一种对等分布式励磁系统的制作方法

本发明涉及发电机自动控制，具体涉及一种对等分布式励磁系统。

背景技术：

1、励磁系统中集成了可控硅整流桥的电气柜称为功率柜。功率柜是励磁系统的重要组成部分，励磁系统分为常规励磁系统和配置了智能均流功能的励磁系统。常规励磁系统一般配置有两个励磁调节柜控制通道，控制通道输出的触发脉冲，并联输出到各功率柜出触发可控硅导通，即各功率柜桥臂触发时刻和触发脉冲宽度完全一致，不能单独调节各功率柜输出电流或桥臂电流，其原理如图1所示。

2、为了让励磁系统具备智能均流功能，则除了2个控制通道外，还在励磁系统的每个功率柜配置了控制器，如图2所示，由功率柜控制模块通过通信网络获得在线控制通道的控制角自行生成本功率柜的触发脉冲。此功率柜控制模块还可以通过通信网络获得其他功率柜的输出电流或桥臂电流等均流控制信息，在均流控制计算后微调本功率柜触发脉冲，使各功率柜输出电流一致（柜均流）或各桥臂电流一致（管均流），实现智能均流功能。

3、申请号为201510572481.8一种带独立控制功能的智能功率柜和申请号为201510571800.3的一种基于分布式控制的高冗余度励磁系统及其控制方法的现有技术均是在智能功率柜上配置励磁控制功能，实现智能均流功能，在励磁调节柜的控制通道同时故障后由智能功率柜转为在线控制，可以增加励磁系统的冗余度。但是这些智能功率柜因为没有采集定子电压和定子电流，不能计算角速度、有功功率、无功功率，所以无法实现励磁控制通道的自动控制功能，也无法实现各类常规的励磁限制保护，如欠励限制、强励限制等，由于存在以上问题，具备励磁控制功能的智能功率柜优先级低于励磁调节柜控制通道，只能在控制通道全部故障时临时转为在线控制，不允许长期运行。

4、现有采样方式有定频采样和变频采样两种，前者采样频率较高，对于结果采用均方根值算法计算信号的有效值，后者用于正弦波信号，采样频率跟踪信号频率，采用傅里叶算法可以得到信号的幅值和相位。

5、如图3所示的一个定频采样实例，图中朝下的箭头对应时刻为采样点，黑色折线是信号波形，采样点之间的时间间隔为固定的，采样周期是2ms，取最近200ms内的数据，可以按照下面的公式进行均方根值计算，其中，v是信号有效值，k是信号由电压转为标幺值的转换系数，vn是第n次采样的结果，对于信号瞬时值可以直接采用计算。

6、如图4所示是变频采样实例图，变频采样频率为信号频率的12倍，图中朝下的箭头对应时刻是采样点，黑色曲线是是信号波形，采样周期不是固定的，与信号周期相关，为信号周期的1/12。

7、对变频采样的数值采用傅里叶算法进行处理:

8、；

9、；

10、；

11、其中是信号矢量，vi是信号虚部，vr是信号实部有效值，k是信号由电压转为标幺值的转换系数，vn是第n次变频采样的结果。

12、具体地，因为电压、电流同步采样，二者相位处于相同的坐标系，可以进一步通过矢量计算得到有功功率p和无功功率q。

13、

14、是视在功率，是定子电压。

15、角速度一般使用转速代替。

16、；

17、xq是发电机交轴暂态电抗，ir是定子电流实部、是定子电流矢量。

18、eq的相角为

19、；

20、相邻两次计算的eq的相角差除以时间差即可得到角速度。

21、；

22、式中θk是本次计算得到的eq相角，θk-1是上一次计算得到的eq相角，δt是两次计算间隔的时间。

23、目前对二次侧电压、电流采用固定频率ƒs采样也同样可以计算电压电流幅值、相位，以及有功功率、无功功率和角速度。首先根据二次侧电压电流，使用测频算法检测电压电流信号频率ƒe( 参见“李一泉，何奔腾.一种基于傅氏算法的高精度测频方法[j]. 中国电机工程学报.2006 26(2).78-81”)，然后根据频率的比值获得数据窗口长度n=[ƒs/ƒe]，在所述数据窗内通过插值方法计算得到新的n个变频采样数据值，因此每次刷新电压电流幅值、相位都需要先刷新信号频率然后重新计算n，再采用傅里叶算法处理数据。而傅氏算法测算频率采集周波数据需要至少1000个采样点，在信号无谐波干扰时计算需要23ms，信号有谐波干扰时，计算需要的迭代次数增加3倍，因此该方法至少需要23ms才刷新一次，无法达到高速采集电压电流幅值、相位的目的。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是消除具备励磁控制功能的智能功率柜的缺陷，让智能功率柜具备与常规励磁控制通道一致的功能。为智能功率柜的模拟量采集增加定子电流和定子电压信号，这样智能功率柜控制模块可以计算定子电压、定子电流、有功功率、无功功率、角速度等状态量，进而实现励磁控制通道所有的限制保护和控制功能，完全可以淘汰励磁控制通道。为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

