專利名稱：：一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法及裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種基于實時數(shù)字仿真器的建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法及裝置，屬于電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真領域。
背景技術：
：定條件下，電氣系統(tǒng)中的LC諧振會激發(fā)發(fā)電機軸系的扭轉振蕩不穩(wěn)定，由于軸系扭振頻率通常在工頻以下，故稱為次同步諧振。另外，高壓直流輸電(HVDC)及SVC、PSS等有源快速裝置在一定條件下也能激發(fā)發(fā)電機軸系扭振，由于這種扭振不存在電氣諧振電路，故而稱之為次同步振蕩。在研究和仿真次同步振蕩過程中，汽輪發(fā)電機組不能采用單一剛體模型，而常用的方法是采用軸系彈性多質量塊模型，并在此基礎上，依據(jù)動力學原理對每個質量塊列寫轉子運動方程。應用梯形法則改寫方程，形成可用于數(shù)值仿真計算的離散化方程形式。電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真器(RTDS,RealTimeDigitalSimulator)是迄今全世界最先進的電力系統(tǒng)實時仿真設備之一，能實現(xiàn)對電力系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)連續(xù)、實時的仿真。由于實時仿真計算的實時性，也可用于與控制、保護等實際設備連接構成測試系統(tǒng)。目前實時數(shù)字仿真器廣泛應用于電力行業(yè)的教育、科研、生產領域，以及電力設備制造公司。在對發(fā)電機軸系模型的仿真計算中，輸入機械轉矩/:.,輸出電磁轉矩7"e，質量塊慣性時間常數(shù)〃,.，軸剛度/(/,;，機械阻尼D,.作為已知量，各個質量塊轉速^和旋轉角度/9,為狀態(tài)量，軸轉矩",w為輸出量。電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真器已有的軸系多質量塊模型，將質量塊慣性時間常數(shù)AV/,軸剛度&;，阻尼D,作為已知參數(shù)，即仿真計算過程中，參數(shù)不能改變。按照實際情況，軸系多質量塊機械阻尼將隨發(fā)電機不同運行工況變化而變化。隨著發(fā)電機出力從空載到滿載，典型軸系機械阻尼系數(shù)從0.05sec^到0.2sec^變化，而機械阻尼的不同將對軸系扭振產生明顯差異。在實現(xiàn)本發(fā)明過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術中至少存在如下問題由于實時數(shù)字仿真計算過程中，參數(shù)不能改變，而實際情況下隨著發(fā)電機力矩的變化，軸系機械阻尼系數(shù)也相應的發(fā)生變化。因此，實時數(shù)字仿真器在對現(xiàn)有多質量塊模型的仿真計算過程中不能完全反映實際情況。
發(fā)明內容本發(fā)明的實施例提供了一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法及裝置，能夠在對現(xiàn)有多質量塊模型的仿真計算過程中反映實際情況。一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法，'包括確定建立彈性多質量塊阻尼模型需要的參數(shù)；根據(jù)所述參數(shù)建立的任意一個質量塊旋轉運動方程，獲得第/個質量塊的旋轉運動方程，其中/'表示自然數(shù)；通過梯形方法對第/'個質量塊的旋轉運動方程進行離散化；根據(jù)離散化的第/'個質量塊的旋轉運動方程，得到第/個質量塊的發(fā)電機軸系轉子運動方程。一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的裝置，包括參數(shù)確定模塊，用于確定建立彈性多質量塊阻尼模型需要的參數(shù)；旋轉運動方程建立模塊，用于根據(jù)建立的任意一個質量塊旋轉運動方程，獲得第/'個質量塊的旋轉運動方程，其中/'表示自然數(shù)；離散化模塊，用于通過梯形方法對第/個質量塊的旋轉運動方程進行離散化；轉子運動方程建立模塊，用于將離散化的第/個質量塊的旋轉運動方程消去一個變量，得到第/個質量塊的發(fā)電機軸系轉子運動方程。