CN110488193B - 一种同步发电机暂态功角求取方法 - Google Patents

一种同步发电机暂态功角求取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种求取同步发电机暂态功角的方法，包括以下步骤：S1、从同步发电机端口采集电网扰动下的电压电流暂态数据，将电压电流暂态数据表示成瞬变信号正弦表达式，计算电压电流的瞬时相角，进而计算电压电流的瞬时相角差；S2、将计算的a相电流瞬时相角与电网扰动前的a相电流稳态相角相减，得到a相电流相角变化值，由电流相角变化值可计算转子d轴与定子a相磁链轴线之间的暂态夹角，再依据计算的转子d轴与定子a相磁链轴线之间暂态夹角和电压电流瞬时相角差，计算同步发电机的暂态功角。

Description

一种同步发电机暂态功角求取方法
技术领域
本发明实施例涉及电气工程技术领域，具体涉及一种同步发电机暂态功角求取方法。
背景技术
暂态功角的有效求取是实现同步发电机参数在线时域辨识的基础。同步发电机的参数测试是保障电网安全运行的重要措施，同步发电机参数的在线时域辨识技术方法相比传统同步发电机参数测试方法具有实时性、简便性等优势。但是，影响同步发电机参数在线时域辨识方法的难点是在不能实时检测同步发电机暂态功角的情况下，同步发电机端口检测的三相电压电流暂态数据无法变换为同步发电机直角坐标系的电压电流暂态数据，进而无法实现同步发电机参数的在线时域辨识。现有的同步发电机功角测量的方法主要分为两类：
一、直接测量法，借助非电量传感器来测量同步发电机端电压与空载电势的夹角。该方法的缺点是在暂态下其夹角不易测量。
二、间接测量法，利用采集的发电机端口的电压、电流以及一些同步发电机已知参数，通过计算获取同步发电机的功角。
该方法需要解决的问题是，在系统暂态运行下，由于受到电机参数时变、机组铁心饱及暂态信号处理计算等因素的影响，难以进行暂态功角的计算。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同步发电机暂态功角求取方法，其创新思想是将电压电流暂态数据表示成瞬变信号正弦表达式，计算电压电流的瞬时相角，利用发电机机端电流相位角的变化，获取转子d轴和定子a相磁链轴线之间的夹角变化，进而可实时求取同步发电机的暂态功角。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种同步发电机暂态功角求取方法，包括如下步骤：
S1、从同步发电机端口采集电网扰动下的电压电流暂态数据，将电压电流暂态数据表示成瞬变信号正弦表达式，计算电压电流的瞬时相角，进而计算电压电流的瞬时相角差；
S2、将计算的a相电流瞬时相角与电网扰动前的a相电流稳态相角相减，得到a相电流相角变化值，由电网扰动前的转子d轴与定子a相磁链轴线之间的稳态夹角和a相电流相角变化值相加得到转子d轴与定子a相磁链轴线之间的暂态夹角，再由90度减去转子d轴与定子a相磁链轴线之间暂态夹角和电压电流瞬时相角差计算得到同步发电机的暂态功角。
进一步地，所述步骤S1具体为：
S11、从同步发电机端口采集电网扰动下的电压暂态数据u(t)和电流暂态数据i(t)，并分别表达为瞬变信号正弦表达式；
Figure GDA0002639893340000021
Figure GDA0002639893340000022
其中，Im(t)为发电机机端暂态电流瞬时幅值、Um(t)为发电机机端暂态电压瞬时幅值、
Figure GDA0002639893340000023
为发电机机端暂态电流瞬时初相位角、
Figure GDA0002639893340000024
为发电机机端暂态电压瞬时初相位角；
Figure GDA0002639893340000025
Figure GDA0002639893340000026
Figure GDA0002639893340000031
Figure GDA0002639893340000032
S12、计算电压暂态数据u(t)，电流暂态数据i(t)的希尔伯特变换函数hu(t)、hi(t)，从而计算得到：
Figure GDA0002639893340000033
Figure GDA0002639893340000034
S13、根据式(5)和式(6)计算电流瞬时相角
Figure GDA0002639893340000035
电压瞬时相角
Figure GDA0002639893340000036
从而计算电压电流的瞬时相角差
Figure GDA0002639893340000037
