同步发电机建模
2023年度电力系统同步发电机励磁系统的建模与仿真
2023年度电力系统同步发电机励磁系统的建模与仿真随着电力系统的快速发展和电力负荷的不断增加，同步发电机在电力系统中的作用日益重要。
在发电过程中，同步发电机的励磁系统起着至关重要的作用，它不仅决定了发电机的输出功率和电压稳定度，还直接影响到电力系统的稳定性和安全性。
因此，对同步发电机励磁系统进行建模和仿真，分析其特性及优化其性能具有十分重要的实用价值和工程应用前景。
本文将针对电力系统同步发电机励磁系统的建模和仿真，从理论分析、实验研究和实际应用等角度进行探讨，并提出相应的解决方案和建议。
一、同步发电机励磁系统的基本原理同步发电机是电力系统中常用的发电设备之一，其工作原理是通过励磁系统对转子产生恒定电磁势，使得电动机的旋转速度与电网同步。
励磁系统由调节回路和发电机励磁机组成，前者用于调节励磁电流大小，后者用于产生励磁电流。
励磁机由交流电源供电，将电能转换为磁能，形成恒定的磁场，以激励转子产生电势，并与电网同步。
二、同步发电机励磁系统的建模方法同步发电机励磁系统建模方法通常采用开环和闭环两种方法。
开环方法着重考虑发电机励磁机的特性和参数，而忽略负载和电力系统的影响；闭环方法则将发电机励磁系统与负载和电力系统耦合起来，考虑更加全面的影响因素。
基于此，可以利用MATLAB等软件对同步发电机励磁系统建立模型并进行仿真。
三、同步发电机励磁系统的特性分析同步发电机励磁系统特性分析是建模和仿真的重要内容，其目的是分析系统的性能和稳定性。
特性分析主要包括励磁电路特性分析、励磁系统数学模型建立、励磁机暂态过程仿真等方面。
四、同步发电机励磁系统的优化同步发电机励磁系统的优化可以通过改变发电机励磁电路参数、控制环节参数等方式进行。
其中，提高励磁机的内部反馈控制效果，降低负载波动对励磁系统的影响，并采用先进的励磁控制算法等方法，可以显著提升系统的质量和性能。
五、同步发电机励磁系统仿真结果分析通过对同步发电机励磁系统的仿真分析，可以建立电网和发电机系统的各种工况和稳态性能参数，并提出相应的改进措施和建议。
同步发电机建模
研究先进的控制策略和优化算法，以提高同步发电机的运行效率和稳定性。例如，采用滑模控制、自适应控制和强化学习等算法，实现发电机的快速响应、稳定运行和智能控制。
并网与分布式发电系统
研究同步发电机在并网和分布式发电系统中的应用，实现与可再生能源的高效集成。探讨分布式发电系统中的协同控制策略，以及在微电网和智能电网中发挥同步发电机的关键作用。
多物理场耦合建模
深入研究同步发电机的多物理场耦合建模，包括电气、机械、热和流体等多个方面。通过建立精确的数学模型，模拟发电机的动态行为和相互作用，为优化设计和控制提供理论支持。
同步发电机研究展望
THANKS
容量匹配
根据电力系统的需求和规模，合理配置同步发电机的容量，以满足电力系统的供电需求。
布局优化
根据电力系统的地理分布和负荷分布，优化同步发电机的布局，以提高电力系统的运行效率和可靠性。
技术升级
对老旧的同步发电机进行技术升级和改造，提高其运行效率和性能，降低对环境的影响。
在电力系统中的优化配置
延时符
Байду номын сангаас
励磁控制策略
总结词
并网控制是同步发电机并入电网的关键环节，需要确保发电机的频率、相位和电压幅值与电网一致。
详细描述
并网控制策略通过调节发电机的转速和励磁电流，使发电机的输出频率和相位与电网一致。在并网过程中，通常采用准同期并网方法，通过调节发电机的频率和相位来实现与电网的同步。
并网控制策略
VS
无功功率控制是同步发电机中用于平衡无功功率和维持电网电压稳定的重要手段。
稳态方程
02
稳态模型的核心是建立同步发电机的电压、电流和功率平衡方程。这些方程通常包括电机的电压方程、磁链方程、功率方程等，用于计算发电机的运行参数。
4 同步发电机建模
2013-4-1
鞠平
2. 五阶实用模型
进一步不计g 绕组动态
该模型在综合稳定程序中经常使用，比较适合于水
轮（凸极）发电机【因为没考虑 g 绕组】
3. 三阶实用模型
进一步不计 DQ 绕组动态
只考虑 f 绕组动态，即Eq’ 变化
4. 两阶实用模型
进一步不计 f 绕组动态
即Eq’ 或 E’ 恒定
d X d (s)Id G f (s)U f q X q (s)Iq
2013-4-1
ud d q rid uq q d riq
Uds qs
Uq
s
d
s
Uf s 0
XXdqssUIUIqddqssss
鞠平
静态频域法 SSFR
（Standstill-frequency-response tests）
将转子调整到直轴（交轴）位子
