一种双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法及测量系统
阅读说明：本技术 一种双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法及测量系统 (Dynamic characteristic measuring method and system of doubly-fed generator excitation system ) 是由 李善颖 谢欢 吴涛 梁浩 李长宇 曹天植 黄天啸 檀政 徐鹏 史扬 辛光明 罗 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供了一种双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法及测量系统。方法包括：获取双馈发电机的定子电压和定子电流,并计算得到双馈发电机的磁链角；根据检测到得光栅编码盘输出的圈脉冲和齿脉冲,计算得到双馈发电机的转子位置角；根据双馈发电机的磁链角和转子位置角,计算双馈发电机的定子磁链相对于转子A相轴的角度；根据双馈发电机的转子电压,转子电流以及定子磁链相对于转子A相轴的角度,得到同步旋转坐标系下的励磁电压和励磁电流,进行双馈发电机在功率扰动过程中的动态特性分析。本申请可以实现在现场测试中直观评判双馈发电机的励磁系统动态响应的特性,为实测建模及现场测试提供了高效的技术手段。(The embodiment of the invention provides a method and a system for measuring dynamic characteristics of a doubly-fed generator excitation system. The method comprises the following steps: obtaining stator voltage and stator current of the doubly-fed generator, and calculating to obtain a flux linkage angle of the doubly-fed generator; calculating to obtain a rotor position angle of the doubly-fed generator according to the detected ring pulse and tooth pulse output by the grating code disc; calculating the angle of a stator flux linkage of the doubly-fed generator relative to a phase axis A of the rotor according to the flux linkage angle and the rotor position angle of the doubly-fed generator; and obtaining the excitation voltage and the excitation current under a synchronous rotation coordinate system according to the rotor voltage, the rotor current and the angle of the stator flux linkage relative to the rotor A phase axis of the doubly-fed generator, and analyzing the dynamic characteristics of the doubly-fed generator in the power disturbance process. The method and the device can realize visual evaluation of the dynamic response characteristic of the excitation system of the doubly-fed generator in field test, and provide an efficient technical means for actual measurement modeling and field test.)
技术领域
本发明涉及发电机领域，尤其涉及一种双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法及测量系统。
背景技术
随着大功率器件与现代控制技术的发展，转子采用两电平和三电平电压源型AC-DC-AC变频励磁的大容量蓄能机组连续可变速运行技术得到飞速发展，并逐步投入了商业应用。由于交流励磁变速电机的变频设备容量只为主电机容量的1/5左右，且具有一系列优势，因此越来越引起重视，逐渐被业界推崇，尤其在风电场与抽水蓄能电站的应用方面取得了成功。
