基于差分傅里叶算法和滤波技术的过电压保护装置检测法

李勇,胡建华,柳鹏,彭发荣

(国家能源集团科学技术研究院有限公司银川分公司,宁夏 银川 750011)

0 引 言

火力发电厂发电机转子往往处于长时间高速转动的状态,其线圈容易因电、热、化学腐蚀和电动力作用导致匝间故障、接地故障和开路故障[1]。发电机定子绕组接地会造成定子铁芯被流经故障发生处的电容电流引起电弧破坏,而且由于铁芯烧伤导致磁场分布不平衡,使得定子绕组局部温度超限,最终导致匝间短路或相间短路,严重破坏发电机[2-6]。一般来说,对于火电机组,假如某台发电机产生了机端过电压故障,通过升压变压器并联于高压母线,利用介于发电机和高压母线中的变压器短路电抗,可以从全部并列运行发电机中精确查寻出产生过电压的发电机[7-8]。由于变压器短路电抗的隔离作用,公共母线过电压处于故障状态的发电机机端电压值理应最突出[9-11],而发电机转子遭受电压侵害时,会发生转子匝间短路现象,严重时将威胁发电机定子及变压器的安全[12-13]。因此,为避免上述发电机转子发生过电压的情况,目前国内火力发电厂常常会给发电机组装备进口原装和组装的励磁装置,一般会附带发电机转子灭磁及过电压保护装置,但其安全性是否可靠,仍需进一步研究[14-17]。

根据文献[18]中的要求,灭磁及过电压保护装置在交接和大修时必须进行转子过电压装置的性能试验,目前开展该项试验的专用测试仪器是电科院自行研制的DKY-1型发电机转子过电压保护装置测试仪,但该仪器因集成化不高,目前已无法满足现场试验的要求,需要对该仪器进行改造和升级[19-23]。因此,拟在传统测试方法的基础上,通过对百万机组发电机转子灭磁及过电压保护装置工作原理的研究,引入差分傅里叶算法和滤波技术,实现信号的完全传输。

综上所述,在传统发电机组转子过电压保护装置试验方法的基础上,首先,通过了解发电机过电压保护装置的动作情况和动作电压值,确定发电机过电压保护装置测试仪的电压结构参数。其次,采用高频倍压电路,应用脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)技术,使电压稳定度大幅度提高,使用大功率绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件和驱动技术,产生稳定度高、电源功率大的直流输出。从分压电阻上采集电压信号,最后引入差分傅里叶算法和滤波技术,实现信号的完全输出,经过单片机周期采样,将采样信号转化为模拟电压电流量,经过单片机的A/D采样通道,得到单片机能完整地采集到当时的电压和波形。提出了一种基于差分傅里叶算法和滤波技术的发电机转子过电压保护装置检测方法,以便进行稳压、稳流和保护动作调节,为最终控制功能提供依据,选取不同火电厂机组励磁系统进行试验,验证所提方法的有效性和准确性。

1 传统过电压保护装置测试仪原理及模型

转子过电压保护装置基本电路及其原理是一组正反向并联的可控硅串联一个放电电阻后再并联在励磁绕组两端,当可控硅的触发器电路检测到转子过电压后,立即发出触发脉冲使可控硅导通,利用放电电阻吸收过电压能量。

如图1所示,通过隔离调压器的两个输入端连接电源,两个输出端与整流滤波电路连接后作为直流输出测试端子,该整流滤波电路由桥式整流电路滤波器构成。其中,桥式整流电路由四个二极管组成,而滤波器由单个电容器组成。

图1 试验接线。

在交直流输出选择开关的一个输入端与隔离调压器的一个输出端之间串联一个自制的过电流继电器,该过电流继电器的第一常闭触点与自锁继电器的线圈串联,还包括零位保护行程开关,该零位保护行程开关的触发端安装在隔离调压器的零位处,并且该零位保护行程开关的输出端与自锁继电器的线圈串联,从而使隔离调压器处于零位时零位保护行程开关的输出端闭合导通。

研究桥式整流和滤波器实现交直流电源输出,采用高频倍压电路,应用最新的PWM高频脉宽调制技术,使电压稳定度大幅度提高。使用差分傅里叶算法和滤波技术,保证电压电流信号及电压波形能完全无损失传送到显示器。

2 过电压保护装置检测方法设计

2.1 差分傅里叶算法

时域是以时间为参照,频域是以频率为参照。正弦波在时域上是连续的周期信号[21-22],包括幅值、相位和频率。傅里叶变换的本质就是将任一个周期信号在频域上看成无限多个分开的离散的正弦波,所以正弦波可以看成一个在频域上始终旋转的、永恒不变的圆。经过傅里叶变换之后,便可将电流电压信号的各个频率的波形提取出来,基波和各次谐波甚至非 50 Hz 整数倍的间谐波。AD 采样得到一个周期每个点的 AD 值,傅里叶变换可以求出每个点的实部和虚部,进一步得到幅值和相角,因此可以从一个复杂的波形中提取出直流分量、基波和各次谐波分量,基波用于继电保护判断,保护元件有时需要用到二次谐波甚至高次谐波[3]。

