專利名稱：一種基于出廠數(shù)據(jù)的電動機機電暫態(tài)仿真模型參數(shù)獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，提出了一種基于電動機出場數(shù)據(jù)計算電動機仿真模型參數(shù)的方法。

背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)仿真中所采用的模型參數(shù)是仿真準確性的重要決定因素，相對于比較成熟的發(fā)電機組和輸電網(wǎng)絡(luò)模型，負荷模型仍比較簡單。隨著國內(nèi)外電網(wǎng)復(fù)雜程度的增加，電網(wǎng)規(guī)模的擴大，電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定及電壓穩(wěn)定問題更突出，負荷模型對系統(tǒng)仿真計算結(jié)果的影響不容忽視。
在電力系統(tǒng)負荷中，對系統(tǒng)穩(wěn)定特性影響較大的是電動機負荷。1996年8月10日和2000年8月4日發(fā)生在美國WSCC的兩次停電事故促使WECC于2002年將之前采用的純靜態(tài)負荷模型替換為包含20％電動機的過渡負荷模型(Interim Load Model)。另外，自1990年以來美國California南部地區(qū)多次發(fā)生故障后出現(xiàn)負荷側(cè)母線電壓恢復(fù)緩慢的現(xiàn)象，相似的事故同樣發(fā)生于Florida電力和照明公司，但是采用各種常規(guī)負荷模型甚至包括過渡負荷模型也無法模擬出這些故障后母線電壓緩慢恢復(fù)的特性。研究結(jié)果表明，這些系統(tǒng)穩(wěn)定特性與電動機的動態(tài)特性有著很大的關(guān)系。據(jù)統(tǒng)計，在電力系統(tǒng)負荷中超過60％都是電動機負荷，系統(tǒng)發(fā)生故障后數(shù)秒內(nèi)的負荷動態(tài)特性主要來源于電動機負荷的綜合響應(yīng)特性。
確定感應(yīng)電動機負荷的模型參數(shù)是電力系統(tǒng)負荷建模和穩(wěn)定仿真計算所必需的。通常所采用的電動機模型參數(shù)直接參照IEEE自1987年推薦的幾種典型參數(shù)。IEEE推薦的感應(yīng)電動機的典型模型參數(shù)，距今已有20多年的歷史，將這些典型模型參數(shù)應(yīng)用于當前電網(wǎng)的仿真分析的適應(yīng)性和準確性會受到限制。
基于試驗實測數(shù)據(jù)確定的電動機仿真模型參數(shù)的適應(yīng)性最強，但是由于電力系統(tǒng)中電動機負荷的種類、數(shù)量非常多，基于實測的模型參數(shù)確定方法的應(yīng)用性受到限制。
因此，如何根據(jù)電動機的出廠數(shù)據(jù)，如額定功率、額定功率因數(shù)、最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、起動電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等，估算適用于電力系統(tǒng)仿真程序用的電動機模型參數(shù)一直處于研究狀態(tài)，該問題至今沒有得到很好的解決。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定仿真程序采用的電動機三階數(shù)學(xué)模型，提出根據(jù)電動機出廠數(shù)據(jù)估算適用于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真的電動機模型參數(shù)的方法。所提算法計算電動機模型參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是電動機的出廠數(shù)據(jù)，且算法收斂特性好、魯棒性較強。根據(jù)出廠數(shù)據(jù)計算模型參數(shù)，為電力系統(tǒng)仿真中采用的電動機模型參數(shù)的選擇提供了方便性。
本發(fā)明提出了一種基于出廠數(shù)據(jù)的電動機機電暫態(tài)仿真模型參數(shù)獲取方法，該方法基于感應(yīng)電動機的出廠數(shù)據(jù)，估算能用于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真程序的電動機模型參數(shù)，所述感應(yīng)電動機的出廠數(shù)據(jù)包括額定功率、額定功率因數(shù)、最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、起動電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