传统同步发电机采用集中的励磁绕组，其励磁电流为直流，而双馈发电机的转子励磁绕组为多相交流绕组，且励磁电压为相位、幅值、频率可变的对称交流电，转子采用两电平和三电平电压源型AC-DC-AC变频励磁，从而使双馈发电机实现变速恒频运行。与传统发电机的励磁系统相比，双馈发电机交流励磁控制自由度大，可实现有功功率和无功功率的独立调节，具有功率响应速度快，机组运行效率高等超越传统同步发电机的性能。双馈发电机励磁系统的现场静态、空载和动态性能交接试验是保障相关电气设备安全投运的关键工作，而准确高效的测量方法和测量装置能够提升现场试验的准确性，为后期动态性能评估提供了非常直观的视角。
目前，双馈发电机励磁系统涉网性能检测中测量的多是三相交流励磁电压和励磁电流信号，不能直观观察大小扰动下机组励磁系统的有功功率和无功功率是否完全解耦，有功电流、无功电流的变化特性，以及发电机交流励磁内外环的控制特性。
发明内容
本发明实施例提出一种双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法、系统及存储介质，以解决现有技术中的双馈发电机励磁系统动态性能评估不够准确的问题。
为了解决以上问题，本发明实施例公开一种双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法，包括：获取双馈发电机的定子电压USA、USB、USC和定子电流ISA、ISB、ISC，并根据所述定子电压和定子电流，计算得到双馈发电机的磁链角根据检测到得光栅编码盘输出的圈脉冲和齿脉冲，计算得到双馈发电机的转子位置角根据所述双馈发电机的磁链角和转子位置角计算双馈发电机的定子磁链相对于转子A相轴的角度δ；根据所述双馈发电机的转子电压Ura、Urb、Urc，转子电流Ira、Irb、Irc以及所述定子磁链相对于转子A相轴的角度δ，得到同步旋转坐标系下的励磁电压Urd、Urq和励磁电流Ird、Irq，依据所述励磁电压Urd、Urq和励磁电流Ird、Irq进行所述双馈发电机在功率扰动过程中的动态特性分析。
为了解决以上问题，本发明实施例还公开了一种双馈发电机励磁系统的动态特性测量系统，包括：磁链角测量模块，用于获取双馈发电机的定子电压USA、USB、USC和定子电流ISA、ISB、ISC，并根据所述定子电压和定子电流，计算得到双馈发电机的磁链角转子位置角测量模块，用于根据检测到得光栅编码盘输出的圈脉冲和齿脉冲，计算得到双馈发电机的转子位置角相对角度计算模块，用于根据所述双馈发电机的磁链角和转子位置角计算双馈发电机的定子磁链相对于转子A相轴的角度δ；励磁信号计算模块，用于根据所述双馈发电机的转子电压Ura、Urb、Urc，转子电流Ira、Irb、Irc以及所述定子磁链相对于转子A相轴的角度δ，得到同步旋转坐标系下的励磁电压Urd、Urq和励磁电流Ird、Irq，依据所述励磁电压Urd、Urq和励磁电流Ird、Irq进行所述双馈发电机在功率扰动过程中的动态特性分析。
为了解决以上问题，本发明实施例还公开了一种非易失性计算机存储介质，其存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令由处理器执行时实行上述任一实施例所述的双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法。
本申请公开的双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法、系统和存储介质，提出一种将双馈发电机三相交流励磁电压、励磁电流转换成同步旋转坐标系下励磁系统的励磁电压、励磁电流的测量方法，可以实现在现场测试中直观评判双馈发电机的励磁系统动态响应的特性，为双馈发电机励磁系统实测建模及现场测试提供了高效的技术手段。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
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他的附图。
图1为本发明实施例的双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法的处理流程图；
图2本发明一具体实施例中，稳态情况下双馈发电机物理量的测量结果；
图3(a)为本发明一具体实施例中，对应有功功率阶跃时，常规励磁装置的测量结果；
图3(b)为本发明一具体实施例中，对应有功功率阶跃时，采用本发明提出的动态特性测量方法获得的同步旋转坐标系下的励磁电压及励磁电流测量结果；
图4(a)为本发明一具体实施例中，对应无功功率阶跃时，常规励磁装置的测量结果；
图4(b)为本发明一具体实施例中，对应无功功率阶跃时，采用本发明提出的动态特性测量方法获得的同步旋转坐标系下的励磁电压及励磁电流测量结果；
图5为本发明实施例的双馈发电机励磁系统的动态特性测量系统的处理流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。
下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。
