面向艦船電力系統(tǒng)方案評估的發(fā)電機參數(shù)辨識方法

回志澎，壽海明

(海軍裝備研究院艦船論證研究所，北京 100161)

0 引言

隨著艦船電力系統(tǒng)新技術(shù)的不斷應(yīng)用，尤其是綜合電力技術(shù)的應(yīng)用，艦船電力系統(tǒng)的方案更加多樣、更加復(fù)雜。作為電力系統(tǒng)研制的重要環(huán)節(jié)，艦船電力系統(tǒng)方案評估要求開展系統(tǒng)級的仿真研究，輔助支撐電力系統(tǒng)方案評估，系統(tǒng)仿真中主要設(shè)備參數(shù)是仿真精度的基礎(chǔ)，電機作為重要設(shè)備之一，由于受到種種條件限制，其參數(shù)通常采用設(shè)計值，由于設(shè)計值與實際情況存在一定的差異，例如計及飽和效應(yīng)的發(fā)電機穩(wěn)態(tài)電抗Xd實測值要比不計飽和效應(yīng)的Xd設(shè)計值約小25%[1]，這將直接導(dǎo)致仿真結(jié)果產(chǎn)生偏差。因此，如何獲取發(fā)電機準(zhǔn)確參數(shù)便成為確保系統(tǒng)仿真的重要步驟。電機參數(shù)辨識作為較為準(zhǔn)確獲取實際參數(shù)的方法，近年來得到了迅速發(fā)展，針對艦船電力系統(tǒng)方案評估的需求，對電機參數(shù)辨識方法進行分析。

1 參數(shù)辨識理論基礎(chǔ)

系統(tǒng)辨識是通過觀測系統(tǒng)或過程的輸入輸出關(guān)系，確定描述該系統(tǒng)或過程動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型[2-4]。按照對待測系統(tǒng)的了解程度，通?？煞譃槿悺：谙湎到y(tǒng):對系統(tǒng)一無所知，其模型結(jié)構(gòu)、階數(shù)、參數(shù)等均未知;灰箱系統(tǒng):對系統(tǒng)部分了解，如已知模型結(jié)構(gòu)、階數(shù)，待測模型參數(shù);白箱系統(tǒng):系統(tǒng)模型可用物理機理寫出。電力系統(tǒng)學(xué)科建立在較嚴謹?shù)碾姽だ碚摶A(chǔ)上，經(jīng)過多年的發(fā)展，其數(shù)學(xué)模型可按照機理列出，并且部分動態(tài)機理也已知悉。對照上述分類，電力系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)辨識基本屬于灰箱建模。

系統(tǒng)辨識一般過程如下:規(guī)定代價函數(shù)(或稱等價準(zhǔn)則)Jθ，其通常是誤差e的函數(shù)，實際系統(tǒng)和模型系統(tǒng)在同一激勵信號x的作用下，產(chǎn)生實際輸出信號yr和模型輸出信號ym，其誤差為e，經(jīng)辨識準(zhǔn)則計算后，去修正模型參數(shù)，反復(fù)進行，直至誤差e滿足代價函數(shù)最小為止。系統(tǒng)辨識原理是發(fā)電機參數(shù)辨識的理論基礎(chǔ)，發(fā)電機的參數(shù)辨識通過對發(fā)電機施加外部激勵或等效激勵，通過對比實際輸出信號和模型輸出信號，按照辨識原則計算修正模型參數(shù)，直至兩者之間的誤差滿足要求為止，從而得出發(fā)電機待辨識的參數(shù)值，如圖1所示。

圖1 辨識原理

2 現(xiàn)有參數(shù)辨識方法

目前發(fā)電機參數(shù)辨識方法主要包括三類:數(shù)值計算法、離線試驗測試法、在線測辨法。

2.1 數(shù)值計算法

在電機設(shè)計階段，通過對電機電磁性能分析可得到發(fā)電機參數(shù)，常用的數(shù)值計算方法有有限元方法和磁路磁導(dǎo)法。

(1)電機電磁場空間分布不規(guī)則，有限元法將由偏微分方程表征的連續(xù)函數(shù)所在的封閉場域劃分為有限個小區(qū)域，每個小區(qū)域用一個選定的近似函數(shù)來代替，整個場域上的函數(shù)被離散化，由此獲得近似的代數(shù)方程組，聯(lián)立求解得該場域中函數(shù)的近似數(shù)值。它既能反應(yīng)實際電磁場的復(fù)雜非線性特征，又能有效求解。但有限元方法計算量大，大多局限于二維剖分，較難實現(xiàn)三維剖分，計算精度與使用經(jīng)驗緊密相關(guān)，應(yīng)用范圍受到一定限制。