2、一种对等分布式励磁系统，包括功率柜，所述所有智能功率柜的智能控制模块之间采用光纤进行点对点互联，人机界面通过以太网连接到各智能控制模块；所述智能控制模块对三相阳极电压、三相阳极电流，三相定子电压、三相定子电流、功率柜输出电压、功率柜输出电流进行定频采样。

3、各智能控制模块配置相同的励磁控制程序，各智能控制模块被预设控制优先级，最高优先级的智能控制模块切换为取得在线控制权，取得在线控制权的智能控制模块独立对励磁系统执行励磁控制程序：智能均流控制；pss2b附加控制，恒机端电压方式，或恒励磁电流方式，或恒阳极电压控制。

4、所述智能控制模块之间采用光纤点对点通信，每个工频周期交互一次状态信息，包括定子电压、pid控制中间状态量、控制角、桥臂电流、功率柜输出电流、开关量状态以及模块之间通信状态；各智能控制模块同时通过以太网通信方式连接到人机界面，pid控制的中间状态量用于实现在线控制权切换时控制输出的无扰切换，各备用智能控制模块均以在线控制的智能控制模块的pid中间状态量为基础进行pid控制计算。

5、各智能控制模块按照功率柜序号升序排列预置控制优先级，序号越低者控制优先级越高。

6、取得在线控制权的智能控制模块出现pt断线故障时，没有出现pt断线故障的智能控制模块中控制优先级最高的获得在线控制权。

7、统计每个智能控制模块与其他智能控制模块维持通信正常的数量并排序，当在线控制模块与其他智能控制模块维持通信正常的数量不是最大值时，由与其他智能控制模块维持通信正常的数量最多的智能控制模块中控制优先级最高的智控控制模块获得在线控制权。

8、若在线控制模块与其他智能控制模块之间出现通信故障，而与其他智能控制模块维持通信正常的数量最多的智能控制模块也出现pt断线故障时，由与其他智能控制模块维持通信正常的数量最多的智能控制模块中控制优先级最高的智控控制模块获得在线控制权。

9、所述智能控制模块设有：

10、模拟量采集通道，采用定频频率ƒ同时采集来自同步电压互感器的三相阳极电压vanode_a、vanode_b、vanode_c，来自同步电流互感器的三相阳极电流ianode_a、ianode_b、ianode_c，来自功率柜的输出电压vfd和输出电流ifd，来自定子电压互感器pt的三相定子电压va、vb、vc，来自定子电流互感器ct的三相定子电流ia、ib、ic，系统电压vs，和白噪声vnoise，所述定频频率ƒ不小于2khz：

11、周期分析模块，根据所述来自定子电压互感器pt的三相定子电压数据的定频采样数据获取所述三相电压的周期t，计算变频采样周期t，t=t/b，b为不小于12的整数；

12、变频采样模块，每得到一次三相定子电压的周期t，根据三相定子电压周期t在定频采样数据中采用插值算法提取t/t个变频采样数据；

13、数据处理模块，使用快速傅里叶算法处理每个变频采样周期内的采样数据，得到三相定子电压矢量的实部和虚部，根据实部虚部计算三相定子电压矢量的幅值和相位。

14、所述智能控制模块还包括：

15、故障判断模块，比较源自同一路定子电压互感器的三相定子电压的幅值判断采集三相定子电压的电压互感器是否出现断线；

16、在线控制模块，根据故障判断模块的判断结果选取状态正常的智能控制模块中优先顺序靠前的转为在线控制，在所有定子电压互感器信号均出现故障，在智能控制模块转为恒励磁电流运行方式运行，且在功率柜输出电流互感器也出现故障时，取得在线控制权的智能控制模块，按照恒阳极电压方式运行。

17、所述通信周期为2ms，所述定频频率ƒ为5khz，所述变频采样周期t为权利要求1所述三相定子电压周期t的1/12。

18、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

19、一种对等式分布励磁系统通过对功率柜配置智能控制模块，智能功率柜的模拟量采集增加定子电流和定子电压信号，可以通过对采集到的电压和电流信号进行插值和滤波处理，得到定子电压矢量、定子电流矢量、有功功率、无功功率和角速度，实现励磁控制通道所有的限制保护和控制功能。相对于常规智能均流方案，在硬件方面去掉了配置的励磁控制通道；在功能方面智能功率柜控制模块不仅具备了常规励磁控制通道的全部功能，还具备了更丰富的运行方式，如恒阳极电压运行方式。

20、本发明的智能控制模块通过均方根值算法和傅里叶算法对三相定子电压或三相阳极电压信号插值和滤波之后得到信号周期，在励磁系统采用这种智能控制模块可以简化在线控制模块设计，完全取消在线控制模块的模拟量采集功能，同时在外部完成数据处理也减轻了智能控制模块的计算负担，可实现高速采样、高速数据处理和高速通信，其状态刷新与传送性能足以达到实时控制的需求。

21、采用以上方法，智能控制模块每2ms刷新一次三相电压、三相电流、有功功率、无功功率和角速度。