面向舰船电力系统方案评估的发电机参数辨识方法

回志澎，寿海明

(海军装备研究院舰船论证研究所，北京 100161)

0 引言

随着舰船电力系统新技术的不断应用，尤其是综合电力技术的应用，舰船电力系统的方案更加多样、更加复杂。作为电力系统研制的重要环节，舰船电力系统方案评估要求开展系统级的仿真研究，辅助支撑电力系统方案评估，系统仿真中主要设备参数是仿真精度的基础，电机作为重要设备之一，由于受到种种条件限制，其参数通常采用设计值，由于设计值与实际情况存在一定的差异，例如计及饱和效应的发电机稳态电抗Xd实测值要比不计饱和效应的Xd设计值约小25%[1]，这将直接导致仿真结果产生偏差。因此，如何获取发电机准确参数便成为确保系统仿真的重要步骤。电机参数辨识作为较为准确获取实际参数的方法，近年来得到了迅速发展，针对舰船电力系统方案评估的需求，对电机参数辨识方法进行分析。

1 参数辨识理论基础

系统辨识是通过观测系统或过程的输入输出关系，确定描述该系统或过程动态特性的数学模型[2-4]。按照对待测系统的了解程度，通常可分为三类。黑箱系统:对系统一无所知，其模型结构、阶数、参数等均未知;灰箱系统:对系统部分了解，如已知模型结构、阶数，待测模型参数;白箱系统:系统模型可用物理机理写出。电力系统学科建立在较严谨的电工理论基础上，经过多年的发展，其数学模型可按照机理列出，并且部分动态机理也已知悉。对照上述分类，电力系统设备参数辨识基本属于灰箱建模。

系统辨识一般过程如下:规定代价函数(或称等价准则)Jθ，其通常是误差e的函数，实际系统和模型系统在同一激励信号x的作用下，产生实际输出信号yr和模型输出信号ym，其误差为e，经辨识准则计算后，去修正模型参数，反复进行，直至误差e满足代价函数最小为止。系统辨识原理是发电机参数辨识的理论基础，发电机的参数辨识通过对发电机施加外部激励或等效激励，通过对比实际输出信号和模型输出信号，按照辨识原则计算修正模型参数，直至两者之间的误差满足要求为止，从而得出发电机待辨识的参数值，如图1所示。

图1 辨识原理

2 现有参数辨识方法

目前发电机参数辨识方法主要包括三类:数值计算法、离线试验测试法、在线测辨法。

2.1 数值计算法

在电机设计阶段，通过对电机电磁性能分析可得到发电机参数，常用的数值计算方法有有限元方法和磁路磁导法。

(1)电机电磁场空间分布不规则，有限元法将由偏微分方程表征的连续函数所在的封闭场域划分为有限个小区域，每个小区域用一个选定的近似函数来代替，整个场域上的函数被离散化，由此获得近似的代数方程组，联立求解得该场域中函数的近似数值。它既能反应实际电磁场的复杂非线性特征，又能有效求解。但有限元方法计算量大，大多局限于二维剖分，较难实现三维剖分，计算精度与使用经验紧密相关，应用范围受到一定限制。

(2)磁路磁导法以磁回路为分析单元，根据实际需要，建立相应的电磁回路方程，在不同工况下求解得到发电机参数值。该方法具有物理概念清晰，方程建立扩展方便，相对有限元方法计算量小得多。由于采用等值计算的方式，难以反映电机中各种复杂非线性特征，对与各次气隙谐波关系紧密的电气量计算不够准确，精度不高，仅适用于定性分析。

2.2 离线试验测试法

发电机离线测试方法较为成熟，主要包括抛载试验法、短路试验法、静态频域法三种方法。

(1)抛载试验法的优点是无需过多假设，无破坏性，易于执行，计算简单，并且考虑工况对参数的影响，一般在d、q两轴分别进行试验，得到两个不同轴的动态响应，经过动态拟合得到d、q轴电气参数。该方法只在超瞬变参数的测量过程中，电机的状态才与运行条件比较接近，其他参数的测量仍与实际运行条件相差甚远，试验所测d轴参数较准，q轴参数误差较大。

(2)静态频域法是在电机静止时施加不同频率的正弦信号，利用频谱分析求电机参数，辨识出来的参数具有一定的精度，但静态时转子无法计及阻尼绕组影响。该方法需大功率的频率调节范围至少在0.01～100 Hz的变频电源作为信号源，因此该方法通常仅适用于小型电机或试验机组。

