基于同步发电机异步旋转频率响应试验的参数测试方法.pdf

一种基于同步发电机异步旋转频率响应试验的电气参数测试方法，包含如下步骤：获得不同转差频率下同步电机异步运行状态的试验数据，所述试验数据至少包含发电机定子电压、电流和励磁绕组电流；对不同频率的定子电压和电流、励磁电流录波数据进行滤波、频谱分析，对定子电压和电流进行派克变换，分别得到交直轴电压和电流；根据不同频率的定子电压和定子电流、励磁电流、定子绕组的电阻、交直轴的同步电抗，求解不同频率直轴和交轴的运算电抗，并获得频率相关的特性曲线，对该曲线进行拟合，输出同步发电机的电气参数。

1.一种基于同步发电机异步旋转频率响应试验的电气参数测试
方法，其特征在于：包含如下步骤：
步骤1：获得不同转差频率下同步电机异步运行状态的试验数据，
所述试验数据至少包含发电机定子电压、电流和励磁绕组电流；
步骤2：对不同频率的定子电压和电流、励磁电流录波数据进行
滤波、频谱分析，对定子电压和电流进行派克变换，分别得到交直轴
电压和电流；
步骤3：根据不同频率的定子电压和定子电流、励磁电流、定子
绕组的电阻、交直轴的同步电抗，求解不同频率直轴和交轴的运算电
抗，并获得频率相关的特性曲线；
步骤4：对该曲线进行拟合，输出同步发电机的电气参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：获得不同转差频率
下同步电机异步运行状态的试验数据，采用单机-并联电容的接线方
式，励磁系统退出，励磁绕组回路短路，在发电机定子对地回路连接
有电容器和电阻串接支路，电容器两端并联有一定容量的电阻
(MOV)，转子拖动至并保持一定转速，发电机发生异步自激磁，发
电机此时处在异步运行方式；机端电压用三相电压互感器(PT)测
量得到，机端电流用三相电流互感器(CT)测量得到，励磁绕组电
流用变送器测量得到。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：获得不同转差频率
下同步电机异步运行状态的试验数据，采用单机-试验电源的接线方
式，励磁系统退出，励磁绕组回路短路；试验电源为变频电源，待测
电机被拖动至额定转速；机端电压用三相电压互感器(PT)测量得
到，机端电流用三相电流互感器(CT)测量得到，励磁绕组电流用
变送器测量得到。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：获得不同转差频率
下同步电机异步运行状态的试验数据，采用单机-试验电源的接线方
式，励磁系统退出，励磁绕组回路短路；试验电源为工频电源，待测
电机被拖动至其他转速；机端电压用三相电压互感器(PT)测量得
到，机端电流用三相电流互感器(CT)测量得到，励磁绕组电流用
变送器测量得到。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：求解不同频率直轴
运算电抗Xd(js)和交轴运算电抗Xq(js)、励磁绕组传递函数Gf(js)的
公式如下：
$\left.\begin{array}{c}{I}_d=\frac{{\mathrm{jX}}_q\left(js\right)-\frac{r_a}{1-2s}}{\frac{r_a^2}{1-2s}+X_d\left(js\right)X_q\left(js\right)+j\frac{r_{a}s}{1-2s}\[X_d\left(js\right)+X_q\left(js\right)\]}{U}_d\\ I_q=\frac{{\mathrm{jX}}_d\left(js\right)-\frac{r_a}{1-2s}}{\frac{r_a^2}{1-2s}+X_d\left(js\right)X_q\left(js\right)+j\frac{r_{a}s}{1-2s}\[X_d\left(js\right)+X_q\left(js\right)\]}{U}_q\\ I_f=G_f\left(js\right)U_d\end{array}\right\}$式3
其中，UA、UB、UC为定子电压和IA、IB、IC为定子电流，If励磁
电流、s为角速度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：
