同步發(fā)電機(jī)計(jì)算機(jī)模擬與參數(shù)辨識方法綜述

柴 楠

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院； 2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在工程領(lǐng)域，已經(jīng)研發(fā)出多款軟件供工程人員設(shè)計(jì)使用，以更好地完成產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)，如UG、Pro/E、SolidWorks、Catia等。這些軟件各有千秋，UG適用于比較復(fù)雜的建模系統(tǒng)，如大型汽車、飛機(jī)；Pro/E適用于簡單些的參數(shù)化建模設(shè)計(jì)，包括各種零部件和工模具，應(yīng)用范圍廣泛；SolidWorks在適用范圍上與Pro/E接近，但是在三維設(shè)計(jì)時，界面更加人性化；Catia的強(qiáng)項(xiàng)是曲面建模，但是操作起來沒有UG流暢。

使用計(jì)算機(jī)對發(fā)電機(jī)進(jìn)行模擬建模設(shè)計(jì)，本質(zhì)上就是保證本體設(shè)計(jì)過程中多環(huán)尺寸鏈的合理。因?yàn)椋l(fā)電機(jī)中各零部件的精準(zhǔn)配合，最終還是通過合理的間隙、相互位置及誤差來實(shí)現(xiàn)的。利用三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時，就能夠很好的對各零部件的尺寸公差進(jìn)行調(diào)整，最終得到滿意的設(shè)計(jì)產(chǎn)品[1]。在工程實(shí)際中，對新研制的50 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)使用了操作界面比較人性化的SolidWorks軟件，見圖1～6。

在使用三維軟件進(jìn)行發(fā)電機(jī)模擬建模設(shè)計(jì)時，需要注意數(shù)據(jù)文法和尺寸的檢測，避免因?yàn)閿?shù)據(jù)文法或尺寸的錯誤導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗。另外，要特別關(guān)注設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際產(chǎn)品尺寸數(shù)據(jù)的一致性。如果兩者之間存在較大誤差，則需要應(yīng)用專業(yè)的方法查找原因，并制定合理的解決方案，使得工程實(shí)際中的生產(chǎn)技術(shù)不斷得以提升。同時，還可以通過改進(jìn)測量工具和方法的手段，在進(jìn)行設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際零部件裝配測量對比時，對不符合要求的地方進(jìn)行充分改進(jìn)，提高機(jī)械部件的準(zhǔn)確性；再應(yīng)用計(jì)算機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證方法的精度和性能[2]。

圖1 發(fā)電機(jī)外形

圖2 發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 50 MW定子機(jī)座

圖4 定子鐵心及其端部結(jié)構(gòu)

圖5 定子線圈

圖6 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

1 參數(shù)辨識綜述

作為電力系統(tǒng)中最為重要的組成部分，同步發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對于電網(wǎng)來講至關(guān)重要，而同步發(fā)電機(jī)的電氣參數(shù)又是反映其真實(shí)工作情況的重要途徑。當(dāng)前，同步發(fā)電機(jī)廠家的設(shè)計(jì)參數(shù)與電力系統(tǒng)中記錄的參數(shù)依然存在很大出入，如何才能更好地計(jì)算實(shí)際工況中的磁滯、渦流等，全世界范圍內(nèi)都在不斷研究該項(xiàng)課題。

從上世紀(jì)八十年代至今，多個國家都在深入研究電氣參數(shù)辨識這一課題，涌現(xiàn)出了多種計(jì)算方法。1990年，我國進(jìn)行的電網(wǎng)會議調(diào)查表明，發(fā)電機(jī)參數(shù)辨識已經(jīng)位于國家電網(wǎng)亟待解決的四大問題(發(fā)電機(jī)、勵磁、調(diào)速器、負(fù)荷)之一。目前，主要的參數(shù)辨識方法有以下幾種[3]。

1.1 數(shù)值計(jì)算法

1.1.1 電機(jī)的電磁場空間分布極其不規(guī)則，對于這種不規(guī)則的空間分布，傳統(tǒng)的分析方法不能有效的進(jìn)行計(jì)算而得出準(zhǔn)確值。此時，可以利用有限元方法來對問題進(jìn)行離散化求解。如Ansoft軟件，可以將連續(xù)的磁場劃分成一個個不同的小區(qū)域，然后將每一個小區(qū)域用一個函數(shù)來代替，再將代替小區(qū)域的函數(shù)進(jìn)行獲取，這種方式等于是將一個整場域的函數(shù)進(jìn)行了一次離散化的處理。這種方式既能有效的獲取參數(shù)值，也能根據(jù)不同情況，反應(yīng)實(shí)際電磁場的復(fù)雜非線性特征。

1.1.2 磁路磁導(dǎo)法。這種方法在電機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣范，根據(jù)發(fā)電機(jī)做功情況，套用公式[4]得出電機(jī)的各項(xiàng)實(shí)際參數(shù)。磁路磁導(dǎo)法與有限元方法相比，在計(jì)算量上具有優(yōu)勢，而且對于公式與方程的使用，更加靈活便捷。

但是磁路磁導(dǎo)法的缺點(diǎn)也很明顯，由于本身的特性，無法準(zhǔn)確反應(yīng)出電機(jī)在不同情況下的復(fù)雜非線性特征，磁路磁導(dǎo)法適合于分析理想狀態(tài)下的電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)。