由上述本發(fā)明的實施例提供的技術方案可以看出，根據(jù)確立的參數(shù)建立質量塊旋轉運動方程，再通過離散化得到質量塊的發(fā)電機軸系轉子運動方程，以達到能夠在對現(xiàn)有多質量塊模型的仿真計算過程中反映實際情況的目的。為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明實施例所述的一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法的流程示意圖2是本發(fā)明實施例所述的一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的裝置的結構示意圖。具體實施例方式下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明的具體實施方式提供的一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法中，首先確定建立彈性多質量塊阻尼模型需要的參數(shù)，根據(jù)所述參數(shù)建立的任意一個質量塊旋轉運動方程，獲得第/個質量塊的旋轉運動方程，其中/'表示自然數(shù)，再通過梯形方法對第/個質量塊的旋轉運動方程進行離散化，最后根據(jù)離散化的第/個質量塊的旋轉運動方程，得到第/個質量塊的發(fā)電機軸系轉子運動方程。其中必需的參數(shù)包括質量塊的數(shù)量a,其中a表示自然數(shù)；第/'個質量塊慣性時間常數(shù)M,其中/'表示小于a的自然數(shù)；第/'個軸段剛度/<,.,其中/'表示小于/7的自然數(shù)；第/個質量塊的輸入機械轉矩"，其中/'表示小于a7的自然數(shù)；發(fā)電機輸出電磁轉矩7"e;第/個和第y個質量塊的機械阻尼D,j,其中/和j都表示小于a7的自然數(shù)，且/'《y'。所述質量塊的機械阻尼D,.,;,包括質量塊自阻尼和第/個質量塊與第y'個質量塊間的阻尼。在上述過程中，所述任意一個質量塊旋轉運動方程為其中w表示旋轉角速度，;表示旋轉角加速度，/f為質量塊圍繞旋轉軸的慣性時間常數(shù)，Ar為不平衡轉矩。所述第/個質量塊的旋轉運動方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>其中6>,表示質量塊的扭轉角度，K,表示第7個軸段剛度，并且《,—」,^=0，=0，/表示自然數(shù)。將第/'個質量塊的旋轉運動方程離散化得到離散化的第/'個質量塊的旋轉運動方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>其中2//表示慣性時間常數(shù)，〖為常數(shù)，表示軸剛度，轉矩r和阻尼"作為已知量，w(0和6^)為未知量。進一步地，將離散化的第/'個質量塊的旋轉運動方程和f時刻質量塊的扭轉角度(9,的表達式帶入所述的第/個質量塊的旋轉運動方程，帶入所述離散化的第/個質量塊的旋轉運動方程，消去變量6>(0,得到=L」—1」+[W-A,)]+-△,)]問-[2《][外-A,)]]則所述第/'個質量塊的發(fā)電機軸系轉子運動方程為=L^1」収(0]+K(卜+[q(z-間-[2《][《(,-ao]]其中[w,(0]表示第/'個質量塊轉速的本次迭代結果，[t;o)]表示用于本次迭代的作用于第/個質量塊的轉矩，ao]表示第,'個質量塊轉速值的上次迭代結果，[到表示參數(shù)s形成的矩陣，[2iq表示剛度參數(shù)2^矩陣，表示第/'個質量塊旋轉角度的上次迭代結果。最終通過實時數(shù)字仿真器的自定義模塊CBuilder,'采用C語言加以實現(xiàn)，以達到能夠在對現(xiàn)有多質量塊模型的仿真計算過程中反映實際情況的目的。為了更好的描述本實施方式，現(xiàn)結合說明書附圖對本發(fā)明的具體實施方式進4亍i兌明。