CN106154159A - 励磁系统测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种励磁系统测试装置及方法，所述装置包括：采样单元(1)、内置交流励磁机和发电机模型(2)、控制单元(3)、交流信号输出单元(4)、输出功率放大单元(5)和输入输出单元(6)。实施本发明的有益效果是，实现在机组静止时进行全面的静态试验、动态试验、并网带负荷试验，可对发电机励磁系统进行全面的检测、排查励磁系统开机前的各种隐患；可实现对励磁系统的联调和闭环仿真，且可满足在发电机启动前测试以降低成本。

Description

励磁系统测试装置及方法

技术领域

本发明涉及发电机领域，更具体地说，涉及一种励磁系统测试装置及方法。

背景技术

供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。

现有技术中，对发电机励磁系统的检测都是静态时做励磁系统静态试验，发电机开机以后做动态试验，不能很好的在发电机开机前进行动态试验，进行全面的检测。且对发电机励磁系统的检测都是对励磁系统的每个部分单独进行测试，属于开环试验，没有设备可以对励磁系统进行联调和闭环仿真实验。

另一方面，励磁调节器的性能对电力系统的稳定有着主要的影响，但针对发电机励磁调节器的动态测试只有通过大型电力系统实时仿真系统来检测，而仿真系统投资巨大，不能满足励磁系统现场测试要求。

现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述励磁系统的测试成本高，不能实现闭环仿真的缺陷，提供一种励磁系统测试装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一方面，构造一种励磁系统测试装置，包括：采样单元、内置交流励磁机和发电机模型、控制单元、交流信号输出单元、输出功率放大单元和输入输出单元；

其中，采样单元用于采集励磁系统输出的励磁电压，再将励磁电压与预设额定励磁电压比较，得到励磁电压对应的标幺值并送至内置交流励磁机和发电机模型；

内置交流励磁机和发电机模型用于基于励磁电压的标幺值，获取发电机电压和电流，并根据预设的发电机二次侧额定电压和电流将发电机电压和电流换算成发电机二次侧的实际电压和电流；

控制单元用于将内置交流励磁机和发电机模块计算出来的发电机二次侧实际电压和电流值转换成对应的数码值，并送至交流信号输出单元；

交流信号输出单元将发电机二次侧实际电压和电流的数码值转换成双极性模拟信号；

功率放大单元用于将双极性模拟信号进行功率和幅值放大。

优选的，所述装置还包括：输入输出单元；

所述输入输出单元通过串口与所述控制单元之间通讯，用于显示运行数据和状态，并将设置的仿真参数发送至控制单元。

优选的，所述采样单元包括：调理电路、AD转换器、第一参考电源、第一隔离电源和第一数字隔离器；

所述调理电路与所述AD转换器连接，所述第一参考电源与所述AD转换器连接，所述第一隔离电源与所述AD转换器连接，所述第一数字隔离器与所述AD转换器连接；

所述调理电路用于将励磁系统输出的励磁电压进行降压、滤波和稳压后，输出至所述AD转换器；

所述第一参考电源用于为所述AD转换器提供高精度的AD比较电源；

所述第一隔离电源用于提供工作电源；

所述AD转换器用于将经降压、滤波和稳压后的励磁电压经过AD转换成数字信号；

所述第一数字隔离器用于将所述数字信号传送至所述控制单元。

优选的，所述第一数字隔离器以SPI方式将所述数字信号传送至所述控制单元。

优选的，所述内置交流励磁机和发电机模型包括交流励磁机模型和发电机模型；

所述交流励磁机模型包括：第一去磁单元、换相电抗压降单元、同步电抗压降单元、整流放大单元、自励饱和单元和D轴阻尼效应单元；

交流励磁机励磁电压Ufe减去分别由所述第一去磁单元、所述自励饱和单元和所述D轴阻尼效应单元构成的三个负反馈后经过励磁时间常数TE构成的积分环节得到励磁机内电势Efq；

所述励磁机内电势Efq减去所述同步电抗压降单元形成的反馈环节后，进入所述整流放大单元，经过励磁机整流放大系数后由AC电压转换成DC电压，整流后的DC电压减去由所述换相电抗压降单元构成的负反馈后输出DC电压，该DC电压经过交流励磁机电压和发电机的励磁电压换算系数后输出最终的发电机励磁电压Ufg。

