电力系统动态模拟中发电机组转动惯量的补偿_张安明

ISSN 100020054CN 1122223 N清华大学学报 (自然科学版)J T singhua U niv (Sci & Tech) ,2006 年 第 46 卷 第 10 期2006, Vol . 46, No. 10640166121664电力系统动态模拟中发电机组转动惯量的补偿张安明1, 2, 柴建云1, 王善铭1, 马守军3(1. 清华大学 电机工程与应用电子技术系, 北京 100084; 2. 92538 部队, 大连 116041; 3. 92857 部队, 北京 100073)收稿日期: 2005209214作者简介: 张安明 (19762) , 男 (汉) , 山东, 硕士研究生。通讯联系人: 柴建云, 副教授, E2mail: chaijy@ tsinghua. edu. cn摘要: 在电力系统的动态模拟中, 为了 正确地模拟系统的机电暂态过程, 须对模拟系统的转动惯量进行适当的补偿。该文从发电机组标幺化的运动方程出发, 论述了 基于转矩补偿原理的两种转动惯量补偿方法, 并按照发电机组净转矩是否可测, 给出了不同的实现方法。 从发电机组动态模拟系统的稳定性、 准确性和动态响应等方面, 分析了 这些转动惯量补偿方法的性能, 给出了它们在电力系统动态模拟研究中的适用条件和应用范围, 并通过计算机仿真和实验, 验证了 这些补偿方法的有效性。

关键词: 动态模拟; 转动惯量; 补偿中图分类号: TM 743文章编号: 100020054(2006) 1021661204文献标识码: AInertia compensation methods for generatorsets in dynam ic power system si mulationsZHANG Anm ing1, 2, CHAIJ ianyun1, WANG S hanm ing1, MA S houjun3(1. Department of Electrical Engineering,Tsinghua Un iversity, Beij ing 100084, China;2. 92538 Un it, Dalian 116041, China;3. 92857 Un it, Beij ing 100073, China)Abstract:Physical simulations of the mechanical and electrictransients in power system s need to p roperly compensate for inertiain the system s. T he dynam ics equations for the generator set wereused to develop two inertia conpensation methods based on thep rincip les of electromagnetic torque conpensation depending onwhether the net torque onthe generator axis is measurable.Computer simulations and experiments validated the scope of thestability, accuracy, and dynam ic response of these methods.Key words: dynam ic simulation; inertia; conpensation在电力系统动态模拟中, 发电机组转动惯量模拟的准确程度, 直接关系到所研究的电力系统机电暂态过程的真实性。

通常经过标幺化处理的模拟系统转动惯量与实际系统转动惯量并不相等, 须按照实际系统的转动惯量对模拟系统进行补偿。目前发电机组转动惯量的模拟通常采用传统的飞轮调整法[1, 2]实现。 近年来在风力发电、 汽车试验台 研制等领域也出 现了 转动惯量的直接转矩补偿[3, 4]和基于模型参考自适应的转矩补偿[5 7 ]等模拟方法。 本文从系统的稳定性、 准确性和动态响应等方面, 分析了上述各种转动惯量模拟方法的性能, 给出了它们在电力系统动态模拟研究中的适用条件和应用范围。1常用的转动惯量补偿方法1. 1转动惯量飞轮调整法由实际系统与模拟系统的运动方程(1)、 (2) 可知, 为使模拟系统与实际系统在相同的初始条件下经历相同的动态过程, 除了 应保证二者轴上的净转矩 T1 与 T2 相等外, 还应当使得二者的转动惯量 J 1与 J 2 相等。J1dΞ1dt= T1,(1)J2dΞ2dt= T2.(2)转动惯量飞轮调整法是通过在模拟系统传动轴上安装转动惯量大小为 J 1- J 2 的调整飞轮作为补偿, 使得模拟系统转动惯量与实际系统相同。 转动惯量的飞轮调整法比较直观, 只要补偿转动惯量(记为∃J) 的大小调整合适, 就可以保证模拟系统的动态过程与实际系统完全一致, 转动惯量补偿效果不受其他外部因素的影响。

但是, 调整飞轮的安装极为不方便, 而且模拟系统的转动惯量只能按照已经加工好的调整飞轮规格进行补偿, 不能实现转动惯量的无级补偿。 特别是, 加装飞轮只能增加系统的转动惯量, 当模拟系统传动轴的转动惯量大于实际系统时,转动惯量的飞轮调整法无法实现对实际系统转动惯量的模拟。1. 2转动惯量的转矩补偿方法由实际系统和模拟系统的运动方程(1) 和(2) 可以知道, 只要对模拟系统施加一个外部的补偿转矩∃T , 使得模拟系统与实际系统具有相同的角加速度, 即可保证在相同初始条件和相同的净转矩作用下, 模拟系统与实际系统具有相同的机电暂态过程。施加补偿转矩 ∃T 后, 模拟系统的运动方程为J2dΞ 2dt= T2+ ∃T.(3)此时, 相当于对模拟系统施加了 ∃J = -∃TdΞ2dt的补偿转动惯量。具有转动惯量转矩补偿的模拟系统可以按照图1 所示的方式实现。 驱动装置按照实时运算得到的转矩指令驱动电动机仿照实际系统的特性运行。图 1转动惯量的转矩补偿系统结构框图根据补偿转矩 ∃T 的计算方法不同, 转动惯量的转矩补偿方法可以分为直接转矩补偿和基于模型参考自适应的转矩补偿等方法。