本發(fā)明的具體實施方式提供了一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法，如圖1所示，具體可以包括步驟11，確定建立彈性多質量塊阻尼模型需要的參數(shù)；本實施方式采用的汽輪發(fā)電機組軸系多質量塊模型具體可以包括6個質量塊及5個軸段，所需的彈性多質量塊模型需要的參數(shù)具體可以包括<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>將上述參數(shù)改寫為矩陣形式如下:0.09290000000.155590000000.858670000000.8842150000000.868490000000.03422019.303000019.303034.9290o-0034.929052.038000052.038070.858000070.85802.82200002.8220—0.300000—00.260000000,22000r(卜000000.220000一l00000'00r(,)=0.30000000.260000000.220000000.22.000000—0.350000000￡)0_A0=00.200000.200.200000.200.20(T000.200.200000.200.200000.201200.0500000.0500.0500000.0500.0500000.0500.0500000.0500.0500000.050雄—Af)=0.030318350000000.014776350000000.007332680000000:00310500000000000000假定擾動發(fā)生前發(fā)電機軸系處于穩(wěn)定狀態(tài)，各個質量塊以額定同步速旋轉，則000o一00001000010000100001_仿真步長為5CM敖秒，A^5e-5。步驟12，根據(jù)所述參數(shù)建立的任意一個質量塊旋轉運動方程，獲得第/個質量塊的旋轉運動方程，其中/表示自然數(shù)。..其中^表示旋轉角速度，;表示旋轉角加速度，//為質量塊圍繞旋轉軸的慣性時間常數(shù)，Ar為不平衡轉矩。步驟13，通過梯形方法對第/個質量塊的旋轉運動'方程進行離散化，所述第/'個質量塊的旋轉運動方程為:100100000000132//w=(A6^-A6>,)+A7;—《,+1(A《-)-DAw,其中《表示質量塊的扭轉角度，K,.表示第/個軸段剛度，并且仄—」,w-o，《v+1U=o，/表示自然數(shù)。將第/個質量塊的旋轉運動方程離散化得到離散化的第/'個質量塊的旋轉運動方禾呈為'<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>其中2/f表示慣性時間常數(shù)，〖為常數(shù)，表示軸剛度，轉矩r和阻尼D作為已知量，w(0和^(/)為未知量。'-步驟14,根據(jù)離散化的第/個質量塊的旋轉運動方程，得到第/'個質量塊的發(fā)電機軸系轉子運動方程。在消去變量的過程中，將離散化的第/'個質量塊的旋轉運動方程和f時刻質量塊的扭轉角度《的表達式'-2226/=+碑-AO]+W-帶入所述的第/個質量塊的旋轉運動方程，消去變量6>(/)，并令5=2了25〖得到.=L11」+[W-A0]+-[S]-[2幻[^-A,)]]對于由軸段耦合的含n個質量塊的軸系模型，^'"收廣為矩陣形式:14<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>經(jīng)過400次迭代，即仿真0.02秒后，計算結果為<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>本實施方式的機械阻尼隨工況變化而變化，將所述的公式A經(jīng)過一次迭代.即仿真50微秒后，計算結果為.<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>經(jīng)過400次迭代，即仿真0.02秒后，計算結果為<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>從以上結果對比可以看出，在考慮機械阻尼變化的情況下，所得結果與原有模型算法所得結果有差異，并且差異隨著迭代計算次數(shù)的增加而增加。對RTDS原有模型和本發(fā)明的實施方式實現(xiàn)的模型分別加次同步諧振IEEE第一算例擾動方式，軸系各個量對比如上表所示。比較量分別為一號轉子轉速，一、二號轉子間軸轉矩，三、四號轉子間軸轉矩，二號轉子扭轉角度，四號轉子扭轉角度。本發(fā)明的實施方式建立的新模型的仿真過程采用機械阻尼隨工況變化從0.2變化為0.05，可以看出各個狀態(tài)量和輸出量的差別。本發(fā)明的實施方式利用RTDS的用戶自定義功能，應用RTDS用戶界面軟件RSCAD中的CBuilder模塊，將軸系機械阻尼作為輸入變量，重新編寫了多質量塊模型，并且能夠滿足仿真過程中機械阻尼隨發(fā)電機運行工況變化而變化的需要。本發(fā)明的實施方式還提供了一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的裝置，如圖2所示，具體可以包括.