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明从同步发电机端口采集电网扰动下的电压电流暂态数据，将电压电流暂态数据表示成瞬变信号正弦表达式，计算电压电流的瞬时相角，利用发电机机端电流相位角的变化，获取转子d轴和定子a相磁链轴线之间的夹角变化，进而可实时求取同步发电机的暂态功角。
本发明的方法避免使用非电量传感器，利用从同步发电机端口采集电网扰动下的电压电流暂态数据，易于实现、通用性好。
利用本发明的求取同步发电机的暂态功角方法，可实现同步发电机端口三相电压电流暂态数据向同步发电机直角坐标系电压电流暂态数据的变换，为同步发电机参数的时域辨识提供实现基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施方式的方法流程图；
图2为本发明实施例1暂态功角曲线；
图3为本发明实施例2暂态功角曲线；
图4为本发明实施例3暂态功角曲线。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明提供了一种同步发电机暂态功角求取方法，主要是从同步发电机端口采集电网扰动下的电压电流暂态数据，将电压电流暂态数据表示成瞬变信号正弦表达式，计算电压电流的瞬时相角，进而计算电压电流的瞬时相角差。
从同步发电机端口采集电网扰动下的电压暂态数据u(t)和电流暂态数据i(t)，并分别表达为瞬变信号正弦表达式；
Figure GDA0002639893340000051
Figure GDA0002639893340000052
其中，Im(t)为发电机机端暂态电流瞬时幅值、Um(t)为发电机机端暂态电压瞬时幅值、
Figure GDA0002639893340000053
为发电机机端暂态电流瞬时初相位角、
Figure GDA0002639893340000054
为发电机机端暂态电压瞬时初相位角。
Figure GDA0002639893340000055
Figure GDA0002639893340000056
Figure GDA0002639893340000057
Figure GDA0002639893340000058
计算电压暂态数据u(t)，电流暂态数据i(t)的希尔伯特变换函数hu(t)、hi(t)，从而计算得到：
Figure GDA0002639893340000059
Figure GDA0002639893340000061
根据式(5)和式(6)计算电流瞬时相角
Figure GDA0002639893340000062
电压瞬时相角
Figure GDA0002639893340000063
从而计算电压电流的瞬时相角差
Figure GDA0002639893340000064
在上述方法的基础上，计算同步发电机的暂态功角，具体方法如下：
将计算的a相电流瞬时相角
Figure GDA0002639893340000065
与电网扰动前的a相电流稳态相角
Figure GDA0002639893340000066
相减，得到a相电流相角变化值
Figure GDA0002639893340000067
由电流相角变化值Δ(t)可计算转子d轴与定子a相磁链轴线之间的暂态夹角θ(t)＝θ0+Δ(t)，θ0为电网扰动前的转子d轴与定子a相磁链轴线之间的稳态夹角；
再依据转子d轴与定子a相磁链轴线之间暂态夹角θ(t)和电压电流瞬时相角差
Figure GDA0002639893340000068
计算同步发电机的暂态功角
Figure GDA0002639893340000069
本发明的方法避免使用非电量传感器，利用从同步发电机端口采集电网扰动下的电压电流暂态数据，易于实现、通用性好。
将电压电流暂态数据表示成瞬变信号正弦表达式，计算电压电流的瞬时相角，利用发电机机端电流相位角的变化，获取转子d轴和定子a相磁链轴线之间的夹角变化，进而可实时求取同步发电机的暂态功角。
以下以具体实例进行说明：
实施例1：
通常情况下理想电机能够满足实际工程问题中的研究需要，为简化分析计算本文假定同步发电机为理想电机，同时不考虑磁饱和的影响。仿真系统为单机无穷大系统，发电机经变压器、双回线，与无穷大系统相连。
系统基本参数为：发电机容量S＝500kVA，额定电压U＝10.5kV，ra＝0.003，rf＝0.0006358，rD＝0.004654，rQ＝0.006183，Xd＝1.116，Xq＝0.416，Xf＝1.083，XD＝0.966833，XQ＝0.232174，Xad＝0.91763，Xaq＝0.21763。其中，所有阻抗参数均为标幺值。
