發(fā)布時間：2016-10-23 08:26

1   緒論 

1.1   引言 
近年來我國電力行業(yè)飛速發(fā)展，各電網(wǎng)并聯(lián)運行成為趨勢，這將使系統(tǒng)的阻尼特性變差，出現(xiàn)多擺振蕩失步問題，并且隨著大容量發(fā)電機和各種先進的電力設備投入電網(wǎng)運行，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提出了更高的要求，這就需要在電力系統(tǒng)的計算和分析中采用更加精確的模型，才能滿足控制運行的需求[1]。 國際上曾發(fā)生過多起大停電事故，事故后電力部門試圖對事故過程進行模擬，但由于采用的模型和參數(shù)不精確，使得事故重現(xiàn)的結(jié)果與實際情況有很大的差別�？梢姕蚀_的模型對電力系統(tǒng)的模擬是多么的重要，也是電力工作者亟待解決的問題之一。 發(fā)電機是電力系統(tǒng)中必不可少的元件之一，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)是電力系統(tǒng)四大參數(shù)（發(fā)電機參數(shù)、調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)、勵磁系統(tǒng)參數(shù)、負荷模型參數(shù)）之一，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制作用與電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量和動態(tài)行為之間都有著密切的聯(lián)系，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要的影響[2,3]。在進行電力系統(tǒng)的計算中，采用發(fā)電機的恒定電勢經(jīng)典模型已不能滿足并聯(lián)大電網(wǎng)分析的要求，一些仿真軟件中提供的標準勵磁模型也不能涵蓋實際應用中所有的勵磁系統(tǒng)，因此有必要對一些大容量機組的勵磁系統(tǒng)運用參數(shù)辨識的方法求出其詳細的模型和參數(shù)，從而更加準確的預測和監(jiān)視系統(tǒng)的運行。 目前 IEEE 等組織已經(jīng)提供了多種可供選擇的標準化勵磁模型，模型的結(jié)構(gòu)確定下來之后就需要對其中的參數(shù)進行辨識。一個精確的勵磁系統(tǒng)模型不僅要反映出各個元件單獨作用時的特性，還應該能反映出多個元件聯(lián)接在一起后相互作用的特性，而制造廠家提供的參數(shù)往往是在離線條件試驗下，對各個元件單獨測量，然后綜合在一起而得到的參數(shù)，如果用這些廠家給定的參數(shù)進行電力系統(tǒng)的穩(wěn)定計算，將會使得到的結(jié)果與實際情況不符[4]。因此對現(xiàn)場運行的勵磁系統(tǒng)，如果能用現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)辨識，一般可以得到精確的模型參數(shù)，從而準確的對系統(tǒng)進行分析。 
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1.2   參數(shù)辨識簡介 
任何待研究的對象都可以看做是一個系統(tǒng)，模型就是對系統(tǒng)本質(zhì)的抽象。根據(jù)對實際的需要，模型一般僅考慮影響系統(tǒng)的主要因素，以簡化模型。 從本質(zhì)上來講，系統(tǒng)辨識問題就是一個參數(shù)的優(yōu)化求解問題，即將待研究的系統(tǒng)用一個適當?shù)哪Ｐ蛠泶�，然后再對模型的參�?shù)進行參數(shù)估計。這種方法對解決線性系統(tǒng)或者近似線性系統(tǒng)有很好的效果，但對一些非線性系統(tǒng)或者是較為復雜的系統(tǒng)誤差較大�，F(xiàn)實世界中的系統(tǒng)多為非線性系統(tǒng)，這就迫使人們對非線性系統(tǒng)進行研究，于是人們總結(jié)提出了幾種典型的模型集[5,6]。神經(jīng)網(wǎng)絡不需要進行系統(tǒng)建模，是一種高度非線性的模型，可對非線性模型進行在線參數(shù)辨識，且收斂速度不依賴于系統(tǒng)的維數(shù)，其中前饋神經(jīng)網(wǎng)絡和反饋神經(jīng)網(wǎng)絡是目前得到廣泛應用的兩種，前者表示靜態(tài)非線性模型，后者表示動態(tài)非線性模型。
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2   發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的數(shù)學模型 

