一种基于时域变换的异步电动机仿真建模方法及装置与流程

本发明涉及电流系统计算分析领域，尤其涉及一种基于时域变换的异步电动机仿真建模方法及装置。

背景技术：

随着电网规模不断扩大、新型电力电子装置的渗透率的提高，从而使得大电网的动态特性变得越来越复杂，进而增加电网运行状态以及暂态过程的仿真和分析的难度。目前，传统的电磁暂态仿真技术的仿真效率低，难以实现大规模复杂交直流系统的高效仿真分析。

现有技术中，虽然有基于时域变换的电磁暂态仿真研究，但是现有的基于时域变换的电磁暂态仿真主要针对发电机、变压器和传输线进行研究，没有对异步电动机进行研究，然而异步电动机的用电量占工业总用电量的60％-70％，其动态特性对电力系统的电压、频率等动态稳定有着不可忽视的重要影响，因此建立基于时域变换的异步电动机模型对研究异步电动机设备并网后引起的系统稳定问题具有重要意义。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于时域变换的异步电动机仿真建模方法及装置，能够在不损失异步电动机仿真精度的前提下，增大电磁暂态仿真程序所使用的计算步长，提高仿真效率。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于时域变换的异步电动机仿真建模方法，包括：

根据异步电动机的定转子绕组信息，获得第一定转子磁链方程和第一定转子电压方程；

分别对所述第一定转子磁链方程和所述第一定转子电压方程进行微分处理后，结合所述异步电动机的旋转角速度，获得第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程；

通过转换矩阵，将所述第一定转子磁链方程、所述第一定转子电压方程、所述第二定转子磁链方程和所述第二定转子电压方程中的状态变量进行转换，获得慢状态变量；

将所述第一定转子磁链方程、所述第一定转子电压方程、所述第二定转子磁链方程和所述第二定转子电压方程转换为由所述慢状态变量表示的方程，获得第三定转子磁链方程和第三定转子电压方程；

基于隐式梯形积分法对所述第三定转子磁链方程和所述第三定转子电压方程进行求解，获得待处理的诺顿等值电路；

基于派克逆变换方法对所述待处理的诺顿等值电路进行变换处理，获得用于异步电动机仿真的诺顿等值电路。

作为优选方案，所述定转子绕组信息包括定子绕组的漏感、定子绕组的电流、定子绕组的电阻、定子磁场的角速度、转子绕组的漏感、转子绕组的电流、转子绕组的电阻、定子绕组与转子绕组之间的互感、转子滑差；所述第一定转子磁链方程包括第一定子磁链方程和第一转子磁链方程；所述第一定转子电压方程包括第一定子电压方程和第一转子电压方程；则，所述根据异步电动机的定转子绕组信息，获得第一定转子磁链方程和第一定转子电压方程，具体为：

根据所述定子绕组的漏感、所述定子绕组的电流、所述转子绕组的电流和所述定子绕组与所述转子绕组之间的互感，获得所述第一定子磁链方程；

根据所述转子绕组的漏感、所述转子绕组的电流、所述定子绕组的电流和所述定子绕组与所述转子绕组之间的互感，获得所述第一转子磁链方程；

根据所述定子绕组的电阻、所述定子磁场的角速度、所述定子绕组的电流和所述第一定子磁链方程，获得所述第一定子电压方程；

根据所述转子绕组的电阻、所述定子磁场的角速度、所述转子绕组的电流和所述第一转子磁链方程，获得所述第一转子电压方程。

作为优选方案，所述根据异步电动机的定转子绕组信息，获得第一定转子磁链方程和第一定转子电压方程，具体为：

根据下列公式，计算获得所述第一定子磁链方程：

ψds＝lssids+lmidr；

ψqs＝lssiqs+lmiqr；

其中，ψds、ψqs分别为定子磁链的d、q分量，lss为定子绕组的漏感，lm为定子绕组与所述转子绕组之间的互感，ids、iqs分别为定子绕组的电流的d、q分量，idr、iqr分别为转子绕组的电流的d、q分量；

根据下列公式，计算获得所述第一转子磁链方程：

ψdr＝lrridr+lmids；

ψqr＝lrriqr+lmiqs；

其中，ψdr、ψqr分别为转子磁链的d、q分量，lrr为转子绕组的漏感，lm为定子绕组与所述转子绕组之间的互感，ids、iqs分别为定子绕组的电流的d、q分量，idr、iqr分别为转子绕组的电流的d、q分量；

根据下列公式，计算获得所述第一定子电压方程：

vds＝rsids-ωsψqs+pψds

vqs＝rsiqs+ωsψds+pψqs

其中，rs为定子绕组的电阻，ids、iqs分别为定子绕组的电流的d、q分量，ωs为定子磁场的角速度，ψds、ψqs分别为定子磁链的d、q分量，p为微分算子d/dt；

