同步发电机计算机模拟与参数辨识方法综述

柴 楠

(1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院； 2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

随着计算机技术的飞速发展，在工程领域，已经研发出多款软件供工程人员设计使用，以更好地完成产品的研发设计，如UG、Pro/E、SolidWorks、Catia等。这些软件各有千秋，UG适用于比较复杂的建模系统，如大型汽车、飞机；Pro/E适用于简单些的参数化建模设计，包括各种零部件和工模具，应用范围广泛；SolidWorks在适用范围上与Pro/E接近，但是在三维设计时，界面更加人性化；Catia的强项是曲面建模，但是操作起来没有UG流畅。

使用计算机对发电机进行模拟建模设计，本质上就是保证本体设计过程中多环尺寸链的合理。因为，发电机中各零部件的精准配合，最终还是通过合理的间隙、相互位置及误差来实现的。利用三维软件进行设计时，就能够很好的对各零部件的尺寸公差进行调整，最终得到满意的设计产品[1]。在工程实际中，对新研制的50 MW空冷汽轮发电机进行三维建模设计使用了操作界面比较人性化的SolidWorks软件，见图1～6。

在使用三维软件进行发电机模拟建模设计时，需要注意数据文法和尺寸的检测，避免因为数据文法或尺寸的错误导致设计失败。另外，要特别关注设计尺寸与实际产品尺寸数据的一致性。如果两者之间存在较大误差，则需要应用专业的方法查找原因，并制定合理的解决方案，使得工程实际中的生产技术不断得以提升。同时，还可以通过改进测量工具和方法的手段，在进行设计尺寸与实际零部件装配测量对比时，对不符合要求的地方进行充分改进，提高机械部件的准确性；再应用计算机的模拟实验，验证方法的精度和性能[2]。

图1 发电机外形

图2 发电机内部结构

图3 50 MW定子机座

图4 定子铁心及其端部结构

图5 定子线圈

图6 转子结构

1 参数辨识综述

作为电力系统中最为重要的组成部分，同步发电机的安全稳定运行对于电网来讲至关重要，而同步发电机的电气参数又是反映其真实工作情况的重要途径。当前，同步发电机厂家的设计参数与电力系统中记录的参数依然存在很大出入，如何才能更好地计算实际工况中的磁滞、涡流等，全世界范围内都在不断研究该项课题。

从上世纪八十年代至今，多个国家都在深入研究电气参数辨识这一课题，涌现出了多种计算方法。1990年，我国进行的电网会议调查表明，发电机参数辨识已经位于国家电网亟待解决的四大问题(发电机、励磁、调速器、负荷)之一。目前，主要的参数辨识方法有以下几种[3]。

1.1 数值计算法

1.1.1 电机的电磁场空间分布极其不规则，对于这种不规则的空间分布，传统的分析方法不能有效的进行计算而得出准确值。此时，可以利用有限元方法来对问题进行离散化求解。如Ansoft软件，可以将连续的磁场划分成一个个不同的小区域，然后将每一个小区域用一个函数来代替，再将代替小区域的函数进行获取，这种方式等于是将一个整场域的函数进行了一次离散化的处理。这种方式既能有效的获取参数值，也能根据不同情况，反应实际电磁场的复杂非线性特征。

1.1.2 磁路磁导法。这种方法在电机的实际生产中应用最为广范，根据发电机做功情况，套用公式[4]得出电机的各项实际参数。磁路磁导法与有限元方法相比，在计算量上具有优势，而且对于公式与方程的使用，更加灵活便捷。

但是磁路磁导法的缺点也很明显，由于本身的特性，无法准确反应出电机在不同情况下的复杂非线性特征，磁路磁导法适合于分析理想状态下的电机各项参数。

1.2 离线试验测试法

1.2.1 在三相突然短路的瞬间，被认为是参数最理想化的状态，所以三相突然短路法是获取发电机参数的重要手段之一。目前，大多数电机生产单位都使用这种方法获取电气参数，以对设计的产品性能进行评判。

