访电力系统建模研究专家鞠平教授

电力系统仿真计算不但是电力系统动态分析与安全控制的基本工具，也是电力生产部门用于指导电网运行的基本依据。不恰当的电力系统模型会使得仿真计算结果不能“仿真”，或偏“乐观”，或偏“保守”，从而构成系统的潜在危险或造成不必要的浪费。我国电力生产部门采用传统的电力系统仿真模型指导电力生产时，已经发现互联电网的稳定水平达不到预期目标，造成电能传输的瓶颈，通过修改电力系统模型和参数有时能够提高传输功率极限达25%左右。所以，建立合适的电力系统模型，能够提高传输能力，或者消除安全隐患，具有显著的经济和社会效益。为此，我们与电力系统建模专家鞠平教授进行了访谈。

鞠平，男，德国洪堡学者、中国国家杰出青年科学基金获得者。1988年6月在浙江大学获得博士学位，其后一直在河海大学任教。1994年1月至1995年10月在德国Dortmund大学从事研究工作。现任河海大学教授、博士研究生导师、副校长，兼任中国电机工程学会电力系统专业委员会副主任委员、江苏省电工技术学会副理事长等。出版专著4部、教材1部，发表论文160余篇，获得国家级教学成果二等奖1项、省部级科技进步一、二等奖8项。获得“做出突出贡献的中国博士学位获得者”、“全国留学回国人员成就奖”等荣誉。

记者：我们知道，您主要从事电力系统建模与控制方向的研究，您能否先为我们介绍一下电力系统建模包括哪些方面的内容?

鞠教授：传统上，人们经常谈到电力系统建模的“四大参数”，即：励磁系统及其调节器参数、原动机及其调节器参数、同步发电机参数、电力负荷参数。对于前面两者，国内外已经有比较成熟的方法，并且已经颁布有关的建模导则。而对于后面两者，尤其是电力负荷建模，还需要深入研究，在此基础上制定有关建模导则。

除此之外，电力系统建模还包括输电线路建模、动态等值建模、动力系统建模等。随着可再生能源发电的发展，风电发电系统建模等方兴未艾。随着分布式发电和微网的研究，微网建模也被提上议事日程。

记者：同步发电机是电力系统中最重要的元件之一，它的建模研究进展如何?

鞠教授：同步发电机的运行行为对电力系统的各个方面都产生或大或小的影响。但是由于同步发电机是一种集旋转与静止、电磁变换与机械运动于一体，实现电能与机械能变换的元件，其结构及动态性能十分复杂。因此，同步发电机的模型及参数一直是电力系统建模研究中的重要内容。由于缺少实际参数，目前电力系统分析计算仿真所用的同步发电机参数多采用厂家提供的数据或典型值，或不得已采用简化模型，造成计算仿真所得结果与实际动态过程有较大出入，严重影响了计算的准确度和可信度，这些情况已为国外的一些文献所证实。

人们针对同步发电机提出了不同详细程度的模型，不同的模型对应着不同的参数，模型和参数是否唯一对应，各参数是否独立，涉及到同步发电机参数可辨识性问题，是同步发电机参数辨识的理论基础。以前，一般认为在研究分析中使用更加复杂详细的模型会得到更加好的结果。然而，NPCC(NortheastPowerCoordinatingCouncil)指出，在稳定分析中使用精确的电机参数一般来说比使用详细的模型更加重要。有些研究表明在同样使用不够精确参数的情况下，用详细的同步发电机模型不一定比用稍微简单点的发电机模型结果要好。

确定发电机参数主要有下列4种方法。

(1)数值计算法。在电机设计阶段，通过对电机电磁性能分析可以较为精确地得到所需的发电机参数，分析发电机在不同出力、励磁等条件下的特性即可得到参数变化情况。常用的方法有有限元方法和磁路磁导法。

(2)实验测试方法。有一整套的试验规程，常规的电机实验有：三相稳态短路试验、低转差法、电压恢复法等，这些试验的特点是从参数的物理意义出发去做测量，方法成熟，有一定的适应性，这些测试不是实际的工作状态,而是物理上相似的模拟状态,试验的条件与实际工况仍有较大差异，所得参数还是不能真实地反映电机在实际运行过程中所受到的饱和、电机老化、电磁力等因素的影响。早在20世纪70年代，美国电力科学研究院(EPRI)就强调“电机参数与运行方式密切相关”，并提出“要用新型的在线测试技术进行参数测量”。利用在线测试和系统辨识相结合的方法成为获取同步电机参数的另一有效途径，其显著特点是：直接计及了电机在运行中所受到的各种因素的影响，一旦辨识成功，即包含了各种因素的效应，计算简单，不用附加过多的假设条件，不影响电机的正常运行，所得参数能很好地反映电机动态行为。

