基于交流采樣的抽水蓄能勵(lì)磁系統(tǒng)電量檢測(cè)

翟新寶，李國(guó)良，王稚惠

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基于交流采樣的抽水蓄能勵(lì)磁系統(tǒng)電量檢測(cè)

翟新寶1，李國(guó)良2，王稚惠2

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

抽水蓄能電站勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)電機(jī)定子端電壓、電流、頻率等電量采集的要求很高。交流采樣實(shí)時(shí)性好、相位失真小，特別是隨著大規(guī)模集成電路和高速數(shù)字信號(hào)處理器的迅猛發(fā)展，勵(lì)磁系統(tǒng)交流采樣原有的困難已逐步得到克服。文章主要介紹了一種基于交流采樣的軟件鎖相環(huán)（SPLL）算法，通過(guò)此算法能快速準(zhǔn)確地計(jì)算出發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)所需的各電量，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明了該算法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，能夠滿足抽水蓄能電站勵(lì)磁系統(tǒng)的要求。

勵(lì)磁系統(tǒng)；交流采樣；軟件鎖相環(huán)

0 前言

抽水蓄能電站勵(lì)磁系統(tǒng)全部采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，勵(lì)磁系統(tǒng)要滿足機(jī)組各種工況下的運(yùn)行要求[1]。即無(wú)論是在發(fā)電滯相運(yùn)行、發(fā)電進(jìn)相運(yùn)行、電動(dòng)滯相運(yùn)行、電動(dòng)進(jìn)相運(yùn)行工況下，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器均要保證機(jī)組運(yùn)行在安全穩(wěn)定的范圍之內(nèi)。抽水蓄能勵(lì)磁系統(tǒng)與常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)相比，其勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)電機(jī)機(jī)端電量測(cè)量的快速性和準(zhǔn)確性要求更高。

電機(jī)定子輸出端電量信號(hào)的采集作為勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)、限制和保護(hù)的重要環(huán)節(jié)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。基于PI控制的軟件鎖相環(huán)，是通過(guò)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)跟蹤原理達(dá)到相位鎖定的目的。此種鎖相方法是基于跟蹤三相系統(tǒng)的電壓正序分量[2]，能有效地適用于抽水蓄能電機(jī)機(jī)端電壓電流的頻率、相位及幅值檢測(cè)[3]。

1 三相軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

1.1 軟件鎖相環(huán)測(cè)量原理

設(shè)三相系統(tǒng)電壓為：

將電壓信號(hào)從a、b、c三相坐標(biāo)變換到α、β坐標(biāo)（clarke變換）為[7]：

圖1 αβ與dq 坐標(biāo)下電壓矢量圖

將式（2）從α、β坐標(biāo)變換到d、q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)（park變換）為：

2.2 軟件鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型

圖2 SPLL系統(tǒng)控制框圖

在誤差較小時(shí)有：

SPLL系統(tǒng)等效的傳遞函數(shù)如圖3所示，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

閉環(huán)傳遞函數(shù)為

3 仿真研究

圖3 SPLL 系統(tǒng)等效傳遞函數(shù)圖

3.1 仿真模型

為了驗(yàn)證上面的理論分析和系統(tǒng)建模的正確性，結(jié)合SPLL的原理和圖2所示的結(jié)構(gòu)框圖，利用MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)搭建仿真模型，仿真模型如圖4所示。

圖4 SPLL的仿真模型

3.2 仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)輸入電壓發(fā)生頻率突變、相位突變、電壓幅值突變時(shí)。SPLL能夠快速、準(zhǔn)確地重新鎖相。且SPLL能快速地檢測(cè)三相電壓幅值、頻率和相位，通過(guò)合理地設(shè)置PI參數(shù)，SPLL能在較短的時(shí)間內(nèi)就能精確鎖相，且穩(wěn)定后精確地跟蹤三相系統(tǒng)電壓。

4 試驗(yàn)