通过特殊装置，逐次产生不同频率正玄交流电流， 施加在励磁绕组，频率范围在0.001Hz ～ 100Hz 或
200Hz
每个频率下，记录电压、电流等
获得运算电抗的频域响应
鞠平
4.1.3 同步发电机的实用模型
1. 六阶实用模型
不计定子绕组的电磁动态（降 2 阶） 计及转子的电磁动态（4阶＝f D g Q ） 计及转子的机械动态 （2阶） 用实用电势代替磁链，实用电抗代替电路电抗 在8阶基础上降 2 阶，所以共 6 阶 该模型在 BPA 程序中经常使用，比较适合于汽轮 （隐极）发电机【因为考虑了 g 绕组】
uq
d
q
q
d
三相同步电动机的建模与特性
其中，
I d I a sin I q I a cos
（8-6） （8-7）
对于同步电动机，分析电枢反应的影响时，应首先将电枢电流反向，由反向电流产生 正向电枢反应磁势，然后再采取与上述过程完全相同的方法进行分析。
C、三相同步电机负载后的电磁关系
a、隐极式同步发电机
m sin(t)
图8.2 同步电机的结构
隐极式转子结构实物
单个凸极式转子主极
凸极式转子结构实物
凸极式一般用在水轮机发电机上，水轮机转速较低，结构和工艺都 比隐极式简单，转子扁而大。
隐极式一般用在汽轮机上，汽轮机转速较高，为了增大容量，只能 增加转子长度，转子细而长。
C、同步电机的三种运行状态
图8.3a、b、c分别给出了三相同步电机的几种不同运行状态的示意图。
应磁势 Faq 两个分量，然后再对这两个磁势分量分别作用于直轴和交轴磁路所产生的磁
场情况进行讨论。
B、三相同步电机负载后的电枢反应
d、当 Ia滞后于 EΨ0 角（即一般情况）时
于是，电枢磁势 Fa 可表示为：
其中，
Fa Fad Faq
Fad Fa sin Faq Fa cos
相应的电流分量为：
同步电动机运行：定子三相交流绕组接三相电源，定子产生在相合成旋转磁 场Fa，依靠磁拉力驱动直流励磁的转子同速同向旋转。此时，FFra bibliotek在前，Ff在 后。
无论何种运行状态，Fa与Ff始终同速同向旋转，故两磁势矢量总是相对静止 的，形成合成气隙磁势Fδ=Fa +Ff。
同步电机空载运行时，Fδ=Ff。
8.2 三相同步电机的电磁关系
额额定定功频率率因I(数NHzc)；os工；N频额5定0H状Z态。下定子侧的功率因数。
同步发电机的建模及在稳态系统中的应用
同步发电机的建模及在稳态系统中的应用摘要本文以同步发电机为研究对象，通过对其建模的建立，来研究其建模在稳态系统中的具体应用，以确定同步电机的参数作为测定方法，通过对其伺服系统的稳定性的分析，得出一些具体的理论推导以及实践应用。
关键词同步电机；参数；永磁随着人工智能化的不断发展，应用于电机方面的基于电机参数变化进行的在线识别技术可以运用采集的参数对系统进行调速控制，智能控制成为电机传动控制系统中的重要技术。
基于人工智能的专家系统（ExpertSystem），基于模糊集合理论（FuzzyLogic）的模糊控制和基于人工神经网络（Artificia1NeuraNetwork）的神经控制，这三条是实现智能控制的有效途径。
根据测量得到的电机电流和电压信号的数值及其关系，可以得到永磁同步电机无速度传感器矢量的控制技术。
通过测得的电机的转速以估算转子的位置，这是对永磁同步电机调速系统采用的直观的一种方法。
这是一种利用其特殊的电磁特性以确定和构造速度与转子之间关系的方法，通过对定子磁链矢量的空间计算可以求的转子的位置，或者通过计算定子相电感来确定转子的位置。
随着识别控制技术的不断发展，在电机的无速度传感器矢量控制技术中主要采用的观测器有：全阶状态观测器、自适应观测器、变结构观测器、卡尔曼滤波器等，采用这些方法构造的电机转子位置和速度观测器具有动态性能好、稳定性强。
参数敏感性小等特点。
随着高速数字信号处理器（DSP）技术的发展，使得各种具有优良性能的速度观测器能够在无速度传感器矢量控制系统中广泛运用。
1 同步电机参数的测定用空载特性和短路特性确定Xd 空载特性可以用空载试验测出：1）电枢开路（空载），用原动机把被试同步电机拖动到同步转速；改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0（空载时即等于E0），直到U0≈1.25UN左右，可得空载特性曲线、气隙线空载曲线。
2）将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到1.2 IN左右，便可得到短路特性曲线短路时，端电压U=0短路时，端电压U=0。
最新同步发电机的励磁建模精编版
