1   緒論 

1.1   引言 
近年來(lái)我國(guó)電力行業(yè)飛速發(fā)展，各電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行成為趨勢(shì)，這將使系統(tǒng)的阻尼特性變差，出現(xiàn)多擺振蕩失步問(wèn)題，并且隨著大容量發(fā)電機(jī)和各種先進(jìn)的電力設(shè)備投入電網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求，這就需要在電力系統(tǒng)的計(jì)算和分析中采用更加精確的模型，才能滿(mǎn)足控制運(yùn)行的需求[1]。 國(guó)際上曾發(fā)生過(guò)多起大停電事故，事故后電力部門(mén)試圖對(duì)事故過(guò)程進(jìn)行模擬，但由于采用的模型和參數(shù)不精確，使得事故重現(xiàn)的結(jié)果與實(shí)際情況有很大的差別�？梢�(jiàn)準(zhǔn)確的模型對(duì)電力系統(tǒng)的模擬是多么的重要，也是電力工作者亟待解決的問(wèn)題之一。 發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)中必不可少的元件之一，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)是電力系統(tǒng)四大參數(shù)（發(fā)電機(jī)參數(shù)、調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)、勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)、負(fù)荷模型參數(shù)）之一，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制作用與電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量和動(dòng)態(tài)行為之間都有著密切的聯(lián)系，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要的影響[2,3]。在進(jìn)行電力系統(tǒng)的計(jì)算中，采用發(fā)電機(jī)的恒定電勢(shì)經(jīng)典模型已不能滿(mǎn)足并聯(lián)大電網(wǎng)分析的要求，一些仿真軟件中提供的標(biāo)準(zhǔn)勵(lì)磁模型也不能涵蓋實(shí)際應(yīng)用中所有的勵(lì)磁系統(tǒng)，因此有必要對(duì)一些大容量機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)用參數(shù)辨識(shí)的方法求出其詳細(xì)的模型和參數(shù)，從而更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行。 目前 IEEE 等組織已經(jīng)提供了多種可供選擇的標(biāo)準(zhǔn)化勵(lì)磁模型，模型的結(jié)構(gòu)確定下來(lái)之后就需要對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。一個(gè)精確的勵(lì)磁系統(tǒng)模型不僅要反映出各個(gè)元件單獨(dú)作用時(shí)的特性，還應(yīng)該能反映出多個(gè)元件聯(lián)接在一起后相互作用的特性，而制造廠家提供的參數(shù)往往是在離線條件試驗(yàn)下，對(duì)各個(gè)元件單獨(dú)測(cè)量，然后綜合在一起而得到的參數(shù)，如果用這些廠家給定的參數(shù)進(jìn)行電力系統(tǒng)的穩(wěn)定計(jì)算，將會(huì)使得到的結(jié)果與實(shí)際情況不符[4]。因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的勵(lì)磁系統(tǒng)，如果能用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，一般可以得到精確的模型參數(shù)，從而準(zhǔn)確的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。 
........

1.2   參數(shù)辨識(shí)簡(jiǎn)介 
任何待研究的對(duì)象都可以看做是一個(gè)系統(tǒng)，模型就是對(duì)系統(tǒng)本質(zhì)的抽象。根據(jù)對(duì)實(shí)際的需要，模型一般僅考慮影響系統(tǒng)的主要因素，以簡(jiǎn)化模型。 從本質(zhì)上來(lái)講，系統(tǒng)辨識(shí)問(wèn)題就是一個(gè)參數(shù)的優(yōu)化求解問(wèn)題，即將待研究的系統(tǒng)用一個(gè)適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠?lái)代替，然后再對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。這種方法對(duì)解決線性系統(tǒng)或者近似線性系統(tǒng)有很好的效果，但對(duì)一些非線性系統(tǒng)或者是較為復(fù)雜的系統(tǒng)誤差較大�，F(xiàn)實(shí)世界中的系統(tǒng)多為非線性系統(tǒng)，這就迫使人們對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行研究，于是人們總結(jié)提出了幾種典型的模型集[5,6]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不需要進(jìn)行系統(tǒng)建模，是一種高度非線性的模型，可對(duì)非線性模型進(jìn)行在線參數(shù)辨識(shí)，且收斂速度不依賴(lài)于系統(tǒng)的維數(shù)，其中前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前得到廣泛應(yīng)用的兩種，前者表示靜態(tài)非線性模型，后者表示動(dòng)態(tài)非線性模型。
..........

