一种基于ABC三相坐标系的汽轮发电机建模方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于ABC三相坐标系的汽轮发电机建模方法及系统，属于汽轮发电机建模领域。本发明方法，包括：建立线性化模型、汽轮发电机组的原动机及调速系统模型、同步发电机模型和励磁部分模型；生成汽轮发电机组连续时间状态空间模型；构建汽轮发电机组的输出电流矩阵；输出汽轮发电机组的机端dq轴下电压和电流与机端xy轴下电压和电流间的代数关系模型；将汽轮发电机组等效为等值导纳‑历史电流源的电路模型。本发明提出的建模方法避免了在静止ABC三相坐标系下的汽轮发电机的状态方程的自感和互感系数的时变性，从而为进行基于ABC三相坐标系分析电网的模态提供了可用的发电机模型。

说明书

技术领域

本发明涉及汽轮发电机建模领域，并且更具体地，涉及一种基于ABC 三相坐标系的汽轮发电机建模方法及系统。

背景技术

随着我国特高压直流输电、风电等新能源发电的快速发展，电网特性发生了深刻而复杂的变化，含大规模新能源的交直流混联电网振荡问题愈发突出，振荡特征也从常规的低频振荡、次同步振荡发展为低频，次同步和超同步相互融合相互影响的振荡问题，多地区新能源发电高比例接入电网，纯风电、风火打捆、风光打捆等多种汇集模式并存，串联补偿、SVG/SVC 等装备大量应用，目前次同步振荡问题突出，已严重影响电网的安全运行及新能源的有效消纳，电力系统电气振荡问题的研究方法包括时域仿真法，阻抗分析法，特征模式分析法。

时域仿真主要是基于指定工况的仿真，对于揭示系统电气振荡产生的机理和变化规律存在不足，阻抗分析法是基于所关注频带范围内系统元件端口等效阻抗特性，分析系统在某一特定频率发生振荡的可能性，阻抗特性分析可以基于元件阻抗特性实测的方式进行，存在工程上的近似。

特征模式分析法是分析线性系统动态特性的严格数学方法，对于非线性动力学系统，满足特定的条件下，可以应用小扰动法基于特征模式分析来研究系统在某一指定运行工况下的固有特征振荡模式，以及影响振荡模式的关键参数和动态环节。

特征模式分析法的前提是建立全电力系统的特征矩阵，然后就可以直接对特征矩阵进行特征值和模式的分析。但是由于发电机元件存在着时变的自感系数矩阵，而这些时变的自感系数矩阵会并入到整个系统的特征矩阵中，导致了整个系统的特征矩阵也具有了时变性，从而无法基于特征矩阵分析电力系统网络的特征根和模态，阻碍了特征模式分析方法的应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于ABC三相坐标系的汽轮发电机建模方法，包括：