2020年同步发电机的励磁建模精编版2．1同步电机模型同步电机是电力系统的主要元件，电磁暂态和机电互动现象十分丰富，模型的建立和求解往往决定着仿真的精度和能够反映实际系统动态过程的程度，因此，很多专家在同步发电机建模方面展开研究并取得多项成果。
同步电机是励磁控制系统的控制对象，又和励磁控制系统密切相关系。
研究励磁系统的动态特性，离不开对同步电机动态特性的分析。
同步电机的过渡过程比较复杂，通过以d,q坐标系统推导出来的派克(Park)方程作为同步电机的基本方程，求出完整的动态模型；在某些特定的条件下，可由完整的动态模型得到简化模型。
在小干扰情况下，可以将非线性的完整模型在工作点附近线性化，得出线性化模型：同样，在某些特定的条件下，还可以求得简化的线性模型。
同步电机dqO坐标下的暂态方程称为派克方程，它是一组非线性的微分方程组。
由于dqO三轴之间的解耦以及aqO坐标下的电感参数是常数，因此派克变换及同步电机的派克方程在实用分析中得到广泛的应用。
同步电机具有三个定子绕组、一个转子绕组、两个阻尼绕组。
六个绕组间都有磁的耦合，加上转子位置不断变化，绕组间的耦合又必然是转子的位置函数。
要正确反映上述情况就需要七个非线性微分方程。
2．1．1同步电机基本方程由同步电机在d,q轴的park微分方程组出发，电压和磁链方程(以标幺值形式)如(2．1)-(2．10)所示：电压方程：定子绕组：«Skip Record If...»（2.1）«Skip Record If...»（2.2）励磁绕组：«Skip Record If...»（2.3）阻尼绕组：«Skip Record If...»（2.4）«Skip Record If...»（2.5）磁链方程：定子绕组：«Skip Record If...»（2.6）«Skip Record If...»（2.7）励磁绕组：«Skip Record If...»（2.8）阻尼绕组：«Skip Record If...»（2.9）«Skip Record If...»（2.10）其中，«Skip Record If...»。
同步电机的建模
0 0
QD
0 0
0 0 0 0
r 0 0 0
0 rf 0 0
a Laa Lab Lac Laf LaD
b
L ba
Lbb
Lbc Lbf
LbD
c Lca Lcb Lcc Lcf LcD
f
Lfa
Lfb
Lfc Lff
LfD
D LDa LDb LDc LDf LDD
Q LQa LQb LQc LQf LQD
1、对于理想电机，转子以匀角速度逆时针旋转， 转子d轴面对磁路的磁导为d；q轴面对磁路的磁导 为q，证明
（G为重量，单位为公斤）
J GD等2 效
4
14
额定机械角速度为0，额定电角速度0＝pp 0，
转子额定转速时的动能为：
Wk
1 2
J02
J＝
2Wk 0 2
有
2Wk 02
d M m Me M D dt
功率基值－SB，转矩基值MB=SB/ 0
标幺化： TJ
d* dt
Mm*
Me*
M D*
M*
15
水轮发电机的转子
汽轮发电机的转子
6
二、同步发电机的简化等值图
定子
气 隙
转子
同步 发电机运行
7
定子上3个等效绕组
b相绕组
c相绕组
a相绕组
8
转子上3个等效绕组
q轴等效的阻尼绕组Q
励磁绕组
d轴等效的阻尼绕组D
同步发电机为：定子3个绕组、转子3个绕组、气隙、 定子铁心、转子铁心组成的6绕组电磁系统。
9
2
d d
dt2 dt
q轴
0
O
同步发电机励磁系统建模导则
同步发电机励磁系统建模导则1. 引言在我们日常生活中，电力就像空气一样，虽不可见却不可或缺。
你想想，没有电，我们连看个电视剧都得靠蜡烛，简直是回到石器时代。
不过，咱们的电力来源可不是那么简单的，特别是同步发电机的励磁系统，它就像电力的“定海神针”，至关重要。
今天，咱们就来聊聊这个复杂但又有趣的主题，顺便给大家普及一下知识。
2. 同步发电机的基础2.1 什么是同步发电机？首先，大家要明白，什么是同步发电机。
通俗点说，它就是一种能把机械能转换成电能的设备，就像把水磨成粉一样。
只不过，水磨是用水，发电机则是用转动的磁场来产生电流。
简单来说，发电机内部有个转子（转动部分），围绕着它的是定子（静止部分）。
当转子转动时，磁场变化，定子就能生成电流。
2.2 励磁系统的作用这时候，励磁系统就派上用场了。
它的主要职责就是给转子提供必要的直流电流，确保发电机能够稳定运行。
就好比给汽车加油，没有油，车怎么动？所以，励磁系统就是给发电机“加油”的那个家伙。
没有它，发电机就像个“无头苍蝇”，转来转去也没个正形，发出来的电也不稳定。