优选的，所述发电机模型包括：第二去磁单元、转速单元、发电机饱和单元和电抗压降单元213；

所述发电机励磁电压Ufg减去由所述发电机饱和单元构成的负反馈环节和减去所述第二去磁单元构成的反馈环节后，经过发电机时间常数T_G构成的积分环节得到发电机内电势Eq，Eq经过所述电抗压降单元后输出发电机机端电压U和发电机机端电流IFD；

所述发电机机端电压U和发电机机端电流I_FD输入到所述交流信号输出单元。

优选的，所述交流信号输出单元包括：第二隔离电源、第二参考电源、第三参考电源、第二数字隔离器、输出缓冲电路、DA转换器和输出滤波电路；

其中，所述第二数字隔离器与所述控制单元连接，所述DA转换器分别与所述第二参考电源、所述第三参考电源、所述输出缓冲电路连接，所述输出缓冲电路与所述输出滤波电路连接；

所述控制模块将所述发电机模型计算出的所述发电机机端电压U和发电机机端电流IFD对应的DAC码值通过所述第二数字隔离器发送至所述DA转换器，所述DA转换器，将所述DAC码值转换成对应的双极性模拟信号；所述双极性模拟信号经所述输出缓冲电路缓冲以及经所述输出滤波电路滤波后输出至所述输出功率放大单元。

优选的，所述输出功率放大单元包括：幅值及功率放大电路、过流检测电路、过温检测电路和过压保护电路；

所述幅值及功率放大电路用于将所述交流信号输出单元输出的电压信号进行幅值和功率放大以输出满足励磁系统测试的交流信号；

所述过流检测电路用于采集输出回路的电流，当电流超过一定的幅值后，输出信号给控制单元；

过温检测电路用于进行过温检测，当温度超过预设值后，输出信号给控制单元；

过压保护电路用于对输出的过电压进行吸收。

优选的，所述幅值及功率放大电路包括：集成功率放大器A1、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10；所述过流检测电路包括：电阻R11和电阻R12；所述过温检测电路包括：电阻R14、光电隔离器U2和开关管Q1；所述过压保护电路包括：二极管D1、二极管D2、大容量滤波电容E1和大容量滤波电容E2。

优选的，所述装置还包括：降压变压单元和整流滤波单元；

所述降压变压单元用于将输入电源进行降压和变压后输出工作电源；

所述整流滤波单元用于将所述工作电源整流和滤波后输出功放电源。

另一方面，提供一种励磁系统测试方法，所述方法包括：

S1、采集励磁系统输出的励磁电压，将励磁电压与预设额定励磁电压比较，以获取励磁电压对应的标幺值；

S2、基于励磁电压的标幺值获取发电机电压和电流；

S3、根据预设的发电机二次侧额定电压和电流，将发电机电压和电流换算成发电机二次侧的实际电压和电流信号；

S4、将所述发电机二次侧实际电压和电流值转换成对应的数码值；

S5、将所述数码值转换成对应的双极性模拟信号；

S6、将双极性模拟信号进行功率和幅值放大后输出。

优选的，所述步骤S2具体包括以下步骤：

将所述励磁电压的标幺值与交流励磁机反馈的自励饱和单元、D轴阻尼效应单元、第一去磁单元比较后，经过励磁机时间常数TE构成的积分环节得到励磁机电势Efq；

将所述励磁机电势Efq经过同步电抗压降单元、整流放大单元、换相电抗压降单元后换算成发电机励磁电压Ufg；

将所述发电机励磁电压Ufg与发电机饱和单元、第二去磁单元进行比较后，经过发电机时间常数TG构成的积分环节得到发电机内电势Eq；

将所述发电机内电势Eq经过电抗压降单元后输出发电机电压和电流信号。

实施本发明的励磁系统测试装置及方法，具有以下有益效果：通过将励磁电压信号经采样单元后输出励磁系统输出的励磁电压，经过内置交流励磁机和发电机数学模型后获得发电机二次侧的实际电压和电流信号，发电机二次侧的实际电压和电流信号通过DA转换成交流模拟信号，再经功率放大后给励磁系统检测，从而构成闭环仿真实验；能够真实的反应发电机和交流励磁机的动态过程，不需要通过大型电力系统实时仿真就能够真实的反应发电机和交流励磁机的动态过程；可实现开环测试模式，以在实现励磁系统的静态试验；易于操作，可方便运行维护人员熟悉各种励磁系统试验，利于培养专业励磁系统人员。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的励磁系统测试装置的原理框图；

