CN109194215B

CN109194215B - 一种同步发电机功率曲线在励磁系统的自动绘制方法

Info

Publication number: CN109194215B
Application number: CN201811052786.6A
Authority: CN
Inventors: 邱建; 张李军
Original assignee: Dongfang Electric Automatic Control Engineering Co ltd
Current assignee: Dongfang Electric Automatic Control Engineering Co ltd
Priority date: 2018-09-10
Filing date: 2018-09-10
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2038-09-10
Also published as: CN109194215A

Abstract

本发明公开了一种同步发电机功率曲线在励磁系统的自动绘制方法，包括如下步骤：建立励磁控制器和人机界面Modbus/TCP通讯连接；励磁控制器采集发电机运行数据，人机界面采集设定参数，将采集的设定参数通过Modbus/TCP通讯传递给励磁控制器；励磁控制器根据步骤2获得的发电机运行数据和设定参数，进行中间参数的计算，并将计算所得中间参数通过Modbus/TCP通讯传递给人机界面；人机界面根据步骤3获得的中间参数，进行数据处理，并自动绘制发电机功率曲线。本发明可实现发电机功率曲线、发电机实际工作点的自动绘制、实时更新和实时监视。

Description

一种同步发电机功率曲线在励磁系统的自动绘制方法

技术领域

本发明属于发电机励磁控制领域，尤其涉及一种同步发电机功率曲线在励磁系统的自动绘制方法。

背景技术

同步发电机的功率曲线通常又称为发电机P-Q曲线、发电机安全运行极限图。它表示了发电机在各种功率因数下，能够容许的有功功率P和无功功率Q的关系曲线。同步发电机的功率曲线够很好地描述发电机的理论运行极限，并对实际运行点进行评估，对发电机的有功调节和无功调节提供依据。

一般由发电机制造厂提供的功率曲线由功率限制线、转子发热限制线、理论运行极限确定。为了确保机组的安全运行，励磁系统中设置了最大/最小励磁电流限制、定子电流限制和低励限制，由于这些限制器的作用，发电机实际有效运行区域比发电机制造厂提供的功率曲线更小。电厂监控系统没有获取励磁系统各限制器的参数设置，因此仅能显示由发电机制造厂提供的功率曲线，不能真实反应机组实际有效工作区域。故而,在励磁系统人机界面上绘制并实时监视实际的发电机功率曲线对于监测发电机组实际工作状态，维持机组安全稳定运行很有意义。

如中国专利公告号为CN106089599A，于2016.11.09公开了一种基于分位数的风力发电机组功率曲线绘制方法，在功率-风速坐标系中，以风速段定义bin，在每个bin中找出描绘风力发电机组在此风速段的多个对应于不同分位数的功率值点，每一分位数有一个对应概率 P，在各个bin中选取具有相同分位数对应的功率值点，将选取的这些功率值点连线形成该分位数对应概率P的功率曲线。此类基于分位数的风力发电机组功率曲线绘制方法，测量风力发电机组功率值并绘制基于分位数的功率曲线时，即使出现由于错误操作或者错误读数等原因导致的畸高或畸低的功率值，由于不像取功率值的平均值来计算的方法一样需要所有选取的功率值参与计算。上述专利描述了风机发电机组功率曲线是指风速和发电机组功率的关系曲线。

还有中国专利公告号为CN107542627A，于2018.1.5公开了一种风力发电机组功率曲线绘制方法及绘制系统，其中，所述方法通过采集风速和待计算功率，并根据采集的风速和实际需求计算待计算风速，并利用所述待计算风速和待计算功率进行所述功率曲线数据点的计算，利用所述功率曲线数据点绘制风力发电机组功率曲线。所述待计算风速可以根据实际需求在所述风速平均值或最大值或最小值中进行选择，同样的，所述待计算功率可以根据实际需求或规定在所述风力发电机组上网功率或有功功率或发电机系统有功功率中进行选择。上述专利描述了风机发电机组功率曲线是指风速和发电机组功率的关系曲线。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种同步发电机功率曲线在励磁系统的自动绘制方法，该绘制方法可实现发电机功率曲线、发电机实际工作点的自动绘制、实时更新和实时监视。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种同步发电机功率曲线在励磁系统的自动绘制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立励磁控制器和人机界面Modbus/TCP通讯连接；

