面向艦船電力系統方案評估的發電機參數辨識方法

回志澎，壽海明

(海軍裝備研究院艦船論證研究所，北京 100161)

0 引言

隨著艦船電力系統新技術的不斷應用，尤其是綜合電力技術的應用，艦船電力系統的方案更加多樣、更加復雜。作為電力系統研制的重要環節，艦船電力系統方案評估要求開展系統級的仿真研究，輔助支撐電力系統方案評估，系統仿真中主要設備參數是仿真精度的基礎，電機作為重要設備之一，由于受到種種條件限制，其參數通常采用設計值，由于設計值與實際情況存在一定的差異，例如計及飽和效應的發電機穩態電抗Xd實測值要比不計飽和效應的Xd設計值約小25%[1]，這將直接導致仿真結果產生偏差。因此，如何獲取發電機準確參數便成為確保系統仿真的重要步驟。電機參數辨識作為較為準確獲取實際參數的方法，近年來得到了迅速發展，針對艦船電力系統方案評估的需求，對電機參數辨識方法進行分析。

1 參數辨識理論基礎

系統辨識是通過觀測系統或過程的輸入輸出關系，確定描述該系統或過程動態特性的數學模型[2-4]。按照對待測系統的了解程度，通常可分為三類。黑箱系統:對系統一無所知，其模型結構、階數、參數等均未知;灰箱系統:對系統部分了解，如已知模型結構、階數，待測模型參數;白箱系統:系統模型可用物理機理寫出。電力系統學科建立在較嚴謹的電工理論基礎上，經過多年的發展，其數學模型可按照機理列出，并且部分動態機理也已知悉。對照上述分類，電力系統設備參數辨識基本屬于灰箱建模。

系統辨識一般過程如下:規定代價函數(或稱等價準則)Jθ，其通常是誤差e的函數，實際系統和模型系統在同一激勵信號x的作用下，產生實際輸出信號yr和模型輸出信號ym，其誤差為e，經辨識準則計算后，去修正模型參數，反復進行，直至誤差e滿足代價函數最小為止。系統辨識原理是發電機參數辨識的理論基礎，發電機的參數辨識通過對發電機施加外部激勵或等效激勵，通過對比實際輸出信號和模型輸出信號，按照辨識原則計算修正模型參數，直至兩者之間的誤差滿足要求為止，從而得出發電機待辨識的參數值，如圖1所示。

圖1 辨識原理

2 現有參數辨識方法

目前發電機參數辨識方法主要包括三類:數值計算法、離線試驗測試法、在線測辨法。

2.1 數值計算法

在電機設計階段，通過對電機電磁性能分析可得到發電機參數，常用的數值計算方法有有限元方法和磁路磁導法。

(1)電機電磁場空間分布不規則，有限元法將由偏微分方程表征的連續函數所在的封閉場域劃分為有限個小區域，每個小區域用一個選定的近似函數來代替，整個場域上的函數被離散化，由此獲得近似的代數方程組，聯立求解得該場域中函數的近似數值。它既能反應實際電磁場的復雜非線性特征，又能有效求解。但有限元方法計算量大，大多局限于二維剖分，較難實現三維剖分，計算精度與使用經驗緊密相關，應用范圍受到一定限制。

(2)磁路磁導法以磁回路為分析單元，根據實際需要，建立相應的電磁回路方程，在不同工況下求解得到發電機參數值。該方法具有物理概念清晰，方程建立擴展方便，相對有限元方法計算量小得多。由于采用等值計算的方式，難以反映電機中各種復雜非線性特征，對與各次氣隙諧波關系緊密的電氣量計算不夠準確，精度不高，僅適用于定性分析。

2.2 離線試驗測試法

發電機離線測試方法較為成熟，主要包括拋載試驗法、短路試驗法、靜態頻域法三種方法。

(1)拋載試驗法的優點是無需過多假設，無破壞性，易于執行，計算簡單，并且考慮工況對參數的影響，一般在d、q兩軸分別進行試驗，得到兩個不同軸的動態響應，經過動態擬合得到d、q軸電氣參數。該方法只在超瞬變參數的測量過程中，電機的狀態才與運行條件比較接近，其他參數的測量仍與實際運行條件相差甚遠，試驗所測d軸參數較準，q軸參數誤差較大。

(2)靜態頻域法是在電機靜止時施加不同頻率的正弦信號，利用頻譜分析求電機參數，辨識出來的參數具有一定的精度，但靜態時轉子無法計及阻尼繞組影響。該方法需大功率的頻率調節范圍至少在0.01～100 Hz的變頻電源作為信號源，因此該方法通常僅適用于小型電機或試驗機組。

