[0001] 本公开涉及由主移动件驱动的电功率发生器(generator)中的负载角度和/或转子角度的确定，例如用于电网应用的往复式发动机或燃气/蒸汽/风力涡轮机或电机等。本文公开的技术提供了在高负载状态期间以及也在故障引起发生器磁饱和的瞬变时期期间负载角度和/或转子角度的准确确定。因此，本文公开的技术特别适合于检测何时发生失步状态(out-of-step)。

[0002] 存在对已知的负载角度和/或转子角度确定技术改进的普遍需要。

[0017] 本公开提供了一种确定电力系统中的负载角度和/或转子角度的改进方法。

[0018] 为了清楚地呈现本公开的环境，下面提供背景技术的细节。

[0019] 电电力系统(Electrical power systems)暴露于各种异常操作状态，例如故障，发生器损耗，线路跳闸和其他可能导致功率振荡和随之而来的系统不稳定的干扰。在这些状态下，适当的继电器设置对于确保适当的保护是必要的(即，失去同步的发生器的断开连接以及与高压，HV，线路相关联的距离继电器(distance relays)的不期望的操作的阻断)。

[0020] 在正常操作状态期间，从发生器输出的电功率产生电扭矩，该电扭矩平衡施加到发生器转子轴的机械扭矩。转子以恒定速度运行，其中电和机械扭矩平衡。当发生故障时，传递的电力的量减少，从而减小了抵抗机械扭矩的电扭矩。如果在故障期间机械动力没有降低，则发生器转子将由于不平衡的扭矩状态而加速。

[0021] 在不稳定的电力状况期间，至少两个向电网供电的发生器以彼此不同的速度旋转并失去同步。这被称为失步状况(也称为失步同步状态(loss-of-synchronism condition)或失同步状态(out-of-synchronous condition))。

[0022] 失步状态会在发生器绕组中引起高电流和机械力，并引起高水平的瞬变轴扭矩。扭矩可以大到足以破坏发生器的轴。极滑动事件还可能导致异常高的定子芯端部铁通量，这可能导致定子芯端部处的过热和短路。单元变压器还将承受非常高的瞬变绕组电流，其对绕组施加高机械应力。

[0023] 因此，如果发生失步状态，重要的是异步(asynchronously)操作的发生器或系统区域使用失步保护技术快速彼此隔离。

[0024] 至少在如下详细描述了失步保护：2011年8月29日发布的IEEE Tutorial on the Protection of Synchronous Generators (第二版)，见http://resourcecenter.ieee-pes.org/pes/product/tutorials/PESTP1001(如2018年3月14日查看)。

[0025] 对于大型电力发生系统，用于失步检测器(例如阻抗继电器)的标准是用于确定发生器是否与电网正确同步。然而，通常不为小型同步发生器提供失步检测器，即功率输出小于30MW的发生器。

[0026] 小型同步发生器(synchronous generator)的特别适用的应用是智能电网。存在具有可变数量的电源和来自电源的可调节的功率输出的电网。小型同步发生器的另一个特别合适的应用是微电网。因此，希望小型同步发生器以比目前用于大型电力发生系统的失步检测和防止技术低得多的成本提供失步保护。

[0027] 确定发生器是否正确操作，或者是否已经或即将发生失步状态的方法是通过确定和监测发生器的转子角度和/或负载角度。因此，需要一种用于确定发生器的转子角度和/或负载角度的精确且低成本的技术。

[0028] 在D. Sumina的“Synchronous Generator Load Angle Measurement and Estimation”，AUTOMATIKA 45(2004)3-4,179-186中公开了一种用于估算发生器负载角度的已知且低成本的技术。该技术允许从测量的输出电压和电流估算负载角度。然而，负载角度的估算取决于系统中的电抗。因此，在高电流导致发生器，变压器和测量线圈中的磁饱和的故障瞬变时期期间，该技术不准确。因此，该技术仅适用于系统处于稳定状况操作时的负载角度的估算，并且不能用于估算在异步保护的瞬变时期期间的负载角度。此外，当存在由于负载所需的功率变化导致交流发生器核心中的饱和度改变时，该技术的精度也会降低。

