電力系統(tǒng)暫態(tài)大致包括以下三個過程:電磁暫態(tài)、機(jī)一網(wǎng)相互作用和機(jī)電暫態(tài)。這三個階段既是相互區(qū)別,又是相互聯(lián)系相互影響的。由于電力系統(tǒng)各元件以及元件各部分的時間常數(shù)與作用域各不相同,因此傳統(tǒng)上根據(jù)仿真的不同目的和元件的動態(tài)特性,選擇適合某一階段的仿真模型和算法,只針對其中的部分過程進(jìn)行仿真。在一定研究范圍內(nèi),采用這種方法的仿真結(jié)果是簡單、可信的,因而長期以來被廣泛采用。但是,隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,規(guī)模日益擴(kuò)大,結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜,仿真的任務(wù)也由單一簡單的問題向復(fù)雜、多元化發(fā)展。單純考慮系統(tǒng)部分暫態(tài)特性的算法己越來越難以滿足仿真研究的要求,只采用單一、固定的模型對暫態(tài)過程的某一階段進(jìn)行計(jì)算是不夠精確可靠的,因此需要對暫態(tài)全過程仿真研究。 建立同步發(fā)電機(jī)的自適應(yīng)模型是暫態(tài)全過程仿真的重要部分之一。由于發(fā)電機(jī)是同步旋轉(zhuǎn)元件,所以其自適應(yīng)模型較電力系統(tǒng)其他靜止元件復(fù)雜得多。對于發(fā)電機(jī)的暫態(tài)全過程仿真國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。通過分別建立發(fā)電機(jī)與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)模型的接口,解決系統(tǒng)暫態(tài)全過程仿真的問題,這是很有創(chuàng)意的。但仍存在以下問題:仍然將暫態(tài)過程割裂為不同階段,發(fā)電機(jī)模型只是各階段的組成部分。實(shí)際上僅把電磁暫態(tài)、機(jī)一網(wǎng)相互作用和機(jī)電暫態(tài)的仿真方法聯(lián)接,并未對元件形成統(tǒng)一的算法。而且模型與算法的變換多依靠經(jīng)驗(yàn)決定,缺乏科學(xué)、精確的判據(jù),這樣的仿真結(jié)果不夠準(zhǔn)確、可靠。 這些仿真仍然是面向過程的仿真而不是面向?qū)ο蟮姆抡。面向過程仿真的模型轉(zhuǎn)換是針對系統(tǒng)過程而不是元件對象的,這樣就無法根據(jù)元件的狀態(tài)自適應(yīng)地變換模型,同時存在可讀性、模塊性、擴(kuò)充性差等缺點(diǎn),難以實(shí)現(xiàn)全過程的統(tǒng)一仿真。用這種智能化的仿真模型可以在確保精度的同時,大大提高仿真的速度。同時,由于機(jī)械部分的時間常數(shù)較大,可在系統(tǒng)頻率變化不大時預(yù)測校正考慮,系統(tǒng)處于振蕩、失步等頻率變化較快時聯(lián)立同步求解。從上述思想出發(fā),應(yīng)用面向?qū)ο蟮姆抡婕夹g(shù)可形成適合暫態(tài)全過程仿真的發(fā)電機(jī)自適應(yīng)模型。 3面向?qū)ο蟮陌l(fā)電機(jī)自適應(yīng)模型本文針對以上問題提出了基于發(fā)電機(jī)狀態(tài)變量變化特點(diǎn)的自適應(yīng)變換判據(jù),應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)將適用不同階段的各類發(fā)電機(jī)模型相結(jié)合,形成了同步發(fā)電機(jī)的暫態(tài)自適應(yīng)仿真模型。 2發(fā)電機(jī)自適應(yīng)暫態(tài)模型的思想bookmark4為建立發(fā)電機(jī)暫態(tài)全過程的仿真模型,就需要計(jì)算包括電磁暫態(tài)、機(jī)-網(wǎng)相互作用和機(jī)電暫態(tài)在內(nèi)的暫態(tài)全過程。在仿真過程中根據(jù)系統(tǒng)所處狀態(tài)和電量的變化特點(diǎn),自適應(yīng)地變換元件模型及計(jì)算步長,以保證精度的同時合理簡化計(jì)算。 以有阻尼發(fā)電機(jī)空載三相短路故障暫態(tài)為例進(jìn)行的分析,可以求得定子a相電流的解析解其中包含有強(qiáng)制分量和自由分量。