CN109471026B - 一种实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法，此方法充分考虑调相机转子侧的复杂阻尼效应，同时能够帮助合理建立调相机的d轴等效电路模型；另外，各参数解析表达式是经过严格的，没有任何简化的推导过程得到的，最终对各电流响应曲线的拟合用到了各类算法，更为便捷和精确；为实心转子大型调相机动态参数试验后的数据处理以及实心转子大型调相机和其他大容量同步电机的动态参数精确辨识提供了方法与思路。
Description
技术领域
本发明涉及电机试验的参数辨识技术领域，具体是一种实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法。
背景技术
我国现有特高压直流输电系统中普遍存在缺乏动态无功储备容量这类问题，而基于电力电子技术的无功补偿设备，如SVC、STATCOM的动态无功补偿能力不足，因此国家电网公司计划中明确提出将以实心转子大型调相机作为特高压直流输电工程的动态无功补偿设备，并广泛加装于特高压直流输电线路的送、受端换流站。
实心转子大型调相机优良的动态无功输出特性，与其主机性能参数，特别是d轴的动态参数紧密相关。因此在实心转子大型调相机的主机制造上，对其d轴动态参数提出了更高的要求。这些要求可以概括为：直轴各阶电抗尽量小，以保证动态时的无功输出幅值足够大；直轴次暂态时间常数尽量大，增大次暂态过程的动态无功输出；直轴暂态时间常数尽量小，保证实心转子大型调相机能够迅速响应其励磁系统的调节作用。
鉴于以上情况，实心转子大型调相机出厂时必须对影响其动态无功输出特性的d轴动态参数进行试验校核。由于实心转子大型调相机采用隐极实心转子等结构，阻尼效果很强，阻尼回路复杂，因此需要提出合理的动态参数试验方法及参数辨识方法，以对实心转子大型调相机d轴动态参数进行准确辨识。
实心转子大型调相机属于同步电机，现有同步电机d轴参数的试验方法在工程中广泛运用的是机端三相突然短路试验，且仅以同步电机的五绕组数学模型，即认为转子d轴上仅存在一个等效阻尼绕组，来进行动态参数辨识。
现有基于三相突然短路试验和同步电机五绕组模型的d轴动态参数辨识方法缺点主要包括以下两点：
1.进行三相突然短路试验时，各种试验的辅助设备接线复杂，耗时长且危险性大，同时三相突然短路试验会对电机造成不可逆的损伤；
2.基于同步电机五绕组模型进行实心转子大型调相机的d轴动态参数辨识时，认为实心转子大型调相机转子侧仅存在一个等效阻尼绕组，无法考虑实心转子大型调相机转子侧复杂的阻尼效果。在电机端电压突变的动态过程中，调相机转子侧的实心转子与导电槽楔+端环的结构部分均会产生强烈的阻尼效应，不能简单地认为转子侧只具有一条阻尼回路。
3.三相突然短路试验后的数据处理方法是利用半对数坐标纸，通过绘制瞬态电流的包络线首先分离出周期性分量与非周期性分量。然后通过不断外推曲线分离出各阶瞬态过程的电流分量再对参数进行辨识。整个过程非常繁琐而且会存在很大的误差。
4.根据三相突然短路试验得到瞬态电流的解析表达式的过程中进行了许多假设和简化，同样会造成辨识误差。
发明内容
针对利用三相突然短路试验和同步电机五绕组模型对实心转子大型调相机d轴动态参数进行辨识过程中存在的问题和不足，本发明提供一种实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法，其基于具有较高安全性与精确性的脉冲电压注入试验，并且可以计及实心转子大型调相机多阶阻尼效果，减小d轴动态参数的辨识误差。
本发明采用如下技术方案实现：
一种实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法，包括如下步骤：