图2是本发明实施例的采样单元的电路图；

图3是本发明实施例的内置交流励磁机和发电机模型的原理结构图；

图4是本发明实施例的交流信号输出单元的电路图；

图5是本发明新型的输出功率放大单元的电路图；

图6是本发明实施例的励磁系统测试装置的电源结构框图；

图7是本发明实施例的励磁系统测试方法的流程图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种励磁系统测试装置及方法，解决了现有技术中励磁系统的测试成本高，不能实现闭环仿真的缺陷。实现了对励磁系统的闭环仿真，且实现在发电机启动前测试以降低测试成本。

本发明实施例解决上述技术问题的总体思路如下：提供一种励磁系统测试装置，包括采样单元1、内置交流励磁机和发电机模型2、控制单元3、交流信号输出单元4、输出功率放大单元5和输入输出单元6。采样单元1采集励磁系统输出的励磁电压，内置交流励磁机和发电机模型2实时计算出发电机电压、电流信号值；控制单元3将发电机电压、电流信号值传送至交流信号输出单元4以变换成模拟信号，再经输出功率放大单元5输出满足励磁系统测试需求的信号。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参见图1为本发明实施例的励磁系统测试装置的原理框图。本发明实施例的励磁系统测试装置包括：采样单元1、内置交流励磁机和发电机模型2、控制单元3、交流信号输出单元4、输出功率放大单元5和输入输出单元6。

其中，采样单元1用于采集励磁系统输出的励磁电压，再将励磁电压与预设额定励磁电压比较，得到励磁电压对应的标幺值并送至内置交流励磁机和发电机模型2。所述标幺值为内置交流励磁机和发电机模型2的输入信号。

内置交流励磁机和发电机模型2用于基于励磁电压的标幺值，获取发电机电压和电流，并根据预设的发电机二次侧额定电压和电流将发电机电压和电流换算成发电机二次侧的实际电压和电流。

控制单元3用于将内置交流励磁机和发电机模块2计算出来的发电机二次侧实际电压和电流值转换成对应的数码值，并送至交流信号输出单元4。

交流信号输出单元4将发电机二次侧实际电压和电流的数码值转换成双极性模拟信号。

功率放大单元5用于将双极性模拟信号进行功率和幅值放大，以使模拟交流电压信号的输出功率满足励磁系统测试需求。

输入输出单元6通过串口与控制单元3之间通讯，用于显示运行数据和状态，并将设置的仿真参数发送至控制单元3。输入输出单元6可为触摸屏等。

由此，本发明实施例的励磁系统测试装置可构成实现闭环仿真，且可实现在发电机启动前测试以降低测试成本。

以下将结合图2至图5对本发明实施例的励磁系统测试装置进行详细介绍。

参见图2为本发明实施例的采样单元的电路图。本发明实施例的采样单元1包括：调理电路11、AD转换器12、第一参考电源13、第一隔离电源14和第一数字隔离器15。其中，调理电路11与AD转换器12连接，第一参考电源13与AD转换器12连接，第一隔离电源14与AD转换器12连接，第一数字隔离器15与AD转换器12连接。

调理电路11用于将励磁系统输出的励磁电压进行降压、滤波和稳压后，输出至AD转换器12。

第一参考电源13用于为AD转换器12提供高精度的AD比较电源。

第一隔离电源14用于提供工作电源。

AD转换器12用于将经降压、滤波和稳压后的励磁电压经过AD转换成数字信号。

第一数字隔离器15用于将所述数字信号传送至控制单元3。具体的，第一数字隔离器15以SPI方式将数字信号传送至控制单元3。

具体的，在本发明实施例中，调理电路1包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、稳压二极管DW1、跟随器P1、电阻R4、稳压二极管DW2和电容C2。其中，跟随器P1的同相输入端通过串联的电阻R1和电阻R2与励磁系统连接，并经过电阻R3接地。稳压二极管DW1的阴极与跟随器P1的同相输入端连接，以及与电阻R2的一端连接。稳压二极管DW1的阳极接地。电容C1的一端与跟随器P1的同相输入端连接，以及与电阻R2的一端连接。电容C1的另一端接地。跟随器P1的反向输入端与跟随器P1的输出端连接。跟随器P1的输出端通过电阻R4与AD转换器12连接，并通过电阻R4与稳压二极管DW2的阴极连接。稳压二极管DW2的阳极接地。电容C2的一端与电阻R4的一端连接，并与AD转换器12连接。电容C2的另一端接地。