步骤2：励磁控制器采集发电机运行数据，人机界面采集设定参数，将采集的设定参数通过Modbus/TCP通讯传递给励磁控制器；

步骤3：励磁控制器根据步骤2获得的发电机运行数据和设定参数，进行中间参数的计算，并将计算所得中间参数通过Modbus/TCP通讯传递给人机界面；

步骤4：人机界面根据步骤3获得的中间参数，进行数据处理，并自动绘制发电机功率曲线。

所述步骤1中通讯连接的方式为，将人机界面IP地址配置为励磁控制器IP地址同一个网段的地址。

所述步骤2中：

所述发电机运行数据包括机端电压Ug、机端电流Ig和励磁电流If；

所述设定参数包括最大励磁电流限制倍数kf max、最小励磁电流限制倍数kfmin、定子电流限制倍数ki max、低励限制设定参数(Q1,P1)、(Q2,P2)、(Q3,P3)、(Q4,P4)、(Q5,P5)，以及机组特性设定参数直轴同步电抗Xd、横轴同步电抗X_q、额定有功功率P_N和额定无功功率Q_N；其中：P1、P2、P3、P4和P5的范围是0～1；Q1、Q2、Q3、Q4和Q5的范围是-1～0。

所述步骤3中：

所述中间参数的计算包括如下步骤：

步骤3-1：计算额定功角：

θ_N为额定功角，所述额定功角为发电机额定工况下的功角；

步骤3-2：计算功率曲线使用的额定励磁电流向量长度：

其中If_{PQ_N}为额定励磁电流向量长度；

步骤3-3：利用最大励磁电流限制倍数kf max，计算功率曲线使用的励磁电流限制向量长度：If_{PQ_max}＝kf max×If_{PQ_N}；

步骤3-4：利用最小励磁电流限制倍数kf min，计算功率曲线使用的励磁电流限制向量长度：If_{PQ_min}＝kf min×If_{PQ_N}；

步骤3-5，计算中间参数A max、A min、B、C和无功调整量QLim_d：

A max＝If_{PQ_max}×Ug

A min＝If_{PQ_min}×Ug

步骤3-6：励磁控制器通过Modbus/TCP通讯将中间参数A max、A min、B、C和QLim_d传递给人机界面。

所述步骤4中：自动绘制发电机功率曲线包括如下步骤：

步骤4-1：建立功率曲线坐标轴，定义横坐标为无功功率Q，纵坐标为有功功率P，它们的标幺基准值均为视在功率S，曲线中仅显示P>0的两个象限；

步骤4-2：绘制最大励磁电流限制曲线：

X轴：Q_Ifmax＝A max×cosθ+B×cos2θ+C；

Y轴：P_Ifmax＝A max×sinθ+B×sin2θ；

以(Q_Ifmax，P_Ifmax)绘制最大励磁电流限制曲线，最大励磁电流限制曲线的绘制范围为θ＝0～35°；

步骤4-3：绘制最小励磁电流限制曲线；

X轴：Q_Ifmin＝A min×cosθ+B×cos2θ+C；

Y轴：P_Ifmin＝A min×sinθ+B×sin2θ；

以(Q_Ifmin，P_Ifmin)绘制最小励磁电流限制曲线，最小励磁电流限制曲线的绘制范围为θ＝0～90°；

步骤4-4：绘制定子电流限制曲线；

X轴：Q_Igmax＝U×ki max×sinφ；

Y轴：P_Igmax＝U×ki max×cosφ；

式中，当机组未并网时，U＝1；机组并网后，U＝Ug；

以(Q_Igmax，P_Igmax)绘制定子电流限制曲线，其中：φ＝3°～90°，为滞相区定子电流限制曲线；φ＝-90°～-3°为进相区定子电流限制曲线；

步骤4-5：绘制低励限制曲线；

人机界面根据设定的五个点(Q1,P1)、(Q2,P2)、(Q3,P3)、(Q4,P4)、(Q5,P5)以及从调节器实时获取的无功调整量QLim_d，转化为在PQ坐标系上对应的5个点：

N1(Q1+Q_{Lim_d},P1)，N2(Q2+Q_{Lim_d},P2)，N3(Q3+Q_{Lim_d},P3)，N4(Q4+Q_{Lim_d},P4)，

N5(Q5+Q_{Lim_d},P5)，5个点在PQ坐标上连接起来，即为低励限制曲线。

所述步骤4-4中还包括绘制滞相死区界限和进相死区界限：

以(U×ki max×sin3°,U×ki max×cos3°)和(U×ki max×sin3°,1.2)两点绘制线段，该线段为滞相死区界限；

以(-U×ki max×sin3°,U×ki max×cos3°)和(-U×ki max×sin3°,1.2)两点绘制线段，该线段为进相死区界限；

上式中，当机组未并网时，U＝1；机组并网后，U＝Ug。

还包括步骤5：发电机实际工作点的自动绘制，具体为：人机界面从励磁控制器取得当前发电机有功功率P、无功功率Q的标幺值，将其转化为用于功率曲线PQ坐标系的工作点(Q， P)并绘制在功率曲线中。