強(qiáng)制分量發(fā)電機(jī)自適應(yīng)模型的研究是從精確反映電磁暫態(tài)而認(rèn)為轉(zhuǎn)速t不突變的轉(zhuǎn)子四階(三階)模型出發(fā)的,這種模型適合于無系統(tǒng)振蕩(發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速t變化不大)的故障初瞬態(tài)仿真研究。通過對衰減分量的分析,逐步簡化仿真模型,直至形成適合機(jī)電暫態(tài)研究的只計(jì)轉(zhuǎn)子繞組動態(tài)和定子繞組準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的仿真模型。在此過程中,如系統(tǒng)再次發(fā)生擾動(再次故障或開關(guān)操作),需重新切換為轉(zhuǎn)子四階(三階)模型或考慮轉(zhuǎn)速t突變的系統(tǒng)振蕩模型。 為真正實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)整個暫態(tài)過程的自適應(yīng)仿真必須使每個元件根據(jù)各自的狀態(tài)智能地變換模型。這樣傳統(tǒng)的面向過程的仿真方法就很難勝任,因此本文對元件(同步發(fā)電機(jī))采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)建模。同時,面向?qū)ο蟮哪P瓦有可讀性、模塊性、可擴(kuò)充性的優(yōu)點(diǎn)。 同步發(fā)電機(jī)自適應(yīng)模型的基類CGeneratoi提供了統(tǒng)一的對外接口和公用函數(shù),無具體實(shí)例。由基類CGenerator派生出的子類主要有以下幾種CGeneratoi子類1考慮定子暫態(tài)和阻尼繞組的發(fā)電機(jī)電磁暫態(tài)模型。包括適用于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子四階模型(子類1.1)和適用于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)子三階模型(子類1.2)。以轉(zhuǎn)子三階模型為例是不會發(fā)生衰減的,而自由分量則隨時間而衰減,且衰減的時間常數(shù)很小。 其他類型的發(fā)電機(jī)暫態(tài)過程具有類似的特點(diǎn),因此我們可在故障發(fā)生的初瞬間詳細(xì)考慮定子繞組的電磁過程,待自由分量衰減到足夠小時,將模型電勢、磁鏈方程和米用Park坐標(biāo)變換將上定子部分dq0坐標(biāo)方程變換為abc系統(tǒng)描述采用坐標(biāo)變換將發(fā)電機(jī)定子部分方程變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)xy中,以便與發(fā)電機(jī)出口的網(wǎng)絡(luò)方程連接。 轉(zhuǎn)子方程功率及力矩方程根據(jù)以上方程應(yīng)用綜合友模法,可得到發(fā)電機(jī)故障初瞬態(tài)模型,該模型精確考慮了電磁暫態(tài)過程。 阻尼繞組的暫態(tài)模型。由于同步發(fā)電機(jī)的定子暫態(tài)分量和阻尼繞組分量的時間常數(shù)很小,是快速衰減的。當(dāng)某分量衰減到足夠小的時候,相關(guān)部分就可以忽略不計(jì)。由子類1逐步消去相應(yīng)部分形成的子類21、子類2.2……,最終可以得到不包含定子暫態(tài)和阻尼繞組作用的轉(zhuǎn)子一階模型,其電勢、磁鏈方程描述如下為仿真不對稱系統(tǒng)以及多重不對稱操作,網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型仍采用abc坐標(biāo)系統(tǒng),設(shè)發(fā)電機(jī)出口的網(wǎng)絡(luò)方程為稱)連接的轉(zhuǎn)子動態(tài)模型。當(dāng)系統(tǒng)過渡到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后,非工頻分量衰減到很小,網(wǎng)絡(luò)中的電量己基本為基波分量。這時就可以忽略網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)過程,采用復(fù)數(shù)導(dǎo)納陣的代數(shù)方程對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行描述。