步骤一、对实心转子大型调相机进行脉冲电压注入试验，其中在进行d轴动态参数试验时，在定子电枢绕组a、b相输入脉冲电压，则仅在定子a、b相绕组与励磁绕组上会产生电流，其中定子a、b相绕组电流与d轴电流成正比，用多路电量录波仪记录下此时定子d轴电流波形数据与励磁绕组电流波形数据；
步骤二、建立实心转子大型调相机的d轴多阻尼回路的高阶数学模型，假设认为d轴等效电路中存在N条阻尼回路，即把导电槽楔与端环构成的回路作为一条阻尼回路，把转子实心体视为N-1阶阻尼回路，建立d轴N阶阻尼回路模型，最终根据计算和拟合结果确定N的值，依据电机瞬态分析理论，确定d轴电流与励磁绕组电流时域表达式的通解形式；
步骤三、对步骤一采集得到的电流响应波形(即定子d轴电流波形数据与励磁绕组电流波形数据)进行去噪处理，具体的，可采用小波阈值去噪方法进行去噪处理。由于试验时所施加的脉冲电压信号幅值较小，测量电流响应时极易受到外界因素的干扰，特别是噪声影响。噪声的存在会大幅降低对电流响应波形进行时域拟合的精度。因此，为实现动态参数的准确辨识，需要首先对采集得到的电流响应波形进行去噪处理。
步骤四、基于步骤二得到的d轴电流与励磁绕组电流时域表达式的通解形式，对步骤三经过去噪处理得到的电流响应波形数据进行以
函数为基本单元的时域拟合，其中Ai表示幅值系数；bi表示衰减系数；ci表示不衰减的电流量；
在拟合时需对N从小到大取不同的值并算出不同N值拟合结果的总体欧几里得范数，取总体欧几里得范数最小的N值作为模型阶数，拟合所用的方法可用最小二乘法、Prony算法等。
步骤五、根据N值，确定实心转子大型调相机的d轴等效电路模型，确定计及实心转子大型调相机复杂阻尼效果的d轴等效电感表达式Ld(s)以及励磁绕组电流与定子d轴电流的传递函数表达式sG(s)与试验时实心转子大型调相机d轴电压平衡方程；
步骤六、根据所述实心转子大型调相机d轴电压平衡方程，通过解析算法得到定子d轴电流时域表达式，然后根据励磁绕组电流与定子d轴电流的传递函数得到励磁绕组电流时域表达式；具体的，根据实心转子大型调相机d轴电压平衡方程，先得到定子d轴电流与励磁绕组电流的频域表达式，然后对其进行拉普拉斯变换得到时域形式。
步骤七、对比步骤六推导得到的d轴电流与励磁绕组电流的时域表达式与步骤二理论分析得到d轴电流与励磁绕组电流的表达式，计算得到实心转子大型调相机d轴各阶电抗以及对应的时间常数，完成各动态参数的辨识。
进一步的，试验前首先进行实心转子大型调相机转子位置定位：在定子电枢绕组a、b相施加脉冲电压时，进行d轴实验时需要将转子励磁绕组轴线固定于与定子c相绕组轴线垂直的位置。
进一步的，所述步骤二中将导电槽楔与端环构成的回路作为一条阻尼回路，将转子实心体视为N-1阶阻尼回路。
进一步的，所述步骤三中采用小波阈值去噪方法对采集得到的电流响应波形进行去噪处理。
进一步的，所述步骤四中采用最小二乘法或Prony算法进行时域拟合。
进一步的，所述步骤六具体为：根据实心转子大型调相机d轴电压平衡方程，先得到定子d轴电流与励磁绕组电流的频域表达式，然后对其进行拉普拉斯变换得到时域形式。
进一步的，步骤二确定的d轴电流与励磁绕组电流时域表达式的通解形式为：
其中id、f(t)表示时域下的d轴电流与励磁绕组电流；下标d表示d轴电流；下标f表示励磁绕组电流。A表示幅值系数；b表示衰减系数；n表示d轴等效电路的阶数；c表示不衰减的电流量。
进一步的，步骤五中计及实心转子大型调相机复杂阻尼效果的d轴等效电感表达式Ld(s)为：
励磁绕组电流与定子d轴电流的传递函数表达式sG(s)为：
其中s为拉普拉斯算子，Ld表示定子d轴电感；Lad为定子d轴
电感与定子漏电感之差；rf为励磁绕组电阻；Td表示短路时间常数；Td0为开路时间常数；TD表示阻尼回路的漏磁时间常数；n表示等效电路阶数；Vf表示励磁电压
进一步的，：步骤五中d轴电压平衡方程为：
Vd(s)＝rsId(s)+sLd(s)Id(s)
其中：Vd(s)表示d轴电压的频域表达式，rs表示电枢电阻，Ld(s)为d轴等效电感，Id(s)为d轴电流。