2.1   發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 

按照國家標準，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)定義為向發(fā)電機提供勵磁的所有部件之和，它對電力系統(tǒng)的輸送能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著巨大的影響。勵磁系統(tǒng)主要由勵磁電源和勵磁調(diào)節(jié)器組成，勵磁電源向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流，勵磁調(diào)節(jié)器按照給定的調(diào)節(jié)準則調(diào)節(jié)輸出[20,21,22]。整個勵磁系統(tǒng)的原理框圖如圖 2.1 所示，各變量的含義如表 2.1 所示。根據(jù)功率源的差異，可將勵磁系統(tǒng)分為三類。其中直流勵磁系統(tǒng)的直流勵磁機與主機同軸，與電網(wǎng)其他部分的運行狀態(tài)無關，當電網(wǎng)其他部分發(fā)生故障時不受影響，仍可正常工作，但功率較小，響應速度很慢，一般不用于大型發(fā)電機的勵磁，只在中小型發(fā)電機中應用[23,24]。 交流勵磁系統(tǒng)的勵磁機和主機同軸，故電網(wǎng)其他部分發(fā)生故障時仍可正常工作，并且時間常數(shù)很小，一般只有幾十毫秒，響應速度很快，對提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的作用，由于不含整流子，因此在大中型火電機組中應用十分廣泛，但用在水輪發(fā)電機上時，若發(fā)電機由于故障甩負荷時，會引起過電壓[25]。 靜止勵磁系統(tǒng)包括交流側(cè)自并勵和交流側(cè)串并聯(lián)自復勵兩種，無旋轉(zhuǎn)設備，易于維修，響應時間短，非常適用于大型機組，且可以緩解上述交流勵磁系統(tǒng)用于水電機組時產(chǎn)生的問題，但是在發(fā)生機端故障和電網(wǎng)故障時容易引起失磁問題[26]。

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2.2   同步發(fā)電機的數(shù)學模型 
同步發(fā)電機是旋轉(zhuǎn)的鐵磁元件，其繞組結(jié)構(gòu)十分復雜，包含的參數(shù)變量很多，模型特性也十分復雜，因此在建立同步發(fā)電機的模型時一般會根據(jù)對精度的要求來進行不同的簡化，常用的有六階 BPA 模型、五階模型（綜合穩(wěn)定計算模型）、四階模型、三階模型、和二階模型[27]。如今隨著大容量發(fā)電機的不斷投入使用，直流勵磁系統(tǒng)的性能已經(jīng)不能滿足要求。所以這里僅對交流勵磁機的數(shù)學模型進行介紹，它由勵磁機和功率整流器兩部分組成[28]。在我國，大部分交流勵磁機采用他勵發(fā)電機，又由于其負載接近于恒定，因此它的模型比同步發(fā)電機的模型更為簡化，我國發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中使用的勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)展過程大致經(jīng)歷了三個階段：主要起調(diào)壓作用的機電型勵磁器（也稱調(diào)壓器）、相位復式勵磁調(diào)節(jié)器（電磁型勵磁調(diào)節(jié)器）和晶體管可控硅型勵磁調(diào)節(jié)器，其中前兩種已趨于淘汰行列，第三種也隨著控制技術(shù)的飛速發(fā)展在功能、構(gòu)成原理和控制方式上不斷地改進。這里僅介紹第三種，可控硅型勵磁調(diào)節(jié)器主要由電壓測量調(diào)差補償環(huán)節(jié)、綜合放大控制環(huán)節(jié)、幅值限制環(huán)節(jié)、功率放大環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子軟反饋環(huán)節(jié)和串并聯(lián)校正環(huán)節(jié)等構(gòu)成。 
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3   勵磁系統(tǒng)的可辨識性研究 .... 20
3.1   可辨識性的概念 .... 20 
3.2   軌跡靈敏度與可辨識性的關系 .... 21 
3.3   系統(tǒng)可辨識與參數(shù)可辨識 ...... 23 
3.4   可辨識性與算法的關系 .... 24 
3.5   可辨識性與系統(tǒng)輸入之間的關系 ...... 25 
3.6   自并勵勵磁系統(tǒng)的可辨識性研究 ...... 26 
3.7   本章小結(jié) .... 28 
4   勵磁系統(tǒng)的辨識方法 ...... 29 
4.1   PLPF 辨識法 .... 29 
4.1.1   PLPF 法的原理 ..... 29 
4.1.2   實際系統(tǒng)各參數(shù)的求解 ......... 32 
4.2   勵磁系統(tǒng)參數(shù)的頻域辨識法 ........ 32 
4.2.1   頻域辨識法的原理 ..... 33 
4.2.2   頻域辨識法的辨識過程 ......... 34 
4.3   遺傳算法在勵磁系統(tǒng)參數(shù)辨識中的應用 ...... 36 
4.4   簡單仿真算例 ........ 42
4.5   本章小結(jié) .... 45 
5   勵磁系統(tǒng)辨識算例 .... 46 
5.1   MATLAB/SIMULINK 簡介 .... 46 
5.2   搭建勵磁系統(tǒng)的模型 ........ 47 
5.3   單個環(huán)節(jié)的辨識 .... 48 
5.4   整個環(huán)節(jié)的辨識 .... 54 
5.5   本章小結(jié) .... 59 

