基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法技术

本发明专利技术公开一种基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法，涉及电磁暂态仿真技术领域，实现过程如下：将同步发电机的数学模型转换为状态空间表达式，根据状态空间表达式画出电气模型的系统结构图，并自定义建模；对同步发电机的控制系统，即励磁系统、原动机及其调速器进行自定义建模，得到自定义建模的同步发电机组模型；将同步发电机组模型分为电磁暂态与机电暂态，分别进行初始化。本发明专利技术解决了多机电力系统电磁暂态仿真时，PSCAD软件自带同步发电机数学模型阶数过高所面临的“维数灾”问题；提出的适用于同步发电机组模型的初始化方法，避免了多台发电机直接按其实际特性投入运行，系统难以稳定甚至无法达到稳定的情况。况。况。

【技术实现步骤摘要】
基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法


[0001]本专利技术涉及电磁暂态仿真
，具体为基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法。

技术介绍

[0002]随着新能源产业的发展以及电网规模的不断扩大，大量电力电子设备、高压直流输电系统接入电网，这种以新能源为主体的新型电力系统对仿真提出了个更高的要求。我国电力系统传统以机电暂态仿真为主的现状，难以满足对电网精细化建模的需求。由此便催生了机电暂态仿真模型向电磁暂态仿真模型的转换，电力系统将迈入大规模电磁暂态仿真的新时代。但是相比于机电暂态仿真，电磁暂态仿真的仿真规模更小。
[0003]国内通用机电暂态仿真软件BPA于PSASP中，同步发电机数学模型均为6阶模型，而电磁暂态仿真软件PSCAD（Power Systems Computer Aided Design电力系统计算机辅助设计）中同步发电机数学模型则为8阶数学模型。目前的研究几乎一致认为二者的区别对转换结果的影响几乎是可以忽略的，但是电磁暂态仿真中，多机电力系统若考虑励磁系统、原动机及其调速器，系统将面临“维数灾”，给分析计算带来巨大的困难。因此，根据实际需求选择不同阶数的同步发电机模型，从而简化仿真模型，对大规模电力系统电磁暂态仿真的重要性不言而喻。
[0004]由于同步发电机组的惯性时间常数较大，其机电过程较长，若多台发电机在系统仿真之初直接按其实际特性投入运行，系统将难以稳定，甚至无法达到稳态。对此，针对自定义建模得到的同步发电机组提出一套初始化方法，在仿真开始时，便令该系统到达稳态也是及其必要的。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法，可根据实际仿真需求，选择不同阶数的同步发电机模型，且其初始化功能保证了同步发电机组在仿真开始时便直接到达稳态，跳过了长达数十秒的启动时间，且避免了系统发散的情况。技术方案如下：一种基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法，包括以下步骤：步骤1：将同步发电机实用模型转化为状态空间表达式的形式；步骤2：根据所述状态空间表达式画出同步发电机的系统结构图；步骤3：根据所述同步发电机的系统结构图在PSCAD中进行自定义建模；且根据所述状态空间表达式的输入输出变量不同，分别等效为受控电压源串联定子电阻、受控电流源并联定子电阻两种形式；步骤4：对同步发电机的控制系统，即励磁系统、原动机及其调速器分别进行自定义建模；步骤5：对步骤3与步骤4所搭建的同步发电机组模型进行初始化。
[0006]进一步的，所述同步发电机组包括五阶实用模型同步发电机、IEEE DC1A型励磁系统、以及理想水轮机与PID型调速器；五阶实用模型方程如下：式中：r
a
为定子电阻；u
d
、u
q
分别为发电机定子d、q轴端电压；i
d
、i
q
分别为发电机定子d、q轴端电流；E
f
为定子励磁电动势；分别为发电机q轴暂态电动势、次暂态电动势；为d轴次暂态电动势；分别表示d轴同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗；分别为q轴同步电抗、次暂态电抗；分别为d轴开路暂态、次暂态时间常数；为q轴开路次暂态时间常数；T
J
为电机惯性时间常数；T
m
为机械转矩；ω为转子角速度；δ为q轴领先同步旋转坐标系实轴的角度；p为微分算子；根据输入、输出变量可将上式中前五个方程变换为状态空间表达式，以为状态变量，为输入，为输出，具体状态空间表达式如下：式中，
；；；其中，。