(2)磁路磁導(dǎo)法以磁回路為分析單元，根據(jù)實際需要，建立相應(yīng)的電磁回路方程，在不同工況下求解得到發(fā)電機參數(shù)值。該方法具有物理概念清晰，方程建立擴展方便，相對有限元方法計算量小得多。由于采用等值計算的方式，難以反映電機中各種復(fù)雜非線性特征，對與各次氣隙諧波關(guān)系緊密的電氣量計算不夠準(zhǔn)確，精度不高，僅適用于定性分析。

2.2 離線試驗測試法

發(fā)電機離線測試方法較為成熟，主要包括拋載試驗法、短路試驗法、靜態(tài)頻域法三種方法。

(1)拋載試驗法的優(yōu)點是無需過多假設(shè)，無破壞性，易于執(zhí)行，計算簡單，并且考慮工況對參數(shù)的影響，一般在d、q兩軸分別進行試驗，得到兩個不同軸的動態(tài)響應(yīng)，經(jīng)過動態(tài)擬合得到d、q軸電氣參數(shù)。該方法只在超瞬變參數(shù)的測量過程中，電機的狀態(tài)才與運行條件比較接近，其他參數(shù)的測量仍與實際運行條件相差甚遠，試驗所測d軸參數(shù)較準(zhǔn)，q軸參數(shù)誤差較大。

(2)靜態(tài)頻域法是在電機靜止時施加不同頻率的正弦信號，利用頻譜分析求電機參數(shù)，辨識出來的參數(shù)具有一定的精度，但靜態(tài)時轉(zhuǎn)子無法計及阻尼繞組影響。該方法需大功率的頻率調(diào)節(jié)范圍至少在0.01～100 Hz的變頻電源作為信號源，因此該方法通常僅適用于小型電機或試驗機組。

(3)三相突然短路試驗是獲取發(fā)電機瞬態(tài)參數(shù)最有效的方法。對一些參數(shù)未知的新型概念電機，短路試驗是測取其瞬態(tài)參數(shù)的有效手段。該方法破壞性較大，只能在出廠前進行突然三相短路試驗，并且試驗次數(shù)有限，試驗持續(xù)時間短、干擾大、獲得的參數(shù)受到限制。

2.3 在線測辨法

在線測辨法是指在發(fā)電機正常工作情況下，通過施加人為擾動或捕捉系統(tǒng)自然擾動辨識同步發(fā)電機參數(shù)的方法。在線測辨法考慮了實際工況的影響，因此其所得參數(shù)具有較高精度。一般的在線測辨比離線試驗測試更容易實現(xiàn)，對發(fā)電機的影響較小。常見的測辨方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測法、在線頻域法和勵磁電壓擾動試驗法[2]。

(1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測法直接針對發(fā)電機參數(shù)非線性本質(zhì)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對復(fù)雜非線性問題的模擬及自學(xué)習(xí)能力，追蹤發(fā)電機參數(shù)的變化。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)功能，不斷的在發(fā)電機實際運行中得到訓(xùn)練，能夠較好的在線觀測同步發(fā)電機參數(shù)。由于故障狀態(tài)下的樣本難以獲取，因此該方法不適用于瞬態(tài)參數(shù)的辨識。

(2)在線頻域法是在機組運行時施加擾動，利用FFR和動態(tài)擬合來求取參數(shù)。由于是在運行工況下測得的數(shù)據(jù)，已包含飽和效應(yīng)等因素的影響，這種參數(shù)比起通過SSFR方法得到的參數(shù)更加能夠反映實際運行工況，更適用于動態(tài)穩(wěn)定的研究，但頻率響應(yīng)法是建立在對象是線性系統(tǒng)基礎(chǔ)上，用其來測算同步發(fā)電機非線性參數(shù)仍感困難，同時需要嚴格的試驗條件。

