CN103412139B - 一种同步发电机转速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种同步发电机转速测量方法，包含以下步骤：实时采样发电机三相电枢线电压和三相电枢相电流；根据理想发电机模型，由实际发电机电枢电压、电枢电流和发电机内阻抗计算理想发电机电枢电压；由理想发电机的三相电枢电压计算出合成内电势相量的相位；由相位变化速度求解发电机转速。此种测量方法可避免基于发电机合成等效电路计算转速过程中求解合成内电势的复杂相量运算，简化计算过程，缩小测量间隔。

Description

一种同步发电机转速测量方法

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，特别涉及一种基于理想发电机模型的发电机转速实时测量方法。

背景技术

电力系统稳定器（Power System Stabilizer,PSS）是目前在励磁调节器中广泛应用的抑制电力系统低频振荡的策略。PSS输出的附加转矩必须与发电机转速变化量Δω同相，才能加强机组的正阻尼，起到抑制低频振荡作用。转速测量的实时性和准确性对PSS抑制有功振荡有着直接的影响：测量越准确，间隔越小，PSS调节越细致，调节效果越好；反之，测量偏差及延迟甚至会带来负阻尼，加剧系统的振荡。

常见发电机转速测量有以下两大类方法：机械测量方法和电气测量方法。

机械测量多采用机械传感器和配套电路或装置分离出脉冲转速信号。该方法需要额外硬件电路，增加了系统的复杂性和不可靠因素，同时大部分现场也不具备额外安装传感器的条件。

电气测量方法通过采样机端电压、电流等电气量，推导计算转子转速。由电机学基本原理可知，发电机转子转速即为发电机合成内电势相量的旋转速度。忽略铁芯饱和和定子绕组电压降影响，发电机合成等效电路和电势相量图分别如图3和图4所示。的计算公式如下：

${\stackrel{\·}{E}}_q={\stackrel{\·}{U}}_g+{j\stackrel{\·}{I}}_g{X}_q$

上式中，是合成内电势相量；是合成电枢电压相量；是合成电枢电流相量；X_q是发电机纵轴电抗，j表示虚数单位。合成内电势相量的频率即为的旋转速度。

当发电机空载时，发电机旋转速度与机端电压频率相同，所以，也有采用机端电压频率信号近似代替发电机转速信号来简化计算。该方法通过测量正弦电压信号相邻过零点时间计算电压周期，50Hz稳态时，最小过零点间隔为半个周期，即最小测量间隔为10毫秒，测量间隔长。该方法忽略了定子电流对的影响，在发电机有功、无功变化时，存在测量偏差。

基于现有方法的不足之处，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种同步发电机转速测量方法，其可避免基于发电机合成等效电路计算转速过程中求解合成内电势的复杂相量运算，简化计算过程，缩小测量间隔。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种同步发电机转速测量方法，包含以下步骤：

（1）实时采样发电机三相电枢线电压和三相电枢相电流；

（2）根据理想发电机模型，由实际发电机电枢电压、电枢电流和发电机内阻抗计算理想发电机电枢电压；

（3）由理想发电机的三相电枢电压计算出合成内电势相量的相位；

（4）由相位变化速度求解发电机转速。

上述步骤（2）的具体方法是：将步骤（1）所得采样值换算为标幺值，根据以下公式计算理想发电机电枢电压相量的瞬时值：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qbc}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{gbc}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ga}}{X}_q\\ {\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qca}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{gca}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gb}}{X}_q\\ {\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qab}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{gab}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gc}}{X}_q\end{array}\right.,$

其中，分别是理想发电机三相电枢线电压相量， 分别是实际发电机三相电枢线电压相量，分别是实际发电机A、B、C三相电枢电流相量，X_q为发电机纵轴电抗。

上述步骤（3）的具体方法是：根据以下公式计算合成内电势相量当前相位值θ：

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{1}{\sqrt{1+3{\left(\frac{{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qca}}-{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qab}}}{2{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qbc}}-{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qca}}-{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qab}}}\right)}^2}}\right)$

其中，分别是理想发电机三相电枢线电压相量。

上述步骤（4）的具体方法是：每次采样间隔进行一次相位计算，计算两次采样间隔相位的变化量即得到合成内电势相量的频率，即发电机转速。

上述采样间隔为0.2～1ms。

采用上述方案后，本发明通过相量方程的等效变换，将相位的相量求解转换为全部瞬时采样值计算，避免复杂的相量变换，极大地简化了计算过程。这种方案在每次采样后均可完成一次相位的计算，两次转速计算间隔可缩小至发电机电枢电压和电枢电流的采样周期，转速测量间隔最快可达0.2毫秒以下。这种方案计算简单，测量快速，实时性高，易于编程实现，能够满足PSS-4B等对转速实时性要求高的模型计算需求。