但是三相突然短路法的弊端也很明显。首先这种获取参数的方法，对电机有一定的伤害，不能频繁使用。其次，由于突然短路会造成巨大破坏性，在进行数据获取时，不能进行并网操作。而且这种方法对于获取机械参数、阻尼参数等局限性较大，对于处理这类复杂性较大的参数，难度不小。

1.2.2 抛载试验法起源于上世纪末期，这种方法一面世，便被广泛运用于设备使用现场发电机的电气参数获取中。这种参数获取方式，由于其计算简单、对发电机的损伤基本可以忽略不计，执行起来简单便捷等优点，在世界范围内被广泛推广。

这种方法的局限性在于，获取参数时必须要处于超瞬变状态，才能让电机状态接近运行状态，否则获取的参数与实际相差较大。

1.3 在线测辨法

1.3.1 励磁电压扰动试验法，适用于联网运行的发电机进行参数获取，而且由于其操作相对便捷(励磁电压调节方便)，所以这种获取参数的方法，运用最为广泛。

这种试验方法，也有短板，其在试验时，对于环境噪声要求过高，而且所获得的参数，由于动态激发不充分等原因，对精度也造成了某些影响，加大了误差。

1.3.2 在线频域法(OLFR)，在运行状态下得到的数据相对真实，所获取的运行工况，相对完整，因此OLFR方法获取的参数更有参考价值。但OLFR方法对于获取发电机的非线性参数就显得无能为力。

1.3.3 进化算法[5-6]。这类方法包括遗传算法、进化策略法、模拟淬火法等。这些算法的过程模拟生物进化，优化过程中不需要考虑可微性及连续性，具有很好的全局收敛性、通用性和鲁棒性。

2 参数辨识算例

遗传算法是遵从达尔文的适者生存法则得来的优化算法，它通过种群繁衍产生下一代。首先，在一个初始种群中，使用编码技术对染色体中的数据串进行编码，然后通过随机的交换信息，将那些具有良好适应性的“基因”通过交叉、变异进行重组，产生一个新的种群，再用新的种群进行计算分析，使种群一直繁衍进化，直到找到那个对环境最为适应的群组，这个群组就是我们要找的最优解。

这里用遗传算法对60 MW空冷汽轮发电机进行电气参数辨识。使用工厂设计的电气参数值作为基础，三相短路试验获得的端电压作为输入数据，电流作为输出数据，应用MATLAB软件编程，对发电机的电气参数进行辨识。

三相短路仿真数据见图7。

辨识结果电流拟合图见图8。

参数辨识结果分析见表1。

图7 三相短路仿真结果

图8 电流拟合图

参数XdX'dX″dT'd0T″d0XqX″qT″q0设计值1.8300.18700.1379.9390.1791.7670.4350.112三相短路辨识值1.61110.15310.19443.20420.11171.81460.65310.105误差11.9%18.1%41.8%67.8%37.6%2.7%50.1%6.2%

4 结语

通过计算机对同步发电机进行模拟，可以在设计阶段就发现其存在的问题。发电机电气参数获取一般通过数值计算法、离线试验测试法和在线测辨法三个方法。这些方法有各自的优点和缺点，需要人们根据不同的情况，选择利用，才能精准的对同步发电机实际参数进行有效辨识，进而使得我们国家的电力系统网络更加稳定高效的运行。

[1] 杨瑛.Solidworks基础教程[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2] 王上一.用计算机模拟汽轮机和同步发电机系统的特性[J].发电设备，1987(3)：84.

[3] 沈善德.电力系统辨识[M]北京：清华大学出版社，1993.

[4] 中华人民共和国第一机械工业部.汽轮发电机电磁计算公式[M].北京：电工专业指导性技术文件，1965：18-26.

[5] 米增强，陈志忠，南志远等.同步发电机动态参数辨识[J].中国电机工程学报.1998，18(2):101-105.

[6] 杨若黎，顾基法.一种高效的模拟退火优化算法[J].系统工程理论与实践，1997，17(5):29-35.