基于差分傅里葉算法和濾波技術的過電壓保護裝置檢測法

李勇,胡建華,柳鵬,彭發榮

(國家能源集團科學技術研究院有限公司銀川分公司,寧夏 銀川 750011)

0 引 言

火力發電廠發電機轉子往往處于長時間高速轉動的狀態,其線圈容易因電、熱、化學腐蝕和電動力作用導致匝間故障、接地故障和開路故障[1]。發電機定子繞組接地會造成定子鐵芯被流經故障發生處的電容電流引起電弧破壞,而且由于鐵芯燒傷導致磁場分布不平衡,使得定子繞組局部溫度超限,最終導致匝間短路或相間短路,嚴重破壞發電機[2-6]。一般來說,對于火電機組,假如某臺發電機產生了機端過電壓故障,通過升壓變壓器并聯于高壓母線,利用介于發電機和高壓母線中的變壓器短路電抗,可以從全部并列運行發電機中精確查尋出產生過電壓的發電機[7-8]。由于變壓器短路電抗的隔離作用,公共母線過電壓處于故障狀態的發電機機端電壓值理應最突出[9-11],而發電機轉子遭受電壓侵害時,會發生轉子匝間短路現象,嚴重時將威脅發電機定子及變壓器的安全[12-13]。因此,為避免上述發電機轉子發生過電壓的情況,目前國內火力發電廠常常會給發電機組裝備進口原裝和組裝的勵磁裝置,一般會附帶發電機轉子滅磁及過電壓保護裝置,但其安全性是否可靠,仍需進一步研究[14-17]。

根據文獻[18]中的要求,滅磁及過電壓保護裝置在交接和大修時必須進行轉子過電壓裝置的性能試驗,目前開展該項試驗的專用測試儀器是電科院自行研制的DKY-1型發電機轉子過電壓保護裝置測試儀,但該儀器因集成化不高,目前已無法滿足現場試驗的要求,需要對該儀器進行改造和升級[19-23]。因此,擬在傳統測試方法的基礎上,通過對百萬機組發電機轉子滅磁及過電壓保護裝置工作原理的研究,引入差分傅里葉算法和濾波技術,實現信號的完全傳輸。

綜上所述,在傳統發電機組轉子過電壓保護裝置試驗方法的基礎上,首先,通過了解發電機過電壓保護裝置的動作情況和動作電壓值,確定發電機過電壓保護裝置測試儀的電壓結構參數。其次,采用高頻倍壓電路,應用脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)技術,使電壓穩定度大幅度提高,使用大功率絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件和驅動技術,產生穩定度高、電源功率大的直流輸出。從分壓電阻上采集電壓信號,最后引入差分傅里葉算法和濾波技術,實現信號的完全輸出,經過單片機周期采樣,將采樣信號轉化為模擬電壓電流量,經過單片機的A/D采樣通道,得到單片機能完整地采集到當時的電壓和波形。提出了一種基于差分傅里葉算法和濾波技術的發電機轉子過電壓保護裝置檢測方法,以便進行穩壓、穩流和保護動作調節,為最終控制功能提供依據,選取不同火電廠機組勵磁系統進行試驗,驗證所提方法的有效性和準確性。

1 傳統過電壓保護裝置測試儀原理及模型

轉子過電壓保護裝置基本電路及其原理是一組正反向并聯的可控硅串聯一個放電電阻后再并聯在勵磁繞組兩端,當可控硅的觸發器電路檢測到轉子過電壓后,立即發出觸發脈沖使可控硅導通,利用放電電阻吸收過電壓能量。

如圖1所示,通過隔離調壓器的兩個輸入端連接電源,兩個輸出端與整流濾波電路連接后作為直流輸出測試端子,該整流濾波電路由橋式整流電路濾波器構成。其中,橋式整流電路由四個二極管組成,而濾波器由單個電容器組成。

圖1 試驗接線。

在交直流輸出選擇開關的一個輸入端與隔離調壓器的一個輸出端之間串聯一個自制的過電流繼電器,該過電流繼電器的第一常閉觸點與自鎖繼電器的線圈串聯,還包括零位保護行程開關,該零位保護行程開關的觸發端安裝在隔離調壓器的零位處,并且該零位保護行程開關的輸出端與自鎖繼電器的線圈串聯,從而使隔離調壓器處于零位時零位保護行程開關的輸出端閉合導通。

研究橋式整流和濾波器實現交直流電源輸出,采用高頻倍壓電路,應用最新的PWM高頻脈寬調制技術,使電壓穩定度大幅度提高。使用差分傅里葉算法和濾波技術,保證電壓電流信號及電壓波形能完全無損失傳送到顯示器。

2 過電壓保護裝置檢測方法設計

2.1 差分傅里葉算法

時域是以時間為參照,頻域是以頻率為參照。正弦波在時域上是連續的周期信號[21-22],包括幅值、相位和頻率。傅里葉變換的本質就是將任一個周期信號在頻域上看成無限多個分開的離散的正弦波,所以正弦波可以看成一個在頻域上始終旋轉的、永恒不變的圓。經過傅里葉變換之后,便可將電流電壓信號的各個頻率的波形提取出來,基波和各次諧波甚至非 50 Hz 整數倍的間諧波。AD 采樣得到一個周期每個點的 AD 值,傅里葉變換可以求出每個點的實部和虛部,進一步得到幅值和相角,因此可以從一個復雜的波形中提取出直流分量、基波和各次諧波分量,基波用于繼電保護判斷,保護元件有時需要用到二次諧波甚至高次諧波[3]。