将滑体(连同小刻度盘和小指针)和弯板(连同大刻度盘和大指针)上升到适当位置，使弯板转动一个刃倾角(s的数值，这个(s数值由固连于弯板上的小指针在小刻度盘上指示出来(逆时针方向转动为+(s，顺时针方向转动为–(s)，如图1-8所示，然后再按前所述测量正交平面前角(0和后角(0的方法(参照图1-8和图1-7)，便可测量出车刀法平面前角(0和后角(0的数值。将滑体(连同小刻度盘和小指针)和弯板(连同大刻度盘和大指针)上升到适当位置，使弯板转动一个刃倾角s的数值，这个s数值由固连于弯板上的小指针在小刻度盘上指示出来(逆时针方向转动为+s，顺时针方向转动为–s)，如图1-8所示，然后再按前所述测量正交平面前角0和后角0的方法(参照图1-8和图1-7)，便可测量出车刀法平面前角0和后角0的数值。在一些建设项目的工地上,我们会经常看到一些技术人员架着一台仪器在进行测量工作,他们所使用的仪器就是经纬仪.经纬仪最初的发明与航海有着密切的关系.在十五 十六世纪,英国、法国等一些发达国家,因为航海和战争的原因,需要绘制各种地图、海图.最早绘制地图使用的是三角测量法,就是根据两个已知点上的观测结果,求出远处第三点的位置,但由于没有合适的仪器,导致角度测量手段有限,精度不高,由此绘制出的地形图精度也不高.而经纬仪的发明,提高了角度的观测精度,同时简化了测量和计算的过程,也为绘制地图提供了更精确的数据.后来经纬仪被广泛地使用于各项工程建设的测量上.经纬仪包括基座、度盘（水平度盘和竖直度盘）和照准部三个部分.基座用来支撑整个仪器.水平度盘用来测量水平角.照准部上有望远镜、水准管以及读数装置等等.。

但是, 由于转动惯量的转矩补偿方法中补偿转矩 ∃T 的运算和实现等使模拟系统引入了 额外的控制环节, 通常总会对模拟系统的性能产生一定的影响。2转动惯量转矩补偿方法的性能分析2. 1系统的稳定性分析1) DT 法的稳定性分析由 DT 法原理可知, 当模拟系统的净转矩可直接测量时, 补偿转矩 ∃3 可直接由净转矩乘以一个比例系数得到, 原模拟系统的结构不发生变化, 仍为一阶积分环节, 系统稳定。当净转矩不能直接测量时, 对净转矩的观测引入了转速反馈闭环, 当 (J 1- J 2)  J 2> 2 时, 系统不稳定[8 ]。 因此, 直接转矩补偿法只能对 J 1 J 2< 3 的系统进行补偿, 补偿范围有限。 而且, 由式(5) 可知模拟系统中净转矩观测为纯微分环节, 不便于物理实现。特别是在一个含有噪声干扰的控制系统中, 微分环节往往会引入较大误差, 实际实现时需要加入必要的滤波环节。2) M RA S 法的稳定性分析由式(7) 可知, 当模拟系统的净转矩可以直接测量时, M RA S 法中补偿系统的极点为2661清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)2006, 46(10)p1, 2 =-J1kp ±(J1kp)22-4J1.(10)由式(9) 可知, 当模拟系统的净转矩不能直接测量时, M RA S 法中补偿系统的极点为p1, 2 =-kp ±k2p -4kiJ22J2.(11)式(10) 和 (11) 中的 J 1、 J 2、 ki 和 kp 均大于零,模拟系统的极点都位于复平面的左半平面, 采用M RA S 法进行转动惯量补偿时模拟系统稳定。

转矩控制模式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为10v对应5n*m的话转动惯量补偿，当外部模拟量设定为5v时，电机轴输出为2.5n*m时,电机反转(通常在有重力负载情况下产生)可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小,也可以通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现.。在动态转矩矢量控制中，充分考虑到电机主电路装置的电压误差，配备了电机常数整定和新式磁通检测，从而即使在低速0.3hz时，也可实现高启动转矩200%。主要工作原理是，在方向盘转动时，位于转向柱位置的转矩传感器将转动信号传到控制器，控制器通过运算修正给电机提供适当的电压，驱动电机转动。

当模拟系统的净转矩不可测时, M RA S 法中目标角速度的观测也由 J 2 决定。 由模拟系统转动惯量测量误差 Ε引入的补偿转矩相对误差为e3rT =J2ΕJ2) (J1 + Ε).(J1 -(13)2. 3系统的动态性能分析DT 法中, 转动惯量补偿环节直接对模拟系统的转矩进行调节, 转矩的调节过程仅受净转矩测量或观测延迟的限制。 通常, 采用物理的方法进行净转矩测量和采用对转速微分的方法进行净转矩观测相对实际系统净转矩的变化率都是一个很快的过程,其延迟对系统的影响可以忽略, 即认为 DT 法对系统的动态过程没有影响。M RA S 法中, 补偿转矩由模拟系统转速与目 标转速之差经过自适应机构实现, 转动惯量补偿环节实质上是一个转速跟踪的二阶系统。 当系统净转矩可以直接测量时, 转动惯量补偿系统的时间常 数Σ=1J1ki; 当系统净转矩不能直接测量时, 转动惯量补偿系统的时间常数 Σ=J2ki。 对于一定的模拟对象, 只有模拟系统中转动惯量补偿环节的时间常数相对于净转矩的变化率较小, 认为转动惯量补偿转矩是瞬时实现的, 才可以忽略转动惯量补偿环节对模拟系统性能的影响。

补偿时，每到一个补偿点，根据该点误差修正量，由单片机发出相应的修正脉冲转动惯量补偿，驱动步进电机使工作台带动工件产生附加转动，以实现对相应点的补偿修正。传递转矩和运动，具有减振、缓冲作用和补偿轴向、径向、角向误差，能改善传动系统的工作状况。转矩提升又叫转矩补偿，是为补偿因电动机定子绕组电阻所引起的低速时转矩降低，而把低频率范围f/v增大的方法。