油田伴生气含量较低，为了回收利用伴生气，越来越多的海上平台电力系统开始投运燃气往复式发电机组——直线电机的一种，但其运行特性及控制系统等不同于常见的自由活塞式斯特林发电系统和永磁直线电机，而国内外关于直线电机模型的研究主要针对后两者，对燃气往复式发电机组的研究则主要针对其应用价值，没有关于其机电暂态仿真模型及其运行特性的研究。本专利技术构建了燃气往复式发电机的机电暂态仿真模型，填补了此类直线电机机电暂态模型研究的空白，对燃气往复式发电机更好地应用于海上独立电力系统具有重要意义。同时燃气往复式发电机是海上独立电力系统的重要组成部分，故这一模型的构建也将为保障海上平台电力系统的安全可靠运行提供有力支撑。燃气往复式发电机组是直线电机的一种，世界上出现旋转电机后不久，就出现了直线电动机的雏形。1840年惠斯登(Wheatstone)提出了直线电机的设想，开辟了直线电机研究的先河。1845年，初具雏形的直线电动机问世，其由英国人查尔斯·惠斯登(CharleWheatstone)提出并制作，这为以后直线电动机的研究和开发奠定了良好基础。但之后在相当长一段时期内，受技术和材料的限制，直线电机的发展十分缓慢。截止目前，对于直线电机，国内外研究主要集中在其设计方面，对应模型为基于电磁场理论的有限元模型。还有相当一部分数学模型是用于控制直线电机的，但研究对象主要是自由活塞式斯特林发电系统和永磁直线同步电机，自由活塞式斯特林发电系统主要由自由活塞式斯特林发动机和永磁直线电动机两部分组成，其中自由活塞式斯特林发动机作为控制系统带动永磁直线发电机的动子运动，但由于自由活塞式斯特林发电系统不能自启动，故在启动阶段直线发电机运行在电动状态以带动斯特林发动机起振；永磁直线同步电机的磁场由钕铁硼永磁体产生。而本专利技术研究的燃气往复式发电机组，其控制系统是由燃气发动机和往复式压缩机共同组成的往复式内燃机，因此其数学模型与自由活塞式斯特林发电系统和永磁直线同步电机有所不同，但国内外关于燃气往复式发电机组的研究都集中于其应用价值，鲜有关于其机电暂态仿真模型的研究报道。
技术实现思路
为了填补现有研究在燃气往复式发电机组数学模型上的空白，本专利技术的目的在于给出一种燃气往复式发电机组机电暂态仿真模型构建方法，此方法有助于更好地研究燃气往复式发电机组的控制系统及其运行特性。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：同传统同步发电机组一样，燃气往复式发电机组也可看作由原动机和发电机两部分组成，但其原动机不是简单的汽轮机或水轮机，而是往复式内燃机(ReciprocatingInternalCombustion，简称RIC)，其由燃气发动机(GasEngine，简称GE)和往复式压缩机(ReciprocatingCompressor)组成，同时发电机也不再是同步交流旋转发电机，而是直线同步交流发电机(LinearSynchronousAlternator，简称LSA)；燃气往复式发电机组的机电暂态仿真模型包括定子三相绕组及励磁绕组的磁链方程，定子三相绕组的电压平衡方程和原动机的运动方程。上述一种燃气往复式发电机组机电暂态仿真模型构建方法，包括如下步骤：步骤一：获取燃气往复式发电系统的运行信息和有关参数，如定子电阻、直轴及交轴不饱和电抗、直轴及交轴开路时间常数、惯性时间常数、额定电压和额定容量等，用于后续建模计算；步骤二：建模前，进行如下假设：1)假设定子三相绕组为星形连接且完全对称；2)不考虑铁心饱和、涡流、磁滞损耗及端部效应对电机参数的影响；3)假设动子无阻尼绕组，且磁场沿气隙呈正弦分布；物理量的参考正方向选取如下：燃气往复式发电机电压、电流和磁轴的参考正向按发电机惯例选取，即定子三相绕组磁轴的正方向分别与各绕组正向电流所产生的磁通方向相反；而动子等值绕组磁轴的正方向与其正向电流所产生的磁通方向相同；动子的d轴和q轴的选取同传统同步电机，d轴为定子绕组铰链的磁链最大的位置，q轴为定子绕组铰链的磁链最小的位置；另外，各绕组磁