參數(shù)確定模塊21，用于確定建立彈性多質量塊阻尼模型需要的參數(shù)；旋轉運動方程建立模塊22，用于根據(jù)建立的任意一個質量塊旋轉運動方程，獲得第/'個質量塊的旋轉運動方程，其中/表示自然數(shù)；離散化模塊23,用于通過梯形方法對第/'個質量塊的旋轉運動方程進行離散化；轉子運動方程建立模塊24，用于將離散化的第/'個質量塊的旋轉運動方程消去一個變量，得到第/個質量塊的發(fā)電機軸系轉子運動方程。本發(fā)明的實施方式所述的裝置，通過參數(shù)確定模塊21確定建立彈性多質量塊阻尼模型需要的參數(shù)；然后通過旋轉運動方程建立模塊22根據(jù)建立的任意一個質量塊旋轉運動方程，獲得第/個質量塊的旋轉運動方程；再由離散化模塊23通過梯形方法對第/個質量塊的旋轉運動方程進行離散化；最后通過轉子運動方程建立模塊24將離散化的第/個質量塊的旋轉運動方程消去一個變量，得到第/個質量塊的發(fā)電機軸系轉子運動方程，以達到能夠在對現(xiàn)有多質量塊模型的仿真計算過程中反映實際情況的目的。上述裝置中包含的各模塊的處理功能的具體實現(xiàn)方式及采用的計算公式在之前的方法實施例中已經(jīng)描述，在此不再重復描述。'-以通過程序來指令相關的硬件完成，所述的程序可以存儲于一種計算機可讀存儲介質中，該程序在執(zhí)行時，包括方法實施方式的步驟之一或其組合。中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個模塊中。上述集成的模塊既可以采用硬件的形式實現(xiàn)，也可以采用軟件功能模塊的形式實現(xiàn)。所述集成的模塊如果以軟件功能模塊的形式實現(xiàn)并作為獨立的產品銷售或使用時，也可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。所述存儲介質可以是只讀存儲器、磁盤或光盤等。綜上所述，本發(fā)明所提供的實施方式，具有能夠在對現(xiàn)有多質量塊模型的仿真計算過程中反映實際情況的優(yōu)點。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。權利要求1、一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法，其特征在于，包括確定建立彈性多質量塊阻尼模型需要的參數(shù)；根據(jù)所述參數(shù)建立的任意一個質量塊旋轉運動方程，獲得第i個質量塊的旋轉運動方程，其中i表示自然數(shù)；通過梯形方法對第i個質量塊的旋轉運動方程進行離散化；根據(jù)離散化的第i個質量塊的旋轉運動方程，得到第i個質量塊的發(fā)電機軸系轉子運動方程。2、如權利要求1所述的一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法，其特征在于，所述彈性多質量塊模型需要的參數(shù)包括質量塊的數(shù)量A，其中n表示自然數(shù)；第/'個質量塊慣性時間常數(shù)M.,其中/表示小于"的自然數(shù)；第/個軸段剛度K,'，其中i表示小于/2的自然數(shù)；-第/個質量塊的輸入機械轉矩"，其中/表示小于"的.自然數(shù)；發(fā)電機輸出電石茲轉矩7"e;第/個和第y'個質量塊的機械阻尼/^;，其中/和y都表示小于n的自然數(shù)，且/《y。.-3、如權利要求2所述的一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法，其特征在于所述質量塊的機械阻尼/^.,包括質量塊自阻尼和第/個質量塊與第/個質量塊間的阻尼。4、如權利要求1所述的一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法，其特征在于，所述任意一個質量塊旋轉運動方程為其中W表示旋轉角速度，W表示旋轉角加速度，//為質量塊圍繞旋轉軸的慣性時間常數(shù)，Ar為不平衡轉矩。5、如權利要求4所述的一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法，其特征在于，所述第/個質量塊的旋轉運動方程為:2//;=《,—i,(A^-△《)+A7;-尺,,+1(A《-A6>,+1)-DAw,其中(9,表示質量塊的扭轉角度，K,.表示第/個軸段剛度，并且《-」,='=0，^,,+1|_=0,/表示自然數(shù)。