叠加直流分量的正弦波公式一般可以表示为y=Ie+Asin(t+θ),其中Ie为直流分量。一阶差分的原理是将正弦波相邻的两个 AD 采样点值进行逐点做差,即可滤除直流分量,结果得到一个新的正弦波,此时针对新的正弦波不管用半波傅里叶还是全波傅里叶均不含直流分量。

新的正弦波与实际正弦波之间的补偿关系根据三角函数和差化积公式得到,见式(1)。

(1)

进一步推导出差分傅里叶公式为

(2)

差分后的正弦波公式为

(3)

差分傅里叶计算过程中需要成补偿系数,公式为

(4)

将新正弦波的正弦分量和余弦分量算出之后除以补偿系数即得到实际的保护数据。

2.2 PWM脉冲宽度调制

在高频开关电源的控制反馈中,脉宽调制方式取得了业界的普遍认可,这完全是因为 PWM 控制的开关频率恒定以及可调节控制的开关占空比。其控制原理一般是将系统负载采集到的信号波与锯齿波进行对比,然后将对比之后得到的具有恒定频率的变化脉宽的方波信号输出,输出信号作为功率开关器件的控制源进行控制。针对负载的不同状态,变化开关管的导通和关断时间,已达到输出电压稳定的目的。如果按反馈环路样式划分,分别为电压、电流两种控制型。电压控制一般是采样负载端的输出电压,用以反馈控制信号达到闭环控制,可以输出稳定电压,此种模式是单环控制系统。通过在电压控制形式上,又额外引入一个采样回馈值,作为双环控制系统,能够在电源参数等方面起到优化作用。

1)电压控制模式。如图2所示,电压控制模式的基本原理是将测量的输出采样电压VFB与给定的电压Vref进行比较后,将所得差值输出VE,然后再将VE和芯片给出的波形相对比,会在 PWM 比较器的输出端得到一定数值占空比的控制信号,误差电压VFB的变化致使脉宽随之变化,输出端的能量值取决于脉冲宽度。

图2 电压控制模式。

2)电流控制模式。如图3所示,电流控制模式是双环控制,比电压控制模式多了一个内环,即电流反馈环。

图3 电流控制模式。

2.3 过电压保护装置检测方法研究

基于差分傅里叶算法和滤波技术的发电机转子过电压保护装置检测方法电气原理如图4所示。

图4 测试方法电气原理。

仪器使用前,先将仪器输出端连接到发电机转子过电压保护装置(跨接器)两端。合上双连倒板开关K1,使仪器带电,在确保隔离调压器TB在零位时,交直流输出选择开关K2在直流输出位置,按下合闸按钮HN交流接触器使CJ线圈励磁,接触器常闭节点闭合,同时合闸按钮和零位保护行程开关XC由交流接触器一节点C给予自保持,电源主回路接通式隔离调压器带电,旋转隔离调压器旋钮,使直流输出电压从0～1 kV平稳升压,直流输出并接滤波电容C。根据采集的电压电流数据,描绘出发电机转子过电压保护装置(跨接器)的动作特性曲线,根据绘制的曲线判断发电机转子过电压保护装置的质量,得出试验结论。

3 试验结果

本次试验在国内不同1 000 MW燃煤电厂所提供的历史数据中选取一组数据。实施采用数据收集和仪器的优化仿真方式。借助于原来测试数据的经验,确定研制仪器的参数,然后选用精密、智能化的设备元器件组装仪器,并在现场进行660～1 000 MW发电机组过电压保护装置的测试。

通过试验验证发电机转子过电压保护装置是否按逻辑要求动作以及实测出在过电压情况下的保护动作值。依据规程要求,转子过电压保护动作电压值应低于转子绕组出厂工频试验电压幅值的70%,其容量可只考虑瞬时过电压,动作电压值在厂家设计值误差范围内。

表1 机组励磁系统转子过电压动作结果

三台机组试验过程中采用录波器进行波形分析,得到的波形结果如图5—图7所示。

图5 机组1直流作用下转子正方向的转子过电压保护装置动作波形。

图6 机组2直流作用下转子正方向的转子过电压保护装置动作波形。

图7 机组3直流作用下转子正方向的转子过电压保护装置动作波形。

根据差分傅里叶算法和滤波技术的发电机过电压保护装置不仅满足低于转子绕组出厂工频试验电压幅值的70%,而且远小于设计值,达到了发电机转子过电压保护的目的。

4 结 论

针对电厂过电压侵害造成的发电机转子匝间短路等威胁发电机定子及变压器安全的问题,设计一种基于差分傅里叶算法和滤波技术的新型智能化发电机转子过电压保护装置检测方法,使用该检测方法通过在某电厂励磁系统进行过电压保护装置试验。结果表明,该检测方法能很好地验证机组励磁系统转子过电压保护装置保护逻辑动作正确与否,动作电压值符合要求,验证了所设计测试仪器的有效性和准确性。