發電機電氣量測量和電壓調節計算
發布時間：2023-09-23 點擊：355
發電機電氣量測量和電壓調節計算
aer工作過程中，需將發電機的各種電氣量轉換成微機能識別的數字量，不僅調節控制計算時要采用，限制程序中同樣要采用。因此，電壓調節計算程序、限制控制程序中均有采樣程序，用以獲取各種電氣量的數字量。被采集的電氣量有機端電壓ug、有功功率p、無功功率q、定子電流ig、勵磁電壓ufd、勵磁電流ifd、發電機頻率f（空載時反映發電機轉速）、勵磁變低壓側電流。
一、電氣量測量
1．發電機機端電壓測量
發電機機端電壓測量要求有較高的測量精度，因為其是勵磁調節的最重要依據，應當采用交流采樣方式實現。由于發電機結構的原因，電動勢中存在各種諧波，可以在采樣電路的交流側配備級聯式有源濾波器濾除高次諧波，低通效果要好。a／d變換的位數取用高位數的。在電壓有效值計算程序中，采用濾波效果好的計算方法濾除低次諧波，提高測量精度。
通過電壓互感器tv1（專用電壓互感器）、tv2（儀用電壓互感器）可測量機端電壓。采用兩只電壓互感器的目的是防止專用電壓互感器高壓側熔絲熔斷引起aer誤強勵。
機端電壓測量有兩種方式：
① 將經輸入電路隔離變換后的三相電壓進行整流、濾波變成直流電壓，再經a／d變換，變成微機可識別的數字量；
② 將隔離變換后的三相電壓先進行a／d變換，變換成數字量后，取出正序電壓，再進行數字濾波獲得微機能識別的數字量。采用發電機的正序電壓反映機端電壓可提高系統發生不對稱短路故障時aer的檢測靈敏度。
發電機機端電壓測量示意圖
2．定子電流測量
定子電流數字量可采用傅氏算法直接求得；也可通過整流、濾波變換成直流量，再經a／d變換測量三相電流。
3．有功功率和無功功率的測量
在aer中，有功功率和無功功率測量有兩種方式：
① 采用功率變送器，直接獲得三相有功功率和三相無功功率的數字量；
② 應用定子電壓、定子電流的采樣值直接計算出發電機三相有功功率和三相無功功率。前者要增加硬件設備，后者不增加硬件設備，完全由軟件實現。
4．勵磁電流測量
勵磁電流可通過接在勵磁回路中的分流器、交流／直流變換器濾波后，經a／d變換就可測得勵磁電流。在自并勵勵磁系統中，由于橋式整流電路兩側的電流具有一定的比例關系，因此，測量整流電路交流側電流可以推算出直流側的轉子電流，即測量勵磁變低壓側電流（圖6-33中ta2的二次電流）來反映勵磁電流。
無刷發電機勵磁原理圖
二、發電機電壓調節計算
電壓調節計算主要由采樣、調差計算、測量比較、pid計算等組成。其中采樣計算就可獲得有關發電機的各種電氣量，供電壓調節計算時使用。
1．調差計算（調差環節）
將電壓測量值ug與整定值uref直接比較，得到電壓差值δug，即無差調節特性為
δug=k1(ug－uref)(6-25)
式中ug——發電機機端測量阻抗；
uref ——發電機電壓給定值；
k1——比例系數k1＜0。
當發電機端電壓高于整定值時，輸出將是一個負的電壓差值。
考慮調差系數的有差特性為
δug=k1(ug+δqg-uref )(6-26)
式中qg——發電機機端無功功率測量值；
δ——發電機調差系數。
其他參數同式（6-25）。
經數值采樣后機端電壓的數字表達為ug（kt），調節器對機端電壓的設定值為uref（kt）。
無差特性為
δu(kt)=kp[ug(kt)－uref(kt)](6-27)
在電壓差計算公式中加入調差系數δ與發電機輸出的無功功率qg的乘積。改變發電機的調差系數δ，即取士δq（kt），可以得到不同的發電機有差特性，即
δu(kt)=kp[ug(kt)±δqg(kt)－uref (kt)](6-28)
式中ug（kt）——發電機機端電壓采樣值；
qg（kt）——發電機無功功率的采樣值；
uref （kt）——電壓給定值的采樣值；
kp——勵磁調節器的放大倍數；
