发电机励磁系统建模与参数辨识综述

发电机励磁系统建模与参数辨识综述

摘要：发电机励磁系统对电力系统的电压控制和稳定控制具有重要作用。随

着电力系统的发展，我国电网规模越来越大，电网安全及其稳定运行问题的重要

性日益突出，通过电力系统稳定计算以确定系统最优运行工况是提高系统稳定性

的一个重要手段，而电力系统安全稳定计算的关键是建立准确的数学模型和采用

与实际系统相吻合的模型参数。因此，结合发电机励磁系统的特点，开展模型参

数辨识工作，从而建立起准确的励磁系统数学模型的研究非常必要。

关键词：发电机；励磁系统建模；参数辨识

一、励磁系统和发变组概述

（一）励磁系统概述

在常规化运行环境或者是电力系统出现故障的环境中，都需要配合发电机励

磁系统限制器，建构完整的应用模式和控制机制。一般而言，励磁系统主要指的

就是基于电源的整流装置，励磁静止系统完成能源的供给。一方面，励磁系统能

对发电机出口电压参数和无功功率参数予以控制，维持其稳定性和运行的合理性，并配合发电机并列运行处理机制，打造良好的应用环境。另一方面，励磁系统凭

借其较快的响应速度和可靠的运行维护模式，能更好地满足静态应用效果，提高

电力系统运行的稳定性，最大程度上打造良好的运行载体。自并励励磁系统无论

是暂态稳定性还是运行安全性都要高于常规的励磁系统，能维持较好的应用环境，并且能更好地处理距离较近的电压降失衡问题，保证调节工序的合理性、稳定性

和安全性。

（二）发变组定值设置概述

在发变组定值设置的过程中，要结合具体应用规范和标准落实匹配的设置机制。

（1）设置零序补偿机制。在电力变压器应用运行过程中，其自身配置的接

线组会出现扭转现象，尤其是普通变压器，扭转角度一般为15～30°，为了保证

其应用效果，就要配合行测绕组，有效对变压器的扭转角度予以补偿处理，维持

继电器运行的稳定性。另外，三角形接线还能配合电流零序结构，有效消除零序

分量造成的影响，打造更加稳定的运行环境。

（2）设置基础性制动模式，在变压器设置工序中，基础性差动保护具有重

要的应用价值，能减少合闸空载产生的励磁涌流，其主要的工作原理在于二次谐

波的产生，能形成良好的制动模式。在实际设置工序中，要结合具体操作环境设

置匹配的制动比例模式，主要分为“每相”、“三取二”和“平均数值”。其中：

①“每相”能对二次谐波的每相予以独立的闭锁处理，保证各自相的独立；

②“三取二”是指励磁涌流三相中，对应的二相是二次谐波，其数值超出设定数

值则视为闭锁差动；③“平均数值”是指在制动比例模式中，二次谐波的三相平

均数值都在设定数值以上，则此时视为三相闭锁差动。

二、励磁系统实测建模

（一）AVR实测建模的3个步骤

(1）现场实测：主要在发电机空载运行工况下进行，以获得计算模型参数时

必需的实测数据和进行仿真计算时作为对照的实际频率响应特性和阶跃响应特性。

(2）模型参数的计算：根据得到的发电机励磁系统运行数据，结合厂家提供

的一些参数，计算出模型中的实际参数。

(3）仿真计算：根据计算得到的励磁机和发电机模型，分别对它们进行频率

响应的仿真计算，并与实测得到的频率响应相比较，最终确定励磁系统的模型参数。

（二）PSS模型与参数整定

PSS的现场试验要求在发电机带额定有功功率和功率因数接近1且不带厂用

电时进行，试验期间尽可能保持机组有功出力恒定。PSS参数的整定过程如下：

(1）在PSS未投入时对发电机进行电压给定阶跃响应试验，以观察机组对低

频振荡的阻尼情况，并获得本机振荡的频率。