根据下列公式，计算获得所述第一转子电压方程：

vdr＝rridr-sωsψqr+pψdr

vqr＝rriqr+sωsψdr+pψqr

其中，rr为转子绕组的电阻，idr、iqr分别为转子绕组的电流的d、q分量，s为转子滑差，ωs为定子磁场的角速度，ψdr、ψqr分别为转子磁链的d、q分量，p为微分算子d/dt。

作为优选方案，所述第二定转子磁链方程包括第二定子磁链方程和第二转子磁链方程，所述第二定转子电压方程包括第二定子电压方程和第二转子电压方程，则，所述分别对所述第一定转子磁链方程和所述第一定转子电压方程进行微分处理后，结合所述异步电动机的旋转角速度，获得第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程，具体为：

对所述第一定子磁链方程进行微分处理后，结合所述异步电动机的旋转角速度，获得所述第二定子磁链方程，具体计算公式如下：

对所述第一转子磁链方程进行微分处理后，结合所述异步电动机的旋转角速度，获得所述第二转子磁链方程，具体计算公式如下：

对所述第一定子电压方程进行微分处理后，结合所述异步电动机的旋转角速度，获得所述第二定子电压方程，具体计算公式如下：

对所述第一转子电压方程进行微分处理后，结合所述异步电动机的旋转角速度，获得所述第二转子电压方程，具体计算公式如下：

作为优选方案，所述通过转换矩阵，将所述第一定转子磁链方程、所述第一定转子电压方程、所述第二定转子磁链方程和所述第二定转子电压方程中的状态变量进行转换，获得慢状态变量，具体为：

按照下列公式，计算获得慢状态变量；

其中，t(t)为旋转坐标变换。

作为优选方案，所述第三定转子磁链方程包括第三定子磁链方程和第三转子磁链方程，所述第三定转子电压方程包括第三定子电压方程和第三转子电压方程；则，所述将所述第一定转子磁链方程、所述第一定转子电压方程、所述第二定转子磁链方程和所述第二定转子电压方程转换为由所述慢状态变量表示的方程，获得第三定转子磁链方程和第三定转子电压方程，具体为：

将所述第一定子磁链方程和所述第二定子磁链方程分别转换为由所述慢状态变量表示的方程，获得所述第三定子磁链方程，计算公式如下：

将所述第一转子磁链方程和所述第二转子磁链方程分别转换为由所述慢状态变量表示的方程，获得所述第三转子磁链方程，计算公式如下：

将所述第一定子电压方程和所述第二定子电压方程分别转换为由所述慢状态变量表示的方程，获得所述第三定子电压方程，计算公式如下：

将所述第一转子电压方程和所述第二转子电压方程分别转换为由所述慢状态变量表示的方程，获得所述第三转子电压方程，计算公式如下：

其中，r(t)为旋转坐标变换t(t)的逆变换。

相应地，本发明还提供一种基于时域变换的异步电动机仿真建模装置，包括：

第一模型构建模块，用于根据异步电动机的定转子绕组信息，获得第一定转子磁链方程和第一定转子电压方程；

第二模型构建模块，用于分别对所述第一定转子磁链方程和所述第一定转子电压方程进行微分处理后，结合所述异步电动机的旋转角速度，获得第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程；

变换处理模块，用于通过转换矩阵，将所述第一定转子磁链方程、所述第一定转子电压方程、所述第二定转子磁链方程和所述第二定转子电压方程中的状态变量进行转换，获得慢状态变量；

第三模型构建模块，用于将所述第一定转子磁链方程、所述第一定转子电压方程、所述第二定转子磁链方程和所述第二定转子电压方程转换为由所述慢状态变量表示的方程，获得第三定转子磁链方程和第三定转子电压方程；

仿真模型构建模块，用于基于隐式梯形积分法对所述第三定转子磁链方程和所述第三定转子电压方程进行求解，获得待处理的诺顿等值电路；

仿真模型优化模块，用于基于派克逆变换方法对所述待处理的诺顿等值电路进行变换处理，获得用于异步电动机仿真的诺顿等值电路。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例提供了一种基于时域变换的异步电动机仿真建模方法及装置，该方法包括：根据异步电动机的定转子绕组信息，获得第一定转子磁链方程和第一定转子电压方程；对第一定转子磁链方程和第一定转子电压方程进行微分处理后，结合旋转角速度，获得第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程；通过转换矩阵，对所有定转子磁链方程和所有定转子电压方程进行转换，获得第三定转子磁链方程和第三定转子电压方程；将第三定转子磁链方程和第三定转子电压方程通过隐式梯形积分法和派克逆变换方法进行处理，获得用于异步电动机仿真的诺顿等值电路；相比于现有的基于时域变换的电磁暂态仿真，本发明能够对异步电动机进行仿真，并且本发明通过转换矩阵，将第一定转子磁链方程、第一定转子电压方程、第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程中的状态变量转换为慢状态变量，使得本发明能够采用更大的计算步长，从而使得本发明能够在不损失异步电动机仿真精度的前提下，增大电磁暂态仿真程序所使用的计算步长，提高仿真效率。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于时域变换的异步电动机仿真建模方法的一个优选实施例的流程图；