本发明具有如下有益效果：本发明提出了基于实心转子大型调相机脉冲电压注入试验的多阻尼回路d轴动态参数辨识方法，此方法充分考虑调相机转子侧的复杂阻尼效应，同时能够帮助合理建立调相机的d轴等效电路模型；另外，各参数解析表达式是经过严格的，没有任何简化的推导过程得到的，最终对各电流响应曲线的拟合用到了各类算法，更为便捷和精确；为实心转子大型调相机动态参数试验后的数据处理以及实心转子大型调相机和其他大容量同步电机的动态参数精确辨识提供了方法与思路。
附图说明
图1是本发明实心转子大型调相机脉冲电压注入法的d轴实验的接线图；
图2是本发明实心转子大型调相机N阶阻尼回路情况下d轴的等效电路图；
图3是本发明实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明的动态参数辨识方法需要基于本发明人提出的实心转子大型调相机脉冲电压注入试验，并主要关注实心转子大型调相机的d轴动态参数，形成了实心转子大型调相机脉冲电压注入试验的多阻尼回路动态参数辨识方法，其特征在于包括步骤：
(1)试验前首先需进行实心转子大型调相机转子位置定位，例如在定子电枢绕组a、b相施加脉冲电压时，进行d轴实验时需要将转子励磁绕组轴线固定于与定子c相绕组轴线垂直的位置。在转子定位后，将励磁绕组短接，在定子电枢绕组a、b相加脉冲电压，记录定子a相电流与励磁绕组感应电流；
(2)建立实心转子大型调相机d轴多阻尼绕组数学模型，把导电槽楔与端环构成的回路作为一条阻尼回路，把转子实心体视为N-1阶阻尼回路，建立d轴N阶阻尼回路模型，最终根据计算和拟合结果确定N的值。依据电机瞬态分析理论，确定d轴电流与励磁绕组电流时域表达式的通解形式；
(3)由于试验时所施加的脉冲电压信号幅值较小，测量电流响应时极易受到外界因素的干扰，特别是噪声影响。噪声的存在会大幅降低对电流响应波形进行时域拟合的精度。因此，为实现动态参数的准确辨识，需要首先对采集得到的电流响应波形进行去噪处理。这里选用的去噪方法为小波阈值去噪方法；
(4)基于d轴电流与励磁绕组电流时域通解形式，对脉冲电压注入试验得到的波形数据进行以
函数为基本单元的数学拟合，拟合方法可以是最小二乘法、Prony算法。在拟合时需对N从小到大取不同的值并算出不同N值拟合结果的所有测量点的总体欧几里得范数，取总体欧几里得范数最小的N值作为模型阶数；
(5)根据N值，确定实心转子大型调相机的d轴等效电路模型，并求得d轴等效电感表达式Ld(s)、励磁绕组电流与定子d轴电流的传递函数表达式sG(s)与试验时实心转子大型调相机d轴电压平衡方程；
(6)根据所述实心转子大型调相机d轴电压平衡方程，得到定子d轴电流与励磁绕组电流的频域表达式，并对其进行拉普拉斯变换得到时域形式，具体的，通过解析算法得到定子d轴电流时域表达式，然后根据励磁绕组电流与定子d轴电流的传递函数得到励磁绕组电流时域表达式；
(7)将推导得到的两电流响应的时域形式(即d轴电流与励磁绕组电流的时域表达式)与步骤(2)理论分析获得的两电流响应的时域通解形式进行对比，对应解出实心转子大型调相机d轴等效电路的各阶电抗以及各阶等效时间常数，完成各动态参数的辨识。
请参阅图3，本发明其中一个实施例具体实现过程如下：
实心转子大型调相机转子处于静止状态，在定子电枢绕组a、b相加100Hz的交流电压，将转子位置固定于励磁绕组感应电压最小的位置，即将转子励磁绕组轴线固定于与定子c相绕组轴线垂直的位置。将励磁绕组短接，在定子电枢绕组a、b相加脉冲电压。图1是实心转子大型调相机脉冲电压注入试验的接线图，流经定子a、b相绕组的电流与d轴电流成正比，比例关系如式(1)。用多路电量录波仪记录此时的d轴电流与励磁感应绕组电流波形数据。
其中：Id表示d轴电流；Is表示定子电流。
d轴电压Vd与定子端输入电压Vs幅值满足如下关系，Vs与注入的脉冲电压的时域表达式有关。