3. 励磁系统建模3.1 模型的重要性那么，咱们为什么要建模呢？嘿，这可不是随便做个图就行的，建模就像画一幅地图，让我们能清晰地看到整个系统是怎么运作的，帮助我们预测和优化发电机的性能。
就好像你去旅游之前，会先查查地图和路线，避免走错路。
通过建模，我们能分析各种情况，比如负载变化、故障等等，让发电机更安全、效率更高。
3.2 建模的步骤那么，建模到底要怎么做呢？首先，我们需要收集数据。
比如发电机的转速、输出电压、负载情况等等。
接着，咱们就可以开始搭建模型了。
通常，建模需要几个步骤：1. 确定系统参数：要明确发电机的基本参数，像额定功率、额定电压等，这些都是关键数据。
2. 选择建模方法：你可以用传递函数、状态空间等方法，这些都是数学工具，帮助我们描述系统动态。
3. 验证模型：模型建好后，可不能光看表面，还得用实际数据来验证，确保它能够准确反映现实情况。
数据驱动下的虚拟同步发电机等效建模
数据驱动下的虚拟同步发电机等效建模近年来，发电机技术发展迅速，在发电机设计与制造研究方面有着广泛的应用。
发电机及其伴随设备的设计过程必须考虑发电机本身特性（如磁饱和度、铁损等）等因素，这种考虑对于求解发电机的效率和负载特性是十分重要的。
因此，建立发电机的数字仿真模型一直是发电机研究的最新动态。
虚拟同步发电机（VSM）是基于同步发电机的数字仿真技术，可以通过分析发电机的参数来模拟发电机的行为，从而改善发电机的效率和负载特性。
VSM能够有效地将发电机实体特性转化为数据，再把数据转换为发电机模型，从而实现仿真。
其在复杂环境和未知参数等范围内，可以有效地减少设计和研发过程中的试验次数，减少研发成本，提高工作效率。
本文的主要内容包括以下几点：首先，简要介绍了发电机技术发展的现状，着重介绍了虚拟同步发电机（VSM）技术；其次，介绍了VSM技术及其数据驱动下的发电机建模；第三，介绍了VSM技术在研发过程中的应用情况；最后，结合实际情况，对VSM技术未来发展趋势做出了展望。
首先，发电机技术发展的现状。
随着能源和环保技术的发展，发电机技术也发展的很快，发电机的性能会受到许多因素的影响，如发电机的结构和执行载荷，以及发电机电网的条件等等，这些因素的影响会对发电机的效率和负载性能产生负面影响，从而影响发电机的实际应用。
其次，虚拟同步发电机（VSM）技术及其数据驱动下的发电机建模。
虚拟同步发电机（VSM）是一种基于同步发电机的数字仿真技术，它可以根据发电机参数模拟发电机行为，减少发电机实体设计和研发过程中的试验次数，改善发电机的效率和负载特性，从而提高发电机的实际应用效果。
VSM技术的关键是如何将发电机的实体特性转化为数据，从而实现发电机的参数化建模，从而对发电机进行仿真研究。
第三，VSM技术在研发过程中的应用情况。
VSM技术在发电机研发过程中，能有效减少设计和研发过程中的试验次数，减少研发成本，提高工作效率，比起传统的物理试验更具有灵活性、效率性和精度性。
第4章_同步发电机组的建模
本页已使用福昕阅读器进行编辑。 福昕软件（Ｃ）２００５－２００９，版权所有， 仅供试用。
号；三是频响分析建立在线性系统的基础上，不能反映动态过程中参数非线性变化 的特点。频域法用于在线辨识时，不易产生不同频率、不同幅值的信号来进行动态 测试，导致参数适应范围有限。4）时域响应法。一是抛载试验法(Load Rejection)， 传统方法需要分别进行 d、q 轴两次特殊状态下的试验，最近笔者提出了一次任意 抛载试验法；二是励磁电压扰动试验法，该试验易于激发发电机的动态过程，对于 联网运行的发电机影响不大，且发电机的励磁电压调节方便，因而励磁电压扰动试 验成为同步发电机参数在线辨识的首选试验方法。
4
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同步发电机阻尼主要来自三个方面，一是转子运动方程中摩擦和汽滞引起的机械阻 尼，二是电机阻尼回路产生的阻尼，三是发电机励磁绕组和系统产生的阻尼。这些 阻尼有一定联系，采用不同的同步发电机模型，阻尼系数所包含的意义也不一样， 取值可以相差数十倍。
jb ub ib
jQ iQ
w
uf
jf
iD jD
发电机参数的获取有一整套的试验规程，常规的电机实验[18,27]有：三相稳态短 路试验、低转差法、电压恢复法等，这些试验的特点是从参数的物理意义出发去做 测量，方法成熟，有一定的适应性，这些测试不是实际的工作状态,而是物理上相 似的模拟状态, 试验的条件与实际工况仍有较大差异，所得参数还是不能真实地反 映电机在实际运行过程中所受到的饱和、电机老化、电磁力等因素的影响。早在上 世纪七十年代,美国电力科学研究院(EPRI)就强调“电机参数与运行方式密切相 关”，并提出“要用新型的在线测试技术进行参数测量”。利用在线测试和系统辨 识相结合的方法成为获取同步电机参数的另一有效途径[54]。它的显著特点是：直接 计及了电机在运行中所受到的各种因素的影响，一旦辨识成功，即包含了各种因素 的效应，计算简单，不用附加过多的假设条件，不影响电机的正常运行，所得参数 能很好地反映电机动态行为。