疊加直流分量的正弦波公式一般可以表示為y=Ie+Asin(t+θ),其中Ie為直流分量。一階差分的原理是將正弦波相鄰的兩個 AD 采樣點值進行逐點做差,即可濾除直流分量,結果得到一個新的正弦波,此時針對新的正弦波不管用半波傅里葉還是全波傅里葉均不含直流分量。

新的正弦波與實際正弦波之間的補償關系根據三角函數和差化積公式得到,見式(1)。

(1)

進一步推導出差分傅里葉公式為

(2)

差分后的正弦波公式為

(3)

差分傅里葉計算過程中需要成補償系數,公式為

(4)

將新正弦波的正弦分量和余弦分量算出之后除以補償系數即得到實際的保護數據。

2.2 PWM脈沖寬度調制

在高頻開關電源的控制反饋中,脈寬調制方式取得了業界的普遍認可,這完全是因為 PWM 控制的開關頻率恒定以及可調節控制的開關占空比。其控制原理一般是將系統負載采集到的信號波與鋸齒波進行對比,然后將對比之后得到的具有恒定頻率的變化脈寬的方波信號輸出,輸出信號作為功率開關器件的控制源進行控制。針對負載的不同狀態,變化開關管的導通和關斷時間,已達到輸出電壓穩定的目的。如果按反饋環路樣式劃分,分別為電壓、電流兩種控制型。電壓控制一般是采樣負載端的輸出電壓,用以反饋控制信號達到閉環控制,可以輸出穩定電壓,此種模式是單環控制系統。通過在電壓控制形式上,又額外引入一個采樣回饋值,作為雙環控制系統,能夠在電源參數等方面起到優化作用。

1)電壓控制模式。如圖2所示,電壓控制模式的基本原理是將測量的輸出采樣電壓VFB與給定的電壓Vref進行比較后,將所得差值輸出VE,然后再將VE和芯片給出的波形相對比,會在 PWM 比較器的輸出端得到一定數值占空比的控制信號,誤差電壓VFB的變化致使脈寬隨之變化,輸出端的能量值取決于脈沖寬度。

圖2 電壓控制模式。

2)電流控制模式。如圖3所示,電流控制模式是雙環控制,比電壓控制模式多了一個內環,即電流反饋環。

圖3 電流控制模式。

2.3 過電壓保護裝置檢測方法研究

基于差分傅里葉算法和濾波技術的發電機轉子過電壓保護裝置檢測方法電氣原理如圖4所示。

圖4 測試方法電氣原理。

儀器使用前,先將儀器輸出端連接到發電機轉子過電壓保護裝置(跨接器)兩端。合上雙連倒板開關K1,使儀器帶電,在確保隔離調壓器TB在零位時,交直流輸出選擇開關K2在直流輸出位置,按下合閘按鈕HN交流接觸器使CJ線圈勵磁,接觸器常閉節點閉合,同時合閘按鈕和零位保護行程開關XC由交流接觸器一節點C給予自保持,電源主回路接通式隔離調壓器帶電,旋轉隔離調壓器旋鈕,使直流輸出電壓從0～1 kV平穩升壓,直流輸出并接濾波電容C。根據采集的電壓電流數據,描繪出發電機轉子過電壓保護裝置(跨接器)的動作特性曲線,根據繪制的曲線判斷發電機轉子過電壓保護裝置的質量,得出試驗結論。

3 試驗結果

本次試驗在國內不同1 000 MW燃煤電廠所提供的歷史數據中選取一組數據。實施采用數據收集和儀器的優化仿真方式。借助于原來測試數據的經驗,確定研制儀器的參數,然后選用精密、智能化的設備元器件組裝儀器,并在現場進行660～1 000 MW發電機組過電壓保護裝置的測試。

通過試驗驗證發電機轉子過電壓保護裝置是否按邏輯要求動作以及實測出在過電壓情況下的保護動作值。依據規程要求,轉子過電壓保護動作電壓值應低于轉子繞組出廠工頻試驗電壓幅值的70%,其容量可只考慮瞬時過電壓,動作電壓值在廠家設計值誤差范圍內。

表1 機組勵磁系統轉子過電壓動作結果

三臺機組試驗過程中采用錄波器進行波形分析,得到的波形結果如圖5—圖7所示。

圖5 機組1直流作用下轉子正方向的轉子過電壓保護裝置動作波形。

圖6 機組2直流作用下轉子正方向的轉子過電壓保護裝置動作波形。

圖7 機組3直流作用下轉子正方向的轉子過電壓保護裝置動作波形。

根據差分傅里葉算法和濾波技術的發電機過電壓保護裝置不僅滿足低于轉子繞組出廠工頻試驗電壓幅值的70%,而且遠小于設計值,達到了發電機轉子過電壓保護的目的。

4 結 論

針對電廠過電壓侵害造成的發電機轉子匝間短路等威脅發電機定子及變壓器安全的問題,設計一種基于差分傅里葉算法和濾波技術的新型智能化發電機轉子過電壓保護裝置檢測方法,使用該檢測方法通過在某電廠勵磁系統進行過電壓保護裝置試驗。結果表明,該檢測方法能很好地驗證機組勵磁系統轉子過電壓保護裝置保護邏輯動作正確與否,動作電壓值符合要求,驗證了所設計測試儀器的有效性和準確性。