(3)频域响应法。频域响应法测量同步电机参数在20世纪50年代就已应用，并在70～80年代形成高潮，其测试原理是首先在待测系统上施加一定频带的扰动信号，并录取其频率响应，然后在计算机上利用动态拟合程序求取传递函数，并进一步得到电机参数。频域响应法可细分为3种，即直流衰减法、静态频域法(SSFR)和在线频域法(OLFR)。OLFR方法更加能够反映实际运行工况，更适用于动态稳定的研究。频域响应法在计算方法上比较成熟，算法稳定性好，且具有一定的滤波能力，但存在几个缺陷：一是以线性系统为基础的，用它来测算同步发电机非线性参数仍感困难，同时需要严格的试验条件;二是由于需要进行频响分析，对输入扰动信号的波形、幅值大小及其相关性要求严格，难以利用电机动态过程本身的扰动作为输入信号;三是频响分析建立在线性系统的基础上，不能反映动态过程中参数非线性变化的特点。频域法用于在线辨识时，不易产生不同频率、不同幅值的信号来进行动态测试，导致参数适应范围有限。

(4)时域响应法。一是抛载试验法(LoadRe?鄄jection)，传统方法需要分别进行d、q2次特殊状态下的试验，最近我们课题组提出了一次任意抛载试验法;二是励磁电压扰动试验法，该试验易于激发发电机的动态过程，对于联网运行的发电机影响不大，且发电机的励磁电压调节方便，因而励磁电压扰动试验成为同步发电机参数在线辨识的首选试验方法。

记者：同步发电机建模今后的发展趋势如何?

鞠教授：综观近年来同步发电机建模领域的研究，可以看出几点发展趋势。

(1)对于同步发电机参数随工况变化的研究渐成热点。在同步发电机的模拟中，存在2类非线性问题，一类称之为结构性的非线性，这类非线性由同步发电机本身几何结构决定，在我们熟知的非线性模型(基于Park变换的同步发电机模型)中，结构非线性得到了较好的处理，如采用功角的正弦、余弦函数将定子变量归算到转子侧;另一类称之为非结构性的非线性，这类非线性在通常的同步发电机模型中没有考虑，比如，转子、定子铁心部分的磁饱和问题，虽然有文献针对磁饱和问题试图定义一些新的模型结构，但由于饱和曲线与发电机运行状态有关，新模型结构仍难以反映所有实际情况，事实上没有一种唯一的非线性模型可以描述实际发电机在运行条件剧烈变化时整个系统的动态行为。为了达到在一定程度上考虑非结构非线性的目的，大体有2类方法，一类方法不需要知道模型结构，也不估计物理参数，只是将输入数据集和输出数据集对应起来;另一类方法假设模型结构已知，利用在线测量对物理参数进行估计，通过对参数变化的研究达到研究非结构非线性的目的。后一类方法由于可以获得有明确物理意义的参数深受广大电力工程师欢迎。随着对同步发电机参数问题研究的深入，人们还发现除正常工况范围内，同步发电机参数会随运行工况变化而变化外，对于异常运行状态和极限运行状态，同步发电机参数会发生较大变化。

(2)对同步发电机阻尼问题的研究成为难点。系统阻尼不足容易引发系统振荡，严重危及系统稳定，而同步发电机阻尼正是系统阻尼的一个重要组成部分，电力系统的许多低频振荡事故就是由于发电机出现了弱阻尼甚至负阻尼而引起的。同步发电机阻尼主要来自3个方面，一是转子运动方程中摩擦和汽滞引起的机械阻尼，二是电机阻尼回路产生的阻尼，三是发电机励磁绕组和系统产生的阻尼。这些阻尼有一定联系，采用不同的同步发电机模型，阻尼系数所包含的意义也不一样，取值可以相差很大。

(3)PMU可以测量同步发电机功角，这些新技术为同步发电机参数辨识搭建了新的平台，此外，新的辨识方法将使同步发电机参数辨识精度的进一步提高成为可能。