基于交流采樣的抽水蓄能勵磁系統電量檢測

翟新寶，李國良，王稚惠

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基于交流采樣的抽水蓄能勵磁系統電量檢測

翟新寶1，李國良2，王稚惠2

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

抽水蓄能電站勵磁系統對電機定子端電壓、電流、頻率等電量采集的要求很高。交流采樣實時性好、相位失真小，特別是隨著大規模集成電路和高速數字信號處理器的迅猛發展，勵磁系統交流采樣原有的困難已逐步得到克服。文章主要介紹了一種基于交流采樣的軟件鎖相環（SPLL）算法，通過此算法能快速準確地計算出發電機勵磁系統所需的各電量，并通過大量實驗證明了該算法的準確性和實用性，能夠滿足抽水蓄能電站勵磁系統的要求。

勵磁系統；交流采樣；軟件鎖相環

0 前言

抽水蓄能電站勵磁系統全部采用自并勵勵磁方式，勵磁系統要滿足機組各種工況下的運行要求[1]。即無論是在發電滯相運行、發電進相運行、電動滯相運行、電動進相運行工況下，勵磁調節器均要保證機組運行在安全穩定的范圍之內。抽水蓄能勵磁系統與常規勵磁系統相比，其勵磁系統對電機機端電量測量的快速性和準確性要求更高。

電機定子輸出端電量信號的采集作為勵磁系統實時控制、監測、限制和保護的重要環節，越來越受到人們的關注。基于PI控制的軟件鎖相環，是通過同步旋轉坐標跟蹤原理達到相位鎖定的目的。此種鎖相方法是基于跟蹤三相系統的電壓正序分量[2]，能有效地適用于抽水蓄能電機機端電壓電流的頻率、相位及幅值檢測[3]。

1 三相軟件鎖相環設計

1.1 軟件鎖相環測量原理

設三相系統電壓為：

將電壓信號從a、b、c三相坐標變換到α、β坐標（clarke變換）為[7]：

圖1 αβ與dq 坐標下電壓矢量圖

將式（2）從α、β坐標變換到d、q同步旋轉坐標（park變換）為：

2.2 軟件鎖相環數學模型

圖2 SPLL系統控制框圖

在誤差較小時有：

SPLL系統等效的傳遞函數如圖3所示，系統開環傳遞函數為：

閉環傳遞函數為

3 仿真研究

圖3 SPLL 系統等效傳遞函數圖

3.1 仿真模型

為了驗證上面的理論分析和系統建模的正確性，結合SPLL的原理和圖2所示的結構框圖，利用MATLAB/Simulink軟件平臺搭建仿真模型，仿真模型如圖4所示。

圖4 SPLL的仿真模型

3.2 仿真結果

從仿真結果可以看出，當輸入電壓發生頻率突變、相位突變、電壓幅值突變時。SPLL能夠快速、準確地重新鎖相。且SPLL能快速地檢測三相電壓幅值、頻率和相位，通過合理地設置PI參數，SPLL能在較短的時間內就能精確鎖相，且穩定后精確地跟蹤三相系統電壓。

4 試驗

前面已經對軟件鎖相環的原理進行了深入地研究，為了驗證前面的相關理論和仿真結果的正確性和有效性，構建了基于同步采樣板卡的鎖相環實驗平臺，并在不同電壓幅值、相位和頻率的情況下，進行了實驗，給出了實驗結果及分析。

4.1 試驗總體結構圖

實現軟件鎖相環的硬件結構框圖如圖6所示，是由三相電壓電流檢測與調理電路、同步采樣板卡、計算機組成。

圖6 硬件結構框圖

在圖6中，電壓電流檢測與調理電路主要實現兩個功能，其一是利用電壓和電流互感器將三相交流電壓電流轉變成了弱電電壓信號，同時實現了強弱電氣之間的電氣隔離；其二是利用調理電路將弱電電壓信號變成AI同步采樣板卡輸入要求的-10~ +10 V電壓信號；計算機主要是將編譯好的C語言程序下載到DSP處理器的存儲器中運行，通過控制程序計算和監視所產生的電量值。

4.2 試驗結果

當三相電壓頻率突然變化到= 60 Hz，頻率檢測值和頻率檢測誤差變化如圖7（a）所示；當三相電壓相角突然變化了30°，相角檢測值和相角檢測誤差變化如圖7（b）所示；當三相電壓幅值偏移了0.2 p.u. ，幅值檢測值和幅值檢測誤差變化如圖7（c）所示。

從實驗結果可以看出，SPLL能在較短的時間內精確地檢測出三相系統電壓電流的幅值、頻率和相位，響應迅速且穩態檢測誤差為零。表明了該軟件鎖相環算法的可行性和有效性。

（a） 頻率檢測值和誤差

（b） 相角檢測值和誤差

（c） 幅值檢測值和誤差

5 結語

勵磁系統作為抽水蓄能機組的重要輔助設備，其性能直接關系到抽水蓄能機組的安全穩定運行，上述利用軟件鎖相環算法對電機機端的三相系統電量進行了快速準確的測量，得到了很好的效果。此方法的提出和實驗分析對進一步提高抽水蓄能電站勵磁系統的可靠性有十分重要的意義。

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Based on AC Sampling Power Detection of Pumped Storage Excitation System

ZHAI Xinbao1, LI Guoliang2, WANG Zhihui2

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Pumped Storage Power Station excitation system has high requirement in generator terminal voltage, current, frequency, power, etc. AC sampling real time, low phase distortion, Especially, with the rapid development of LSI and high-speed digital signal processor, AC sampling original difficulties of excitation system has been gradually overcame. The article describes a kind of AC sampling software phase-locked loop (SPLL) algorithm, this algorithm can quickly and accurately calculate all the necessary power parameters of generator excitation system. A large number of experiments show that the algorithm is accurate and practical, it can satisfy requirements of the pumped storage power station excitation system.

excitation system; AC sampling;software phase-locked loop (SPLL)

TM31

A

1000-3983(2014)06-0066-04

2014-08-17

國家科技支撐計劃項目：大型抽水蓄能機組控制系統裝置及系統集成技術研發（2011BAF03B03）

翟新寶（1988-），2012年畢業于東北大學控制工程專業，碩士，現從事發電機勵磁設備研發和設計工作，助理工程師。

審稿人：樸秀日