励磁控制器和人机界面程序中设置循环周期，每一个循环周期，励磁控制器和人机界面重复步骤2至步骤5，完成发电机功率曲线、实际工作点的实时更新，达到对发电机功率曲线和发电机工作状态的实时监视。

本发明具有以下优点：

1.采用励磁控制器和人机界面配合，可实现发电机功率曲线、发电机实际工作点的自动绘制、实时更新和实时监视。

2.根据励磁系统各限制器绘制发电机实际有效工作区域，并监测发电机实际工作点，运行人员能够更方便、准确地掌握发电机组工作状态，及时做出调整，保证机组稳定运行。

3.周期性的实时更新发电机功率曲线和实际工作点，保证信息的实时、准确。

附图说明

图1为本发明绘制的功率曲线。

图2为本发明的流程图。

图1中，曲线1为最大励磁电流限制曲线，曲线2为最小励磁电流限制曲线，曲线3为滞相区定子电流限制曲线，曲线4为进相区定子电流限制曲线，曲线5为滞相死区界限，曲线6为进相死区界限，曲线7为低励限制曲线，点8为发电机实时运行点。由曲线1、3、4、 5、6、7作为边界所形成的区域为发电机实际有效运行区域。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

实施例1

一种同步发电机功率曲线在励磁系统的自动绘制方法，其特征于，包括如下步骤：

步骤1：建立励磁控制器和人机界面Modbus/TCP通讯连接；

步骤2中：

发电机运行数据包括机端电压Ug、机端电流Ig和励磁电流If；并通过计算将运行数据转化为标幺值作为计算输入数据。

设定参数包括最大励磁电流限制倍数kf max、最小励磁电流限制倍数kf min、定子电流限制倍数ki max、低励限制设定参数(Q1,P1)、(Q2,P2)、(Q3,P3)、(Q4,P4)、(Q5,P5)，以及机组特性设定参数直轴同步电抗Xd、横轴同步电抗X_q、额定有功功率P_N和额定无功功率Q_N；其中：P1、P2、P3、P4和P5的范围是0～1；Q1、Q2、Q3、Q4和Q5的范围是-1～0。

人机界面通过Modbus/TCP通讯将最大励磁电流限制倍数kf max、最小励磁电流限制倍数kf min、直轴同步电抗Xd和横轴同步电抗Xq传递给励磁控制器作为计算输入数据。

步骤3中：

中间参数的计算包括如下步骤：

步骤3-1：计算额定功角：

θ_N为额定功角，所述额定功角为发电机额定工况下的功角；

步骤3-2：计算功率曲线使用的额定励磁电流向量长度：

其中If_{PQ_N}为额定励磁电流向量长度；

步骤3-5，计算中间参数A max、A min、B、C和无功调整量QLim_d：

A max＝If_{PQ_max}×Ug

A min＝If_{PQ_min}×Ug

步骤4中：自动绘制发电机功率曲线包括如下步骤：

步骤4-2：绘制最大励磁电流限制曲线：

X轴：Q_Ifmax＝A max×cosθ+B×cos2θ+C；

Y轴：P_Ifmax＝A max×sinθ+B×sin2θ；

步骤4-3：绘制最小励磁电流限制曲线；

X轴：Q_Ifmin＝A min×cosθ+B×cos2θ+C；

Y轴：P_Ifmin＝A min×sinθ+B×sin2θ；

步骤4-4：绘制定子电流限制曲线；

X轴：Q_Igmax＝U×ki max×sinφ；

Y轴：P_Igmax＝U×ki max×cosφ；

式中，当机组未并网时，U＝1；机组并网后，U＝Ug；

以(Q_Igmax，P_Igmax)绘制定子电流限制曲线，其中：φ＝3°～90°，为滞相区定子电流限制曲线；φ＝-90°～-3°为进相区定子电流限制曲线。

该步骤中还包括绘制滞相死区界限和进相死区界限：

上式中，当机组未并网时，U＝1；机组并网后，U＝Ug。

步骤4-5：绘制低励限制曲线；

N1(Q1+Q_{Lim_d},P1)，N2(Q2+Q_{Lim_d},P2)，N3(Q3+Q_{Lim_d},P3)，N4(Q4+Q_{Lim_d},P4)， N5(Q5+Q_{Lim_d},P5)，5个点在PQ坐标上连接起来，即为低励限制曲线。

如：

输入数据中运行数据:

机端电压Ug＝0.95

机端电流Ig＝0.8

励磁电流If＝0.7

输入数据中设定参数:

最大励磁电流限制倍数kf max＝1.1

最小励磁电流限制倍数kf min＝0.01

定子电流限制倍数ki max＝1.05

低励限制设定参数(Q1,P1)、(Q2,P2)、(Q3,P3)、(Q4,P4)、(Q5,P5)分别为：(-0.36,1)、 (-0.43,0.8)、(-0.5,0.6)、(-0.57,0.4)、(-0.72,0)

直轴同步电抗Xd＝0.88

横轴同步电抗X_q＝0.537

额定有功功率P_N＝0.9

额定无功功率Q_N＝0.436

励磁控制器计算得到的中间参数：

Amax＝1.9719

Amin＝0.0179

B＝0.3629

C＝-1.4993

QLim_d＝0.0737。

Claims

1.一种同步发电机功率曲线在励磁系统的自动绘制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立励磁控制器和人机界面Modbus/TCP通讯连接；

步骤4：人机界面根据步骤3获得的中间参数，进行数据处理，并自动绘制发电机功率曲线；

所述步骤1中通讯连接的方式为，将人机界面IP地址配置为励磁控制器IP地址同一个网段的地址；

所述步骤2中：

所述设定参数包括最大励磁电流限制倍数kfmax、最小励磁电流限制倍数kfmin、定子电流限制倍数kimax、低励限制设定参数(Q1,P1)、(Q2,P2)、(Q3,P3)、(Q4,P4)、(Q5,P5)，以及机组特性设定参数直轴同步电抗Xd、横轴同步电抗X_q、额定有功功率P_N和额定无功功率Q_N；其中：P1、P2、P3、P4和P5的范围是0～1；Q1、Q2、Q3、Q4和Q5的范围是-1～0；

所述步骤3中：

所述中间参数的计算包括如下步骤：

步骤3-1：计算额定功角：

θ_N为额定功角，所述额定功角为发电机额定工况下的功角；

步骤3-2：计算功率曲线使用的额定励磁电流向量长度：

其中If_{PQ_N}为额定励磁电流向量长度；

步骤3-3：利用最大励磁电流限制倍数kfmax，计算功率曲线使用的最大励磁电流限制向量长度：If_{PQ_max}＝kfmax×If_{PQ_N}；

步骤3-4：利用最小励磁电流限制倍数kfmin，计算功率曲线使用的最小励磁电流限制向量长度：If_{PQ_min}＝kfmin×If_{PQ_N}；

步骤3-5，计算中间参数Amax、Amin、B、C和无功调整量QLim_d：

Amax＝If_{PQ_max}×Ug

Amin＝If_{PQ_min}×Ug

步骤3-6：励磁控制器通过Modbus/TCP通讯将中间参数Amax、Amin、B、C和QLim_d传递给人机界面；

所述步骤4中：自动绘制发电机功率曲线包括如下步骤：

步骤4-2：绘制最大励磁电流限制曲线：

X轴：Q_Ifmax＝Amax×cosθ+B×cos2θ+C；

Y轴：P_Ifmax＝Amax×sinθ+B×sin2θ；

步骤4-3：绘制最小励磁电流限制曲线；

X轴：Q_Ifmin＝Amin×cosθ+B×cos2θ+C；

Y轴：P_Ifmin＝Amin×sinθ+B×sin2θ；

步骤4-4：绘制定子电流限制曲线；

X轴：Q_Igmax＝U×kimax×sinφ；

Y轴：P_Igmax＝U×kimax×cosφ；

式中，当机组未并网时，U＝1；机组并网后，U＝Ug；

步骤4-5：绘制低励限制曲线；

2.根据权利要求1所述的同步发电机功率曲线在励磁系统的自动绘制方法，其特征在于：

所述步骤4-4中还包括绘制滞相死区界限和进相死区界限：

以(U×kimax×sin3°,U×kimax×cos3°)和(U×kimax×sin3°,1.2)两点绘制线段，该线段为滞相死区界限；

以(-U×kimax×sin3°,U×kimax×cos3°)和(-U×kimax×sin3°,1.2)两点绘制线段，该线段为进相死区界限；

式中，当机组未并网时，U＝1；机组并网后，U＝Ug。

3.根据权利要求1所述的同步发电机功率曲线在励磁系统的自动绘制方法，其特征在于：还包括步骤5：发电机实际工作点的自动绘制，具体为：人机界面从励磁控制器取得当前发电机有功功率P、无功功率Q的标幺值，将其转化为用于功率曲线PQ坐标系的工作点(Q，P)并绘制在功率曲线中。

4.根据权利要求3所述的同步发电机功率曲线在励磁系统的自动绘制方法，其特征在于：励磁控制器和人机界面程序中设置循环周期，每一个循环周期，励磁控制器和人机界面重复步骤2至步骤5，完成发电机功率曲线、实际工作点的实时更新，达到对发电机功率曲线和发电机工作状态的实时监视。