永磁同步电机的建模与控制
永磁同步电机的建模与控制
永磁同步电机是一种高效、高性能的电动机，近年来在工业和民用领域得到了广泛应用。
为了提高永磁同步电机的运行效率和减小能源消耗，需要对其建模和控制进行深入研究。
永磁同步电机的建模可以采用电磁方程组进行分析，包括电动势方程、电流方程和机械方程等。
建立模型后可以使用传统控制方法如PID控制器进行控制，也可以采用现代控制方法如模型预测控制器和自适应控制器等进行控制。
在永磁同步电机的控制中，需要考虑到电机的非线性特性和动态响应性能。
常用的控制策略包括电流控制、磁通控制和转速控制等，其中转速控制是最常用的控制策略之一。
综上所述，永磁同步电机的建模和控制是电机控制领域研究的重点之一，其研究成果将有助于提高电机的运行效率和性能。
- 1 -。
电力系统稳定与控制同步电机理论及建模
一.物理描述
电枢和磁场结构 磁势波形及旋转磁场 直轴和交轴
IEEE定义交轴超前于直轴，一般用d轴超前于a相 绕组轴线的夹角θ来测量转子相对于定子的角度。
二. 同步电机的数学描述
图中下标fd为励磁绕组，kd为阻尼绕组
1.磁路方程的复习
单励磁回路：
d ei dt
定子加三相基波正序、负序及直流时d、q轴电流分 析
定子加基波正序电流，t=0时d轴与a轴重合：
由派克变换可得：
可见经过派克变换，交变的定子坐标电流变为静止的转 子d，q轴坐标电流。 当定子方施加负序电流时：
由派克变换可得：
这是一个相对于转子以2倍角速度反向旋转的电流。当定 子加直流电时：
由派克变换可得：
(2)：转子绕组自感及互感：
转子电流本身就定义在d,q轴上，因此不需要进行算子转换。
(3)：定转子绕组自感及互感：
转子电流本身就定义在d,q轴上，转子绕组在定子线圈中产 生的磁链为定子侧abc坐标和转子侧dq坐标间的关系，即需 要左乘算子D。
定子子绕组在转子子线圈中产生的磁链为定子侧电流abc坐 标和转子侧磁链dq坐标间的关系，定子电流需要左乘D之逆 以化为dq坐标之下的电流，因此：
用经典派克变换，可得dq0坐标下的发电机输出功率计算 式：
要使派克变换满足功率守恒的充要条件是派克变换应为正 交变换，即：
Dm-1=DmT
可求得满足此条件的正交派克变换Dm为：
Dq0坐标下的有名值方程
1.电压方程
将上式两边左乘矩阵：
D为派克变换矩阵，I为单位阵；
即：
矩阵乘积微分性质：
由于：
写成矩阵形式：
已知稳态时：
(整理)同步发电机的励磁建模
2．1同步电机模型同步电机是电力系统的主要元件，电磁暂态和机电互动现象十分丰富，模型的建立和求解往往决定着仿真的精度和能够反映实际系统动态过程的程度，因此，很多专家在同步发电机建模方面展开研究并取得多项成果。
同步电机是励磁控制系统的控制对象，又和励磁控制系统密切相关系。
研究励磁系统的动态特性，离不开对同步电机动态特性的分析。
同步电机的过渡过程比较复杂，通过以d,q 坐标系统推导出来的派克(Park)方程作为同步电机的基本方程，求出完整的动态模型；在某些特定的条件下，可由完整的动态模型得到简化模型。
在小干扰情况下，可以将非线性的完整模型在工作点附近线性化，得出线性化模型：同样，在某些特定的条件下，还可以求得简化的线性模型。
同步电机dqO 坐标下的暂态方程称为派克方程，它是一组非线性的微分方 程组。
由于dqO 三轴之间的解耦以及aqO 坐标下的电感参数是常数，因此派克变换及同步电机的派克方程在实用分析中得到广泛的应用。
同步电机具有三个定子绕组、一个转子绕组、两个阻尼绕组。
六个绕组间 都有磁的耦合，加上转子位置不断变化，绕组间的耦合又必然是转子的位置函 数。
要正确反映上述情况就需要七个非线性微分方程。
2．1．1同步电机基本方程由同步电机在d,q 轴的park 微分方程组出发，电压和磁链方程(以标幺值形式)如(2．1)-(2．10)所示：电压方程： 定子绕组：d q d d ri p U --=ωψψ （2.1）q d q q ri p U --=ωψψ （2.2） 励磁绕组： f f f f p r i U ψ-= （2.3） 阻尼绕组： d d d p i r 1110ψ-= （2.4） q q q p i r 1110ψ-= （2.5）磁链方程： 定子绕组：d ad f ad d d d i X i X i X 1++-=ψ （2.6）q aq q q q i X i X 1+-=ψ （2.7） 励磁绕组：d ad f f d ad f i X i X i X 1++-=ψ （2.8）阻尼绕组：d d f ad d ad d i X i X i X 111++-=ψ （2.9）q q q aq q i X i X 111+-=ψ （2.10） 其中，dtd p θθω==。