δ——調差系數。
從式（6-28）可以看出，考慮調差系數后，測量比較的電壓為ug±δq。當δ前取“＋”號時，若qg增加，測量比較的輸入電壓比機端電壓給定值要高，則調節器將減少勵磁，使調差特性下傾即正調差；若取“－”號，則使測量比較的電壓比機端電壓設定值低，調節器將加大勵磁，使電壓升高，結果是調差特性上翹即負調差。
當發電機輸出無功功率qg（電流）變化時，其變化量乘以調差系數δ，相應影響測量比較的結果，由此影響發電機電壓的相對變化。
2．pid調節計算
pid計算環節輸入的是偏差信號電壓δu（n），輸出的是信號電壓y（n）。pid計算就是比例、積分、微分運算，在模擬式控制裝置中，pid的調節規律為
式中 kp——比例放大系數；
k1——積分系數；
kd——微分系數。
比例調節用以提高aer調節靈敏度，kp愈大，aer靈敏度愈高；積分調節用以提高調節精度，即使δu（t）很小，但經一段時間積分后，就有一定量的y（t），aer調節結果使δu（t）更小，即機端電壓更趨近給定電壓，當然增大k1可進一步提高調節精度；微分調節可提高調節速度，特別在機端電壓發生突變時，可使aer快速作出反應。kp、k1、kd系數的選擇，應保證aer穩定運行，并處最佳匹配狀態。在數字式aer中，可在線（發電機空載時）修改參數。
用離散采樣值計算時，差分方程為
式中 ty ——采樣計算周期；
δu（n）——t＝nty，時刻偏差電壓δu（t）采樣值；
δu（k）——t＝kty，時刻偏差電壓δu（t）采樣值；
y（n）——t＝nty，時刻pid計算輸出值；
y（0）——初始輸出值。
可以看出，y（n）與過去的狀態有關。為使aer調節平穩、無沖擊，廣泛采用增量算法。即將n時刻和n-1時刻的y（t）值相減，可得增量算法表達式為
其中，δy（n）為t＝nty時刻輸出電壓增量，故y（n）可表示為
y(n)=y(n－1)+δy(n)(6-32)
式中 y（n）——數字移相的輸入控制信號。
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aer工作過程中，需將發電機的各種電氣量轉換成微機能識別的數字量，不僅調節控制計算時要采用，限制程序中同樣要采用。因此，電壓調節計算程序、限制控制程序中均有采樣程序，用以獲取各種電氣量的數字量。被采集的電氣量有機端電壓ug、有功功率p、無功功率q、定子電流ig、勵磁電壓ufd、勵磁電流ifd、發電機頻率f（空載時反映發電機轉速）、勵磁變低壓側電流。
一、電氣量測量
1．發電機機端電壓測量
發電機機端電壓測量要求有較高的測量精度，因為其是勵磁調節的最重要依據，應當采用交流采樣方式實現。由于發電機結構的原因，電動勢中存在各種諧波，可以在采樣電路的交流側配備級聯式有源濾波器濾除高次諧波，低通效果要好。a／d變換的位數取用高位數的。在電壓有效值計算程序中，采用濾波效果好的計算方法濾除低次諧波，提高測量精度。
通過電壓互感器tv1（專用電壓互感器）、tv2（儀用電壓互感器）可測量機端電壓。采用兩只電壓互感器的目的是防止專用電壓互感器高壓側熔絲熔斷引起aer誤強勵。
機端電壓測量有兩種方式：
① 將經輸入電路隔離變換后的三相電壓進行整流、濾波變成直流電壓，再經a／d變換，變成微機可識別的數字量；
② 將隔離變換后的三相電壓先進行a／d變換，變換成數字量后，取出正序電壓，再進行數字濾波獲得微機能識別的數字量。采用發電機的正序電壓反映機端電壓可提高系統發生不對稱短路故障時aer的檢測靈敏度。
發電機機端電壓測量示意圖
2．定子電流測量
定子電流數字量可采用傅氏算法直接求得；也可通過整流、濾波變換成直流量，再經a／d變換測量三相電流。
3．有功功率和無功功率的測量
在aer中，有功功率和無功功率測量有兩種方式：
① 采用功率變送器，直接獲得三相有功功率和三相無功功率的數字量；