输入机械功率与励磁电压保持恒定不变。根据发电机派克模型参数可求出同步发电机的一些实用参数为：ra＝0.003，Xd＝1.116，X′d＝0.3385，X″d＝0.2348，Xq＝0.416，X″q＝0.2120，T′d0＝5.4220，T″d0＝0.1295，T″q0＝0.1195。其中，所有阻抗参数均为标幺值，时间常数单位为s。
用Matlab/simulink进行算例仿真，仿真时间为10s，采样频率为1kHz，分别获得稳态过程、故障后暂态过程发电机端口电压、电流等实测数据。本文采用所提出的功角求取方法与Matlab/simulink模型中同步发电机模块输出参量中的功角值进行对比分析。
待系统稳定运行后，在发电机端设置发生三相短路故障，35ms后故障切除，在短暂故障时间内对故障信号进行分析，采样16ms，求得的暂态功角仿真结果如图2。
实施例2：
若在发电机端设置发生单相接地短路故障，20ms后故障切除，采样16ms，在短暂故障时间内对故障信号进行分析，求得的暂态功角仿真结果如图3。
从仿真结果看来，在系统发生三相或单相短路故障后的短暂暂态时间内，分析计算后得到的暂态功角曲线与利用Matlab/simulink仿真得到的结果相吻合，个别数据有些许误差，但总体趋势一致，结果令人满意。
实施例3：
图4为某大型水电机组在一次扰动过程中记录的功角曲线，截取了扰动发生后短暂的16ms内的数据。
由图4可见，用本文方法计算得到的功角与现场测量得到的功角曲线变化趋势基本一致。
本发明从同步发电机端口采集电网扰动下的电压电流暂态数据，将电压电流暂态数据表示成瞬变信号正弦表达式，计算电压电流的瞬时相角，利用发电机机端电流相位角的变化，获取转子d轴和定子a相磁链轴线之间的夹角变化，进而可实时求取同步发电机的暂态功角；避免使用非电量传感器，利用从同步发电机端口采集电网扰动下的电压电流暂态数据，易于实现、通用性好。利用本发明的求取同步发电机的暂态功角方法，可实现同步发电机端口三相电压电流暂态数据向同步发电机直角坐标系电压电流暂态数据的变换，为同步发电机参数的时域辨识提供实现基础.
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种求取同步发电机暂态功角的方法，其特征在于，包括以下步骤:
S1、从同步发电机端口采集电网扰动下的电压电流暂态数据，将电压电流暂态数据表示成瞬变信号正弦表达式，计算电压电流的瞬时相角，进而计算电压电流的瞬时相角差；
S2、将计算的a相电流瞬时相角与电网扰动前的a相电流稳态相角相减，得到a相电流相角变化值，由电网扰动前的转子d轴与定子a相磁链轴线之间的稳态夹角和a相电流相角变化值相加得到转子d轴与定子a相磁链轴线之间的暂态夹角，再由90度减去转子d轴与定子a相磁链轴线之间暂态夹角和电压电流瞬时相角差计算得到同步发电机的暂态功角。
2.根据权利要求1所述的一种求取同步发电机暂态功角的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
S11、从同步发电机端口采集电网扰动下的电压暂态数据u(t)和电流暂态数据i(t)，并分别表达为瞬变信号正弦表达式；
Figure FDA0002639893330000011
Figure FDA0002639893330000012
其中，Im(t)为发电机机端暂态电流瞬时幅值，Um(t)为发电机机端暂态电压瞬时幅值，
Figure FDA0002639893330000013
为发电机机端暂态电流瞬时初相位角，
Figure FDA0002639893330000014
为发电机机端暂态电压瞬时初相位角；
Figure FDA0002639893330000015
Figure FDA0002639893330000021
Figure FDA0002639893330000022
Figure FDA0002639893330000023
S12、计算电压暂态数据u(t)，电流暂态数据i(t)的希尔伯特变换函数hu(t)、hi(t)，从而计算得到：
Figure FDA0002639893330000024
Figure FDA0002639893330000025
S13、根据式(5)和式(6)计算电流瞬时相角
Figure FDA0002639893330000026
电压瞬时相角
Figure FDA0002639893330000027
从而计算电压电流的瞬时相角差
Figure FDA0002639893330000028
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