电力系统稳态分析中的发电机建模方法
电力系统稳态分析中的发电机建模方法概述：在电力系统中，发电机是电能转化的关键组成部分。
发电机的建模是电力系统稳态分析的基础，准确的发电机模型可以有效地预测电力系统稳态行为，使电力系统运行更加可靠和稳定。
本文将介绍在电力系统稳态分析中常用的发电机建模方法。
一、同步发电机建模同步发电机是电力系统中常见的发电机类型，其建模方法有多种，常用的包括：1. 线性化模型：将同步发电机抽象为线性模型，通常使用Park转换将其转换到dq坐标系统中，其中dq坐标系相对于三相坐标系更具优势。
线性化模型简化了发电机的复杂动态行为，适用于大规模电力系统稳态分析。
2. 非线性模型：考虑发电机的非线性特性，如饱和、饱和损耗和电机动画线性负载特性等。
非线性模型能更准确地描述发电机在不同工况下的行为，适用于小规模电力系统和特殊场景。
二、永磁同步发电机建模永磁同步发电机是一种使用永磁体进行励磁的同步发电机，具有高效率、轻量化和快速响应等优势。
其建模方法主要包括：1. 百分数定转矩模型：将永磁同步发电机抽象为百分数定转矩模型，通过控制转矩百分比实现功率调节。
该模型简单易用，适用于短期功率调节或小规模电力系统。
2. 细致转子模型：考虑永磁同步发电机的细致转矩特性，包括励磁磁场、转矩控制和电流限制等。
这种模型更适合长期功率调节和大规模电力系统。
三、异步发电机建模异步发电机是另一种常见的发电机类型，其建模方法有以下几种：1. 等效电路模型：将异步发电机抽象为等效的电路模型，包括定子电流、气隙电磁场和转子电流等。
该模型能够较好地描述异步发电机在不同运行模式下的行为。
2. 动态模型：考虑异步发电机的动态响应特性，特别是短路转矩和错轴转矩等。
动态模型能更准确地预测电力系统的暂态行为，适用于系统故障分析和保护策略设计。
总结：发电机建模是电力系统稳态分析的重要组成部分，准确的发电机模型对于电力系统运行的可靠性和稳定性具有重要意义。
常用的发电机建模方法包括同步发电机建模、永磁同步发电机建模和异步发电机建模等。
基于永磁同步发电机的风力发电系统建模及分析
基于永磁同步发电机的风力发电系统建模及分析随着人们对环境保护意识的不断提高，风力发电作为一种清洁、可再生的能源逐渐成为人们关注的焦点。
而风力发电系统中的关键部件之一就是永磁同步发电机，那么本文将从永磁同步发电机的原理、建模以及应用方面进行分析和讨论。
一、永磁同步发电机的原理永磁同步发电机是一种利用永磁材料产生的磁场来实现电能转换的发电机。
在永磁同步发电机中，永磁体的磁场与转子磁场同步旋转，它们之间的磁场关系表现为转子相对静止的磁场与永磁体的磁场稳定转动之间的磁场耦合现象。
这一现象在转速恒定的情况下可以保证输出电压和频率保持稳定，从而实现电能的转换过程。
二、永磁同步发电机的建模为了更好地理解永磁同步发电机的工作原理，建模是必不可少的。
永磁同步发电机建模的基本思路是将该机的电气参数与磁路参数联系起来，以此来分析机组特性和运行状态。
一般情况下，永磁同步发电机的建模可以从以下几个方面入手：1. 磁路模型：模型的主要目的是分析永磁体和定子绕组之间的磁场分布和磁通大小。
该模型包括永磁体和定子铁心部分的磁阻、转子和定子铁心部分的漏磁阻等。
2. 电路模型：该模型主要包括当中的电感和电阻模型。
其中，电感模型由定子的同、异步电感及转子漏电感组成，而电阻模型则由绕组的导线电阻和接触电阻组成。
3. 控制模型：该模型是永磁同步发电机最关键的部分，决定了发电机能否有效地从风能中抽取能量。
其中包括了转矩控制和电流控制两种，一般通过PID控制器来实现。
三、基于永磁同步发电机的风力发电系统随着技术的不断发展，永磁同步发电机被广泛应用于风力发电系统中。
在这种系统中，旋转的风叶会带动转子与永磁体的转动，从而产生电能。
而随着风速的变化，永磁同步发电机的控制模型也需要不断地进行调整，以实现最大的能量捕获。
同时，基于永磁同步发电机的风力发电系统在设计上也需要考虑转速控制、电压控制、电流控制等各种因素。
而在实际应用中，其发电效率受到风速、气压、温度、海拔高度等多种因素的影响，因此需要对系统进行全面的设计和优化，以提高系统的性能指标。
同步发电机建模
-40 -60
加白噪声信号时要好