(3)三相突然短路试验是获取发电机瞬态参数最有效的方法。对一些参数未知的新型概念电机，短路试验是测取其瞬态参数的有效手段。该方法破坏性较大，只能在出厂前进行突然三相短路试验，并且试验次数有限，试验持续时间短、干扰大、获得的参数受到限制。

2.3 在线测辨法

在线测辨法是指在发电机正常工作情况下，通过施加人为扰动或捕捉系统自然扰动辨识同步发电机参数的方法。在线测辨法考虑了实际工况的影响，因此其所得参数具有较高精度。一般的在线测辨比离线试验测试更容易实现，对发电机的影响较小。常见的测辨方法有神经网络观测法、在线频域法和励磁电压扰动试验法[2]。

(1)神经网络观测法直接针对发电机参数非线性本质，利用神经网络对复杂非线性问题的模拟及自学习能力，追踪发电机参数的变化。由于神经网络具有自学习、自适应功能，不断的在发电机实际运行中得到训练，能够较好的在线观测同步发电机参数。由于故障状态下的样本难以获取，因此该方法不适用于瞬态参数的辨识。

(2)在线频域法是在机组运行时施加扰动，利用FFR和动态拟合来求取参数。由于是在运行工况下测得的数据，已包含饱和效应等因素的影响，这种参数比起通过SSFR方法得到的参数更加能够反映实际运行工况，更适用于动态稳定的研究，但频率响应法是建立在对象是线性系统基础上，用其来测算同步发电机非线性参数仍感困难，同时需要严格的试验条件。

(3)励磁电压扰动试验通过调节励磁电压，激发发电机的动态过程，从而进行参数辨识。由于发电机励磁调节较为方便，因此该试验相对容易实现，可作为同步发电机参数在线辨识的首选试验方法。但该试验是在发电机运行时进行的，动态过程易受到背景环境噪声的干扰，所得参数尤其是瞬态参数精度会受到一定的影响。

3 结语

如前所述，舰船电力系统方案评估是对系统技术状态评价的重要方式。为使方案评估客观、独立、公平，通常由第三方进行评估，其中系统级方案评估通常采用数字仿真、物理仿真等手段进行评估，因此评估的目的和特点决定了对参数辨识的需求不同于电机本体仿真对参数辨识的需求，主要包括以下几个方面:

(1)方案评估主要面向系统级评估，主要设备参数中仅有部分参数对系统性能仿真有影响或影响较大;

(2)受到时间周期及经费等方面限制，方案评估一般无法单独安排试验项目，主要结合系统或设备本身的试验开展参数辨识工作，因此参数辨识方法需简单易行，适应性强;

(3)电机的超瞬变参数往往影响系统的动态特性和谐波特性，因此是方案评估中重点关注的内容，参数辨识方法以辨识超瞬变参数为主。

根据船舶电力系统方案评估需求，综合考虑方案评估中工程实现难度，对参数辨识方法的选用分析如下:

(1)数值计算法往往是电机设计过程中运用的方法，计算难度较大，计算精度与设计人员经验紧密相关，应用范围限制较大，计算工作量较大，一般不适合面向方案评估使用。

(2)在线测辨法中神经网络观测法无法辨识瞬态参数，应用受限;在线频域法对试验条件要求较为严格，船舶电力系统装备研制中的试验条件往往局限于保障装备性能试验，保障在线频域法试验条件较为困难;励磁电压扰动试验简单易行，虽然试验容易受背景噪声影响，但也可作为重要参考，结合其他试验结果进行对比分析。

(3)离线试验测试方法中静态频域法仅适用于小型电机，船舶电力系统中电机功率较大，因此该方法不适用于船舶电力系统中参数辨识;三相短路试验破坏性大，船舶电力系统研制过程中仅在样机型式试验中进行，考虑安全性因素，该试验项目通过后不再进行短路试验，若参数辨识不成功，无法再次进行该项目，应用受到一定限制;抛载试验易于执行、计算简单，可结合船舶电力系统的出厂试验、联调试验、系泊试验等工作结合，具有良好的工程适应性，因此可结合励磁电压扰动试验共同进行参数辨识。

[1]鞠平.电力系统非线性辨识[M].南京:河海大学出版社，1999.

[2]沈善德.电力系统辨识[M].北京:清华大学出版社，1993.

[3]徐枋同，李永华.系统辨识理论与实践-在水电控制工程中的应用[M].北京:中国电力出版社，1999.

[4]徐南荣，宋文中，夏安邦.系统辨识[M].南京:东南大学出版社，1991.