(3)勵磁電壓擾動試驗通過調(diào)節(jié)勵磁電壓，激發(fā)發(fā)電機的動態(tài)過程，從而進行參數(shù)辨識。由于發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)較為方便，因此該試驗相對容易實現(xiàn)，可作為同步發(fā)電機參數(shù)在線辨識的首選試驗方法。但該試驗是在發(fā)電機運行時進行的，動態(tài)過程易受到背景環(huán)境噪聲的干擾，所得參數(shù)尤其是瞬態(tài)參數(shù)精度會受到一定的影響。

3 結(jié)語

如前所述，艦船電力系統(tǒng)方案評估是對系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)評價的重要方式。為使方案評估客觀、獨立、公平，通常由第三方進行評估，其中系統(tǒng)級方案評估通常采用數(shù)字仿真、物理仿真等手段進行評估，因此評估的目的和特點決定了對參數(shù)辨識的需求不同于電機本體仿真對參數(shù)辨識的需求，主要包括以下幾個方面:

(1)方案評估主要面向系統(tǒng)級評估，主要設(shè)備參數(shù)中僅有部分參數(shù)對系統(tǒng)性能仿真有影響或影響較大;

(2)受到時間周期及經(jīng)費等方面限制，方案評估一般無法單獨安排試驗項目，主要結(jié)合系統(tǒng)或設(shè)備本身的試驗開展參數(shù)辨識工作，因此參數(shù)辨識方法需簡單易行，適應(yīng)性強;

(3)電機的超瞬變參數(shù)往往影響系統(tǒng)的動態(tài)特性和諧波特性，因此是方案評估中重點關(guān)注的內(nèi)容，參數(shù)辨識方法以辨識超瞬變參數(shù)為主。

根據(jù)船舶電力系統(tǒng)方案評估需求，綜合考慮方案評估中工程實現(xiàn)難度，對參數(shù)辨識方法的選用分析如下:

(1)數(shù)值計算法往往是電機設(shè)計過程中運用的方法，計算難度較大，計算精度與設(shè)計人員經(jīng)驗緊密相關(guān)，應(yīng)用范圍限制較大，計算工作量較大，一般不適合面向方案評估使用。

(2)在線測辨法中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測法無法辨識瞬態(tài)參數(shù)，應(yīng)用受限;在線頻域法對試驗條件要求較為嚴格，船舶電力系統(tǒng)裝備研制中的試驗條件往往局限于保障裝備性能試驗，保障在線頻域法試驗條件較為困難;勵磁電壓擾動試驗簡單易行，雖然試驗容易受背景噪聲影響，但也可作為重要參考，結(jié)合其他試驗結(jié)果進行對比分析。

(3)離線試驗測試方法中靜態(tài)頻域法僅適用于小型電機，船舶電力系統(tǒng)中電機功率較大，因此該方法不適用于船舶電力系統(tǒng)中參數(shù)辨識;三相短路試驗破壞性大，船舶電力系統(tǒng)研制過程中僅在樣機型式試驗中進行，考慮安全性因素，該試驗項目通過后不再進行短路試驗，若參數(shù)辨識不成功，無法再次進行該項目，應(yīng)用受到一定限制;拋載試驗易于執(zhí)行、計算簡單，可結(jié)合船舶電力系統(tǒng)的出廠試驗、聯(lián)調(diào)試驗、系泊試驗等工作結(jié)合，具有良好的工程適應(yīng)性，因此可結(jié)合勵磁電壓擾動試驗共同進行參數(shù)辨識。

[1]鞠平.電力系統(tǒng)非線性辨識[M].南京:河海大學(xué)出版社，1999.

[2]沈善德.電力系統(tǒng)辨識[M].北京:清華大學(xué)出版社，1993.

[3]徐枋同，李永華.系統(tǒng)辨識理論與實踐-在水電控制工程中的應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社，1999.

[4]徐南榮，宋文中，夏安邦.系統(tǒng)辨識[M].南京:東南大學(xué)出版社，1991.