② 應用定子電壓、定子電流的采樣值直接計算出發電機三相有功功率和三相無功功率。前者要增加硬件設備，后者不增加硬件設備，完全由軟件實現。
4．勵磁電流測量
勵磁電流可通過接在勵磁回路中的分流器、交流／直流變換器濾波后，經a／d變換就可測得勵磁電流。在自并勵勵磁系統中，由于橋式整流電路兩側的電流具有一定的比例關系，因此，測量整流電路交流側電流可以推算出直流側的轉子電流，即測量勵磁變低壓側電流（圖6-33中ta2的二次電流）來反映勵磁電流。
無刷發電機勵磁原理圖
二、發電機電壓調節計算
電壓調節計算主要由采樣、調差計算、測量比較、pid計算等組成。其中采樣計算就可獲得有關發電機的各種電氣量，供電壓調節計算時使用。
1．調差計算（調差環節）
將電壓測量值ug與整定值uref直接比較，得到電壓差值δug，即無差調節特性為
δug=k1(ug－uref)(6-25)
式中ug——發電機機端測量阻抗；
uref ——發電機電壓給定值；
k1——比例系數k1＜0。
當發電機端電壓高于整定值時，輸出將是一個負的電壓差值。
考慮調差系數的有差特性為
δug=k1(ug+δqg-uref )(6-26)
式中qg——發電機機端無功功率測量值；
δ——發電機調差系數。
其他參數同式（6-25）。
經數值采樣后機端電壓的數字表達為ug（kt），調節器對機端電壓的設定值為uref（kt）。
無差特性為
δu(kt)=kp[ug(kt)－uref(kt)](6-27)
在電壓差計算公式中加入調差系數δ與發電機輸出的無功功率qg的乘積。改變發電機的調差系數δ，即取士δq（kt），可以得到不同的發電機有差特性，即
δu(kt)=kp[ug(kt)±δqg(kt)－uref (kt)](6-28)
式中ug（kt）——發電機機端電壓采樣值；
qg（kt）——發電機無功功率的采樣值；
uref （kt）——電壓給定值的采樣值；
kp——勵磁調節器的放大倍數；
δ——調差系數。
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當發電機輸出無功功率qg（電流）變化時，其變化量乘以調差系數δ，相應影響測量比較的結果，由此影響發電機電壓的相對變化。
2．pid調節計算
pid計算環節輸入的是偏差信號電壓δu（n），輸出的是信號電壓y（n）。pid計算就是比例、積分、微分運算，在模擬式控制裝置中，pid的調節規律為
式中 kp——比例放大系數；
k1——積分系數；
kd——微分系數。
比例調節用以提高aer調節靈敏度，kp愈大，aer靈敏度愈高；積分調節用以提高調節精度，即使δu（t）很小，但經一段時間積分后，就有一定量的y（t），aer調節結果使δu（t）更小，即機端電壓更趨近給定電壓，當然增大k1可進一步提高調節精度；微分調節可提高調節速度，特別在機端電壓發生突變時，可使aer快速作出反應。kp、k1、kd系數的選擇，應保證aer穩定運行，并處最佳匹配狀態。在數字式aer中，可在線（發電機空載時）修改參數。
用離散采樣值計算時，差分方程為
式中 ty ——采樣計算周期；
δu（n）——t＝nty，時刻偏差電壓δu（t）采樣值；
δu（k）——t＝kty，時刻偏差電壓δu（t）采樣值；
y（n）——t＝nty，時刻pid計算輸出值；
y（0）——初始輸出值。
可以看出，y（n）與過去的狀態有關。為使aer調節平穩、無沖擊，廣泛采用增量算法。即將n時刻和n-1時刻的y（t）值相減，可得增量算法表達式為
其中，δy（n）為t＝nty時刻輸出電壓增量，故y（n）可表示為
y(n)=y(n－1)+δy(n)(6-32)
式中 y（n）——數字移相的輸入控制信號。
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