图2是本发明提供的一种基于时域变换的异步电动机仿真建模装置的一个优选实施例的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本技术领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种基于时域变换的异步电动机仿真建模方法，参见图1所示，是本发明提供的一种基于时域变换的异步电动机仿真建模方法的一个优选实施例的流程图，所述方法包括步骤s11至步骤s16：

步骤s11、根据异步电动机的定转子绕组信息，获得第一定转子磁链方程和第一定转子电压方程；

步骤s12、分别对第一定转子磁链方程和第一定转子电压方程进行微分处理后，结合异步电动机的旋转角速度，获得第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程；

步骤s13、通过转换矩阵，将第一定转子磁链方程、第一定转子电压方程、第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程中的状态变量进行转换，获得慢状态变量；

步骤s14、将第一定转子磁链方程、第一定转子电压方程、第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程转换为由慢状态变量表示的方程，获得第三定转子磁链方程和第三定转子电压方程；

步骤s15、基于隐式梯形积分法对第三定转子磁链方程和第三定转子电压方程进行求解，获得待处理的诺顿等值电路；

步骤s16、基于派克逆变换方法对待处理的诺顿等值电路进行变换处理，获得用于异步电动机仿真的诺顿等值电路。

在其中一种优选实施例中，定转子绕组信息包括定子绕组的漏感、定子绕组的电流、定子绕组的电阻、定子磁场的角速度、转子绕组的漏感、转子绕组的电流、转子绕组的电阻、定子绕组与转子绕组之间的互感、转子滑差；第一定转子磁链方程包括第一定子磁链方程和第一转子磁链方程；第一定转子电压方程包括第一定子电压方程和第一转子电压方程，则步骤s11具体为：

根据定子绕组的漏感、定子绕组的电流、转子绕组的电流和定子绕组与转子绕组之间的互感，获得第一定子磁链方程，具体计算公式如下：

ψds＝lssids+lmidr；

ψqs＝lssiqs+lmiqr；

其中，ψds、ψqs分别为定子磁链的d、q分量，lss为定子绕组的漏感，lm为定子绕组与转子绕组之间的互感，ids、iqs分别为定子绕组的电流的d、q分量，idr、iqr分别为转子绕组的电流的d、q分量；

根据转子绕组的漏感、转子绕组的电流、定子绕组的电流和定子绕组与转子绕组之间的互感，获得第一转子磁链方程，具体计算公式如下：

ψdr＝lrridr+lmids；

ψqr＝lrriqr+lmiqs；

其中，ψdr、ψqr分别为转子磁链的d、q分量，lrr为转子绕组的漏感，lm为定子绕组与转子绕组之间的互感，ids、iqs分别为定子绕组的电流的d、q分量，idr、iqr分别为转子绕组的电流的d、q分量；

根据定子绕组的电阻、定子磁场的角速度、定子绕组的电流和第一定子磁链方程，获得第一定子电压方程，具体计算公式如下：

vds＝rsids-ωsψqs+pψds

vqs＝rsiqs+ωsψds+pψqs

其中，rs为定子绕组的电阻，ids、iqs分别为定子绕组的电流的d、q分量，ωs为定子磁场的角速度，ψds、ψqs分别为定子磁链的d、q分量，p为微分算子d/dt；

根据转子绕组的电阻、定子磁场的角速度、转子绕组的电流和第一转子磁链方程，获得第一转子电压方程，具体计算公式如下：

vdr＝rridr-sωsψqr+pψdr

vqr＝rriqr+sωsψdr+pψqr

其中，rr为转子绕组的电阻，idr、iqr分别为转子绕组的电流的d、q分量，s为转子滑差，ωs为定子磁场的角速度，ψdr、ψqr分别为转子磁链的d、q分量，p为微分算子d/dt；