(3)三相突然短路試驗是獲取發電機瞬態參數最有效的方法。對一些參數未知的新型概念電機，短路試驗是測取其瞬態參數的有效手段。該方法破壞性較大，只能在出廠前進行突然三相短路試驗，并且試驗次數有限，試驗持續時間短、干擾大、獲得的參數受到限制。

2.3 在線測辨法

在線測辨法是指在發電機正常工作情況下，通過施加人為擾動或捕捉系統自然擾動辨識同步發電機參數的方法。在線測辨法考慮了實際工況的影響，因此其所得參數具有較高精度。一般的在線測辨比離線試驗測試更容易實現，對發電機的影響較小。常見的測辨方法有神經網絡觀測法、在線頻域法和勵磁電壓擾動試驗法[2]。

(1)神經網絡觀測法直接針對發電機參數非線性本質，利用神經網絡對復雜非線性問題的模擬及自學習能力，追蹤發電機參數的變化。由于神經網絡具有自學習、自適應功能，不斷的在發電機實際運行中得到訓練，能夠較好的在線觀測同步發電機參數。由于故障狀態下的樣本難以獲取，因此該方法不適用于瞬態參數的辨識。

(2)在線頻域法是在機組運行時施加擾動，利用FFR和動態擬合來求取參數。由于是在運行工況下測得的數據，已包含飽和效應等因素的影響，這種參數比起通過SSFR方法得到的參數更加能夠反映實際運行工況，更適用于動態穩定的研究，但頻率響應法是建立在對象是線性系統基礎上，用其來測算同步發電機非線性參數仍感困難，同時需要嚴格的試驗條件。

(3)勵磁電壓擾動試驗通過調節勵磁電壓，激發發電機的動態過程，從而進行參數辨識。由于發電機勵磁調節較為方便，因此該試驗相對容易實現，可作為同步發電機參數在線辨識的首選試驗方法。但該試驗是在發電機運行時進行的，動態過程易受到背景環境噪聲的干擾，所得參數尤其是瞬態參數精度會受到一定的影響。

3 結語

如前所述，艦船電力系統方案評估是對系統技術狀態評價的重要方式。為使方案評估客觀、獨立、公平，通常由第三方進行評估，其中系統級方案評估通常采用數字仿真、物理仿真等手段進行評估，因此評估的目的和特點決定了對參數辨識的需求不同于電機本體仿真對參數辨識的需求，主要包括以下幾個方面:

(1)方案評估主要面向系統級評估，主要設備參數中僅有部分參數對系統性能仿真有影響或影響較大;

(2)受到時間周期及經費等方面限制，方案評估一般無法單獨安排試驗項目，主要結合系統或設備本身的試驗開展參數辨識工作，因此參數辨識方法需簡單易行，適應性強;

(3)電機的超瞬變參數往往影響系統的動態特性和諧波特性，因此是方案評估中重點關注的內容，參數辨識方法以辨識超瞬變參數為主。

根據船舶電力系統方案評估需求，綜合考慮方案評估中工程實現難度，對參數辨識方法的選用分析如下:

(1)數值計算法往往是電機設計過程中運用的方法，計算難度較大，計算精度與設計人員經驗緊密相關，應用范圍限制較大，計算工作量較大，一般不適合面向方案評估使用。

(2)在線測辨法中神經網絡觀測法無法辨識瞬態參數，應用受限;在線頻域法對試驗條件要求較為嚴格，船舶電力系統裝備研制中的試驗條件往往局限于保障裝備性能試驗，保障在線頻域法試驗條件較為困難;勵磁電壓擾動試驗簡單易行，雖然試驗容易受背景噪聲影響，但也可作為重要參考，結合其他試驗結果進行對比分析。

(3)離線試驗測試方法中靜態頻域法僅適用于小型電機，船舶電力系統中電機功率較大，因此該方法不適用于船舶電力系統中參數辨識;三相短路試驗破壞性大，船舶電力系統研制過程中僅在樣機型式試驗中進行，考慮安全性因素，該試驗項目通過后不再進行短路試驗，若參數辨識不成功，無法再次進行該項目，應用受到一定限制;拋載試驗易于執行、計算簡單，可結合船舶電力系統的出廠試驗、聯調試驗、系泊試驗等工作結合，具有良好的工程適應性，因此可結合勵磁電壓擾動試驗共同進行參數辨識。

[1]鞠平.電力系統非線性辨識[M].南京:河海大學出版社，1999.

[2]沈善德.電力系統辨識[M].北京:清華大學出版社，1993.

[3]徐枋同，李永華.系統辨識理論與實踐-在水電控制工程中的應用[M].北京:中國電力出版社，1999.

[4]徐南榮，宋文中，夏安邦.系統辨識[M].南京:東南大學出版社，1991.