2   發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 

2.1   發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)定義為向發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁的所有部件之和，它對(duì)電力系統(tǒng)的輸送能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著巨大的影響。勵(lì)磁系統(tǒng)主要由勵(lì)磁電源和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器組成，勵(lì)磁電源向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器按照給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則調(diào)節(jié)輸出[20,21,22]。整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的原理框圖如圖 2.1 所示，各變量的含義如表 2.1 所示。根據(jù)功率源的差異，可將勵(lì)磁系統(tǒng)分為三類(lèi)。其中直流勵(lì)磁系統(tǒng)的直流勵(lì)磁機(jī)與主機(jī)同軸，與電網(wǎng)其他部分的運(yùn)行狀態(tài)無(wú)關(guān)，當(dāng)電網(wǎng)其他部分發(fā)生故障時(shí)不受影響，仍可正常工作，但功率較小，響應(yīng)速度很慢，一般不用于大型發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，只在中小型發(fā)電機(jī)中應(yīng)用[23,24]。 交流勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁機(jī)和主機(jī)同軸，故電網(wǎng)其他部分發(fā)生故障時(shí)仍可正常工作，并且時(shí)間常數(shù)很小，一般只有幾十毫秒，響應(yīng)速度很快，對(duì)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的作用，由于不含整流子，因此在大中型火電機(jī)組中應(yīng)用十分廣泛，但用在水輪發(fā)電機(jī)上時(shí)，若發(fā)電機(jī)由于故障甩負(fù)荷時(shí)，會(huì)引起過(guò)電壓[25]。 靜止勵(lì)磁系統(tǒng)包括交流側(cè)自并勵(lì)和交流側(cè)串并聯(lián)自復(fù)勵(lì)兩種，無(wú)旋轉(zhuǎn)設(shè)備，易于維修，響應(yīng)時(shí)間短，非常適用于大型機(jī)組，且可以緩解上述交流勵(lì)磁系統(tǒng)用于水電機(jī)組時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題，但是在發(fā)生機(jī)端故障和電網(wǎng)故障時(shí)容易引起失磁問(wèn)題[26]。

..........

2.2   同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 
同步發(fā)電機(jī)是旋轉(zhuǎn)的鐵磁元件，其繞組結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，包含的參數(shù)變量很多，模型特性也十分復(fù)雜，因此在建立同步發(fā)電機(jī)的模型時(shí)一般會(huì)根據(jù)對(duì)精度的要求來(lái)進(jìn)行不同的簡(jiǎn)化，常用的有六階 BPA 模型、五階模型（綜合穩(wěn)定計(jì)算模型）、四階模型、三階模型、和二階模型[27]。如今隨著大容量發(fā)電機(jī)的不斷投入使用，直流勵(lì)磁系統(tǒng)的性能已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求。所以這里僅對(duì)交流勵(lì)磁機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行介紹，它由勵(lì)磁機(jī)和功率整流器兩部分組成[28]。在我國(guó)，大部分交流勵(lì)磁機(jī)采用他勵(lì)發(fā)電機(jī)，又由于其負(fù)載接近于恒定，因此它的模型比同步發(fā)電機(jī)的模型更為簡(jiǎn)化，我國(guó)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中使用的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)展過(guò)程大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：主要起調(diào)壓作用的機(jī)電型勵(lì)磁器（也稱(chēng)調(diào)壓器）、相位復(fù)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（電磁型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器）和晶體管可控硅型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，其中前兩種已趨于淘汰行列，第三種也隨著控制技術(shù)的飛速發(fā)展在功能、構(gòu)成原理和控制方式上不斷地改進(jìn)。這里僅介紹第三種，可控硅型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要由電壓測(cè)量調(diào)差補(bǔ)償環(huán)節(jié)、綜合放大控制環(huán)節(jié)、幅值限制環(huán)節(jié)、功率放大環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子軟反饋環(huán)節(jié)和串并聯(lián)校正環(huán)節(jié)等構(gòu)成。 
...........