這時只計(jì)及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子動態(tài),對發(fā)電機(jī)采用微分方程描述,這樣機(jī)-網(wǎng)接口就要作相應(yīng)變化。 發(fā)電機(jī)定子暫態(tài)是由代數(shù)方程描述的,其他部分(如轉(zhuǎn)子勵磁繞組、轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程等)由微分方程描述。將發(fā)電機(jī)方程用前面的方法差分化并使定、轉(zhuǎn)子方程分開再將發(fā)生故障的初瞬間接口方程。通常情況下轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程時間常數(shù)較大,系統(tǒng)頻率變化不大時可采用預(yù)測-校正算法。但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生復(fù)雜故障的情況下,頻率變化較快時(如系統(tǒng)振蕩)發(fā)生故障,忽略頻率變化會帶來很大誤差。因此本文對這種情況采用了將轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程聯(lián)立求解的發(fā)電機(jī)同步模型。 躍變量模型。本文采用的是隱式梯形法建模,該方法數(shù)值穩(wěn)定性好、計(jì)算簡單且精度較高。但由于故障發(fā)生前后電感電流和電容電壓不發(fā)生突變,梯形法會造成數(shù)值振蕩,因而本文采用頻譜補(bǔ)償?shù)臍W拉法進(jìn)行躍變量計(jì)算:4.其中包括子類1相應(yīng)的躍變量模型(子類6.1)和子類5相應(yīng)的躍變量模型(子類6.2)。 實(shí)際仿真中,同步發(fā)電機(jī)暫態(tài)自適應(yīng)模型的轉(zhuǎn)的歷史。值得到子類2的初值alEleetroniepublishg暫態(tài)全過程仿真|對發(fā)電機(jī)自適應(yīng)暫態(tài)模型進(jìn)4子類間變換的接口判據(jù)與初值為實(shí)現(xiàn)CGenerator類的自適應(yīng)變換,需要制定準(zhǔn)確、合理的接口判據(jù)。以往的變模型仿真研宄通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在固定的仿真時刻切換,這樣做是很不精確的。一方面,如果模型切換過早,相應(yīng)的暫態(tài)分量仍然較大時,會造成非原形的擾動與振蕩;另一方面,為避免上述問題而切換過晚,則會增加計(jì)算量。因此本文根據(jù)發(fā)電機(jī)狀態(tài)變量的變化規(guī)律,提出了自適應(yīng)變換的準(zhǔn)確判據(jù)。同時,由于各子類模型不同,變化時需要重新確定初值。 41子類6 1―子類1和子類62―子類5的變換上面兩類變換十分相似,都是由故障初瞬間的躍變量模型向精確計(jì)及電磁暫態(tài)過程的發(fā)電機(jī)模型過渡。不同的是前者不考慮轉(zhuǎn)速的變化,后者將反映轉(zhuǎn)速變化的轉(zhuǎn)子動態(tài)方程同步求解。由于躍變量模型與精確計(jì)及電磁暫態(tài)過程的發(fā)電機(jī)模型等值電路相同,只有數(shù)值積分方法不同,具有相同的變量,因此只要簡單的將歷史值作為仿真初值即可。 4.2子類1―子類2的變換這個變換過程是簡化發(fā)電機(jī)模型的阻尼繞組和變壓器電勢的過程,變換的判據(jù)分別為阻尼繞組電流和磁鏈的變化率。由于子類2是子類1的簡化,所有變量都是子類1的子集,因此仍然可由子類1 4.3子類2―子類3的變換由于和發(fā)電機(jī)模型子類3接口的網(wǎng)絡(luò)不計(jì)網(wǎng)絡(luò)暫態(tài),因此這個變換要求系統(tǒng)基本為基波分量。通過Fourier變換可得到基波的幅值與相位,若機(jī)網(wǎng)接口處三相電壓、電流在連續(xù)若干次相關(guān)分析中基波幅值與相位變化很小,則可忽略網(wǎng)絡(luò)暫態(tài),同時將該電壓、電流矢量作為定子繞組初值。對于轉(zhuǎn)子動態(tài)等部分,子類3與子類2相同,故可將子類2的歷史值繼承作為子類3的初值。 4.4子類3―子類4的變換子類3*子類4的變換是在系統(tǒng)發(fā)生對稱或不對稱故障切除的前提下進(jìn)行的,要求系統(tǒng)三相完全對稱。