实心转子大型调相机电机本体的阻尼效果主要由转子实心体以及导电槽楔与端环构成的阻尼回路两部分产生，其中可认为导电槽楔与端环构成一条阻尼回路，对应d轴上一个阻尼绕组；转子实心体部分阻尼效果复杂，认为有N-1阶等效阻尼回路，N大于等于2，对应d轴上N-1个阻尼绕组，N的值通过之后的计算拟合确定。
根据电机瞬态分析理论，施加脉冲电压后，d轴电流与励磁绕组电流的时域通解形式应满足式(3)：
id、f(t)表示时域下的d轴电流与励磁绕组电流；下标d表示d轴电流；下标f表示励磁绕组电流。A表示幅值系数；b表示衰减系数；n表示d轴等效电路的阶数；c表示不衰减的电流量。
由于试验时所施加的脉冲电压信号幅值较小，测量电流响应时极易受到外界因素的干扰，特别是噪声影响。噪声的存在会大幅降低对电流响应波形进行时域拟合的精度。因此，为实现动态参数的准确辨识，需要首先对采集得到的电流响应波形进行去噪处理。小波阈值去噪方法是一种基于小波变换的去噪方法，它通过合理确定各小波分解层的阈值函数，对信号波形进行重构，并提取出所需的信号分量，是目前最成熟且去噪效果最好的去噪方法。此处选择小波阈值去噪方法对电流响应波形信号进行时域拟合前的预处理，以提高电流响应波形的时域拟合精度。
基于推导得到的时域中定子d轴电流与励磁绕组电流表达式，对脉冲电压注入试验得到的波形数据进行以
函数为基本单元的数学拟合。在拟合时需对N从小到大取不同的值并算出不同N值拟合结果的欧几里得范数。取欧几里得范数最小的N值作为模型阶数，在此N值下辨识得到式(3)的系数
根据以上分析，可以建立实心转子大型调相机d轴等效电路模型如图2，进行试验时d轴磁链ψd在频域中满足式(4)：
ψd＝Ld(s)Id(s)+G(s)If(s) (4)
由电机学有关知识，可以得到d轴等效电感频域表达式Ld(s)，如式(5)。同时若忽略转子d轴各绕组之间的互漏抗得到励磁绕组电流与定子d轴电流的传递函数表达式sG(s)，如式(6)。
以上两式中s为拉普拉斯算子；Ld表示定子d轴电感；Lad为定子d轴电感与定子漏电感之差；rf为励磁绕组电阻；Td表示短路时间常数；Td0为开路时间常数；TD表示阻尼回路的漏磁时间常数；n表示等效电路阶数；Vf表示励磁电压。
又因为在试验时d轴的电压平衡方程为式(7)：
Vd(s)＝rsId(s)+sLd(s)Id(s) (7)
其中：Vd(s)表示d轴电压的频域表达式；rs表示电枢电阻，Id(s)为d轴电流。
根据式(5)与式(7)可以解得定子d轴电流Id(s)的表达式，再根据式(6)，可以得到励磁绕组电流If(s)的表达式，如式(8)与式(9)：
对在频域中得到的定子d轴电流与励磁绕组电流的表达式进行拉普拉斯变换，即可得到时域中两电流的表达式。
然后对比理论推导得到的拉普拉斯变换后的d轴电流与励磁绕组电流表达式以及在时域中拟合得到的这两个电流时域通解形式表达式，即可对实心转子大型调相机d轴等效电路对应的各阶电抗以及各阶时间常数进行计算。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、对实心转子大型调相机进行脉冲电压注入试验，其中在进行d轴动态参数试验时，在定子电枢绕组a、b相输入脉冲电压，则仅在定子a、b相绕组与励磁绕组上会产生电流，其中定子a、b相绕组电流与d轴电流成正比，用多路电量录波仪记录下此时定子d轴电流波形数据与励磁绕组电流波形数据；
步骤二、建立实心转子大型调相机的d轴多阻尼回路的高阶数学模型，假设认为d轴等效电路中存在N条阻尼回路，建立d轴N阶阻尼回路模型，最终根据计算和拟合结果确定N的值，依据电机瞬态分析理论，确定d轴电流与励磁绕组电流时域表达式的通解形式；
步骤三、对步骤一采集得到的电流响应波形进行去噪处理；
步骤四、基于步骤二得到的d轴电流与励磁绕组电流时域表达式的通解形式，对步骤三经过去噪处理得到的电流响应波形数据进行以