3   勵(lì)磁系統(tǒng)的可辨識(shí)性研究 .... 20
3.1   可辨識(shí)性的概念 .... 20 
3.2   軌跡靈敏度與可辨識(shí)性的關(guān)系 .... 21 
3.3   系統(tǒng)可辨識(shí)與參數(shù)可辨識(shí) ...... 23 
3.4   可辨識(shí)性與算法的關(guān)系 .... 24 
3.5   可辨識(shí)性與系統(tǒng)輸入之間的關(guān)系 ...... 25 
3.6   自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的可辨識(shí)性研究 ...... 26 
3.7   本章小結(jié) .... 28 
4   勵(lì)磁系統(tǒng)的辨識(shí)方法 ...... 29 
4.1   PLPF 辨識(shí)法 .... 29 
4.1.1   PLPF 法的原理 ..... 29 
4.1.2   實(shí)際系統(tǒng)各參數(shù)的求解 ......... 32 
4.2   勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)的頻域辨識(shí)法 ........ 32 
4.2.1   頻域辨識(shí)法的原理 ..... 33 
4.2.2   頻域辨識(shí)法的辨識(shí)過(guò)程 ......... 34 
4.3   遺傳算法在勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)中的應(yīng)用 ...... 36 
4.4   簡(jiǎn)單仿真算例 ........ 42
4.5   本章小結(jié) .... 45 
5   勵(lì)磁系統(tǒng)辨識(shí)算例 .... 46 
5.1   MATLAB/SIMULINK 簡(jiǎn)介 .... 46 
5.2   搭建勵(lì)磁系統(tǒng)的模型 ........ 47 
5.3   單個(gè)環(huán)節(jié)的辨識(shí) .... 48 
5.4   整個(gè)環(huán)節(jié)的辨識(shí) .... 54 
5.5   本章小結(jié) .... 59 

5   勵(lì)磁系統(tǒng)辨識(shí)算例 

5.1   MATLAB/SIMULINK 簡(jiǎn)介 
在二十世紀(jì)七十年代左右，Cleve  Moler 博士和他的同事開(kāi)發(fā)了用于求解線性方程的 Linpack 子程序庫(kù)和用于求解特征值的 Eispack 子程序庫(kù)，后來(lái) Cleve Moler 博士又設(shè)計(jì)了 Linpack 子程序庫(kù)和 Eispack 子程序庫(kù)的接口程序，并取名為 MATLAB，這就是 MATLAB 的起源。 MATLAB 是 matrix 和 laboratory 兩個(gè)詞的組合，是由美國(guó) Mathworks 公司研制的，，主要用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化以及數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，MATLAB 擁有良好的交互界面，所使用的編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)，并且可以邊編程邊運(yùn)行，從而不用去考慮程序的結(jié)構(gòu)，MATLAB 的計(jì)算能力十分強(qiáng)大，通過(guò)簡(jiǎn)單的命令就可對(duì)大型的矩陣進(jìn)行快速運(yùn)算，其對(duì)圖形的處理能力也很出色，并且可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種可視化處理。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，MATLAB 已經(jīng)涵蓋了幾乎所有學(xué)科的研究工具，集成了許多只通過(guò)簡(jiǎn)單操作就能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模擬的工具箱，操作簡(jiǎn)單，易于上手，將數(shù)值計(jì)算和可視化連接在一起，在學(xué)術(shù)界和工程界廣受歡迎，是目前世界上最流行的計(jì)算軟件之一。 SIMULINK 是 MATLAB 的重要組成部分，它基于框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，為研究者提供了一個(gè)方便易用的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真和分析的集成環(huán)境，只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的操作就可以模擬出十分復(fù)雜的系統(tǒng)，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，被廣泛的應(yīng)用于線性和非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制和模型分析等領(lǐng)域。SIMULINK 可以對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行實(shí)時(shí)的仿真分析和動(dòng)態(tài)測(cè)試，并及時(shí)分析系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果，使用十分便捷。SIMULINK 還提供了電力系統(tǒng)分析的工具箱 Sim Power，給電力系統(tǒng)的仿真和分析帶來(lái)了很大的方便，使我們能夠模擬出一些現(xiàn)實(shí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的狀況[57]。 
............