將第/個質量塊的旋轉運動方程離散化得到離散化的第/個質量塊的旋轉運動方程為I,--AO,D,-W-A0!r<9(/)-6>(,-AO—TO)-r<>-A)22—2其中2/Z表示慣性時間常數(shù)，^為常數(shù)，表示軸剛度，轉矩r和阻尼D作為已知量，《(/)和6>(0為未知量。6、如權利要求5所述的一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法，其特征在于，將離散化的第/'個質量塊的旋轉運動方程和f時刻質量塊的扭轉角度《的表達式帶入所述的第/個質量塊的旋轉運動方程，消去變量0(/)，得到第/個質量塊的發(fā)電機軸系轉子運動方程為'[q(,)]=L,1」[K(0]+K(/-A0]+[q(Z-A0][司-[2《][《(-AO]]其中[w,(0]表示第/個質量塊轉速的本次迭代結果，[t;(o]表示用于本次迭代的作用于第/個質量塊的轉矩，[w,々-A/)]表示第/個質量塊轉速值的上次迭代結果，[S]表示參數(shù)5形成的矩陣，[2《]表示剛度參數(shù)2〖矩陣，[《G-A0]表示第/'個質量塊旋轉角度的上次迭代結果。7、一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的裝置，其特征在于，包括參數(shù)確定模塊，用于確定建立彈性多質量塊阻尼模型需要的參數(shù)；旋轉運動方程建立模塊，用于根據(jù)建立的任意一個質量塊旋轉運動方程，獲得第/'個質量塊的旋轉運動方程，其中/表示自然數(shù)；離散化模塊，用于通過梯形方法對第/'個質量塊的旋轉運動方程進行離散化；轉子運動方程建立模塊，用于將離散化的第/個質量塊的旋轉運動方程消去一個變量，得到第/個質量塊的發(fā)電機軸系轉子運動方程。8、如權利要求7所述的一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的裝置，其特征在于，所述任意一個質量塊旋轉運動方程為其中w表示旋轉角速度，;表示旋轉角加速度，//為質量塊圍繞旋轉軸的慣性時間常數(shù)，Ar為不平衡轉矩。9、如權利要求8所述的一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的裝置，其特征在于，所述第/個質量塊的旋轉運動方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>將第/個質量塊的旋轉運動方程離散化得到離散化的第/'個質量塊的旋轉運動方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中2//表示慣性時間常數(shù)，^為常數(shù)，表示軸剛度，轉矩r和阻尼D作為已知量，w(0和i9(0為未知量。10、如權利要求8所述的一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的裝置，其特征在于，將離散化的第/個質量塊的旋轉運動方程和f時刻質量塊的扭轉角度《的表達式帶入所述的第/'個質量塊的旋轉運動方程，消去變量(9(/),得到第/個質量塊的發(fā)電機軸系轉子運動方程為[w,(o]=1」収(o]+[t;(卜a0]+[w,(Z-")][司-[2《][《(Z-△/)]]其中[q(0]表示第/個質量塊轉速的本次迭代結果'，[t;o)]表示用于本次迭代的作用于第/個質量塊的轉矩，(,-ao]表示第/個質量塊轉速值的上次迭代結果，[司表示參數(shù)5形成的矩陣，[2K]表示剛度參數(shù)2〖矩陣，[6>,0-a/)]表示第,'個質量塊旋轉角度的上次迭代結果。全文摘要一種建立發(fā)電機軸系多質量塊變阻尼模型的方法及裝置，屬于電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真領域，以解決在對現(xiàn)有多質量塊模型的仿真計算過程中不能完全反映實際情況的問題。該方法包括確定建立彈性多質量塊阻尼模型需要的參數(shù)；根據(jù)所述參數(shù)建立的任意一個質量塊旋轉運動方程，獲得第i個質量塊的旋轉運動方程；通過梯形方法對第i個質量塊的旋轉運動方程進行離散化；根據(jù)離散化的第i個質量塊的旋轉運動方程，得到第i個質量塊的發(fā)電機軸系轉子運動方程。本發(fā)明具有能夠在對現(xiàn)有多質量塊模型的仿真計算過程中反映實際情況的優(yōu)點。文檔編號H02J3/00GK101515719SQ200910081098公開日2009年8月26日申請日期2009年4月2日優(yōu)先權日2009年4月2日發(fā)明者鵬張,楊奇遜,畢天姝,薛安成申請人:華北電力大學