-80
-100
于阶跃信号，但并不
-120
是恒定的。
-140 -160
0
两 种 扰 动 下 uf功 率 谱
0
40
白 噪 声 扰 动 下 uf的 功 率 谱
励 磁 阶 跃 扰 动 下 uf的 功 率 谱
20
-20 0
power spetral density(dB/Hz)
扰动类型对辨识精度的影响
➢ 注意，扰动是通过改变电压参考值 Uref 来产生的 ，而不能直接改变励磁绕组上的电压 Uf 来产生 的，两者之间经过了电压调节器、稳定器和励 磁机；
➢ Uref 为阶跃变化时的 Uf 图形如下； ➢ 另外，研究了在Uref 上施加白噪声。白噪声是一
个在全频段具有平均功率的随机过程，是理想 的试验信号，但经过中间环节后则已经不再是 白噪声了；
p
f
rf
( xa d
xDl ) f xad D id xa2d xad (xad
xa2d (xad x fl )(xad xDl )
xDl )
u f
p D
rD
( xa d
x fl ) D xad f id xa2d xad (xad
xa2d (xad x fl )(xad xDl )
E id0
X d X d
t
e Td0 id 0
X d X d
t 2
e Td0
iq0
X q X q
t 2 e Tq0
完全已知
未知
q轴参数 均未知
辨识结果
辨识效果 很好！
辨识效果 很好！
II. 基于励磁小扰动的参数辨识
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I.一次任意抛载测试法
1.1 传统方法
分2次甩负荷，测量端口电压、功角
q
d轴抛载：使发电机 Id = 0，
亦即 0o 或者 180o
q轴抛载：使发电机 Iq = 0 ，
E q
EQ jIxqj(xd xq)id
亦即 90o
U
I
Ir
d
1.2 新方法
1次任意状态甩负荷 －增加测量励磁电流和功角 －先利用前后稳态条件
p
f
rf
( xa d
xDl ) f xad D id xa2d xad (xad
xa2d (xad x fl )(xad xDl )
xDl )
u f
p D
rD
( xa d
x fl ) D xad f id xa2d xad (xad
xa2d (xad x fl )(xad xDl )
power spetral density(dB/Hz)
-20 -40
-40
-60
-60
-80 -80
-100
-120 -100
-140
-120 0
-160
5
10
15
20
25
0
Frequency(Hz)
两 种 扰 动 下 ud功 率 谱
白 噪 声 扰 动 下 ud功 率 谱 励 磁 阶 跃 扰 动 下 ud功 率 谱
E id0
X d X d
t
e Td0 id 0
X d X d
t 2
e Td0
iq0
X q X q
t 2 e Tq0
完全已知
未知
q轴参数 均未知
辨识结果
辨识效果 很好！
辨识效果 很好！
II. 基于励磁小扰动的参数辨识
2.1 试验方法
➢ 以往试验：抛载试验、系统故障 ➢ 励磁小干扰：改变电压参考值 Uref ➢ 输入变量：励磁（绕组）电压 Uf ➢ 输出变量：发电机功角、端口三相交流电
5
10
15
20
25
Frequency(Hz)
两 种 扰 动 下 uq功 率 谱
白 噪 声 扰 动 下 uq功 率 谱 曲 线 励 磁 阶 跃 扰 动 下 uq功 率 谱 曲 线
5
10
15
20
25
Frequency(Hz)
励磁阶跃10％扰动下q轴辨识结果 白噪声扰动下q轴辨识结果
励磁阶跃10％扰动下d轴辨识结果 白噪声扰动下d轴辨识结果
方法：时域法没有严格条件， 频域法有条件，
➢ 忽略脉变电势 ➢ 忽略转速变化 ➢ 忽略电阻 ➢ 励磁电压不变
➢ 对q轴动态参数，时域法略差于频域法； ➢ 对d轴动态参数，时域法优于频域法法； ➢ 各有千秋，可以同时使用对比，但时域法更
好些。
干扰方式
➢ 励磁白噪声好 ➢ 甩负荷辨识较好 ➢ 励磁阶跃扰动方式次之 ➢ 外部断线扰动方式再次之
dEd dt
1 Tq0
Ed
X
q X Tq0
q
iq
ud Ed X q iq
d
dt
1
M
d
dt
Mm
Me
D(
1)
3.2 两种模型参数间的关系
同步发电机d、q轴等值电路
Xl X ad
X flD
X fl
X Dl
rf
rD
u DC f
Xl
X Ql X aq
rQ
实用参数与基本参数的关系
T1
Lad Lfd L1d
Lad Lfd Lad Lfd
)
T5
1 R1d
( L1d
Lad Ll ) Lad Ll