本发明实施例的采样单元1的工作原理为：励磁系统输出0V-300V励磁电压信号经电阻R1、电阻R2和电阻R3，被转换成0V-5V电压信号。电容C1对转换后的0V-5V励磁电压进行滤波。稳压二极管DW1进行稳压，以使输入到后一级电路的电压不超过5V。滤波并稳压后输出的0V-5V电压信号进入跟随器P1，以使输出的信号可以有效的提高带负载能力，电阻R4有效的防止后一级电路短路对跟随器P1造成影响，稳压二极管DW2用于稳压以保护AD转换器12。第一参考电源13提供高精度的5V电压源，作为AD转换器12输入电压的转换参考电压。AD转换器12将经调理电路11输出的电压转换成对应ADC码值，具体的，输入信号0V-5V对应的ADC码值为0-65535。第一数字隔离器15将AD转换器12转换成的ADC码值通过隔离的三线SPI方式传送至控制单元3。控制单元3根据读取的ADC码值计算出励磁系统的输出励磁电压，用计算得出的励磁电压作为交流励磁机和发电机数学模型2的输入量Ufe。

参见图3为本发明实施例的内置交流励磁机和发电机模型的原理结构图。内置交流励磁机和发电机模型2包括交流励磁机模型20和发电机模型21。

交流励磁机模型20包括：第一去磁单元201、换相电抗压降单元202、同步电抗压降单元203、整流放大单元204、自励饱和单元205和D轴阻尼效应单元206。

参见图3，第一去磁单元201中K1为励磁机去磁系数。K1反应交流励磁机去磁效应，该系数由励磁机空载特性曲线和励磁机负载特性曲线求得，通过输入输出单元6设置。

换相电抗压降单元202中K4为励磁机换相电抗系数。K4反应交流励磁机带上旋转整流负载以后的换相电抗后的换相电抗压降。

同步电抗压降单元203中K2为励磁机同步电抗压降系数。K2反应交流励磁机同步电抗在励磁机带负载以后的电压压降。

整流放大单元204中K5为励磁机整流放大系数。K5反应励磁机旋转整流器放大系数。

自励饱和单元205中KE为励磁机自励系数，SE为励磁机饱和系数。KE和SE反应交流励磁机励磁方式和饱和系数。

D轴阻尼效应单元206中KEF为励磁机D轴阻尼系数，TEF为励磁机D轴阻尼时间常数。

此外，图3中，Ufe为交流励磁机励磁电压，S为积分因子，TE为励磁机时间常数，Efq为励磁机内电势，K6为励磁机和发电机电压换算系数。

交流励磁机模型20的工作原理为：自励饱和单元205组成反馈环节1。D轴阻尼效应单元206组成反馈环节2。第一去磁单元201组成反馈环节3。交流励磁机励磁电压Ufe减去三个负反馈(反馈环节1、反馈环节2和反馈环节3)后经过励磁时间常数TE构成的积分环节得到励磁机内电势Efq。励磁机内电势Efq减去同步电抗压降单元203形成的反馈环节后，进入整流放大单元204，经过励磁机整流放大系数K5后由AC电压转换成DC电压，整流后的DC电压减去由换相电抗压降单元202构成的负反馈后为最后输出的DC电压，该DC电压经过交流励磁机电压和发电机的励磁电压换算系数K6后输出最终的发电机励磁电压Ufg。

由此，输入的交流励磁机励磁电压Ufe经过积分环节后，输出励磁机内电势Efq，励磁机内电势Efq经过同步电抗压降单元203、整流放大单元204、换相电抗压降单元202后转换成发电机励磁电压Ufg。

发电机励磁电压Ufg进入发电机模型21后进一步计算出发电机电压U、电流I_FD。具体的，参见图3，发电机模型21包括：第二去磁单元210、转速单元211、发电机饱和单元212和电抗压降单元213。

第二去磁单元210中Kq为去磁系数。Kq反应发电机并网以后定子电流的去磁作用。

转速单元211中Tdx为发电机空载饱和系数。Tdx为发电机转子时间常数，反应发电机转子电感的惯性作用。

发电机饱和单元212中KG为发电机空载饱和系数。KG反应发电机空载饱和特性，饱和系数KG与发电机的电压呈指数关系。

电抗压降单元213中Xd为发电机D轴同步电抗。Xd反应发电机并网以后定子电流在同步电抗上引起的电压压降。

此外，图3中，Ifg为发电机励磁电流，Eq为发电机内电势，S为积分因子，TG为发电机时间常数，U为发电机机端电压，IFD为发电机机端电流。Kq反应发电机并网以后定子电流的去磁作用。