直轴运算电抗Xd(js)和交轴运算电抗Xq(js)、励磁绕组传递函数
Gf(js)与频率之间的函数关系如式4：
$\left.\begin{array}{c}{X}_d\left(js\right)=\frac{1}{\left\{\frac{1}{x_d}+\left(\frac{1}{x_d^{,}}-\frac{1}{x_d}\right)\frac{{\left({\mathrm{sT}}_d^{,}\right)}^2}{1+{\left({\mathrm{sT}}_d^{,}\right)}^2}+\left(\frac{1}{x_d^{,,}}-\frac{1}{x_d^{,,}}\right)\frac{{\left({\mathrm{sT}}_d^{,,}\right)}^2}{1+{\left({\mathrm{sT}}_d^{,,}\right)}^2}\right\}+j\left\{\left(\frac{1}{x_d^{,}}-\frac{1}{x_d}\right)\frac{{\mathrm{sT}}_d^{,}}{1+{\left({\mathrm{sT}}_d^{,}\right)}^2}+\left(\frac{1}{x_d^{,,}}-\frac{1}{x_d^{,,}}\right)\frac{{\mathrm{sT}}_d^{,,}}{1+{\left({\mathrm{sT}}_d^{,,}\right)}^2}\right\}}\\ X_q\left(js\right)=\frac{1}{\left\{\frac{1}{x_q}+\left(\frac{1}{x_q^{,}}-\frac{1}{x_q}\right)\frac{{\left({\mathrm{sT}}_q^{,}\right)}^2}{1+{\left({\mathrm{sT}}_q^{,}\right)}^2}+\left(\frac{1}{x_q^{,,}}-\frac{1}{x_q^{,,}}\right)\frac{{\left({\mathrm{sT}}_q^{,,}\right)}^2}{1+{\left({\mathrm{sT}}_q^{,,}\right)}^2}\right\}+j\left\{\left(\frac{1}{x_q^{,}}-\frac{1}{x_q}\right)\frac{{\mathrm{sT}}_q^{,}}{1+{\left({\mathrm{sT}}_q^{,}\right)}^2}+\left(\frac{1}{x_q^{,,}}-\frac{1}{x_q^{,,}}\right)\frac{{\mathrm{sT}}_q^{,,}}{1+{\left({\mathrm{sT}}_q^{,,}\right)}^2}\right\}}\\ G_f\left(js\right)=\frac{x_{ad}}{r_f}\frac{js\left(1+{\mathrm{jsT}}_{D\mathrm{\σ}}\right)}{\left(1+{\mathrm{jsT}}_{do}^{\′}\right)\left(1+{\mathrm{jsT}}_{do}^{\′\′}\right)}\end{array}\right\}$式4
其中ra定子直流电阻，s＝2πf，j复数的虚数单位，xd为直轴同
步电抗、x′d为直轴瞬态电抗、x″d为直轴超瞬态电抗、T'd为直轴瞬态
时间常数、T″d为直轴超瞬态时间常数、T'do为定子开路时的直轴瞬态
时间常数、T″do为定子开路时的直轴超瞬态时间常数；xq为交轴同步
电抗、x′q为交轴瞬态电抗、x″q为交轴超瞬态电抗、T'q为交轴瞬态时
间常数、T″q为交轴超瞬态时间常数、xad为直轴电枢反应电抗、TDσ为
直轴阻尼绕组的漏磁时间常数、rf为励磁绕组电阻，xd、T'do、xq、
ra、xad为常规同步发电机型式试验中能准确获得的参数，利用式4
对步骤4中获得的运算电抗频率特性曲线，进行曲线拟合，可以获得
试验频率下的电气参数，包括x′d、x″d、T’d、T″d、x′q、x″q、T’q、T″q、
rf、TDσ。