(2）测出励磁系统的滞后特性以决定需要补偿的量，然后计算PSS中各时间

常数的值。

(3）通过试验得出PSS临界增益，以确定PSS的放大倍数。

(4）投入PSS，再对发电机进行电压给定阶跃响应试验，并将其结果与未投

入PSS时所做的电压给定阶跃试验的结果进行比较检验，改进结果。

（三）现场实测的基本情况

某地已投运机组较多，200MW及以上的机组有近40台。在200MW及以上的机

组中根据不同容量、不同制造厂、不同励磁调节器，进行了全面的现场测试，取

得了大量数据，为自定义建模和参数辨识打下基础。

三、励磁系统参数辨识

（一）辨识的定义

真实的物理系统由于其内部结构的复杂很难用机理分析的方法进行理论建模。但是对于一个系统其输入输出信号一般总是可以测量的，系统的动态特性必然表

现在输入输出数据之中，这样就可以利用输入输出数据来建立系统的数学模型，

这种建模方法称为辨识。

定义：辨识就是在输入输出数据的基础上，从一组给定的模型类中，确定一

个与所测系统等价的模型。这个定义明确了辨识的3个要素：输入输出数据、模

型类和等价准则。其中数据是辨识的基础，准则是辨识的优化目标，模型类是寻

找模型的范围。按照的定义，寻找一个与实际过程完全等价的模型是非常困难的。更为实用的定义：辨识就是按照一个准则在一组模型中选择一个与数据拟合最好

的模型。按照这个定义，系统辨识不应是本身意义上的数学演算，而应服务于辨

识结果的应用目标，因此系统模型形式也应根据应用目的而确定。如果对待测系

统的模型结构、阶数和参数一无所知，则它的辨识问题是黑箱辨识。如果对系统

的模型结构以及阶数了解，仅仅辨识参数则成为灰箱辨识，对于励磁系统的建模是典型的灰箱辨识问题。

一个系统的动态模型可分为非参数模型（只对线性系统有效）和参数模型。对于参数模型又可分成离散模型和连续模型。对于大多数物理系统其运行过程是连续的动态变化过程，其连续模型才是反映其本质特征的模型。但是系统辨识理论是在离散时间序列分析及经典控制理论的基础上发展起来的，线性的离散模型一直是系统辨识的主流模型结构。

（二）励磁系统参数的在线辨识

利用发电机实时运行工况下的输入输出数据辨识电力系统四大参数是电力系统辨识的发展趋势，基于在线实测数据辨识电力系统参数的研究表明发电机并网运行的不同工况对于发电机参数辨识有很大的影响。对于励磁功率部分由于与发电机的强电磁联系，不但应该在线辨识，而且应该在不同运行工况下多次辨识。对于调节器各个环节的参数辨识可以采用离线的方式，根据环节输入输出数据的读取地难易进行整体或分环节的辨识。对于目前广泛使用的微机励磁调节器其环节参数则不需要辨识，只需要根据发电机运行条件进行调节整定使发电机及其励磁系统的动态特性符合国标要求，在此基础上进行励磁功率及测量环节的辨识。基于线性化模型辨识的技术，在发电机并网运行时加入幅值与频率合适的激励信号，辨识其线性环节参数（包括线性化后的非线性环节如饱和系数）。同时利用在线录波装置记录大扰动下的机端电压、励磁电压以及励磁系统其它环节的电气量，根据获得信息的多少分别采用分环节辨识或整体辨识方法获得不同扰动条件下的模型参数。

（三）信号选择和试验设计

系统辨识中的输入信号选择需要慎重对待。线性系统辨识对于扰动信号2个最基本的要求是信号幅值必须足够小从而使非线性环节无效；特定频段的功率足够大使信噪比满足要求，从而可以忽略噪声信号的干扰。这2个要求是矛盾的，线性系统的信号设计就是在信号幅值的约束下使特定频率的谐波功率最大。对于在线辨识，可以先利用实时数字仿真系统（real time digital siInulation，