发电机模型21的工作原理为：发电机励磁电压Ufg减去由发电机饱和单元212的1+KG构成的负反馈环节，减去发电机第二去磁单元210构成的反馈环节，经过发电机时间常数TG构成的积分环节得到发电机内电势Eq，Eq经过电抗压降单元213后输出发电机机端电压U和发电机机端电流IFD。发电机机端电压U和发电机机端电流IFD输入到交流信号输出单元4。

本发明实施例中，交流励磁机模型20和发电机模型21中各个系数可通过输入输出单元6进行设置。

本发明实施例的内置交流励磁机和发电机数学模型2具有第一去磁单元201、换相电抗压降单元202、同步电抗压降单元203、第二去磁单元210、转速单元211、发电机饱和单元212等，由此，本发明实施例的励磁系统测试装置，不需要通过大型电力系统实时仿真就能够真实的反应发电机和交流励磁机的动态过程。

参见图4为本发明实施例的交流信号输出单元的电路图。交流信号输出单元4包括：第二隔离电源44、第二参考电源47、第三参考电源48、第二数字隔离器45、输出缓冲电路41、DA转换器46和输出滤波电路49。其中，第二数字隔离器45与控制单元3连接，DA转换器46分别与第二参考电源47、第三参考电源48、输出缓冲电路41连接。输出缓冲电路41与输出滤波电路49连接。输出缓冲电路41包括跟随器P2和电阻R5。输出滤波电路49包括：电阻R6和电阻C3。

交流信号输出电路4的工作原理为：控制模块3将发电机模型21计算出的发电机机端电压U和发电机机端电流IFD对应的DAC码值通过第二数字隔离器45发送至DA转换器46。具体的，第二数字隔离器45将发电机模型21计算出的DAC码值通过隔离的三线SPI方式传送至DA转换器46。DA转换器46，将经过DAC码值转换成对应的双极性模拟信号，其中，DAC码值0-65535对应的DAC转换输出电压为-5V-+5V。DA转换器46输出的双极性模拟信号经过跟随器P2、电阻R5组成的输出缓冲电路41进入由电阻R6和电阻C3组成的输出滤波电路49。输出滤波电路49进行滤波后的信号输入到输出功率放大单元5。

在本发明实施例的交流信号输出单元4中，第二隔离电源44，将输入电源转换成双极性的电压源，为交流信号输出工作电路提供双极性的工作电源。第二参考电源47和第三参考电源48为高精度双极性参考电源。其中，第二参考电源提供幅值+5V的正极性DAC参考电源。第三参考电源48提供-5V的负极性DAC参考电源，为双极性正弦波信号的DA转换提供正负半波的参考电压源。

参见图5为本发明新型的输出功率放大单元的电路图。输出功率放大单元5包括：幅值及功率放大电路50、过流检测电路51、过温检测电路52、过压保护电路53。

幅值及功率放大电路50用于将交流信号输出单元4输出的电压信号进行幅值和功率放大以输出满足励磁系统测试的交流信号。

过流检测电路51用于采集输出回路的电流，当电流超过一定的幅值后，输出信号给控制单元3。

过温检测电路52用于进行过温检测，当温度超过预设值后，输出信号给控制单元3。

过压保护电路53用于对输出的过电压进行吸收。

具体的，幅值及功率放大电路50包括：集成功率放大器A1、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10。过流检测电路51包括：电阻R11和电阻R12。过温检测电路52包括：电阻R14、光电隔离器U2和开关管Q1。过压保护电路53包括：二极管D1、二极管D2、大容量滤波电容E1和大容量滤波电容E2。

