基于交流采样的抽水蓄能励磁系统电量检测

翟新宝，李国良，王稚惠



基于交流采样的抽水蓄能励磁系统电量检测

翟新宝1，李国良2，王稚惠2

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

抽水蓄能电站励磁系统对电机定子端电压、电流、频率等电量采集的要求很高。交流采样实时性好、相位失真小，特别是随着大规模集成电路和高速数字信号处理器的迅猛发展，励磁系统交流采样原有的困难已逐步得到克服。文章主要介绍了一种基于交流采样的软件锁相环（SPLL）算法，通过此算法能快速准确地计算出发电机励磁系统所需的各电量，并通过大量实验证明了该算法的准确性和实用性，能够满足抽水蓄能电站励磁系统的要求。

励磁系统；交流采样；软件锁相环

0 前言

抽水蓄能电站励磁系统全部采用自并励励磁方式，励磁系统要满足机组各种工况下的运行要求[1]。即无论是在发电滞相运行、发电进相运行、电动滞相运行、电动进相运行工况下，励磁调节器均要保证机组运行在安全稳定的范围之内。抽水蓄能励磁系统与常规励磁系统相比，其励磁系统对电机机端电量测量的快速性和准确性要求更高。

电机定子输出端电量信号的采集作为励磁系统实时控制、监测、限制和保护的重要环节，越来越受到人们的关注。基于PI控制的软件锁相环，是通过同步旋转坐标跟踪原理达到相位锁定的目的。此种锁相方法是基于跟踪三相系统的电压正序分量[2]，能有效地适用于抽水蓄能电机机端电压电流的频率、相位及幅值检测[3]。

1 三相软件锁相环设计

1.1 软件锁相环测量原理

设三相系统电压为：

将电压信号从a、b、c三相坐标变换到α、β坐标（clarke变换）为[7]：

图1 αβ与dq 坐标下电压矢量图

将式（2）从α、β坐标变换到d、q同步旋转坐标（park变换）为：

2.2 软件锁相环数学模型

图2 SPLL系统控制框图

在误差较小时有：

SPLL系统等效的传递函数如图3所示，系统开环传递函数为：

闭环传递函数为

3 仿真研究

图3 SPLL 系统等效传递函数图

3.1 仿真模型

为了验证上面的理论分析和系统建模的正确性，结合SPLL的原理和图2所示的结构框图，利用MATLAB/Simulink软件平台搭建仿真模型，仿真模型如图4所示。

图4 SPLL的仿真模型

3.2 仿真结果

从仿真结果可以看出，当输入电压发生频率突变、相位突变、电压幅值突变时。SPLL能够快速、准确地重新锁相。且SPLL能快速地检测三相电压幅值、频率和相位，通过合理地设置PI参数，SPLL能在较短的时间内就能精确锁相，且稳定后精确地跟踪三相系统电压。

4 试验

前面已经对软件锁相环的原理进行了深入地研究，为了验证前面的相关理论和仿真结果的正确性和有效性，构建了基于同步采样板卡的锁相环实验平台，并在不同电压幅值、相位和频率的情况下，进行了实验，给出了实验结果及分析。

4.1 试验总体结构图

实现软件锁相环的硬件结构框图如图6所示，是由三相电压电流检测与调理电路、同步采样板卡、计算机组成。

图6 硬件结构框图

在图6中，电压电流检测与调理电路主要实现两个功能，其一是利用电压和电流互感器将三相交流电压电流转变成了弱电电压信号，同时实现了强弱电气之间的电气隔离；其二是利用调理电路将弱电电压信号变成AI同步采样板卡输入要求的-10~ +10 V电压信号；计算机主要是将编译好的C语言程序下载到DSP处理器的存储器中运行，通过控制程序计算和监视所产生的电量值。

4.2 试验结果

当三相电压频率突然变化到= 60 Hz，频率检测值和频率检测误差变化如图7（a）所示；当三相电压相角突然变化了30°，相角检测值和相角检测误差变化如图7（b）所示；当三相电压幅值偏移了0.2 p.u. ，幅值检测值和幅值检测误差变化如图7（c）所示。

从实验结果可以看出，SPLL能在较短的时间内精确地检测出三相系统电压电流的幅值、频率和相位，响应迅速且稳态检测误差为零。表明了该软件锁相环算法的可行性和有效性。

（a） 频率检测值和误差

（b） 相角检测值和误差

（c） 幅值检测值和误差

5 结语

励磁系统作为抽水蓄能机组的重要辅助设备，其性能直接关系到抽水蓄能机组的安全稳定运行，上述利用软件锁相环算法对电机机端的三相系统电量进行了快速准确的测量，得到了很好的效果。此方法的提出和实验分析对进一步提高抽水蓄能电站励磁系统的可靠性有十分重要的意义。

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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

国家科技支撑计划项目：大型抽水蓄能机组控制系统装置及系统集成技术研发（2011BAF03B03）

翟新宝（1988-），2012年毕业于东北大学控制工程专业，硕士，现从事发电机励磁设备研发和设计工作，助理工程师。

审稿人：朴秀日