链的正方向与相应的磁轴正方向一致；假设θ为动子在x处时d轴与a轴的夹角；则Park变换的关系式可写为：其逆变换为：步骤三：燃气往复式发电机组的机电暂态仿真模型主要包含以下三组方程：1)磁链方程：在选定的参考正方向下，定子三相绕组及励磁绕组的磁链方程为：式中：和分别为定子绕组a相磁链、b相磁链和c相磁链；为励磁绕组磁链；L为各绕组自感；M为绕组之间的互感；ia、ib和ic分别为定子绕组a相电流、b相电流和c相电流；if为励磁绕组电流；为将以上变系数的常微分方程变为常系数的常微分方程，采用Park变换，则dq0坐标系下的磁链方程变为：式中：和分别为定子绕组在dq0坐标系下的d轴磁链、q轴磁链和0轴磁链；Laa为定子绕组a相自感(b相和c相自感与a相相同)；Mab、Mac、Mba、Mbc、Mca和Mcb分别为定子a相和b相、a相和c相、b相和a相、b相和c相、c相和a相以及c相和b相之间的互感；id、iq和i0分别为定子绕组在dq0坐标系下的等值d轴电流、q轴电流和0轴电流；Maf、Mbf和Mcf分别为定子a相绕组和励磁绕组、b相绕组和励磁绕组以及c相绕组和励磁绕组之间的互感；若不考虑端部效应，即电机三相绕组完全对称，且磁场沿气隙呈正弦分布，则直线电机的磁链方程变为：定义永磁磁链φf＝Maf1if，则有：式中：为永磁磁链；Maf1为定子a相绕组和等值励磁绕组之间的互感；if为励磁绕组的电流；和分别为定子绕组在dq0坐标系下的d轴磁链和q轴磁链；Ld和Lq分别为定子绕组在dq0坐标系下的等值d轴自感和q轴自感；id和iq分别为定子绕组在dq0坐标系下的等值d轴电流和q轴电流；由上式可知，理想情况下，在dq0坐标系下，三相绕组自身的磁链为常数，且三相绕组的互磁链为零，即绕组之间不存在耦合；2)电压方程：在选定的参考正方向下，定子三相绕组的电压平衡方程为：式中：ua、ub和uc分别为定子绕组a相电压、b相电压和c相电压；Rs为定子电阻；ia、ib和ic分别为定子绕组a相电流、b相电流和c相电流；φa、φb和φc分别为定子绕组a相磁链、b相磁链和c相磁链；同样地，利用Park变换将其转换为dq0坐标系下的方程：式中：ud和uq分别为定子绕组在dq0坐标系下的等值d轴电压和q轴电压；Rs为定子电阻；id和iq分别为定子绕组在dq0坐标系下的等值d轴电流和q轴电流；和分别为定子绕组在dq0坐标系下的d轴磁链和q轴磁链；ω为发电机的电角速度；和传统同步电机的建模类似，直线发电机在进行电力系统稳定性分析时，对定子绕组电压平衡方程，也有两个简化：(1)忽略定子回路的电磁暂态过程：即在定子电压平衡方程中忽略因φd和φq随时间变化而产生的感应电动势；因为在暂态过程中，电力网络本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃气往复式发电机组机电暂态仿真模型构建方法，其特征在于：在进行合理的模型假设并选定参考正方向的基础上，建立定子三相绕组及励磁绕组的磁链方程、定子三相绕组的电压平衡方程和动子的运动方程，具体构建方法包括如下步骤：步骤一：获取燃气往复式发电机组的运行信息和有关原始参数，即定子电阻、直轴及交轴不饱和电抗、直轴及交轴开路时间常数、惯性时间常数、额定电压和额定容量，用于后续建模计算；步骤二：建模前，进行如下假设：1)假设定子三相绕组为星形连接且完全对称；2)不考虑铁心饱和、涡流、磁滞损耗及端部效应对电机参数的影响；3)假设动子无阻尼绕组，且磁场沿气隙呈正弦分布；各物理量的参考正方向选取如下：燃气往复式发电机电压、电流和磁轴的参考正向按发电机惯例选取，即定子三相绕组磁轴的正方向分别与各绕组正向电流所产生的磁通方向相反；而动子等值绕组磁轴的正方向与其正向电流所产生的磁通方向相同；动子的d轴和q轴的选取同传统同步电机，d轴为定子绕组铰链的磁链最大的位置，q轴为定子绕组铰链的磁链最小的位置；另外，各绕组磁链的正方向与相应的磁轴正方向一致；假设θ为动子在x处时d轴与a轴的夹角；则Park变换的关系式为：...