参见图5，集成功率放大器A1的同相输入端分别经电阻R7与集成运算放大器P2的输出端连接以及经电阻R8接地；集成功率放大器A1的反相输入端分别经电阻R9接地以及经电阻R10与集成功率放大器A1的输出端连接。开关管Q1的栅极与集成功率放大器A1的正电源端(ES端)连接；开关管Q1的源极接地；开关管Q1的漏极与光电隔离器U2的输入端二极管的阳极连接；光电隔离器U2的输入端二极管的阴极与+V连接。二极管D1的阴极分别与+V连接以及与电容E1的一端连接。电容E1的另一端接地。二极管D1的阳极分别与二极管D2的阴极及集成功率放大器A1的输出端连接；二极管D2的阳极分别与-V端连接及电容E2的一端连接。电容E2的另一端接地。二极管D2的阴极与集成功率放大器A1的输出端连接。电阻R12的一端分别与集成功率放大器A1的输出端、电阻R11的一端及经过电阻R13与光电隔离器U1的二极管的阴极连接。电阻R12的另一端分别与输出端、二极管D3的阳极及光电隔离器U1的二极管的阳极连接。电阻R11的一端分别与集成功率放大器A1的输出端及经电阻R13与光电隔离器U1的二极管的阴极连接。电阻R11的另一端分别与输出端、二极管D3的阳极及光电隔离器U1的二极管的阳极连接。

本发明实施例的输出功率放大单元5的工作原理为：交流信号输出单元4输出的电压信号(VOUT)经过电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10和集成功率放大器A1后，其幅值和功率得到放大；当集成功率放大器A1出现过温信号后，ES电平发生变化，触发开关管Q1，光电隔离器U2动作，信号输出至控制单元3；当VOUT出现正半波高于电源V+过电压时，电压通过二极管D1被E1滤波吸收以进行过压保护；当VOUT出现正半波低于电源V-过电压时，电压通过二极管D2被E2滤波吸收以进行过压保护；当出现过流时，光电隔离器U1动作，输出经过隔离的开关信号给控制单元3。控制单元3接收到经光电隔离器U2和/或光电隔离器U3传输的信号时，进行关断输出、报警等。

由此，本发明实施例的励磁系统测试装置可满足励磁系统的检测要求，实现闭环仿真测试，且可实现过压、过流和过温保护。

在本发明实施例中，功率放大电源和工作电源由交流电源输入经过降压整流后提供。具体的，参见图6，本发明实施例的励磁系统测试装置还包括：降压变压单元60和整流滤波单元61。降压变压单元60用于将输入电源进行降压和变压后输出工作电源；整流滤波单元61用于将所述工作电源整流和滤波后输出功放电源。由此，输入电源经降压变压单元60后输出工作电源，以为本发明实施例的励磁系统测试装置提供工作电源。具体的，图2中的VCC即为工作电源。参见图6，输入电源经降压变压单元60及整流滤波单元61后输出功放电源，以为本发明实施例的输出功率放大单元6提供功放电源。具体的，图5中的+V、-V端即为功放电源的两端。应理解，输入电源、降压变压单元60和整流滤波单元61可采用现有技术，在此不再详细介绍。

本发明实施例的励磁系统测试装置，将励磁电压信号经采样单元后输出励磁系统输出的励磁电压，经过内置交流励磁机和发电机数学模型后获得发电机二次侧的实际电压和电流信号，发电机二次侧的实际电压和电流信号通过DA转换成交流模拟信号，再经功率放大后给励磁系统检测，从而构成闭环仿真实验。

此外，本发明实施例的励磁系统测试装置的内置交流励磁机和发电机数学模型具有第一去磁单元201、换相电抗压降单元202、同步电抗压降单元203、第二去磁单元210、转速单元211、发电机饱和单元212等，能够真实的反应发电机和交流励磁机的动态过程，不需要通过大型电力系统实时仿真就能够真实的反应发电机和交流励磁机的动态过程。

本发明实施例的励磁系统测试装置可实现开环测试模式，以在实现励磁系统的静态试验，可在静态测试时输出满足励磁系统测试需要的三相电压和电流信号。具体的，在开环测试模式时，可通过输入输出单元6设置励磁系统测试所需要的三相电压和电流；控制单元3将通过输入输出单元6的设置三相电压和电流信号传送给交流信号输出单元4；交流信号输出单元4即将其转换成双极性模拟信号，再经过功率放大单元5后输出满足励磁系统测试需求的信号，由此，测试励磁装置模拟量采集特性，从而实现励磁系统的静态试验。

本发明实施例的励磁系统测试装置可通过输入输出单元6进行仿真参数的设置、数据及仿真过程的查看。本发明实施例的励磁系统测试装置易于操作，可方便运行维护人员熟悉各种励磁系统试验，利于培养专业励磁系统人员。