T2
Lad L1d R1d
T4
1 R fd
( L fd
Lad Ll Lad Ll
)
T6
1 R1d
( L1d
Lad Ll
Lad Ll Lfd Lad Lfd
3.4 Park模型q轴参数的可辨识性分析
分析方法同d轴
利用扰动前稳态条件和动态过程，同步 发电机Park模型q轴电路参数是唯一可 辨识的
3.4 参数辨识策略与过程
分步策略
➢ 稳态参数 ➢ 动态参数 ➢ 提高速度，精度
➢ d轴原来辨识的参数
现在辨识参数
X
d
,
X
' d
,
X
" d
,
Td'
0
,
Td"0
xd(p.u) 0.257 0.2573 0.1013 0.1928 -24.9918 0.1152 -55.1627 0.3468 34.9310 0.3688 43.5178 0.3521 37.0141 0.3280 27.6279 0.1702 -33.7645
b1s
b2 s2
d1 s2 a1s a1s a2
a2
G2 (s)
s2
c1s c2 a1s
a2
根据线性系统辨识理论， a1, a2,b1,b2, c1, c2, d1 均可辨识
但不能单独辨识 ：xad , x fl , xDl , xl , rs , rf , rD
rf rD a2
-3
x 10 1.6
RTDS仿 真 的 励 磁 电 压 曲 线 图
1.5
1.4
1.3
Uf(p.u)
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0
1
2
3
4
5
6
7
8
t(s)
➢ 两种情况下 Uf 的功
40 20
power spetral density(dB/Hz)
率谱如图。可见， Uf
0 -20
的功率谱在 Uref 上施
ud rid X qiq uq riq X did Eq
－确定 r, X d , X q
利用励磁电流辨识部分参数
－利用暂态辨识 Xd’ 和 Td0’ －利用次暂态辨识 Td0”
i f
if
0
U
id0i f 0
cos X d id0
Xd
X d
e
t
Td
0
1
TDl Td0
e
t Td0
Lfd Ll
)
前向变换
电路参数
后向变换
实用参数
实用参数 电路参数
结论
➢ 等值电路模型参数具有独立性
➢ 当采用5阶实用模型时，d轴的实用参数
X
d
,
X
' d
,
X
" d
,
Td'
0
,
Td"0
,
K
是不独立的
➢ 两种模型可以互相推导，有唯一性
3.3 Park模型d轴参数的可辨识性分析
由磁链、电压方程得：
压、端口三相交流电流 ➢ 测量：RTDS试验 PMU测量
2.2 参数辨识
现场测量
现场 测量
除三相短路、抛载等特殊扰
动能获得解析解外，一般采 用数值解，如Runge－ Kutta 法
从PMU读数据
数据处理
优化算法辨识
相序变换 Park变换 标么化等
蚁群算法
辨识结果
RDTS直接出来的数据辨识q轴结果
■ 动态参数辨识结果
收搜范围 （%）
(-30,+ 30) (-60,+10) (-60,+30) (-60,+60) (-30,+60) (-10,+60) (-60,+80) (-80,+80)
参数
已知值 辨识值 误差% 辨识值 误差% 辨识值 误差% 辨识值 误差% 辨识值 误差% 辨识值 误差% 辨识值 误差% 辨识值 误差%
时不变
只能辨识 二者之差
慢过程
快过 程的 幅值
快过程
利用电压辨识剩余参数 －Xd” ，Xq”，Tq0”
t
t 2
U
cos
id 0
Xd
X
d
X
d
e
Td0 X d X d e
Td0
ua
t 2
U
sin
iq0
Xq
X q X q
e Tq0
由包络线只 能辨识两个 电抗之差
xDl ) )id
线性化得：
pX A X B U
Y
C
X
D
U
T
X f D
U id u f T
Y d
T
a xad x fl xDl xl rs rf rD
Laplace变换，可得传递函数：
G(s) C(sI A)1 B D G1(s) G2(s)T
G1(s)
实用
Td0 Td Td0 Td Ld Ld
经典表达
T1 T4 T3 T6 Ld (T4 / T1) Ld (T4T6 / T1T3 )
精确表达
T1 T2 T4 T5 T3[T1 /(T1 T2 )] T6[T4 /(T4 T5 )] Ld (T4 T5 ) /(T1 T2 ) Ld (T4T6 ) /(T1T3)
,
K
,
X
l
xad , x fl , xDl , xl , rs , rf , rD
X
' d
,
X
" d
,
Td'
0
,
Td"0
x fl , xDl , rD