针对气轮发电机组轴系的6质量块运动方程进行线性化处理，建立线性化模型；

建立汽轮发电机组的原动机及调速系统模型、同步发电机模型和励磁部分模型；

在线性化模型、原动机及调速系统模型、同步发电机模型和励磁部分模型的稳态点处进行线性化处理，生成汽轮发电机组连续时间状态空间模型；

针对汽轮发电机组连续时间状态空间模型，构建汽轮发电机组的输出电流矩阵；

对输出的电流矩阵进行接口与标准ABC三相坐标系的转换，输出汽轮发电机组的机端dq轴下电压和电流与机端xy轴下电压和电流间的代数关系模型；

根据电流矩阵及代数关系模型对汽轮发电机组连续时间状态空间模型进行离散处理，将汽轮发电机组等效为等值导纳-历史电流源的电路模型。

可选的，稳态点处线性化处理包括消去中间变量。

可选的，汽轮发电机组连续时间状态空间模型、电流矩阵、代数关系模型和等值导纳-历史电流源的电路模型的表达式为紧凑形式。

可选的，同步发电机模型的建立，忽略同步发电机零轴分量，并假设同步发电机为理想发电机，且同时转子侧存在3个阻尼，d轴和q轴上绕组间的互感相等。

可选的，励磁部分模型用于表示发电机机端电压与dq坐标系下的机端电压分量和机端电压分量增量之间的关系。

本发明还提出了一种基于ABC三相坐标系的汽轮发电机建模系统，包括：

初始建模单元，针对气轮发电机组轴系的6质量块运动方程进行线性化处理，建立线性化模型，建立汽轮发电机组的原动机及调速系统模型、同步发电机模型和励磁部分模型；

初始模型处理单元，用于对线性化模型、原动机及调速系统模型、同步发电机模型和励磁部分模型的稳态点处进行线性化处理，生成汽轮发电机组连续时间状态空间模型；

第一计算单元，针对汽轮发电机组连续时间状态空间模型，构建汽轮发电机组的输出电流矩阵；

第二计算单元，对输出的电流矩阵进行接口与标准ABC三相坐标系的转换，输出汽轮发电机组的机端dq轴下电压和电流与机端xy轴下电压和电流间的代数关系模型；

建模单元，根据电流矩阵及代数关系模型对汽轮发电机组连续时间状态空间模型进行离散处理，将汽轮发电机组等效为等值导纳-历史电流源的电路模型。

可选的，稳态点处线性化处理包括消去中间变量。

可选的，汽轮发电机组连续时间状态空间模型、电流矩阵、代数关系模型和等值导纳-历史电流源的电路模型的表达式为紧凑形式。

可选的，同步发电机模型的建立，忽略同步发电机零轴分量，并假设同步发电机为理想发电机，且同时转子侧存在3个阻尼，d轴和q轴上绕组间的互感相等。

可选的，励磁部分模型用于表示发电机机端电压与dq坐标系下的机端电压分量和机端电压分量增量之间的关系。

本发明提出的建模方法避免了在静止ABC三相坐标系下的汽轮发电机的状态方程的自感和互感系数的时变性，从而为进行基于ABC三相坐标系分析电网的模态提供了可用的发电机模型。

附图说明

图1为本发明一种基于ABC三相坐标系的汽轮发电机建模方法的流程图；

图2为本发明一种基于ABC三相坐标系的汽轮发电机建模方法的等值导纳-历史电流源电路模型的模型示意图；

图3为本发明一种基于ABC三相坐标系的汽轮发电机建模系统的结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本发明提出了一种基于ABC三相坐标系的汽轮发电机建模方法，如图1所示，包括：