基于同步发电机异步旋转频率响应试验的参数测试方法

技术领域

本发明是基于异步运行试验的同步发电机参数测试方法，属于同
步发电机电气参数实测技术领域。

背景技术

我国电网的容量和规模日益增大，电力系统的安全问题日益突出，
发电机的模型与参数作为仿真计算的重要环节，其参数的不准确性将
直接影响到电力系统稳定计算结果。

同步发电机在不同的频率下外特性不同，针对一个或多个频率，
可能需要多套参数。近些年来，电力系统中多出现大型坑口电厂的点
对网带串补运行方式，需要对发电机进行次同步谐振分析和抑制技术
的研究，需要一组或多组参数来准确仿真在不同的轴系频率下的发电
机外特性。

同步发电机的电气参数获取较多采用时域测试法、抛载法。时域
测试法利用SMU装置测量发电机的输入输出量，离线进行数据处理，
再用优化类的方法搜索满足模型方程的参数解，这种方法需要运用功
角测量值的绝对量信息，由于功角测量精度无法保证，实际测试中，
部分参数特别是暂态参数的误差可能会超过10％。抛载法包括传统的
特定位置(D轴和Q轴)甩负荷方法和新的任意位置甩负荷方法，
这种方法难以准确把握试验条件，需要根据经验做近似调整，不同人
测试的结果不同。以上两种测试方法得到的参数用于研究次同步谐振
问题时，都不能得到与实际系统相吻合的结果，可能会导致与实际工
程实践完全相反的结论。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够准确描述同步发
电机不同频率外特性的电气参数测试方法。该方法利用同步发电机异
步运行试验获取测试同步发电机电气参数的测量数据。

本发明采用如下方案：

一种基于同步发电机异步旋转频率响应试验的电气参数测试方
法，包含如下步骤：

步骤1：获得不同转差频率下同步电机异步运行状态的试验数据，
所述试验数据至少包含发电机定子电压、电流和励磁绕组电流；

步骤2：对不同频率的定子电压和电流、励磁电流录波数据进行
滤波、频谱分析，对定子电压和电流进行派克变换，分别得到交直轴
电压和电流；

步骤3：根据不同频率的定子电压和定子电流、励磁电流、定子
绕组的电阻、交直轴的同步电抗，求解不同频率直轴和交轴的运算电
抗，并获得频率相关的特性曲线；

步骤4：对该曲线进行拟合，输出同步发电机的电气参数。

本发明中可以通过如下三种方式获得两组不同转差频率下同步
电机异步运行状态的试验数据，

第一种方式：采用单机-并联电容的接线方式，励磁系统退出，
励磁绕组回路通过电缆短路，在发电机定子对地回路连接有电容器和
电阻串接支路，电容器两端并联有一定容量的电阻(MOV)，转子拖
动至并保持一定转速，发电机发生异步自激磁，发电机此时处在异步
运行方式；机端电压用三相电压互感器(PT)测量得到，机端电流
用三相电流互感器(CT)测量得到，励磁绕组电流用变送器测量得
到。

第二种方式：采用单机-试验电源的接线方式，励磁系统退出，
励磁绕组回路通过电缆短路；试验电源为变频电源，待测电机被拖动
至额定转速；机端电压用三相电压互感器(PT)测量得到，机端电
流用三相电流互感器(CT)测量得到，励磁绕组电流用变送器测量
得到。

第三种方式：获得两组不同转差频率下同步电机异步运行状态的
试验数据，采用单机-试验电源的接线方式，励磁系统退出，励磁绕
组回路通过电缆短路；试验电源为工频电源，待测电机被拖动至其他
转速；机端电压用三相电压互感器(PT)测量得到，机端电流用三
相电流互感器(CT)测量得到，励磁绕组电流用变送器测量得到。

本发明的同步电机异步运行参数试验方法中获得不同频率下同
步电机异步运行状态的方式，其关键在于确定同步电机需要关注的转
子回路频率值。转子回路的频率值、转子转速对应的频率值与定子回
路的频率值之间存在如下关系：转子转速对应的频率值＝转子回路的
频率值+定子回路的频率值。该方法利用同步发电机异步运行试验获
取测试同步发电机电气参数的测量数据，可以准确把握试验条件。

附图说明

图1为本发明的试验接线。

图2为本发明的试验方式二和三。

图3为本发明的同步电机异步运行参数测试方法的步骤流程图。

具体实施方式

如图1所示，对于试验方式一，采用单机-并联电容的接线方式，
励磁系统退出，励磁绕组回路通过电缆短路，在发电机定子对地回路
连接有电容器和电阻串接支路，电容器两端并联有一定容量的MOV；
将同步电机的转子由拖动装置拖动到指定转速，然后逐相合入三相断
路器，将右侧的电容器和电阻与待测同步电机连接，同步电机经过一
个暂态过程后，进入稳态异步运行状态。在第三相断路器合入时，启
动暂态录波采集装置，开始记录机端电压、电流和励磁绕组电流。在
采集一定时间段的数据后，断开三相断路器。完成一次转差频率下同
步电机异步运行状态试验数据的采集。