[0029] 另一种用于估算发生器负载角度的已知技术公开在D. Sumina的“Determination of Load Angle for Salient-pole Synchronous Machine”, MEASUREMENT SCIENCE REVIEW, Volume 10, No. 3, 2010中。负载角度是用光学编码器和数字控制系统测量的。

[0030] 该技术的缺点包括需要修改发生器设计以并入光学编码器和传感器的附加部件。这增加了成本。每次同步后还需要进行空载角度校准。

[0031] 本公开提供了一种确定用于电网的同步电力发生器中的负载角度和/或转子角度的新方法。

[0032] 所公开的技术与已知技术的不同之处在于使用永磁体信号发生器，其允许使用新颖的电压差和空间矢量计算过程。

[0033] 优点包括在稳定状况操作期间，在失同步保护的瞬间时期期间和/或在高负载状态下，都准确确定负载角度和/或转子角度。另外，所公开的技术可以以低成本实现，因为附加部件可以附接到主发生器轴延伸部的转子轴而无需对主发生器电路和端子本身的任何改变。此外，由于信号发生器由与主发生器的转子相同的轴驱动，因此在获得功率发生器的转子位置信号时不需要外部电源。这降低了电源故障的风险。该方法提供相对高的信号电压，其中电压仅取决于转子速度。因此经历低噪声干扰，其中由于低速度变化而获得高信号电压和低电压变化。此外，还公开了一种用于角度测量的技术，其仅依赖于测量的电压角度而不是电压幅度。因此，即使在长期操作之后磁体强度降低，转子/负载角度测量也不受影响，因为该方法独立于电压幅度。

[0034] 图1示出了根据实施例的电力系统10。

[0035] 电力系统10包括同步电发生器11。发生器11由主移动件50(图1中未示出，但例如参见图6)驱动，例如柴油或其他往复式发动机，或燃气/蒸汽/风力涡轮机或电机等。发生器系统10还具有单元变压器13，发生器11通过输入线12连接到单元变压器13。变压器13具有连接到公共耦连点(PCC)18的输出线14。即，单元变压器13设置在发生器11和PCC 18之间。

[0036] 发动机50驱动交流发生器轴17，该交流发生器轴17布置成驱动发生器11的转子，使得发生器11产生电功率，电功率从发生器11输出，通过单元变压器13，通过端子PCC 18并经由将电功率供应至负载16(如电网，电机或消耗电能的任何类型的装置)的传输线15。电力系统10的这些部件和电力系统10的操作可以与已知的电力系统相同。

[0037] 负载角度(也称为功率角度，也称为转子内角度或内转子角度)在本文定义为发生器11的开路电压(open circuit voltage)(也称为开路电枢电压，无负载电压，电动势，反电动势，感应电动势或发生器11的内部电压)和发生器11的输出端子处的电压之间的角度差。

[0038] 转子角度在本文定义为发生器11的开路电压(也称为开路电枢电压，无负载电压，电动势，反电动势，感应电动势或发生器11的内部电压)和PCC 18处的电压之间的角度差。

[0039] 通过仅监测负载角度，仅监测转子角度或监测负载和转子角度两者，可以确定电力系统10的性能并且取决于操作状态检测失步状态。

[0040] 电力系统10还包括永磁体信号发生器(PMSG)21。PMSG 21与同步功率发生器11的轴17刚性耦连。

[0041] PMSG 21是本领域技术人员熟知类型的永磁体同步发生器。在电力系统10中，PMSG 21耦连到驱动同步功率发生器11的转子的相同的轴17，并且用于产生输出电压，该输出电压用作指示同步发生器11的转子位置的信号。PMSG 21具有与功率发生器11的转子的极的数量相同的磁极的数量，并且信号发生器21的相位的数量也与功率发生器11的定子中的相位的数量相同。

[0042] PMSG 21在第一次设置时与功率发生器11对准。在对准期间，PMSG 21的磁极的位置布置成与同步发生器11的磁极一致。

[0043] 优选地，在对准过程期间，功率发生器11与所有负载断开连接，并且PMSG 21连接到高值电阻器。优选地选择电阻器值使得PMSG 21中的电流可以忽略，并且可以在几kΩ到MΩ的范围内。