結(jié)論

勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電力系統(tǒng)的電能輸送能力有著很大的影響，因此就需要對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究，建立實(shí)用的勵(lì)磁系統(tǒng)模型，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況辨識(shí)出模型中的參數(shù)。 勵(lì)磁系統(tǒng)的參數(shù)是電力系統(tǒng)四大參數(shù)之一，勵(lì)磁系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)也是電力系統(tǒng)學(xué)科中一個(gè)較為困難的難題，盡管人們通過(guò)不同的測(cè)量工具和辨識(shí)方法取得了一定的成就，但是還有許多問(wèn)題有待解決，如勵(lì)磁系統(tǒng)中的可辨識(shí)性問(wèn)題以及實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量問(wèn)題等。本文主要作了以下工作：介紹了參數(shù)辨識(shí)的概念、內(nèi)容和步驟等，介紹了勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)取得成就和研究現(xiàn)狀；對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理和組成部分作了詳細(xì)的分析，并對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了等效和簡(jiǎn)化，寫(xiě)出了它們的近似傳遞函數(shù)；對(duì)當(dāng)前人們關(guān)注較少的勵(lì)磁系統(tǒng)的可辨識(shí)性問(wèn)題進(jìn)行了分析和綜合，介紹了可辨識(shí)性問(wèn)題的提出和可辨識(shí)性的概念，分析了影響勵(lì)磁系統(tǒng)可辨識(shí)性的因素，并用數(shù)值法對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了可辨識(shí)性分析；詳細(xì)介紹了當(dāng)前在勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)中幾種較為常用的方法，分析了不同方法中影響參數(shù)辨識(shí)精度的因素，并對(duì)這幾種方法進(jìn)行了分析比較；最后對(duì)兩個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了單環(huán)節(jié)辨識(shí)和整體辨識(shí)，用實(shí)例驗(yàn)證了前述結(jié)論的正確性。 雖然本文對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了辨識(shí)，但辨識(shí)的精度還有待提高，并且隨著加入噪聲信號(hào)的增大，辨識(shí)結(jié)果的準(zhǔn)確性也將降低，辨識(shí)中的數(shù)據(jù)也都由搭建的模型測(cè)得，在實(shí)測(cè)時(shí)，測(cè)量信號(hào)中的噪聲將會(huì)變得不確定，辨識(shí)結(jié)果的誤差也將大大加大，這是需要改進(jìn)的地方。本文中關(guān)于可辨識(shí)性問(wèn)題的研究也只是在理論方面，實(shí)際中影響可辨識(shí)性的因素有很多，并且不確定，因此還需要有更加系統(tǒng)的分析方法來(lái)進(jìn)行研究。隨著科技的進(jìn)步，更加先進(jìn)的控制器等設(shè)備將會(huì)被應(yīng)用到勵(lì)磁系統(tǒng)當(dāng)中，這將會(huì)大大加大勵(lì)磁系統(tǒng)的復(fù)雜程度，給勵(lì)磁系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)帶來(lái)挑戰(zhàn)，就需要有更加先進(jìn)的測(cè)量手段和更好的辨識(shí)方法。 
.........
參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：150172