其中，該方法的基本步驟包括 (1)根據(jù)電動機的出廠數(shù)據(jù)所提供的同步轉(zhuǎn)速和電動機極對數(shù)，來計算電動機的額定滑差Sn 其中為同步轉(zhuǎn)速，單位為r/min，f為系統(tǒng)頻率，p為極對數(shù)； (2)根據(jù)電動機的出廠數(shù)據(jù)所提供的電動機額定電壓Un、額定電流In和額定功率因數(shù)cosθn，計算電動機輸入的有功功率P和無功功率Q P＝3UnIncosθn Q＝Ptanθn(2) (3)根據(jù)步驟(1)計算得到的電動機的額定滑差和步驟(2)計算得到的電動機的有功功率以及出廠數(shù)據(jù)所提供的電動機的最大電磁轉(zhuǎn)矩倍數(shù)κm，計算電動機的電磁功率Pem和最大電磁功率Pem_max (3) Pem_max＝κmPem 并令Pemt_max＝Pem_max，在電動機電氣參數(shù)均以標幺值表示時，有P＝T，即電磁功率與電磁轉(zhuǎn)矩在數(shù)值上相等，所以，算法中均用電磁功率代替電磁轉(zhuǎn)矩。
(4)根據(jù)電動機的定子銅耗計算電動機定子繞組的電阻值Rs (5)根據(jù)電動機的靜態(tài)等值電路和電動機的額定電壓、吸收功率計算電動機額定滑差條件下的等值阻抗Zdeq Rdeq＝real(Zdeq)(5) Xdeq＝imag(Zdeq) (6)由最大電磁功率公式反演，見公式(6)，計算電動機的定子Xs和轉(zhuǎn)子電抗Xr，因為根據(jù)簡化的最大電磁功率公式計算得到的最大電磁功率要比實際的最大電磁功率大，所以需要通過迭代方法對定子和轉(zhuǎn)子電抗進行修正 Xr＝Xs (7)根據(jù)已計算得到的定子電阻、定轉(zhuǎn)子電抗和額定滑差下電動機的等值阻抗Zdeq計算電動機的轉(zhuǎn)子電阻Rr和激磁電抗Xm (7) 其中Kr＝Rdeq-Rs，Kx＝Xdeq-Xs； (8)根據(jù)計算出來的所有電動機參數(shù)定子繞組電阻Rs和電抗Xs、轉(zhuǎn)子繞組電阻Rr和電抗Xr、激磁電抗Xm和額定滑差sn，重新按照最大電磁轉(zhuǎn)矩公式計算電動機的最大電磁功率 (9)根據(jù)戴維南等值原理計算電動機的臨界滑差和電動機實際的最大電磁功率 戴維南等值阻抗Zdp為 Rdp＝real(Zdp)(9) Xdp＝imag(Zdp) 產(chǎn)生最大電磁功率的條件是 Sm為臨界滑差，戴維南等值電路的開路電壓為 因此，可根據(jù)下式重新計算新參數(shù)對應(yīng)的實際最大電磁轉(zhuǎn)矩 (10)比較第(8)和(9)步中得到的兩個最大電磁轉(zhuǎn)矩之間的差異，如果兩者之間的差異非常小，則計算結(jié)束，最終得到電動機的模型參數(shù)，否則返回第(5)步重新進行迭代計算。
其中，所述計算電動機轉(zhuǎn)子電阻和激磁電抗的步驟如下 (1)通過計算得到感應(yīng)電動機的等值阻抗Zdeq，與電動機的靜態(tài)等值電路建立關(guān)系，分別由關(guān)系的實部和虛部形成包括兩個變量的方程組，這兩個變量為電動機的轉(zhuǎn)子電阻和激磁電抗，如式(13)所示 (13) (2)整理化簡上述包括兩個變量的方程組，通過其中之一確定轉(zhuǎn)子電阻和激磁電抗之間的關(guān)系，并將其代入另一個方程中求得其中一個變量轉(zhuǎn)子電阻Rr或激磁電抗Xm； (3)根據(jù)已求得的一個變量和兩個變量之間的關(guān)系，可求得另一個變量的大小。
其中，電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真程序可以是中國電力科學(xué)研究院出版發(fā)行的PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序軟件。
本發(fā)明的電動機模型參數(shù)計算方法，其有效性的驗證方法如下 通過對15臺實際電動機使用上述的方法進行驗證分析，并根據(jù)動模實驗對其中的2臺電動機進行了仿真對比和分析，進一步驗證根據(jù)所提算法得到的電動機模型參數(shù)在電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真分析中模擬實際電動機的有效性。