针对气轮发电机组轴系的6质量块运动方程进行线性化处理，建立线性化模型；

建立汽轮发电机组的原动机及调速系统模型、同步发电机模型和励磁部分模型；

在线性化模型、原动机及调速系统模型、同步发电机模型和励磁部分模型的稳态点处进行线性化处理，生成汽轮发电机组连续时间状态空间模型；

针对汽轮发电机组连续时间状态空间模型，构建汽轮发电机组的输出电流矩阵；

对输出的电流矩阵进行接口与标准ABC三相坐标系的转换，输出汽轮发电机组的机端dq轴下电压和电流与机端xy轴下电压和电流间的代数关系模型；

根据电流矩阵及代数关系模型对汽轮发电机组连续时间状态空间模型进行离散处理，将汽轮发电机组等效为等值导纳-历史电流源的电路模型。

其中，稳态点处线性化处理包括消去中间变量。

其中，汽轮发电机组连续时间状态空间模型、电流矩阵、代数关系模型和等值导纳-历史电流源的电路模型的表达式为紧凑形式。

其中，同步发电机模型的建立，忽略同步发电机零轴分量，并假设同步发电机为理想发电机，且同时转子侧存在3个阻尼，d轴和q轴上绕组间的互感相等。

其中，励磁部分模型用于表示发电机机端电压与dq坐标系下的机端电压分量和机端电压分量增量之间的关系。

下面结合实施例对本发明进行进一步的说明：

建立汽轮发电机的发电机轴系的运动方程即线性化模型；

对汽轮发电机组轴系6质量块运动方程进行线性化处理，得到：

式中：δ

建立原动机和调速系统模型；

汽轮机及其调速器的微分动态方程为：

建立同步发电机模型；

对同步发电机建模时，忽略其零轴分量，假设发电机为理想同步电机，考虑转子侧存在三个阻尼绕组的情况，并假定d轴和q轴上绕组间的互感相等，分别为x

式中：u

发电机电磁转矩线性化方程为：

建立励磁部分模型；

将励磁系统的微分动态方程线性化处理后，得到：

式中发电机机端电压u

建立汽轮发电机连续时间状态空间模型；

给出的汽轮发电机系统各环节数学模型，在稳态点处线性化处理，即可得到各环节的线性化微分方程；

汽轮发电机组全部动态特性的25阶线性化微分方程组，及相关的中间变量表达式，消去中间变量后，即可得到汽轮机组在dq坐标系下的连续时间状态空间模型，写成紧凑形式如下：

pX＝A

式中：A

状态变量矩阵X和机端电压矩阵u

u

构建发电机输出电流矩阵，如下：

i

进行接口与标准坐标系的转换

汽轮发电机机端dq轴下电压、电流与xy轴下电压、电流间的代数关系的紧凑形式代数方程：

式中：

连续时间状态方程的离散处理，得到最终的离散化方程和输出方程表达式，如下：

h＝A

式中：A

此外，将式4-26的第一项带入到汽轮机组的输出方程中，得到：

Δi

式中：A

根据式4-27可将汽轮发电机组等效成如下所示的“等值导纳-历史电流源”电路模型，如图2所示，图2中g

本发明考虑了汽轮发电机的6质量块的轴系模型，并考虑了详细的 PSS和AVR模型。

本发明把发电机模型转换为一个历史电流源和电阻的并联支路，与电磁暂态的小干扰分析算法完全匹配。

本发明还提出了一种基于ABC三相坐标系的汽轮发电机建模系统200，如图3所示，包括：

初始建模单元201，针对气轮发电机组轴系的6质量块运动方程进行线性化处理，建立线性化模型，建立汽轮发电机组的原动机及调速系统模型、同步发电机模型和励磁部分模型；

初始模型处理单元202，用于对线性化模型、原动机及调速系统模型、同步发电机模型和励磁部分模型的稳态点处进行线性化处理，生成汽轮发电机组连续时间状态空间模型；

第一计算单元203，针对汽轮发电机组连续时间状态空间模型，构建汽轮发电机组的输出电流矩阵；

第二计算单元204，对输出的电流矩阵进行接口与标准ABC三相坐标系的转换，输出汽轮发电机组的机端dq轴下电压和电流与机端xy轴下电压和电流间的代数关系模型；

建模单元205，根据电流矩阵及代数关系模型对汽轮发电机组连续时间状态空间模型进行离散处理，将汽轮发电机组等效为等值导纳-历史电流源的电路模型。

其中，稳态点处线性化处理包括消去中间变量。

其中，汽轮发电机组连续时间状态空间模型、电流矩阵、代数关系模型和等值导纳-历史电流源的电路模型的表达式为紧凑形式。

其中，同步发电机模型的建立，忽略同步发电机零轴分量，并假设同步发电机为理想发电机，且同时转子侧存在3个阻尼，d轴和q轴上绕组间的互感相等。

其中，励磁部分模型用于表示发电机机端电压与dq坐标系下的机端电压分量和机端电压分量增量之间的关系。

本发明提出的建模方法避免了在静止ABC三相坐标系下的汽轮发电机的状态方程的自感和互感系数的时变性，从而为进行基于ABC三相坐标系分析电网的模态提供了可用的发电机模型。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。