- 頭條同步電機動態參數辨識的新方法，試驗設備少，簡單安全2021-03-21 作者：馬一鳴 周理兵 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語三相突然短路試驗是同步電機動態參數辨識最常用的方法，但對于大型同步電機而言，由于突然短路過程的電流非常大，給電機系統造成損傷的風險較大，且試驗及保護系統十分復雜。為解決上述問題，強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院）的研究人員馬一鳴、周理兵、王晉、周佳、鄭印釗，在2019年第23期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于直流階躍電壓試驗的同步電機動態參數辨識方法。
同步電機的動態參數，主要包括各階瞬態電抗與各種瞬態時間常數，是其動態運行特性的決定因素。這些參數的準確測量對大型同步電機的性能考核評估與保護整定起著至關重要的作用。
目前，大型同步電機動態參數的試驗測試方法主要有三相突然短路法、電壓恢復法和靜止頻率響應法。三相突然短路法是指電機以額定轉速旋轉時，在一定的空載電壓下，利用開關在機端進行三相突然對稱短路，通過對短路電流進行錄波和處理，提取出電機的動態參數。
諸多學者已對三相突然短路法進行了深入研究，并在小容量同步電機上獲得了良好的試驗結果。三相突然短路時，機端會出現很大的沖擊電流，在額定空載電壓下，此電流會高達額定電流的數10倍。即便按照標準最低降壓至20%空載電壓進行三相突然短路，機端電流也可能存在3倍額定電流值以上的沖擊電流。
過大的突然短路電流可能會對電機及其他輔助試驗設備造成不可逆的損傷，甚至造成嚴重的經濟損失。這也是大型電機制造廠家與用戶不輕易進行三相突然短路試驗的原因。
另外，為保證大型同步電機進行三相突然短路試驗時設備與人員安全，試驗時需要額外配備大量的保護裝置，使得開展三相突然短路試驗時所需設備的要求變高且接線復雜。為避免產生過大的沖擊電流，工程上常利用電壓恢復法替代三相突然短路法，但是電壓恢復法僅能測量d軸參數，無法測量q軸參數，這是此方法存在的固有缺陷。
靜止頻率響應法是在電機靜止狀態下進行試驗，由于施加的信號較小，不會產生大的瞬態電流，因此被IEEE標準所推薦。但是，靜止頻率響應法需要向電機施加一定頻帶的交流信號，試驗需要具備可調頻的電源，且此方法涉及頻域信號的幅值與相位的處理，試驗及參數辨識復雜，難以推廣運用。
鑒于以上問題，在2007年，美國學者F. S. Sellscopp提出了直接階躍電壓試驗方法，此方法的特征是：試驗時電機處于靜止狀態，在電樞繞組的兩相間施加幅值很小的直流階躍電壓信號，然后對電流響應進行錄波，再通過對電流響應進行時域擬合提取電機的穩態與動態參數。
此方法不會產生沖擊電流，且僅需要在時域內處理信號，簡單易行，安全性高。由于試驗時施加的是小信號，導致實測電流響應波形中含有大量噪聲，因此參數辨識過程的難點在于如何從含噪信號中提取出真實的電流響應以及電流響應提取后的時域擬合過程。
F. S. Sellscopp對直流階躍電壓試驗的原理進行了說明，并通過理想化的電流響應信號成功辨識得到同步電機的動態參數。然而作者并未考慮實測信號中噪聲含量大的問題，噪聲的存在會大大降低電流響應曲線擬合的準確度。
同時，有學者在進行同步電機d軸參數辨識時，將電樞電流響應與勵磁電流響應合并作為一個目標進行優化，忽略了兩電流的數值大小關系，使得優化誤差絕大部分由電樞電流擬合結果決定，無法真實反映勵磁電流的擬合效果，造成參數辨識誤差較大。另外，目前并未針對此類方法建立通用的參數計算方法與模型，相關內容在國內鮮有報道。
為解決上述問題，強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院）的研究人員提出一種基于直流階躍電壓試驗的同步電機動態參數辨識方法。
圖1 直流階躍電壓試驗示意圖
圖5 直流階躍電壓試驗設備
圖6 試驗使用的直流電壓源
圖7 d軸試驗的電樞電流響應波形
主要研究內容包括：首先給出基于同步電機五繞組模型的直流階躍電壓試驗的參數解析計算方法，并將其推廣至采用其他類型信號或更復雜模型時的情況；其次，針對實測電流響應波形中存在大量噪聲的問題，提出一種改進的小波閾值去噪方法對實測電流響應波形進行預處理；然后，為兼顧多個電流響應的擬合精度，第二代非支配排序演化算法（Nondominated Sorting Genetic AlgorithmsⅡ, NSGAⅡ）多目標優化算法被用于電流響應的時域擬合過程；最后，利用一臺376MV?A同步電機的試驗樣機進行動模驗證。
研究者最后得出以下結論：
1）運用提出的基于直流階躍電壓試驗的通用參數解析計算方法可以得到同步電機d、q軸等效電路的穩態與動態參數。當將輸入信號改變為其他類型的信號，或采用更復雜的同步電機模型，此動態參數解析計算方法同樣適用，具有很強的通用性。
2）由于試驗施加的電壓信號很小，實測的電流響應波形存在的大量噪聲會降低參數辨識精度。采用文中所提出的結合SAPSO算法的改進小波閾值去噪方法可以很好地濾除電流響應中的噪聲。
3）對d軸試驗的電流響應曲線時域擬合，考慮到勵磁繞組電流比電樞電流要小得多，需要利用NSGAⅡ算法對兩電流響應進行雙目標優化。而對q軸試驗，僅需對q軸電流進行單目標優化，可采用如本文所述的SAPSO算法。
4）本文運用的直流階躍電壓試驗簡便易行，對設備要求低，沖擊電流小，安全性高，可以作為三相突然短路試驗及靜止頻率響應試驗的替代性試驗。
以上研究成果發表在2019年第23期《電工技術學報》，論文標題為“基于直流階躍電壓試驗與NSGAⅡ算法的同步電機動態參數辨識方法”，作者為馬一鳴、周理兵、王晉、周佳、鄭印釗。
