电磁暂态仿真模型分析的优化方法

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：第二部分是将每个IMF信号进行希尔伯特变换，从而得到信号的希尔伯特谱。Prony算法不仅可以对仿真结果进行分析，还能够对现场的实时测量数据进行分析，具有很高的工程实用性。

时域仿真法采用数值积分的方法逐步求解整个电力系统的微分方程组，可以用于分析各种形式的相互作用。时域仿真法既适用于线性的数学模型，也适用于非线性的数学模型。该方法所使用的模型可以非常精细，网络元件可以采用集中参数模型和分布参数模型，机组轴系的质量块模型可以做得更细，甚至能够采用分布参数模型。因此，时域仿真法可以详细地模拟发电机、系统控制器、系统故障和开关动作等各种网络操作。这种方法所使用的典型电磁暂态仿真软件有EMTP、PSCAD/EMTDC、SIMPOW和NETOMAC等。

时域仿真法可以得到系统中各变量随时间变化的曲线，适用于各种大扰动后的暂态分析；缺点是不能揭示相互作用的产生机理和影响因素，无法对各模态的振荡频率和阻尼特性鉴别分析。

1.频率扫描法

采用频率扫描法进行分析时，对待研究的目标系统建立其正序网络模型，系统中的其他发电机采用其次暂态电抗等值电路模型，然后计算特定频率下从待研究发电机转子向系统侧看过去的等效阻抗，最后根据等效电阻-频率曲线和等效电抗-频率曲线对相互作用的情况进行估计。

如果等效电抗过零点或者在接近于零时所对应的频率点上的等效电阻为负，则说明存在感应发电机效应。当根据等效阻抗-频率曲线获得的谐振频率与风电机组某一自然频率互补时，在该模态频率下就会发生SSTI，如果在该模态下机组轴系阻尼较弱，就会进一步地发生SSO。当等效电抗-频率曲线的电抗极小值所对应的频率等于或者接近机组某一自然频率的互补频率时，就可能发生轴系扭矩放大现象。

频率扫描法计算简单易行，不需要建立机组的精细模型，经济成本较低；但由于其分析方法过于简单，存在较大的局限性，它不能对含有电力装置等非线性元件的系统进行分析，也没有考虑机组运行工况和控制器的影响，只能对发生相互作用的情况定性分析，还需要采用其他方法进行校核。

2.测试信号法

测试信号法采用时域仿真的方法实现复转矩系数法。扰动施加在整流侧电流参考环节上，直流闭环控制能直接对扰动做出快速响应。

3.FFT及HHT

FFT和HHT是信号处理算法，可以建立在实测数据和时域仿真数据的基础上，对实测或时域仿真的输出电压和电流波形进行进一步的模态分析。

快速傅里叶变换（fast fourier transform，FFT）是信号处理最常用的一种方法，可以将信号从时域变换到频域。通过FFT变换，可以得到电力信号的频谱图，在频谱图上可以直观的读取信号的各频率分量的幅值和相角信息。

Huang在1996年提出了一种将信号分解为一系列固有模态函数（intrinsic mode function，IMF）的算法——经验模态分解算法（empirical mode decomposition，EMD），并在此基础上于1998年提出了较为完整的希尔伯特-黄变换（HHT）算法。希尔伯特-黄变换包含两部分。第一部分是经验模态分解，经过EMD算法分解后，信号被分解为一系列IMF信号，其基本原理就是对于非平稳信号而言，将固有的振幅和频率变成随时间变化的一种模态函数，就能够很好地表达信号的非平稳性。第二部分是将每个IMF信号进行希尔伯特变换，从而得到信号的希尔伯特谱。希尔伯特谱表示的是信号的时间-频率分布，可以从中得到信号在任意时刻的瞬时频率和瞬时幅值，因此，HHT算法可以很方便地观察信号的局域动态行为和特性，经HHT分解的信号具有唯一性，并且同时在时域与频域有良好的局部特性。

4.Prony算法

Prony算法由法国数学家de Prony在1975年提出，该方法通过一组指数函数的线性组合来拟合等间距采样数据，进而可以从中分析出信号的频率、衰减因子、幅值和相位等信息。与进行频域分析的小信号分析法不同，Prony算法是对相互作用的相关模态参数进行辨识的时域方法，无须建立待研究系统的详细模型和求解大型电力系统状态矩阵的特征值，其系统模型的阶数可以根据辨识目的和需要等确定。同时可以在系统模型完全未知的情况下，得到降阶的传递函数，对系统中控制器参数的设计具有重大意义。

Prony算法不仅可以对仿真结果进行分析，还能够对现场的实时测量数据进行分析，具有很高的工程实用性。虽然这种方法无须精细建模，然而在对采集到的信号进行拟合时，系统阶数、采样频率和采样时间对数据拟合精度有很大影响，参数选取不当时会影响分析结果的准确性，甚至导致错误的分析结论。

电磁暂态仿真模型分析的优化方法

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