函数为基本单元的时域拟合，在拟合时需对N从小到大取不同的值并算出不同N值拟合结果的总体欧几里得范数，取总体欧几里得范数最小的N值作为模型阶数，其中Ai表示幅值系数；bi表示衰减系数；ci表示不衰减的电流量；
步骤五、根据N值，确定实心转子大型调相机的d轴等效电路模型，确定计及实心转子大型调相机复杂阻尼效果的d轴等效电感表达式Ld(s)以及励磁绕组电流与定子d轴电流的传递函数表达式sG(s)与试验时实心转子大型调相机d轴电压平衡方程；
步骤六、根据所述实心转子大型调相机d轴电压平衡方程，通过解析算法得到定子d轴电流时域表达式，然后根据励磁绕组电流与定子d轴电流的传递函数得到励磁绕组电流时域表达式；
步骤七、对比步骤六推导得到的d轴电流与励磁绕组电流的时域表达式与步骤二理论分析得到d轴电流与励磁绕组电流的表达式，计算得到实心转子大型调相机d轴各阶电抗以及对应的时间常数，完成各动态参数的辨识。
2.如权利要求1所述的实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法，其特征在于：试验前首先进行实心转子大型调相机转子位置定位：在定子电枢绕组a、b相施加脉冲电压时，进行d轴实验时需要将转子励磁绕组轴线固定于与定子c相绕组轴线垂直的位置。
3.如权利要求1所述的实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法，其特征在于：所述步骤二中将导电槽楔与端环构成的回路作为一条阻尼回路，将转子实心体视为N-1阶阻尼回路。
4.如权利要求1所述的实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法，其特征在于：所述步骤三中采用小波阈值去噪方法对采集得到的电流响应波形进行去噪处理。
5.如权利要求1所述的实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法，其特征在于：所述步骤四中采用最小二乘法或Prony算法进行时域拟合。
6.如权利要求1所述的实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法，其特征在于：所述步骤六具体为：根据实心转子大型调相机d轴电压平衡方程，先得到定子d轴电流与励磁绕组电流的频域表达式，然后对其进行拉普拉斯变换得到时域形式。
7.如权利要求1所述的实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法，其特征在于：步骤二确定的d轴电流与励磁绕组电流时域表达式的通解形式为：
其中id、f(t)表示时域下的d轴电流与励磁绕组电流；下标d表示d轴电流；下标f表示励磁绕组电流，Ad、f1，…，Ad、f(n+1)表示幅值系数；bd、f1…，bd、f(n+1)表示衰减系数；n表示d轴等效电路的阶数；ci表示不衰减的电流量。
8.如权利要求1所述的实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法，其特征在于：步骤五中计及实心转子大型调相机复杂阻
尼效果的d轴等效电感表达式Ld(s)为：
励磁绕组电流与定子d轴电流的传递函数表达式sG(s)为：
其中s为拉普拉斯算子，Ld表示定子d轴电感；Lad为定子d轴电感与定子漏电感之差；rf为励磁绕组电阻；Td表示短路时间常数；Td0为开路时间常数；TD1，…，TDn表示阻尼回路的漏磁时间常数；n表示等效电路阶数；Vf表示励磁电压。
9.如权利要求1所述的实心转子大型调相机多阻尼回路动态参数辨识方法，其特征在于：步骤五中d轴电压平衡方程为：
Vd(s)＝rsId(s)+sLd(s)Id(s)
其中：Vd(s)表示d轴电压的频域表达式，rs表示电枢电阻，Ld(s)为d轴等效电感，Id(s)为d轴电流。
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