正如现有技术中提及，双馈发电机的转子励磁绕组为多相交流绕组，且励磁电压为相位、幅值、频率可变的对称交流电，无法直观显示机组在功率扰动过程中的动态特性，功率的解耦控制特性不明确，励磁电流与功率的关系不直观。鉴于此，本申请公开的双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法及测量系统，提出一种将双馈发电机三相交流励磁电压、励磁电流转换成同步旋转坐标系下励磁系统的励磁电压、励磁电流的测量方法，实现在现场测试中直观评判双馈发电机的励磁系统动态响应的特性，为双馈发电机励磁系统实测建模及现场测试提供高效的技术手段。
图1为本发明实施例的双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法的处理流程图。如图所示，包括：
步骤S101，获取双馈发电机的定子电压USA、USB、USC和定子电流ISA、ISB、ISC，并根据所述定子电压和定子电流，计算得到双馈发电机的磁链角
步骤S102，根据检测到得光栅编码盘输出的圈脉冲和齿脉冲，计算得到双馈发电机的转子位置角
步骤S103，根据所述双馈发电机的磁链角和转子位置角计算双馈发电机的定子磁链相对于转子A相轴的角度δ；
步骤S104，根据所述双馈发电机的转子电压Ura、Urb、Urc，转子电流Ira、Irb、Irc以及所述定子磁链相对于转子A相轴的角度δ，得到同步旋转坐标系下的励磁电压Urd、Urq和励磁电流Ird、Irq。
在一些实施例中，双馈发电机的转子变频器控制采用特定的矢量控制方法实现机组有功功率、无功功率的解耦控制，在本发明实施例中，假定转子采用定子磁链定向方法实现功率的解耦控制。步骤S101中，双馈发电机的定子电压USA、USB、USC和定子电流ISA、ISB、ISC可以通过录波器与设备连接后直接采集录波器数据得到，并可以根据读取得到的定子电压和定子电流，计算得到双馈发电机的磁链角
本实施例中，可以先通过三相定子静止坐标系与两相定子静止坐标系的变换获得磁链微分量，进而经过PI环节与微分环节获得磁链角具体实现过程如下所示：
其中，TABC/αβ表示将三相定子静止坐标系下的电压UABC、电流IABC变换到两相定子静止坐标系；Pψαβ＝Uαβ-RsIαβ表示利用两相定子静止坐标系下的电压Uαβ、电流Iαβ获得磁链的微分项Pψαβ，KP+Ki/s表示比例积分环节；1/s表示微分因子。
在本步骤中，除了可以得到磁链角、定子电压角等物理量外，还可以计算得到双馈发电机定子有功功率PS，无功功率QS。定子有功功率PS，无功功率QS可以用于机组运行特性分析或机网协调方面的暂态特性分析。
另外，本发明实施例中，也可以采用定子电压定向的方法实现功率的解耦控制，但是在励磁控制设计中，大多采用上述的定子磁链定向的方法。
在一些实施例中，步骤S102中，通过安装在双馈发电机转子轴上的光栅编码盘输出的圈脉冲和齿脉冲信号，可以测得转子位置角同时还可以测得转子转速ωr物理量。
具体实施时，转子位置角其中，Nset为测速码盘齿数设定值，Ncount为实时读取的光栅编码盘输出的齿脉冲的计数值。
该步骤中，同时得到的转子转速ωr可以用于机组运行特性分析或机网协调方面的暂态特性分析。
在一些实施例中，步骤S103中，根据所述双馈发电机的磁链角和转子位置角计算双馈发电机的定子磁链相对于转子A相轴的角度δ，即
在一些实施例中，步骤S104中，根据发电机转子电压UrA、UrB、UrC，转子电流IrA、IrB、IrC的测量信号及角度δ，利用以下坐标变换算法公式，得到同步旋转坐标系下的励磁电压Urd、Urq和励磁电流Ird、Irq。
在得到同步旋转坐标系下的励磁电压Urd、Urq和励磁电流Ird、Irq后，依据励磁电压Urd、Urq和励磁电流Ird、Irq进行所述双馈发电机在功率扰动过程中的动态特性分析。
本申请公开的双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法，提出一种将双馈发电机三相交流励磁电压、励磁电流转换成同步旋转坐标系下励磁系统的励磁电压、励磁电流的测量方法，可以实现在现场测试中直观评判双馈发电机的励磁系统动态响应的特性，为双馈发电机励磁系统实测建模及现场测试提供了高效的技术手段。
以下为利用本发明实施例的双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法进行动态特性分析的一具体实施例。该实施例中，考虑在某软件平台搭建单机无穷大系统，其中双馈发电机组采用某抽水蓄能电站300MW变速抽蓄机组参数，额定容量336MVA，额定功率300MW，定子电压15.75kV，匝比2.439。
1、稳态情况下励磁电压及励磁电流测量
此处考虑负载额定工况，即发电机有功功率Ps为300MW，无功功率Qs为145Mvar(Ps＝0.9pu，Qs＝0.436pu)，如图2所示为稳态情况下双馈发电机物理量的测量结果，从上到下依次为：有功功率、无功功率、励磁电压、励磁电流、定子电压、定子电流、机端电压。
2、励磁电压与励磁电流的动态特性测量
考察负载工况，分别发生有功功率及无功功率阶跃，测量发电功率(有功功率、无功功率)、励磁电压、励磁电流信号。
图3(a)和图3(b)分别对应有功功率阶跃4％时，常规励磁装置测量结果和采用本发明提出的动态特性测量方法获得的同步旋转坐标系下的励磁电压及励磁电流测量结果。其中，图3(a)中从上到下依次为：有功功率、无功功率、三相励磁电压、三相励磁电流，图3(b)中从上到下依次为：励磁电压d轴分量、励磁电压q轴分量、励磁电流d轴分量、励磁电流q轴分量。