由于三相對稱,子類3中a相的向量就是子類4中的綜合向量,即=其他部分初值與子類3相同。 4.5子類2―子類6的變換當(dāng)發(fā)電機(jī)處于子類2階段時系統(tǒng)再次發(fā)生故障或開關(guān)操作,發(fā)電機(jī)需要采用躍變量模型(子類6)。子類2是逐步簡化的,當(dāng)處于任一階段時發(fā)生換路,阻尼繞組和變壓器電勢尚未簡化的部分歷史值就是子類6的初值,己簡化部分的阻尼繞組電流和變壓器電勢初值為0.發(fā)電機(jī)的其他部分初值也可由歷史值繼承得到。 4.6子類3―子類6和子類4―子類6的變換由于發(fā)電機(jī)處于子類3階段時網(wǎng)絡(luò)不計(jì)暫態(tài),基本上是基波分量。這樣就可以由機(jī)一網(wǎng)接口的矢量得到基波的瞬時值,并將其作為子類6的初值。 從前面的推導(dǎo)可知,a為a相超前x軸的角度,基波電壓矢量為U=ReU+j/mU則a相的瞬時值為ua +sinalmU同理,可得到發(fā)電機(jī)出口處三相電壓、電流的瞬時值作為子類6的初值。變壓器電勢和阻尼繞組電流的初值為0,其他部分可由歷史值繼承得到。子類4*子類6的變換可用類似方法得到綜合矢量表示電壓、電流。 5仿真為華中電網(wǎng)500kV簡化系統(tǒng)圖。 設(shè)葛洲壩一鳳凰山371km500kV線路距葛洲壩約30%發(fā)生A相單相接地短路。葛洲壩側(cè)斷路器0.09s、鳳凰山側(cè)斷路器01s分別動作切除故障線路。0.61s自動重合閘,重合于永久性故障后上述暫態(tài)過程包括多次故障和開關(guān)操作,歷時1s左右,是跨越多個暫態(tài)階段的復(fù)雜過程。 為葛洲壩出口變壓器系統(tǒng)側(cè)A相電流波形和葛洲壩一岡市發(fā)電機(jī)功角波形。其中,()為采用EMTP的發(fā)電機(jī)暫態(tài)模型的仿真結(jié)果13;(b)為采用文中自適應(yīng)模型的仿真結(jié)果(為便于比較,矢量結(jié)果均轉(zhuǎn)化為瞬時值)()為葛洲壩一岡市發(fā)500kV系統(tǒng)圖電機(jī)的功角差。比較()和(b)可以看出,采用自適應(yīng)模型計(jì)算的電流波形反映了功角的變化,較EMTP的計(jì)算結(jié)果具有更高的精度。同時,計(jì)算的時間復(fù)雜度也較EMTP大大降低一以上算例仿真時間比為:0.47:1.該模型尤其適合系統(tǒng)振蕩下的電磁暫態(tài)仿真以及復(fù)雜故障考慮電磁暫態(tài)過程影響的暫態(tài)穩(wěn)定仿真。 也隨時間非正弦變化。電源電壓正弦供電時,若忽略定子漏阻抗壓降,定子繞組的感應(yīng)電勢也為正弦,切割線圈邊A處的磁密也隨時間按正弦變化,根據(jù)磁滯回線可以畫出與磁密對應(yīng)的磁通勢波形如,波形出現(xiàn)畸變。由于磁場由超前一相向滯后那一相方向旋轉(zhuǎn),故Fy滯后Fa60*由式(16)可計(jì)算得A相繞組隨時間變化的電流波形,如。所得的波形與試驗(yàn)和仿真波形相近,說明空載電流在一個正或負(fù)半周期內(nèi)不對稱該半周期的中心線,是由磁滯引起的,本文的模型可以處理包括磁滯在內(nèi)非線性問題。另外從中可見,空載電流滯后電勢較大,表明空載時功率因數(shù)低;而負(fù)載時,定子電流增加了有功分量,使電流波形接近正弦,且電流與反電勢的相位差也減小,功率因數(shù)提高。 線圈邊A、Y處的磁密及磁通勢和A相定子相電流波形6結(jié)論引入一個非線性磁鏈對線性磁鏈導(dǎo)數(shù)的因子,將非線性電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行線性化處理。應(yīng)用電機(jī)空載試驗(yàn)及數(shù)值分析方法,給出了試驗(yàn)求取非線性磁鏈對線性磁鏈導(dǎo)數(shù)的因子的方法,在abc基本坐標(biāo)系上建立起能夠反映包括磁飽和、磁滯等在內(nèi)非線性動態(tài)的、新型的電機(jī)數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)此模型進(jìn)行仿真仿真結(jié)果與電機(jī)變化趨勢相符。電機(jī)為正弦電源供電時,由于磁滯的影響,使得電機(jī)空載電流波形在一個正或負(fù)半周期內(nèi),波形不對稱于正或負(fù)半周期的中心線。仿真的空載電流波形與電機(jī)空載試驗(yàn)電流波形相近,且都具有這種不對稱的特點(diǎn)。