参见图7为本发明实施例的励磁系统测试方法的流程图。该方法包括：

S1、采集励磁系统输出的励磁电压，将励磁电压与预设额定励磁电压比较，以获取励磁电压对应的标幺值。

S2、基于励磁电压的标幺值获取发电机电压和电流。

S3、根据预设的发电机二次侧额定电压和电流，将发电机电压和电流换算成发电机二次侧的实际电压和电流信号。

S4、将所述发电机二次侧实际电压和电流值转换成对应的数码值。

S5、将所述数码值转换成对应的双极性模拟信号。

S6、将双极性模拟信号进行功率和幅值放大后输出。

步骤S2具体包括以下步骤：

将所述励磁电压的标幺值与交流励磁机反馈的自励饱和单元205、D轴阻尼效应单元206、第一去磁单元201比较后，经过励磁机时间常数TE构成的积分环节得到励磁机电势Efq；

将所述励磁机电势Efq经过同步电抗压降单元203、整流放大单元204、换相电抗压降单元202后换算成发电机励磁电压Ufg；

将所述发电机励磁电压Ufg与发电机饱和单元212、第二去磁单元210进行比较后，经过发电机时间常数TG构成的积分环节得到发电机内电势Eq；

将所述发电机内电势Eq经过电抗压降单元213后输出发电机电压和电流信号。

应理解，该方法的实施过程与上述励磁系统测试装置的一个或多个实施例的实施原理细节和相同，在此就不再一一赘述了。

综上，本发明实施例的励磁系统测试装置及方法，实现在机组静止时进行全面的静态试验、动态试验、并网带负荷试验，可对发电机励磁系统进行全面的检测、排查励磁系统开机前的各种隐患；可实现对励磁系统的联调和闭环仿真，且可满足在发电机启动前测试以降低成本。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (12)

1.一种励磁系统测试装置，其特征在于，包括：采样单元(1)、内置交流励磁机和发电机模型(2)、控制单元(3)、交流信号输出单元(4)、输出功率放大单元(5)和输入输出单元(6)；

其中，采样单元(1)用于采集励磁系统输出的励磁电压，再将励磁电压与预设额定励磁电压比较，得到励磁电压对应的标幺值并送至内置交流励磁机和发电机模型(2)；

内置交流励磁机和发电机模型(2)用于基于励磁电压的标幺值，获取发电机电压和电流，并根据预设的发电机二次侧额定电压和电流将发电机电压和电流换算成发电机二次侧的实际电压和电流；

控制单元(3)用于将内置交流励磁机和发电机模块(2)计算出来的发电机二次侧实际电压和电流值转换成对应的数码值，并送至交流信号输出单元(4)；

交流信号输出单元(4)将发电机二次侧实际电压和电流的数码值转换成双极性模拟信号；

功率放大单元(5)用于将双极性模拟信号进行功率和幅值放大。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：输入输出单元(6)；

所述输入输出单元(6)通过串口与所述控制单元(3)之间通讯，用于显示运行数据和状态，并将设置的仿真参数发送至控制单元(3)。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述采样单元(1)包括：调理电路(11)、AD转换器(12)、第一参考电源(13)、第一隔离电源(14)和第一数字隔离器(15)；

所述调理电路(11)与所述AD转换器(12)连接，所述第一参考电源(13)与所述AD转换器(12)连接，所述第一隔离电源(14)与所述AD转换器(12)连接，所述第一数字隔离器(15)与所述AD转换器(12)连接；

所述调理电路(11)用于将励磁系统输出的励磁电压进行降压、滤波和稳压后，输出至所述AD转换器(12)；

所述第一参考电源(13)用于为所述AD转换器(12)提供高精度的AD比较电源；

所述第一隔离电源(14)用于提供工作电源；

所述AD转换器(12)用于将经降压、滤波和稳压后的励磁电压经过AD转换成数字信号；

所述第一数字隔离器(15)用于将所述数字信号传送至所述控制单元(3)。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一数字隔离器(15)以SPI方式将所述数字信号传送至所述控制单元(3)。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述内置交流励磁机和发电机模型(2)包括交流励磁机模型(20)和发电机模型(21)；

所述交流励磁机模型(20)包括：第一去磁单元(201)、换相电抗压降单元(202)、同步电抗压降单元(203)、整流放大单元(204)、自励饱和单元(205)和D轴阻尼效应单元(206)；

交流励磁机励磁电压Ufe减去分别由所述第一去磁单元(201)、所述自励饱和单元(205)和所述D轴阻尼效应单元(206)构成的三个负反馈后经过励磁时间常数TE构成的积分环节得到励磁机内电势Efq；