图4(a)和图4(b)分别对应对应无功功率阶跃时，常规励磁装置测量结果和采用本发明提出的动态特性测量方法获得的同步旋转坐标系下的励磁电压及励磁电流测量结果。图4(a)中从上到下依次为：有功功率、无功功率、三相励磁电压、三相励磁电流，图4(b)中从上到下依次为：励磁电压d轴分量、励磁电压q轴分量、励磁电流d轴分量、励磁电流q轴分量。
可以看出，图3(a)、图4(a)的励磁电压与励磁电流的测量结果为三相交流信号，从中无法直观显示机组在功率扰动过程中的动态特性，功率的解耦控制特性不明确，励磁电流与功率的关系不直观。
当发生有功功率阶跃时，由图3(b)可见，有功功率变化时，主要影响励磁电流的q轴分量，二者存在正比例关系，而励磁电流d轴分量和无功功率的稳态值几乎不受影响。当发生无功功率阶跃时，由图4(b)可见，当无功功率变化时，主要影响励磁电流的d轴分量，二者存在正比例关系，而励磁电流q轴分量和有功功率的稳态值几乎不受影响。因此，通过本发明双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法，得到同步旋转坐标系下的双馈电机励磁系统励磁电压、励磁电流，可以直观评判现场双馈发电机的励磁系统动态响应的特性，并且，也证明了机组励磁系统实现了有功功率与无功功率的解耦控制，进而验证了本发明提出的方法的正确性及有效性。
在介绍了本发明示例性实施方式的方法之后，接下来，参考图4(a)及图4(b)对本发明示例性实施方式的双馈发电机励磁系统的动态特性测量进行介绍。该系统的实施可以参见上述方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的术语“模块”和“单元”，可以是实现预定功能的软件和/或硬件。尽管以下实施例所描述的模块较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图5为本发明实施例的双馈发电机励磁系统的动态特性测量系统的结构示意图。如图所示，包括：磁链角测量模块501，用于获取双馈发电机的定子电压USA、USB、USC和定子电流ISA、ISB、ISC，并根据所述定子电压和定子电流，计算得到双馈发电机的磁链角转子位置角测量模块502，用于根据检测到得光栅编码盘输出的圈脉冲和齿脉冲，计算得到双馈发电机的转子位置角相对角度计算模块503，用于根据所述双馈发电机的磁链角和转子位置角计算双馈发电机的定子磁链相对于转子A相轴的角度δ；励磁信号计算模块504，用于根据所述双馈发电机的转子电压Ura、Urb、Urc，转子电流Ira、Irb、Irc以及所述定子磁链相对于转子A相轴的角度δ，得到同步旋转坐标系下的励磁电压Urd、Urq和励磁电流Ird、Irq，依据所述励磁电压Urd、Urq和励磁电流Ird、Irq进行所述双馈发电机在功率扰动过程中的动态特性分析。
在一些实施例中，所述磁链角测量模块501根据所述定子电压和定子电流，计算得到双馈发电机的磁链角包括：所述磁链角测量模块根据所述定子电压和定子电流，通过三相定子静止坐标系与两相定子静止坐标系的变换获得磁链微分量，再经过PI环节与微分环节获得磁链角
在一些实施例中，所述转子位置角测量模块502根据检测到得光栅编码盘输出的圈脉冲和齿脉冲，计算得到双馈发电机的转子位置角包括：通过安装在发电机转子轴上的光栅编码盘输出的圈脉冲和齿脉冲信号，测得转子位置角 其中，Nset为测速码盘齿数设定值，Ncount为实时读取的光栅编码盘输出的齿脉冲的计数值。
在一些实施例中，所述相对角度计算模块503根据所述双馈发电机的磁链角和转子位置角计算双馈发电机的定子磁链相对于转子A相轴的角度δ，包括：
在一些实施例中，所述励磁信号计算模块504根据所述双馈发电机的转子电压Ura、Urb、Urc，转子电流Ira、Irb、Irc以及所述定子磁链相对于转子A相轴的角度δ，得到同步旋转坐标系下的励磁电压Urd、Urq和励磁电流Ird、Irq，包括：
此外，尽管在上文详细描述中提及了双馈发电机励磁系统的动态特性测量系统的若干单元，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元的特征和功能可以在一个单元中具体化。同样，上文描述的一个单元的特征和功能也可以进一步划分为由多个单元来具体化。
本发明实施例还提供一种非易失性计算机存储介质，其存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令由处理器执行时实行上述任一实施例所述的双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法。
本申请公开的双馈发电机励磁系统的动态特性测量方法、系统和存储介质，提出一种将双馈发电机三相交流励磁电压、励磁电流转换成同步旋转坐标系下励磁系统的励磁电压、励磁电流的测量方法，可以实现在现场测试中直观评判双馈发电机的励磁系统动态响应的特性，为双馈发电机励磁系统实测建模及现场测试提供了高效的技术手段。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。