[0007]更进一步的，所述步骤5具体包括：步骤51：将同步发电机组分为机电暂态部分与电磁暂态部分；所述机电暂态部分包括发电机转子运动方程、原动机及其调速器；以保证转子运动的角速度稳定在参考值附近；所述电磁暂态部分包括发电机电磁方程与励磁系统，以保证机端电压稳定在参考值附近；步骤52：对机电暂态部分和电磁暂态部分进行初始化：步骤521：确定励磁系统结构图中所需初始化的传递函数框图；步骤522：令积分环节输入为0，微分环节输出为0，与稳定状态保持相同；步骤523：令步骤521中所述各传递函数框图采用其常数增益代替，即令复频率s=0；步骤524：确定励磁系统中需要初始化的各环节输出变量，并用下标“0”表示各变量稳态值；步骤525：根据步骤522与步骤523，进一步确定步骤524中各稳态值之间的关系；
步骤526：确定输入变量参考值以及输出变量的稳态值；在五阶实用模型中，需确定u
d
、u
q
、i
d
、i
q
四个变量中三个变量的数值；在已知机端电压的条件下，根据dq变换确定u
d
、u
q
；采用定子电阻上的电流，近似等于受控电流源的电流，再进行dq变换以确定i
d
、i
q
；至此确定各个模块的稳态输出值；步骤527：以步骤526中所确定各数值为输入，步骤524中各稳态值为输出，将步骤525中所确定的各稳态值之间的关系通过系统结构图表示出来，并在PSCAD中搭建相应的框图；步骤528：通过PSCAD的复位功能强制各环节的输出保持在步骤527中由框图所确定的稳定值。
[0008]更进一步的，在仿真开始时，令各传递函数框图输出等于其稳态值，从而使同步发电机组跳过数十秒的启动时间直接到达稳态；计算得到的各环节稳态值通过采样保持器，再赋值给各传递函数框图，以便于通过对采样保持器进行时间设定，保证完成初始化后，同步发电机组真实动态特性的投入运行。
[0009]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术提供了一套基于同步发电机数学模型及其控制系统结构图，进行同步发电机组自定义建模的方法，可通过选择低阶同步发电机数学模型，以简化电力系统，进而解决多机电力系统电磁暂态仿真时所面临的“维数灾”问题。
[0010]常用仿真软件均自带同步发电机模型供用户仿真建模使用，若进行大规模电磁暂态仿真，将面临“维数灾”，因此，大多直接将同步发电机简化为理想电压源（同样为仿真软件自带），但是理想电压源并不能反映同步发电机的动态过程。因此，一定条件下，低阶同步发电机模型便是更好的选择，但是部分仿真软件自带同步发电机并不能降低阶数，因此本专利技术给出了新的建模方法。
[0011]2、本专利技术提出了一套适用于自定义同步发电机组的初始化方法，避免了多台发电机直接按其实际特性投入运行系统难以稳定甚至无法达到稳定的情况。
附图说明
[0012]图1为五阶实用模型输出电流形式系统结构图。
[0013]图2为同步发电机等效结构图。
[0014]图3为IEEE DC1A型励磁系统的系统结构图。
[0015]图4为理想水轮机与PID型调速器系统结构图。
[0016]图5为电力系统组成结构图。
[0017]图6为励磁系统参考值
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将同步发电机实用模型转化为状态空间表达式的形式；步骤2：根据所述状态空间表达式画出同步发电机的系统结构图；步骤3：根据所述同步发电机的系统结构图在PSCAD中进行自定义建模；且根据所述状态空间表达式的输入输出变量不同，分别等效为受控电压源串联定子电阻、受控电流源并联定子电阻两种形式；步骤4：对同步发电机的控制系统，即励磁系统、原动机及其调速器分别进行自定义建模；步骤5：对步骤3与步骤4所搭建的同步发电机组模型进行初始化。2.根据权利要求1所述的基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法，其特征在于，所述同步发电机组包括五阶实用模型同步发电机、IEEE DC1A型励磁系统、以及理想水轮机与PID型调速器；五阶实用模型方程如下：式中：r
a
为定子电阻；u
d
、u
q
分别为发电机定子d、q轴端电压；i
d
、i
q
分别为发电机定子d、q轴端电流；E
f
为定子励磁电动势；分别为发电机q轴暂态电动势、次暂态电动势；为d轴次暂态电动势；分别表示d轴同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗；分别为q轴同步电抗、次暂态电抗；分别为d轴开路暂态、次暂态时间常数；为q轴开路次暂态时间常数；T
J
为电机惯性时间常数；T
m
为机械转矩；ω为转子角速度；δ为q轴领先同步旋转坐标系实轴的角度；p为微分算子；根据输入、输出变量可将上式中前五个方程变换为状态空间表达式，以为状态变量，为输入，为输出，具体状态空间表达式如下：
式中，；；；；其中，。3.根据权利要求1所述的基于PSCAD的同步发电机组自定义建模及初始化方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：步骤51：将同步发电机组分为机电暂态部分与电磁暂态部分；所述机电暂态部分包...

【专利技术属性】
技术研发人员：王顺亮，王俊磊，何海林，马俊鹏，王鹏，刘天琪，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：