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发电机电气量测量和电压调节计算 |
AER工作过程中，需将发电机的各种电气量转换成微机能识别的数字量，不仅调节控制计算时要采用，限制程序中同样要采用。因此，电压调节计算程序、限制控制程序中均有采样程序，用以获取各种电气量的数字量。被采集的电气量有机端电压UG、有功功率P、无功功率Q、定子电流IG、励磁电压Ufd、励磁电流Ifd、发电机频率f（空载时反映发电机转速）、励磁变低压侧电流。
一、电气量测量
1．发电机机端电压测量
发电机机端电压测量要求有较高的测量精度，因为其是励磁调节的最重要依据，应当采用交流采样方式实现。由于发电机结构的原因，电动势中存在各种谐波，可以在采样电路的交流侧配备级联式有源滤波器滤除高次谐波，低通效果要好。A／D变换的位数取用高位数的。在电压有效值计算程序中，采用滤波效果好的计算方法滤除低次谐波，提高测量精度。
通过电压互感器TV1（专用电压互感器）、TV2（仪用电压互感器）可测量机端电压。采用两只电压互感器的目的是防止专用电压互感器高压侧熔丝熔断引起AER误强励。
机端电压测量有两种方式：
① 将经输入电路隔离变换后的三相电压进行整流、滤波变成直流电压，再经A／D变换，变成微机可识别的数字量；
② 将隔离变换后的三相电压先进行A／D变换，变换成数字量后，取出正序电压，再进行数字滤波获得微机能识别的数字量。采用发电机的正序电压反映机端电压可提高系统发生不对称短路故障时AER的检测灵敏度。
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发电机机端电压测量示意图 |
2．定子电流测量
定子电流数字量可采用傅氏算法直接求得；也可通过整流、滤波变换成直流量，再经A／D变换测量三相电流。
3．有功功率和无功功率的测量
在AER中，有功功率和无功功率测量有两种方式：
① 采用功率变送器，直接获得三相有功功率和三相无功功率的数字量；
② 应用定子电压、定子电流的采样值直接计算出发电机三相有功功率和三相无功功率。前者要增加硬件设备，后者不增加硬件设备，完全由软件实现。
4．励磁电流测量
励磁电流可通过接在励磁回路中的分流器、交流／直流变换器滤波后，经A／D变换就可测得励磁电流。在自并励励磁系统中，由于桥式整流电路两侧的电流具有一定的比例关系，因此，测量整流电路交流侧电流可以推算出直流侧的转子电流，即测量励磁变低压侧电流（图6-33中TA2的二次电流）来反映励磁电流。
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无刷发电机励磁原理图 |
二、发电机电压调节计算
电压调节计算主要由采样、调差计算、测量比较、PID计算等组成。其中采样计算就可获得有关发电机的各种电气量，供电压调节计算时使用。
1．调差计算（调差环节）
将电压测量值UG与整定值Uref直接比较，得到电压差值ΔUG，即无差调节特性为
ΔUG = K1(UG－Uref) (6-25)
式中 UG——发电机机端测量阻抗；
Uref ——发电机电压给定值；
K1 ——比例系数K1＜0。
当发电机端电压高于整定值时，输出将是一个负的电压差值。
考虑调差系数的有差特性为
ΔUG = K1(UG+δQG-Uref ) (6-26)
式中 QG——发电机机端无功功率测量值；
δ——发电机调差系数。
其他参数同式（6-25）。
经数值采样后机端电压的数字表达为UG（kT），调节器对机端电压的设定值为Uref（kT）。
无差特性为
ΔU(kT) = Kp[UG (kT)－Uref(kT)] (6-27)
在电压差计算公式中加入调差系数δ与发电机输出的无功功率QG的乘积。改变发电机的调差系数δ，即取士δQ（kT），可以得到不同的发电机有差特性，即
ΔU(kT) = Kp[UG(kT)±δQG(kT)－Uref (kT)] (6-28)
式中 UG（kT）——发电机机端电压采样值；
QG（kT）——发电机无功功率的采样值；
Uref （kT）——电压给定值的采样值；
Kp——励磁调节器的放大倍数；
δ——调差系数。
从式（6-28）可以看出，考虑调差系数后，测量比较的电压为UG±δQ。当δ前取“＋”号时，若QG增加，测量比较的输入电压比机端电压给定值要高，则调节器将减少励磁，使调差特性下倾即正调差；若取“－”号，则使测量比较的电压比机端电压设定值低，调节器将加大励磁，使电压升高，结果是调差特性上翘即负调差。
当发电机输出无功功率QG（电流）变化时，其变化量乘以调差系数δ，相应影响测量比较的结果，由此影响发电机电压的相对变化。
2．PID调节计算
PID计算环节输入的是偏差信号电压ΔU（n），输出的是信号电压Y（n）。PID计算就是比例、积分、微分运算，在模拟式控制装置中，PID的调节规律为
式中 Kp ——比例放大系数；
K1 ——积分系数；
KD——微分系数。
比例调节用以提高AER调节灵敏度，Kp愈大，AER灵敏度愈高；积分调节用以提高调节精度，即使ΔU（t）很小，但经一段时间积分后，就有一定量的Y（t），AER调节结果使ΔU（t）更小，即机端电压更趋近给定电压，当然增大K1可进一步提高调节精度；微分调节可提高调节速度，特别在机端电压发生突变时，可使AER快速作出反应。Kp、K1、KD系数的选择，应保证AER稳定运行，并处最佳匹配状态。在数字式AER中，可在线（发电机空载时）修改参数。
用离散采样值计算时，差分方程为
式中 Ty ——采样计算周期；
ΔU（n）—— t＝nTy，时刻偏差电压ΔU（t）采样值；
ΔU（k）—— t＝kTy，时刻偏差电压ΔU（t）采样值；
Y（n）—— t＝nTy，时刻PID计算输出值；
Y（0）——初始输出值。
可以看出，Y（n）与过去的状态有关。为使AER调节平稳、无冲击，广泛采用增量算法。即将n时刻和n-1时刻的Y（t）值相减，可得增量算法表达式为
其中，ΔY（n）为t＝nTy时刻输出电压增量，故Y（n）可表示为
Y(n)=Y(n－1)+ΔY(n) (6-32)
式中 Y（n）——数字移相的输入控制信号。
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