所述励磁机内电势Efq减去所述同步电抗压降单元(203)形成的反馈环节后，进入所述整流放大单元(204)，经过励磁机整流放大系数后由AC电压转换成DC电压，整流后的DC电压减去由所述换相电抗压降单元(202)构成的负反馈后输出DC电压，该DC电压经过交流励磁机电压和发电机的励磁电压换算系数后输出最终的发电机励磁电压Ufg。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述发电机模型(21)包括：第二去磁单元(210)、转速单元(211)、发电机饱和单元(212)和电抗压降单元213；

所述发电机励磁电压Ufg减去由所述发电机饱和单元(212)构成的负反馈环节和减去所述第二去磁单元(210)构成的反馈环节后，经过发电机时间常数T_G构成的积分环节得到发电机内电势Eq，Eq经过所述电抗压降单元(213)后输出发电机机端电压U和发电机机端电流IFD；

所述发电机机端电压U和发电机机端电流I_FD输入到所述交流信号输出单元(4)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述交流信号输出单元(4)包括：第二隔离电源(44)、第二参考电源(47)、第三参考电源(48)、第二数字隔离器(45)、输出缓冲电路(41)、DA转换器(46)和输出滤波电路(49)；

其中，所述第二数字隔离器(45)与所述控制单元(3)连接，所述DA转换器(46)分别与所述第二参考电源(47)、所述第三参考电源(48)、所述输出缓冲电路(41)连接，所述输出缓冲电路(41)与所述输出滤波电路(49)连接；

所述控制模块(3)将所述发电机模型(21)计算出的所述发电机机端电压U和发电机机端电流IFD对应的DAC码值通过所述第二数字隔离器(45)发送至所述DA转换器(46)，所述DA转换器(46)，将所述DAC码值转换成对应的双极性模拟信号；所述双极性模拟信号经所述输出缓冲电路(41)缓冲以及经所述输出滤波电路(49)滤波后输出至所述输出功率放大单元(5)。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述输出功率放大单元(5)包括：幅值及功率放大电路(50)、过流检测电路(51)、过温检测电路(52)和过压保护电路(53)；

所述幅值及功率放大电路(50)用于将所述交流信号输出单元(4)输出的电压信号进行幅值和功率放大以输出满足励磁系统测试的交流信号；

所述过流检测电路(51)用于采集输出回路的电流，当电流超过一定的幅值后，输出信号给控制单元(3)；

过温检测电路(52)用于进行过温检测，当温度超过预设值后，输出信号给控制单元(3)；

过压保护电路(53)用于对输出的过电压进行吸收。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述幅值及功率放大电路(50)包括：集成功率放大器A1、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10；所述过流检测电路(51)包括：电阻R11和电阻R12；所述过温检测电路(52)包括：电阻R14、光电隔离器U2和开关管Q1；所述过压保护电路(53)包括：二极管D1、二极管D2、大容量滤波电容E1和大容量滤波电容E2。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：降压变压单元(60)和整流滤波单元(61)；

所述降压变压单元(60)用于将输入电源进行降压和变压后输出工作电源；

所述整流滤波单元(61)用于将所述工作电源整流和滤波后输出功放电源。

11.一种励磁系统测试方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、采集励磁系统输出的励磁电压，将励磁电压与预设额定励磁电压比较，以获取励磁电压对应的标幺值；

S2、基于励磁电压的标幺值获取发电机电压和电流；

S3、根据预设的发电机二次侧额定电压和电流，将发电机电压和电流换算成发电机二次侧的实际电压和电流信号；

S4、将所述发电机二次侧实际电压和电流值转换成对应的数码值；

S5、将所述数码值转换成对应的双极性模拟信号；

S6、将双极性模拟信号进行功率和幅值放大后输出。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

将所述励磁电压的标幺值与交流励磁机反馈的自励饱和单元(205)、D轴阻尼效应单元(206)、第一去磁单元(201)比较后，经过励磁机时间常数TE构成的积分环节得到励磁机电势Efq；

将所述励磁机电势Efq经过同步电抗压降单元(203)、整流放大单元(204)、换相电抗压降单元(202)后换算成发电机励磁电压Ufg；

将所述发电机励磁电压Ufg与发电机饱和单元(212)、第二去磁单元(210)进行比较后，经过发电机时间常数TG构成的积分环节得到发电机内电势Eq；

将所述发电机内电势Eq经过电抗压降单元(213)后输出发电机电压和电流信号。