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同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，主要包括各階瞬態(tài)電抗與各種瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)，是其動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性的決定因素。這些參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)大型同步電機(jī)的性能考核評(píng)估與保護(hù)整定起著至關(guān)重要的作用。

目前，大型同步電機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)試方法主要有三相突然短路法、電壓恢復(fù)法和靜止頻率響應(yīng)法。三相突然短路法是指電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在一定的空載電壓下，利用開(kāi)關(guān)在機(jī)端進(jìn)行三相突然對(duì)稱(chēng)短路，通過(guò)對(duì)短路電流進(jìn)行錄波和處理，提取出電機(jī)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。

諸多學(xué)者已對(duì)三相突然短路法進(jìn)行了深入研究，并在小容量同步電機(jī)上獲得了良好的試驗(yàn)結(jié)果。三相突然短路時(shí)，機(jī)端會(huì)出現(xiàn)很大的沖擊電流，在額定空載電壓下，此電流會(huì)高達(dá)額定電流的數(shù)10倍。即便按照標(biāo)準(zhǔn)最低降壓至20%空載電壓進(jìn)行三相突然短路，機(jī)端電流也可能存在3倍額定電流值以上的沖擊電流。

過(guò)大的突然短路電流可能會(huì)對(duì)電機(jī)及其他輔助試驗(yàn)設(shè)備造成不可逆的損傷，甚至造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。這也是大型電機(jī)制造廠家與用戶不輕易進(jìn)行三相突然短路試驗(yàn)的原因。

另外，為保證大型同步電機(jī)進(jìn)行三相突然短路試驗(yàn)時(shí)設(shè)備與人員安全，試驗(yàn)時(shí)需要額外配備大量的保護(hù)裝置，使得開(kāi)展三相突然短路試驗(yàn)時(shí)所需設(shè)備的要求變高且接線復(fù)雜。為避免產(chǎn)生過(guò)大的沖擊電流，工程上常利用電壓恢復(fù)法替代三相突然短路法，但是電壓恢復(fù)法僅能測(cè)量d軸參數(shù)，無(wú)法測(cè)量q軸參數(shù)，這是此方法存在的固有缺陷。

靜止頻率響應(yīng)法是在電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，由于施加的信號(hào)較小，不會(huì)產(chǎn)生大的瞬態(tài)電流，因此被IEEE標(biāo)準(zhǔn)所推薦。但是，靜止頻率響應(yīng)法需要向電機(jī)施加一定頻帶的交流信號(hào)，試驗(yàn)需要具備可調(diào)頻的電源，且此方法涉及頻域信號(hào)的幅值與相位的處理，試驗(yàn)及參數(shù)辨識(shí)復(fù)雜，難以推廣運(yùn)用。

鑒于以上問(wèn)題，在2007年，美國(guó)學(xué)者F. S. Sellscopp提出了直接階躍電壓試驗(yàn)方法，此方法的特征是：試驗(yàn)時(shí)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，在電樞繞組的兩相間施加幅值很小的直流階躍電壓信號(hào)，然后對(duì)電流響應(yīng)進(jìn)行錄波，再通過(guò)對(duì)電流響應(yīng)進(jìn)行時(shí)域擬合提取電機(jī)的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)參數(shù)。

此方法不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，且僅需要在時(shí)域內(nèi)處理信號(hào)，簡(jiǎn)單易行，安全性高。由于試驗(yàn)時(shí)施加的是小信號(hào)，導(dǎo)致實(shí)測(cè)電流響應(yīng)波形中含有大量噪聲，因此參數(shù)辨識(shí)過(guò)程的難點(diǎn)在于如何從含噪信號(hào)中提取出真實(shí)的電流響應(yīng)以及電流響應(yīng)提取后的時(shí)域擬合過(guò)程。