在其中一种优选实施例中，第二定转子磁链方程包括第二定子磁链方程和第二转子磁链方程，第二定转子电压方程包括第二定子电压方程和第二转子电压方程，步骤s12具体为：

对第一定子磁链方程进行微分处理后，结合异步电动机的旋转角速度，获得第二定子磁链方程，具体计算公式如下：

对第一转子磁链方程进行微分处理后，结合异步电动机的旋转角速度，获得第二转子磁链方程，具体计算公式如下：

对第一定子电压方程进行微分处理后，结合异步电动机的旋转角速度，获得第二定子电压方程，具体计算公式如下：

对第一转子电压方程进行微分处理后，结合异步电动机的旋转角速度，获得第二转子电压方程，具体计算公式如下：

在其中一种优选实施例中，步骤s13具体为：

按照下列公式，计算获得慢状态变量；

其中，t(t)为旋转坐标变换。

在其中一种优选实施例中，第三定转子磁链方程包括第三定子磁链方程和第三转子磁链方程，第三定转子电压方程包括第三定子电压方程和第三转子电压方程，步骤s14具体为：

首先由步骤s13可知：

其中，r(t)为旋转坐标变换t(t)的逆变换。

将第一定子磁链方程和第二定子磁链方程分别转换为由慢状态变量表示的方程，获得第三定子磁链方程，计算公式如下：

将第一转子磁链方程和第二转子磁链方程分别转换为由慢状态变量表示的方程，获得第三转子磁链方程，计算公式如下：

将第一定子电压方程和第二定子电压方程分别转换为由慢状态变量表示的方程，获得第三定子电压方程，计算公式如下：

将第一转子电压方程和第二转子电压方程分别转换为由慢状态变量表示的方程，获得第三转子电压方程，计算公式如下：

在其中一种优选实施例中，步骤s15具体为：

对于步骤s14中得到的第三定转子电压方程，采用隐式梯形积分法进行求解，所用的步长为h，则有

再将步骤s13和步骤s14中的方程代入上述公式，经过数学整理变换，可获得待处理的诺顿等值电路，具体计算过程如下：

在其中一种优选实施例中，步骤s16具体为：将dq坐标系根据派克(park)逆变换，即可得到三相坐标系下的可直接用于异步电动机仿真的诺顿等值电路。

由上可见，本发明实施例提供了一种基于时域变换的异步电动机仿真建模方法及装置，该方法包括：根据异步电动机的定转子绕组信息，获得第一定转子磁链方程和第一定转子电压方程；对第一定转子磁链方程和第一定转子电压方程进行微分处理后，结合旋转角速度，获得第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程；通过转换矩阵，对所有定转子磁链方程和所有定转子电压方程进行转换，获得第三定转子磁链方程和第三定转子电压方程；将第三定转子磁链方程和第三定转子电压方程通过隐式梯形积分法和派克逆变换方法进行处理，获得用于异步电动机仿真的诺顿等值电路；相比于现有的基于时域变换的电磁暂态仿真，本发明能够对异步电动机进行仿真，并且本发明通过转换矩阵，将第一定转子磁链方程、第一定转子电压方程、第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程中的状态变量转换为慢状态变量，使得本发明能够采用更大的计算步长，从而使得本发明能够在不损失异步电动机仿真精度的前提下，增大电磁暂态仿真程序所使用的计算步长，提高仿真效率。

本发明实施例还提供了一种基于时域变换的异步电动机仿真建模装置，能够实现上述任一实施例所述的基于时域变换的异步电动机仿真建模方法的所有流程，装置中的各个单元、模块的作用以及实现的技术效果分别与上述实施例所述的基于时域变换的异步电动机仿真建模方法的作用以及实现的技术效果对应相同，这里不再赘述。

参见图2所示，是本发明提供的一种基于时域变换的异步电动机仿真建模装置的一个优选实施例的结构框图，装置包括：

第一模型构建模块11，用于根据异步电动机的定转子绕组信息，获得第一定转子磁链方程和第一定转子电压方程；

第二模型构建模块12，用于分别对第一定转子磁链方程和第一定转子电压方程进行微分处理后，结合异步电动机的旋转角速度，获得第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程；

变换处理模块13，用于通过转换矩阵，将第一定转子磁链方程、第一定转子电压方程、第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程中的状态变量进行转换，获得慢状态变量；

第三模型构建模块14，用于将第一定转子磁链方程、第一定转子电压方程、第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程转换为由慢状态变量表示的方程，获得第三定转子磁链方程和第三定转子电压方程；

仿真模型构建模块15，用于基于隐式梯形积分法对第三定转子磁链方程和第三定转子电压方程进行求解，获得待处理的诺顿等值电路；

仿真模型优化模块16，用于基于派克逆变换方法对待处理的诺顿等值电路进行变换处理，获得用于异步电动机仿真的诺顿等值电路。

本实施例更详细的工作原理和流程可以但不限于上述的基于时域变换的异步电动机仿真建模方法。

由上可见，本发明能够对异步电动机进行仿真，并且本发明通过转换矩阵，将第一定转子磁链方程、第一定转子电压方程、第二定转子磁链方程和第二定转子电压方程中的状态变量转换为慢状态变量，使得本发明能够采用更大的计算步长，从而使得本发明能够在不损失异步电动机仿真精度的前提下，增大电磁暂态仿真程序所使用的计算步长，提高仿真效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。