本發(fā)明的有益效果是 1.負荷模型對大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的穩(wěn)定運行特性有著重要的影響，而電動機負荷在電力系統(tǒng)負荷中超過60％都是電動機負荷，系統(tǒng)發(fā)生故障后數(shù)秒內(nèi)的負荷動態(tài)特性主要來源于電動機負荷的綜合響應(yīng)特性，準確確定各類電動機負荷的模型參數(shù)，對提到電力系統(tǒng)仿真精度、保證電網(wǎng)正常運行的安全性、可靠性運行具有重要的意義。
2.該方法基于感應(yīng)電動機的出廠數(shù)據(jù)(如額定功率、額定功率因數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等)估算適用于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真的電動機單籠模型參數(shù)的方法。該算法充分考慮了電動機的轉(zhuǎn)矩-滑差物理機理特性，其收斂特性好、魯棒性強。根據(jù)出廠數(shù)據(jù)計算模型參數(shù)，為電力系統(tǒng)仿真中采用的電動機模型參數(shù)的選擇提供了方便性。



圖1為動模試驗系統(tǒng)，同樣為數(shù)值仿真系統(tǒng)； 圖2為電動機機端電壓曲線的對比，其中實線“—”為電動機的動模實驗實測曲線，虛線為根據(jù)發(fā)明的電動機模型參數(shù)計算方法計算的電動機模型參數(shù)得到的數(shù)值仿真曲線； 圖3為電動機有功功率曲線的對比； 圖4為電動機無功功率曲線的對比。

具體實施例方式 要在電力系統(tǒng)數(shù)值仿真分析中采用感應(yīng)電動機模型，必須知道電動機定子和轉(zhuǎn)子的具體參數(shù)。通常這些參數(shù)必須通過試驗數(shù)據(jù)才能夠得到，但是，系統(tǒng)中的大小電動機負荷數(shù)量很多，如果一一進行試驗，工作量很大。
所以，根據(jù)電動機產(chǎn)品目錄上的出廠數(shù)據(jù)估算電動機的模型參數(shù)具有重要的工程實用價值。電動機的出廠數(shù)據(jù)包括電動機型號、額定功率Pn(kW)、額定電壓Un(V)、額定電流In(A)、額定轉(zhuǎn)速nn(r/min)、額定效率ηn(％)、額定功率因素cosθn、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)κm(κm＝Tm/Tn，Tn為額定轉(zhuǎn)矩，Tm為最大或臨界轉(zhuǎn)矩)、堵轉(zhuǎn)或啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)κst(κst＝Tst/Tn，Tst為啟動或轉(zhuǎn)矩)、堵轉(zhuǎn)或啟動電流倍數(shù)κist(κist＝Ist/In，Ist為啟動或堵轉(zhuǎn)電流)和飛輪矩GD2(kg□m2)。電動機轉(zhuǎn)子極對數(shù)p可根據(jù)同步轉(zhuǎn)速計算得到。
單籠電動機等值電路中包括5個不同的電氣參數(shù)，但僅有4個參數(shù)是獨立變量。因此，在這5個參數(shù)之間應(yīng)該增加一個限制條件。通常情況下，假定定子繞組電抗Xs等于轉(zhuǎn)子繞組電抗Xr。
由感應(yīng)電動機的等效電路可見，電動機吸收的有功功率P1一部分消耗在定子繞組的電阻上，稱為定子銅耗Pcu1；一部份消耗在鐵芯上，稱為鐵耗，由于其所占的比例非常小，本文將其忽略不計；剩余的大部分電功率通過氣隙磁場傳遞給轉(zhuǎn)子，稱為電磁功率Pem。
電磁功率Pem被分為2部分一部分消耗在轉(zhuǎn)子繞組電阻上，稱為轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2；其余部分則轉(zhuǎn)化為機械功率Pmec傳遞到轉(zhuǎn)子軸上，本文將轉(zhuǎn)子軸上因軸承摩摖、風(fēng)扇阻力等造成的機械損耗及由高次諧波引起的雜耗都歸并到機械功率Pmec中。所以機械功率Pmec近似等于電動機輸出的機械功率。
電動機的額定電磁功率Pemn或額定轉(zhuǎn)矩Temn、轉(zhuǎn)子的額定滑差sn和最大電磁功率Pem_max或最大電磁轉(zhuǎn)矩Tem_max是能代表電動機內(nèi)機械特性的幾個最重要的參數(shù)?；诖?，根據(jù)出廠數(shù)據(jù)估算感應(yīng)電動機模型參數(shù)的方法。
根據(jù)電動機的出廠數(shù)據(jù)可首先逐步求得電動機的額定滑差、有功功率和無功功率、額定滑差條件下電動機的等值阻抗、電磁功率和最大電磁功率以及定子電阻值，然后根據(jù)(1)式可計算得到電動機的定子電抗和轉(zhuǎn)子電抗。假定Xr＝Xs，并且根據(jù)該式計算的Xs和Xr必然偏小，因為根據(jù)簡化的最大電磁功率公式計算得到的最大電磁功率要比實際的最大電磁功率大。所以需要通過迭代方法對Xs和Xr進行修正。