前面已經(jīng)對(duì)軟件鎖相環(huán)的原理進(jìn)行了深入地研究，為了驗(yàn)證前面的相關(guān)理論和仿真結(jié)果的正確性和有效性，構(gòu)建了基于同步采樣板卡的鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在不同電壓幅值、相位和頻率的情況下，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。

4.1 試驗(yàn)總體結(jié)構(gòu)圖

實(shí)現(xiàn)軟件鎖相環(huán)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，是由三相電壓電流檢測(cè)與調(diào)理電路、同步采樣板卡、計(jì)算機(jī)組成。

圖6 硬件結(jié)構(gòu)框圖

在圖6中，電壓電流檢測(cè)與調(diào)理電路主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，其一是利用電壓和電流互感器將三相交流電壓電流轉(zhuǎn)變成了弱電電壓信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱電氣之間的電氣隔離；其二是利用調(diào)理電路將弱電電壓信號(hào)變成AI同步采樣板卡輸入要求的-10~ +10 V電壓信號(hào)；計(jì)算機(jī)主要是將編譯好的C語(yǔ)言程序下載到DSP處理器的存儲(chǔ)器中運(yùn)行，通過(guò)控制程序計(jì)算和監(jiān)視所產(chǎn)生的電量值。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)三相電壓頻率突然變化到= 60 Hz，頻率檢測(cè)值和頻率檢測(cè)誤差變化如圖7（a）所示；當(dāng)三相電壓相角突然變化了30°，相角檢測(cè)值和相角檢測(cè)誤差變化如圖7（b）所示；當(dāng)三相電壓幅值偏移了0.2 p.u. ，幅值檢測(cè)值和幅值檢測(cè)誤差變化如圖7（c）所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，SPLL能在較短的時(shí)間內(nèi)精確地檢測(cè)出三相系統(tǒng)電壓電流的幅值、頻率和相位，響應(yīng)迅速且穩(wěn)態(tài)檢測(cè)誤差為零。表明了該軟件鎖相環(huán)算法的可行性和有效性。

（a） 頻率檢測(cè)值和誤差

（b） 相角檢測(cè)值和誤差

（c） 幅值檢測(cè)值和誤差

5 結(jié)語(yǔ)

勵(lì)磁系統(tǒng)作為抽水蓄能機(jī)組的重要輔助設(shè)備，其性能直接關(guān)系到抽水蓄能機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，上述利用軟件鎖相環(huán)算法對(duì)電機(jī)機(jī)端的三相系統(tǒng)電量進(jìn)行了快速準(zhǔn)確的測(cè)量，得到了很好的效果。此方法的提出和實(shí)驗(yàn)分析對(duì)進(jìn)一步提高抽水蓄能電站勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性有十分重要的意義。

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Based on AC Sampling Power Detection of Pumped Storage Excitation System

ZHAI Xinbao1, LI Guoliang2, WANG Zhihui2

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Pumped Storage Power Station excitation system has high requirement in generator terminal voltage, current, frequency, power, etc. AC sampling real time, low phase distortion, Especially, with the rapid development of LSI and high-speed digital signal processor, AC sampling original difficulties of excitation system has been gradually overcame. The article describes a kind of AC sampling software phase-locked loop (SPLL) algorithm, this algorithm can quickly and accurately calculate all the necessary power parameters of generator excitation system. A large number of experiments show that the algorithm is accurate and practical, it can satisfy requirements of the pumped storage power station excitation system.

excitation system; AC sampling;software phase-locked loop (SPLL)

TM31

A

1000-3983(2014)06-0066-04

2014-08-17

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目：大型抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)裝置及系統(tǒng)集成技術(shù)研發(fā)（2011BAF03B03）

翟新寶（1988-），2012年畢業(yè)于東北大學(xué)控制工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事發(fā)電機(jī)勵(lì)磁設(shè)備研發(fā)和設(shè)計(jì)工作，助理工程師。

審稿人：樸秀日