[0044] 例如，来自无负载的功率发生器11输出端子和PMSG 21的相位'a'处的电压波形被获得并显示在示波器上。可以看到诸如图2中所示的输出。当PMSG 21和同步发生器11正确对准时，来自两个源的电压波形的角度差β应为零。如果角度不为零，则可以调节PMSG 21在轴17上的角度位置，直到角度β大约为零。通过测试来自其他相位的信号可以确认正确的对准。

[0045] 一旦信号发生器21与功率发生器11对准，就可以通过信号发生器21的端子处的电压信号来确定功率发生器11的转子或负载角度。该确定由计算装置，角度计算单元20执行，角度计算单元20接收来自信号发生器21的电压22作为第一输入，和来自公共耦连点18的电压23或来自功率发生器的端子经由线路24的电压作为第二输入。从这些输入，可以计算转子角度(利用来自PCC 18的信号)或负载角度(利用来自功率发生器的端子的信号)。出于以下计算和等式的目的，不区分第二输入的源，但是技术人员将理解，特定源将确定计算的是负载角度或是转子角度。

[0046] 现在参考图3和4描述确定转子或负载角度的第一种方法，特别是在稳定状况操作期间。

[0047] 角度计算单元20包括稳定状况角度确定电路，其中来自信号发生器21的端子的电压22 (Vsnl)通过可变电阻器40被供应到高值电阻器47(其可具有在几kΩ到MΩ的范围内的值)，并且来自PCC 18 (Vpcc) 或发生器11的输出端子 (Vt) 的电压被供应至另一个高值电阻器48。电阻器47和48中的每一个的一端彼此连接，并接地46以获得共同的参考。在稳定状况操作期间，角度计算单元20被配置为调节可变电阻器40，使得跨电阻器47的电压41(Va,snl)和跨电阻器48的电压42 (Va,pcc/t) 相同。当电压41和42相同时，两个电阻器47和48的未接地端之间的电位差(potential difference)43(Vag)被测量。

[0048] 在矢量空间中，转子或负载角度δ是电压Va,snl和Va,pcc/t之间的角度，其中 Vag 是 Va,snl和Va,pcc/t之间的矢量。因此，角度δ可以使用余弦规则计算：例如，计算出的角度δ可以输出到显示器45或其他输出类型。

[0049] 上述方法和计算提供了在稳定状况下计算转子角度或负载的高度可靠和稳健的方法，并且不需要额外的电力连接来为信号发生器21供电。通过在第一次设置时对准PMSG 21和发生器11，即使在失步故障之后也不需要进一步校准。

[0050] 然而，当故障已经在系统中引起瞬变行为时，以上状况所讨论的方法可能无法在故障时间前后产生精确的角度计算。在这种时候，系统中的电特性不是线性的，且因此不能实施上面讨论的第一方法。

[0051] 替代地，现在参考图5和6讨论可以在瞬变和稳定状况状态两者中操作的第二种方法。该方法可以与第一种方法组合实施或单独于第一种方法实施。

[0052] 在第二种方法中，角度计算单元20基于电压角度而不是电压幅度执行转子/负载角度计算。角度计算单元20接收来自信号发生器21的三相电压输出22(Vsnl)和来自PCC18(Vpcc)或发生器11(Vt)端子的输出端子的三相电压23，并将它们馈送至数字信号处理器(DSP)30。DSP 30例如使用空间矢量方法确定两个信号的电压角度。转子角度或负载角度δ是来自信号发生器11的信号的电压角度θsnl与电压23的电压角度θpcc/t之间的差。角度δ可以作为控制信号35输出和/或输出到显示器34或一些其他输出。

[0053] 如图6所示，角度计算单元20不必限于单个DSP 30。安装单独的DSP 30以确定不同信号的电压角度可能是方便的。然后可以将确定的电压角度收集在一起并比较以得出转子角度或负载角度。

[0054] 无论电压幅度有任何变化，使用基于电压角度的方法，转子角度和/或负载角度仍然可以在瞬变时期中精确计算。此外，即使在长期时期内其中磁体强度可能降低，基于该方法的转子角度和/或负载角度测量也不会受到影响，这也是因为其独立于电压幅度。