Xr＝Xs 計算電動機根據(jù)所求得的電動機定子電阻Rs、定子電抗Xs、轉(zhuǎn)子電抗Xr和電動機額定滑差條件下的等值阻抗，結(jié)合式(2)和(3)可求得電動機的轉(zhuǎn)子電阻Rr和激磁電抗Xm。
Kr＝Rdeq-Rs(2) Kx＝Xdeq-Xs (3) 按照如式(4)所示的簡化公式可計算電動機近似的最大電磁功率。
根據(jù)戴維南等值電路可計算電動機精確的最大電磁功率，如式(5)～(6)。式(5)為戴維南等值阻抗，式(6)為產(chǎn)生最大電磁功率的條件，Sm為臨界滑差，式(7)為戴維南等值電路的開路電壓，式(8)為精確的最大電磁功率。
Rdp＝real(Zdq)(5) Xdp＝imag(Zdp) 采用如圖1所示4機發(fā)、輸、配的電力系統(tǒng)，首先在動模實驗室在該系統(tǒng)中進行三相短路故障試驗，記錄如圖1所示的電動機M2和M4的機端電壓、吸收的有功功率和無功功率；然后采用根據(jù)本發(fā)明計算得到的電動機M2和M4的模型參數(shù)，采用相同的故障通過仿真計算同樣得到M2和M4的機端電壓、吸收的有功功率和無功功率；最后對比動模實測結(jié)果和仿真結(jié)果，如圖2～4所示，對比了電動機機端電壓、吸收的有功功率和無功功率曲線。
從圖3中可以看出在短路故障發(fā)生和短路故障消失的瞬間電動機吸收的有功功率會發(fā)生突變，有功功率突變的幅度比較大，持續(xù)時間短暫。采用電動機模型得到的仿真結(jié)果在這種突變瞬間的值與實測結(jié)果相差較大，通過分析主要有兩方面的原因1)測量引起的誤差；2)實際系統(tǒng)中存在的電磁暫態(tài)突變量。對于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真，并不考慮電磁暫態(tài)過程，采用的電動機模型為三階機電暫態(tài)模型。在電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真研究中這種誤差可以忽略。
因此，從圖2～4的對比可以看出，采用本發(fā)明計算得到的電動機的模型參數(shù)的仿真結(jié)果與實際電動機的動態(tài)響應(yīng)特性非常接近，驗證了本發(fā)明的可靠性和有效性。
上面通過特別的實施例內(nèi)容描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員還可意識到變型和可選的實施例的多種可能性，例如，通過組合和/或改變單個實施例的特征。因此，可以理解的是這些變型和可選的實施例將被認為是包括在本發(fā)明中，本發(fā)明的范圍僅僅被附上的專利權(quán)利要求書及其同等物限制。
權(quán)利要求
1.一種基于出廠數(shù)據(jù)的電動機機電暫態(tài)仿真模型參數(shù)獲取方法，該方法基于感應(yīng)電動機的出廠數(shù)據(jù)，估算能用于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真程序的電動機模型參數(shù)，所述感應(yīng)電動機的出廠數(shù)據(jù)包括額定功率、額定功率因數(shù)、最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、起動電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
2.如權(quán)利要求1所述的電動機模型參數(shù)計算方法，其特征在于該方法的基本步驟包括
(1)根據(jù)電動機的出廠數(shù)據(jù)所提供的同步轉(zhuǎn)速和電動機極對數(shù)，來計算電動機的額定滑差Sn
其中為同步轉(zhuǎn)速，單位為r/min，f為系統(tǒng)頻率，p為極對數(shù)；
(2)根據(jù)電動機的出廠數(shù)據(jù)所提供的電動機額定電壓Un、額定電流In和額定功率因數(shù)cosθn，計算電動機輸入的有功功率P和無功功率Q
P＝3UnIncosθn
Q＝Ptanθn(2)
(3)根據(jù)步驟(1)計算得到的電動機的額定滑差和步驟(2)計算得到的電動機的有功功率以及出廠數(shù)據(jù)所提供的電動機的最大電磁轉(zhuǎn)矩倍數(shù)κm，計算電動機的電磁功率Pem和最大電磁功率Pem_max
Pem_max＝κmPem(3)