F. S. Sellscopp對(duì)直流階躍電壓試驗(yàn)的原理進(jìn)行了說(shuō)明，并通過(guò)理想化的電流響應(yīng)信號(hào)成功辨識(shí)得到同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。然而作者并未考慮實(shí)測(cè)信號(hào)中噪聲含量大的問(wèn)題，噪聲的存在會(huì)大大降低電流響應(yīng)曲線擬合的準(zhǔn)確度。

同時(shí)，有學(xué)者在進(jìn)行同步電機(jī)d軸參數(shù)辨識(shí)時(shí)，將電樞電流響應(yīng)與勵(lì)磁電流響應(yīng)合并作為一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，忽略了兩電流的數(shù)值大小關(guān)系，使得優(yōu)化誤差絕大部分由電樞電流擬合結(jié)果決定，無(wú)法真實(shí)反映勵(lì)磁電流的擬合效果，造成參數(shù)辨識(shí)誤差較大。另外，目前并未針對(duì)此類(lèi)方法建立通用的參數(shù)計(jì)算方法與模型，相關(guān)內(nèi)容在國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道。

為解決上述問(wèn)題，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院）的研究人員提出一種基于直流階躍電壓試驗(yàn)的同步電機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)辨識(shí)方法。

圖1 直流階躍電壓試驗(yàn)示意圖

圖5 直流階躍電壓試驗(yàn)設(shè)備

圖6 試驗(yàn)使用的直流電壓源

圖7 d軸試驗(yàn)的電樞電流響應(yīng)波形

主要研究?jī)?nèi)容包括：首先給出基于同步電機(jī)五繞組模型的直流階躍電壓試驗(yàn)的參數(shù)解析計(jì)算方法，并將其推廣至采用其他類(lèi)型信號(hào)或更復(fù)雜模型時(shí)的情況；其次，針對(duì)實(shí)測(cè)電流響應(yīng)波形中存在大量噪聲的問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的小波閾值去噪方法對(duì)實(shí)測(cè)電流響應(yīng)波形進(jìn)行預(yù)處理；然后，為兼顧多個(gè)電流響應(yīng)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(biāo)優(yōu)化算法被用于電流響應(yīng)的時(shí)域擬合過(guò)程；最后，利用一臺(tái)376MV?A同步電機(jī)的試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)模驗(yàn)證。

研究者最后得出以下結(jié)論：

1）運(yùn)用提出的基于直流階躍電壓試驗(yàn)的通用參數(shù)解析計(jì)算方法可以得到同步電機(jī)d、q軸等效電路的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)參數(shù)。當(dāng)將輸入信號(hào)改變?yōu)槠渌?lèi)型的信號(hào)，或采用更復(fù)雜的同步電機(jī)模型，此動(dòng)態(tài)參數(shù)解析計(jì)算方法同樣適用，具有很強(qiáng)的通用性。

2）由于試驗(yàn)施加的電壓信號(hào)很小，實(shí)測(cè)的電流響應(yīng)波形存在的大量噪聲會(huì)降低參數(shù)辨識(shí)精度。采用文中所提出的結(jié)合SAPSO算法的改進(jìn)小波閾值去噪方法可以很好地濾除電流響應(yīng)中的噪聲。

3）對(duì)d軸試驗(yàn)的電流響應(yīng)曲線時(shí)域擬合，考慮到勵(lì)磁繞組電流比電樞電流要小得多，需要利用NSGAⅡ算法對(duì)兩電流響應(yīng)進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化。而對(duì)q軸試驗(yàn)，僅需對(duì)q軸電流進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化，可采用如本文所述的SAPSO算法。

4）本文運(yùn)用的直流階躍電壓試驗(yàn)簡(jiǎn)便易行，對(duì)設(shè)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(yàn)及靜止頻率響應(yīng)試驗(yàn)的替代性試驗(yàn)。

以上研究成果發(fā)表在2019年第23期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于直流階躍電壓試驗(yàn)與NSGAⅡ算法的同步電機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)辨識(shí)方法”，作者為馬一鳴、周理兵、王晉、周佳、鄭印釗。