【技术特征摘要】
1.一种燃气往复式发电机组机电暂态仿真模型构建方法，其特征在于：在进行合理的模型假设并选定参考正方向的基础上，建立定子三相绕组及励磁绕组的磁链方程、定子三相绕组的电压平衡方程和动子的运动方程，具体构建方法包括如下步骤：步骤一：获取燃气往复式发电机组的运行信息和有关原始参数，即定子电阻、直轴及交轴不饱和电抗、直轴及交轴开路时间常数、惯性时间常数、额定电压和额定容量，用于后续建模计算；步骤二：建模前，进行如下假设：1)假设定子三相绕组为星形连接且完全对称；2)不考虑铁心饱和、涡流、磁滞损耗及端部效应对电机参数的影响；3)假设动子无阻尼绕组，且磁场沿气隙呈正弦分布；各物理量的参考正方向选取如下：燃气往复式发电机电压、电流和磁轴的参考正向按发电机惯例选取，即定子三相绕组磁轴的正方向分别与各绕组正向电流所产生的磁通方向相反；而动子等值绕组磁轴的正方向与其正向电流所产生的磁通方向相同；动子的d轴和q轴的选取同传统同步电机，d轴为定子绕组铰链的磁链最大的位置，q轴为定子绕组铰链的磁链最小的位置；另外，各绕组磁链的正方向与相应的磁轴正方向一致；假设θ为动子在x处时d轴与a轴的夹角；则Park变换的关系式为：其逆变换为：步骤三：燃气往复式发电机组的机电暂态仿真模型主要包含以下三组方程：1)磁链方程：在选定的参考正方向下，定子三相绕组及励磁绕组的磁链方程为：式中：和分别为定子绕组a相磁链、b相磁链和c相磁链；为励磁绕组磁链；L为各绕组自感；M为绕组之间的互感；ia、ib和ic分别为定子绕组a相电流、b相电流和c相电流；if为励磁绕组电流；为将以上变系数的常微分方程变为常系数的常微分方程，采用Park变换，则dq0坐标系下的磁链方程变为：式中：和分别为定子绕组在dq0坐标系下的d轴磁链、q轴磁链和0轴磁链；Laa为定子绕组a相自感，b相和c相自感与a相相同；Mab、Mac、Mba、Mbc、Mca和Mcb分别为定子a相和b相、a相和c相、b相和a相、b相和c相、c相和a相以及c相和b相之间的互感；id、iq和i0分别为定子绕组在dq0坐标系下的等值d轴电流、q轴电流和0轴电流；Maf、Mbf和Mcf分别为定子a相绕组和励磁绕组、b相绕组和励磁绕组以及c相绕组和励磁绕组之间的互感；若不考虑端部效应，即电机三相绕组对称，且磁场沿气隙呈正弦分布，则直线电机的磁链方程变为：定义永磁磁链φf＝Maf1if，则有：式中：为永磁磁链；Maf...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊，孙惠文，康小宁，王旭，苏灿，宋行，朱龙洋，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61