并令Pemt_max＝Pem_max，在電動機電氣參數(shù)均以標幺值表示時，有P＝T，即電磁功率與電磁轉(zhuǎn)矩在數(shù)值上相等，所以，算法中均用電磁功率代替電磁轉(zhuǎn)矩。
(4)根據(jù)電動機的定子銅耗計算電動機定子繞組的電阻值Rs
(5)根據(jù)電動機的靜態(tài)等值電路和電動機的額定電壓、吸收功率計算電動機額定滑差條件下的等值阻抗Zdeq
Rdeq＝real(Zdeq)(5)
Xdeq＝imag(Zdeq)
(6)由最大電磁功率公式反演，見公式(6)，計算電動機的定子Xs和轉(zhuǎn)子電抗Xr，因為根據(jù)簡化的最大電磁功率公式計算得到的最大電磁功率要比實際的最大電磁功率大，所以需要通過迭代方法對定子和轉(zhuǎn)子電抗進行修正
Xr＝Xs
(7)根據(jù)已計算得到的定子電阻、定轉(zhuǎn)子電抗和額定滑差下電動機的等值阻抗Zdeq計算電動機的轉(zhuǎn)子電阻Rr和激磁電抗Xm
其中Kr＝Rdeq-Rs，Kx＝Xdeq-Xs；
(8)根據(jù)計算出來的所有電動機參數(shù)定子繞組電阻Rs和電抗Xs、轉(zhuǎn)子繞組電阻Rr和電抗Xr、激磁電抗Xm和額定滑差sn，重新按照最大電磁轉(zhuǎn)矩公式計算電動機的最大電磁功率
(9)根據(jù)戴維南等值原理計算電動機的臨界滑差和電動機實際的最大電磁功率戴維南等值阻抗Zdp為
Rdp＝real(Zdp)(9)
Xdp＝imag(Zdp)
產(chǎn)生最大電磁功率的條件是
sm為臨界滑差，戴維南等值電路的開路電壓為
因此，可根據(jù)下式重新計算新參數(shù)對應(yīng)的實際最大電磁轉(zhuǎn)矩
(10)比較第(8)和(9)步中得到的兩個最大電磁轉(zhuǎn)矩之間的差異，如果兩者之間的差異非常小，則計算結(jié)束，最終得到電動機的模型參數(shù)，否則返回第(5)步重新進行迭代計算。
3.如權(quán)利要求2所述的電動機模型參數(shù)計算方法，其特征在于所述計算電動機轉(zhuǎn)子電阻和激磁電抗的步驟如下
(1)通過計算得到感應(yīng)電動機的等值阻抗Zdeq，與電動機的靜態(tài)等值電路建立關(guān)系，分別由關(guān)系的實部和虛部形成包括兩個變量的方程組，這兩個變量為電動機的轉(zhuǎn)子電阻和激磁電抗，如式(13)所示
(2)整理化簡上述包括兩個變量的方程組，通過其中之一確定轉(zhuǎn)子電阻和激磁電抗之間的關(guān)系，并將其代入另一個方程中求得其中一個變量轉(zhuǎn)子電阻Rr或激磁電抗Xm；
(3)根據(jù)已求得的一個變量和兩個變量之間的關(guān)系，可求得另一個變量的大小。
4.如權(quán)利要求1-3所述的電動機模型參數(shù)計算方法，其特征在于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真程序可以是PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序。
5.如權(quán)利要求1-4所述的電動機模型參數(shù)計算方法，其有效性的驗證方法如下
通過對15臺實際電動機使用權(quán)利要求1-4所述的方法進行驗證分析，并根據(jù)動模實驗對其中的2臺電動機進行了仿真對比和分析，進一步驗證根據(jù)所提算法得到的電動機模型參數(shù)在電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真分析中模擬實際電動機的有效性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于出廠數(shù)據(jù)的電動機機電暫態(tài)仿真模型參數(shù)獲取方法，該方法基于感應(yīng)電動機的出廠數(shù)據(jù)(如額定功率、額定功率因數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等)估算適用于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真的電動機單籠模型參數(shù)的方法。該算法充分考慮了電動機的轉(zhuǎn)矩-滑差物理機理特性，其收斂特性好、魯棒性強。根據(jù)出廠數(shù)據(jù)計算模型參數(shù)，為電力系統(tǒng)仿真中采用的電動機模型參數(shù)的選擇提供了方便性。
文檔編號G06F17/50GK101727522SQ20091024186
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者湯涌, 趙兵, 張文朝, 王 琦, 邱麗萍 申請人:中國電力科學(xué)研究院