1.2 離線試驗(yàn)測試法

1.2.1 在三相突然短路的瞬間，被認(rèn)為是參數(shù)最理想化的狀態(tài)，所以三相突然短路法是獲取發(fā)電機(jī)參數(shù)的重要手段之一。目前，大多數(shù)電機(jī)生產(chǎn)單位都使用這種方法獲取電氣參數(shù)，以對設(shè)計(jì)的產(chǎn)品性能進(jìn)行評判。

但是三相突然短路法的弊端也很明顯。首先這種獲取參數(shù)的方法，對電機(jī)有一定的傷害，不能頻繁使用。其次，由于突然短路會造成巨大破壞性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取時，不能進(jìn)行并網(wǎng)操作。而且這種方法對于獲取機(jī)械參數(shù)、阻尼參數(shù)等局限性較大，對于處理這類復(fù)雜性較大的參數(shù)，難度不小。

1.2.2 拋載試驗(yàn)法起源于上世紀(jì)末期，這種方法一面世，便被廣泛運(yùn)用于設(shè)備使用現(xiàn)場發(fā)電機(jī)的電氣參數(shù)獲取中。這種參數(shù)獲取方式，由于其計(jì)算簡單、對發(fā)電機(jī)的損傷基本可以忽略不計(jì)，執(zhí)行起來簡單便捷等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)被廣泛推廣。

這種方法的局限性在于，獲取參數(shù)時必須要處于超瞬變狀態(tài)，才能讓電機(jī)狀態(tài)接近運(yùn)行狀態(tài)，否則獲取的參數(shù)與實(shí)際相差較大。

1.3 在線測辨法

1.3.1 勵磁電壓擾動試驗(yàn)法，適用于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)進(jìn)行參數(shù)獲取，而且由于其操作相對便捷(勵磁電壓調(diào)節(jié)方便)，所以這種獲取參數(shù)的方法，運(yùn)用最為廣泛。

這種試驗(yàn)方法，也有短板，其在試驗(yàn)時，對于環(huán)境噪聲要求過高，而且所獲得的參數(shù)，由于動態(tài)激發(fā)不充分等原因，對精度也造成了某些影響，加大了誤差。

1.3.2 在線頻域法(OLFR)，在運(yùn)行狀態(tài)下得到的數(shù)據(jù)相對真實(shí)，所獲取的運(yùn)行工況，相對完整，因此OLFR方法獲取的參數(shù)更有參考價(jià)值。但OLFR方法對于獲取發(fā)電機(jī)的非線性參數(shù)就顯得無能為力。

1.3.3 進(jìn)化算法[5-6]。這類方法包括遺傳算法、進(jìn)化策略法、模擬淬火法等。這些算法的過程模擬生物進(jìn)化，優(yōu)化過程中不需要考慮可微性及連續(xù)性，具有很好的全局收斂性、通用性和魯棒性。

2 參數(shù)辨識算例

遺傳算法是遵從達(dá)爾文的適者生存法則得來的優(yōu)化算法，它通過種群繁衍產(chǎn)生下一代。首先，在一個初始種群中，使用編碼技術(shù)對染色體中的數(shù)據(jù)串進(jìn)行編碼，然后通過隨機(jī)的交換信息，將那些具有良好適應(yīng)性的“基因”通過交叉、變異進(jìn)行重組，產(chǎn)生一個新的種群，再用新的種群進(jìn)行計(jì)算分析，使種群一直繁衍進(jìn)化，直到找到那個對環(huán)境最為適應(yīng)的群組，這個群組就是我們要找的最優(yōu)解。

這里用遺傳算法對60 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行電氣參數(shù)辨識。使用工廠設(shè)計(jì)的電氣參數(shù)值作為基礎(chǔ)，三相短路試驗(yàn)獲得的端電壓作為輸入數(shù)據(jù)，電流作為輸出數(shù)據(jù)，應(yīng)用MATLAB軟件編程，對發(fā)電機(jī)的電氣參數(shù)進(jìn)行辨識。

三相短路仿真數(shù)據(jù)見圖7。

辨識結(jié)果電流擬合圖見圖8。

參數(shù)辨識結(jié)果分析見表1。

圖7 三相短路仿真結(jié)果

圖8 電流擬合圖

參數(shù)XdX'dX″dT'd0T″d0XqX″qT″q0設(shè)計(jì)值1.8300.18700.1379.9390.1791.7670.4350.112三相短路辨識值1.61110.15310.19443.20420.11171.81460.65310.105誤差11.9%18.1%41.8%67.8%37.6%2.7%50.1%6.2%

4 結(jié)語

通過計(jì)算機(jī)對同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行模擬，可以在設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)其存在的問題。發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)獲取一般通過數(shù)值計(jì)算法、離線試驗(yàn)測試法和在線測辨法三個方法。這些方法有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，需要人們根據(jù)不同的情況，選擇利用，才能精準(zhǔn)的對同步發(fā)電機(jī)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行有效辨識，進(jìn)而使得我們國家的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定高效的運(yùn)行。

[1] 楊瑛.Solidworks基礎(chǔ)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 王上一.用計(jì)算機(jī)模擬汽輪機(jī)和同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特性[J].發(fā)電設(shè)備，1987(3)：84.

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

[4] 中華人民共和國第一機(jī)械工業(yè)部.汽輪發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算公式[M].北京：電工專業(yè)指導(dǎo)性技術(shù)文件，1965：18-26.

[5] 米增強(qiáng)，陳志忠，南志遠(yuǎn)等.同步發(fā)電機(jī)動態(tài)參數(shù)辨識[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào).1998，18(2):101-105.

[6] 楊若黎，顧基法.一種高效的模擬退火優(yōu)化算法[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，1997，17(5):29-35.