5   勵磁系統(tǒng)辨識算例 

5.1   MATLAB/SIMULINK 簡介 
在二十世紀七十年代左右，Cleve  Moler 博士和他的同事開發(fā)了用于求解線性方程的 Linpack 子程序庫和用于求解特征值的 Eispack 子程序庫，后來 Cleve Moler 博士又設計了 Linpack 子程序庫和 Eispack 子程序庫的接口程序，并取名為 MATLAB，這就是 MATLAB 的起源。 MATLAB 是 matrix 和 laboratory 兩個詞的組合，是由美國 Mathworks 公司研制的，，主要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化以及數(shù)據(jù)分析和計算，MATLAB 擁有良好的交互界面，所使用的編程語言簡單易學，并且可以邊編程邊運行，從而不用去考慮程序的結(jié)構(gòu)，MATLAB 的計算能力十分強大，通過簡單的命令就可對大型的矩陣進行快速運算，其對圖形的處理能力也很出色，并且可對數(shù)據(jù)進行各種可視化處理。經(jīng)過多年的發(fā)展，MATLAB 已經(jīng)涵蓋了幾乎所有學科的研究工具，集成了許多只通過簡單操作就能實現(xiàn)復雜模擬的工具箱，操作簡單，易于上手，將數(shù)值計算和可視化連接在一起，在學術(shù)界和工程界廣受歡迎，是目前世界上最流行的計算軟件之一。 SIMULINK 是 MATLAB 的重要組成部分，它基于框圖設計環(huán)境，為研究者提供了一個方便易用的動態(tài)系統(tǒng)建模仿真和分析的集成環(huán)境，只需要通過簡單的操作就可以模擬出十分復雜的系統(tǒng)，并進行參數(shù)設置和動態(tài)監(jiān)測分析，被廣泛的應用于線性和非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制和模型分析等領域。SIMULINK 可以對構(gòu)建的模型進行實時的仿真分析和動態(tài)測試，并及時分析系統(tǒng)的運行結(jié)果，使用十分便捷。SIMULINK 還提供了電力系統(tǒng)分析的工具箱 Sim Power，給電力系統(tǒng)的仿真和分析帶來了很大的方便，使我們能夠模擬出一些現(xiàn)實中無法實現(xiàn)的狀況[57]。 
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結(jié)論

勵磁控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電力系統(tǒng)的電能輸送能力有著很大的影響，因此就需要對勵磁系統(tǒng)進行深入的研究，建立實用的勵磁系統(tǒng)模型，并根據(jù)實際運行情況辨識出模型中的參數(shù)。 勵磁系統(tǒng)的參數(shù)是電力系統(tǒng)四大參數(shù)之一，勵磁系統(tǒng)的參數(shù)辨識也是電力系統(tǒng)學科中一個較為困難的難題，盡管人們通過不同的測量工具和辨識方法取得了一定的成就，但是還有許多問題有待解決，如勵磁系統(tǒng)中的可辨識性問題以及實際系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量問題等。本文主要作了以下工作：介紹了參數(shù)辨識的概念、內(nèi)容和步驟等，介紹了勵磁系統(tǒng)參數(shù)辨識取得成就和研究現(xiàn)狀；對勵磁系統(tǒng)的工作原理和組成部分作了詳細的分析，并對勵磁系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)進行了等效和簡化，寫出了它們的近似傳遞函數(shù)；對當前人們關注較少的勵磁系統(tǒng)的可辨識性問題進行了分析和綜合，介紹了可辨識性問題的提出和可辨識性的概念，分析了影響勵磁系統(tǒng)可辨識性的因素，并用數(shù)值法對一個簡單的勵磁系統(tǒng)進行了可辨識性分析；詳細介紹了當前在勵磁系統(tǒng)參數(shù)辨識中幾種較為常用的方法，分析了不同方法中影響參數(shù)辨識精度的因素，并對這幾種方法進行了分析比較；最后對兩個勵磁系統(tǒng)進行了單環(huán)節(jié)辨識和整體辨識，用實例驗證了前述結(jié)論的正確性。 雖然本文對勵磁系統(tǒng)進行了辨識，但辨識的精度還有待提高，并且隨著加入噪聲信號的增大，辨識結(jié)果的準確性也將降低，辨識中的數(shù)據(jù)也都由搭建的模型測得，在實測時，測量信號中的噪聲將會變得不確定，辨識結(jié)果的誤差也將大大加大，這是需要改進的地方。本文中關于可辨識性問題的研究也只是在理論方面，實際中影響可辨識性的因素有很多，并且不確定，因此還需要有更加系統(tǒng)的分析方法來進行研究。隨著科技的進步，更加先進的控制器等設備將會被應用到勵磁系統(tǒng)當中，這將會大大加大勵磁系統(tǒng)的復雜程度，給勵磁系統(tǒng)的參數(shù)辨識帶來挑戰(zhàn)，就需要有更加先進的測量手段和更好的辨識方法。 
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參考文獻(略)

本文編號：150172