如图2所示，对于试验方式二，采用单机-试验电源的接线方式，
励磁系统退出，励磁绕组回路通过电缆短路；将同步电机的转子由拖
动装置拖动到电机额定转速，将右侧变频电源频率设定为某一指定频
率，然后逐相合入三相断路器，将右侧的变频电源与待测同步电机连
接。在第三相断路器合入时，启动暂态录波采集装置，开始记录机端
电压、电流和励磁绕组电流。在采集一定时间段的数据后，断开三相
断路器。完成一次转差频率下同步电机异步运行状态试验数据的采集。

如图2所示，对于试验方式三，采用单机-试验电源的接线方式，
励磁系统退出，励磁绕组回路通过电缆短路；将同步电机的转子由拖
动装置拖动到指定转速，然后逐相合入三相断路器，将右侧的工频电
源与待测同步电机连接。在第三相断路器合入时，启动暂态录波采集
装置，开始记录机端电压、电流和励磁绕组电流。在采集一定时间段
的数据后，断开三相断路器。完成一次转差频率下同步电机异步运行
状态试验数据的采集。

拖动同步电机转子的拖动装置，如果在火电厂的现场就是机组本
身的汽轮机，如果在电机设备厂家进行试验就是大功率电机。

以上无论采用哪种试验方式，需要测量的数据量主要有发电机定
子电压、电流和励磁绕组电流。试验测量设备为高精度的电力系统暂
态记录仪，仪器采样率至少保证在2k以上，对同步发电机异步旋转
频率响应试验的暂态过程和稳态过程中相关电气量进行全程录波记
录，包括暂态过程和稳态运行，通过异步运行试验获取测试同步发电
机电气参数的测量数据。

图3为本发明记录方法的流程图，按照上述试验接线一或二或三
得到的发电机异步运行试验数据，将两个转差频率下的发电机定子电
压、电流和励磁绕组电流试验数据带入式3建立的非线性方程，输出
发电机的暂态和次暂态电抗、次暂态时间常数。本发明同步发电机
异步旋转频率响应试验的电气参数测试方法步骤如下：

1、获得上述方式中的任一种或任二种的组合，获得不同转差频
率下同步电机异步运行状态的试验数据，所述试验数据包含发电机定
子电压(UA、UB、UC)、电流(IA、IB、IC)和励磁绕组电流If；

2、在异步运行状态下，当同步电机进入稳态异步运行时，定子
电压和定子电流经过派克变换得到交直轴电压、电流，如式1和式2，
其为派克变换运算式。对不同频率的定子电压(UA、UB、UC)和电流
(IA、IB、IC)、励磁电流If的录波数据进行滤波、频谱分析，对定
子电压和电流进行派克变换，分别得到交直轴电压(Ud、Uq、U0)和
电流(Id、Iq I0)，其中θ是直轴与A相电压相量间的夹角；

式1

式2

3、对应频率的定子电压(UA、UB、UC)和定子电流(IA、IB、IC)、
励磁电流If、角速度s都为已知，将Xd(js)、Xq(js)、Gf(js)代入如
下方程式：其包含了同步机交直轴的电压方程，励磁电流绕组和直轴
阻尼绕组的电压方程,求解不同频率直轴运算电抗Xd(js)和交轴运算
电抗Xq(js)、励磁绕组传递函数Gf(js)，即

式3

4、直轴运算电抗Xd(js)和交轴运算电抗Xq(js)、励磁绕组传递函
数Gf(js)与频率之间的函数关系如式4。

式4

其中ra定子直流电阻，s＝2πf，j复数的虚数单位，xd为直轴同
步电抗、x′d为直轴瞬态电抗、xd″为直轴超瞬态电抗、Td'为直轴瞬态
时间常数、Td″为直轴超瞬态时间常数、T'do为定子开路时的直轴瞬态
时间常数、Tdo″为定子开路时的直轴超瞬态时间常数；xq为交轴同步
电抗、xq为交轴瞬态电抗、xq″为交轴超瞬态电抗、T’q为交轴瞬态时
间常数、Tq″为交轴超瞬态时间常数、xad为直轴电枢反应电抗、TDσ为
直轴阻尼绕组的漏磁时间常数、rf为励磁绕组电阻。

一般的，xd、T'do、xq、ra、xad为常规同步发电机型式试验中能
准确获得的参数，利用式4对步骤4中获得的运算电抗频率特性曲线，
进行曲线拟合，可以获得试验频率下的电气参数，包括x′d、xd″、T’d、
Td″、x′q、xq″、T’q、Tq″、rf、TDσ。