附图说明

图1是理想同步发电机的三相等效电路图；

图2是理想同步发电机的三相电势相量图；

图3是同步发电机的合成等效电路图；

图4是同步发电机的合成电势相量图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种同步发电机转速测量方法，包括如下步骤：

（1）在T₁时刻，采样发电机三相电枢线电压和三相电枢相电流

（2）在忽略铁芯饱和和定子绕组电压降影响的前提下，建立理想发电机模型的三相等效电路图和电势相量图，分别如图1和图2所示。

将步骤（1）得到的采样值换算为标幺值，计算理想发电机三相电枢线电压相量的瞬时值，具体的方法是：

的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qa}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ga}}+{j\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ga}}{X}_q\\ {\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qb}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{gb}}+{j\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gb}}{X}_q\\ {\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qc}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{gc}}+{j\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gc}}{X}_q\end{array}\right.$

其中，分别是理想发电机模型的A、B、C三相电枢电压相量，分别是实际发电机A、B、C三相电枢电压相量，分别是实际发电机A、B、C三相电枢电流相量，X_q为发电机纵轴电抗，j表示虚数单位。

将上式进行旋转变换得：

$\left\{\begin{array}{c}{-j\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qa}}={-j\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ga}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ga}}{X}_q\\ -j{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qb}}={-j\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{gb}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gb}}{X}_q\\ -j{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qc}}={-j\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{gc}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gc}}{X}_q\end{array}\right.$

如图2发电机电势相量图所示，对标幺值而言，与发电机BC相线电压相位相同，大小相等，与理想发电机BC相线电压相位相同，大小相等，其它相依此类推，则上式可变换为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qbc}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{gbc}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ga}}{X}_q\\ {\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qca}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{gca}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gb}}{X}_q\\ {\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qab}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{gab}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gc}}{X}_q\end{array}\right.$

通过以上相量的旋转和等效替换，上式中各计算项均不含j因子，理想发电机相量的瞬时值直接由发电机三相电枢线电压和电枢电流瞬时采样值计算得到，而不需要任何相量变换，理想发电机各线电压的频率即为发电机转速。

（3）根据以下公式直接计算合成内电势相量当前相位值θ₁：

${\mathrm{\θ}}_1=\arccos \left(\frac{1}{\sqrt{1+3{\left(\frac{{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qca}}-{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qab}}}{2{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qbc}}-{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qca}}-{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qab}}}\right)}^2}}\right)$

（4）在经过采样周期ΔT之后的T₂时刻，重复步骤（1）～（3）的计算过程，得到内电势当前相位值θ₂；

（5）计算发电机转速每次采样完成一次运算，ΔT取值越小，则转速的计算周期越短，测量延时越小。应用于PSS运算时，根据PSS对转速测量实时性的要求，转速测量间隔可选取在0.2毫秒到1毫秒之间；

（6）采用低通滤波器对计算出的发电机转速进行滤波，去除测量值的高频毛刺。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种同步发电机转速测量方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)实时采样发电机三相电枢线电压和三相电枢相电流；

(2)根据理想发电机模型，由实际发电机三相电枢线电压、三相电枢相电流和发电机内阻抗计算理想发电机三相电枢线电压；

所述步骤(2)的具体方法是：将步骤(1)所得采样值换算为标幺值，根据以下公式计算理想发电机三相电枢线电压相量的瞬时值：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qbc}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{gbc}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ga}}{X}_q\\ {\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qca}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{gca}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gb}}{X}_q\\ {\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qab}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{gab}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{gc}}{X}_q\end{array}\right.$

其中，分别是理想发电机三相电枢线电压相量， 分别是实际发电机三相电枢线电压相量，分别是实际发电机A、B、C三相电枢相电流相量，X_q为发电机纵轴电抗；

(3)由理想发电机的三相电枢线电压计算出合成内电势相量的相位；

所述步骤(3)的具体方法是：根据以下公式计算合成内电势相量当前相位值θ：

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{1}{\sqrt{1+3{\left(\frac{{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qca}}-{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qab}}}{2{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qbc}}-{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qca}}-{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{qab}}}\right)}^2}}\right)$

其中，分别是理想发电机三相电枢线电压相量；

(4)由相位变化速度求解发电机转速；

所述步骤(4)的具体方法是：每次采样间隔进行一次相位计算，计算两次采样间隔相位的变化量即得到合成内电势相量的频率，即发电机转速。

2.如权利要求1所述的一种同步发电机转速测量方法，其特征在于：所述采样间隔为0.2～1ms。