瞬时功率累加技术在发电机有功功率测量中的应用

刘晟

大唐宝鸡热电厂陕西宝鸡721000

摘要：西宝高铁通车运营后，在电气化高铁产生的冲击性的高次谐波干扰下，宝鸡热电厂发电机有功功率变送器4-20mA输出值发生了失真突变。本文分析了模拟式RC积分电路的固有缺陷，实施了基于DSP控制的瞬时功率累加技术的解决方案，一举攻克了功率测量值失真突变的难题，保证了功率测量值的准确性。

关键词：发电机有功功率测量；高次谐波；RC积分电路；瞬时功率累加技术

1．电气化高铁对发电机功率测量过程的影响

电气化高铁牵引负荷具有不对称性、冲击性、非线性整流负荷的特性，会产生大量的高次谐波电流注入电网。因区域电网接线结构、潮流分布的原因，西宝高铁宝鸡南牵引站的动车牵引负荷在宝鸡热电厂的分布较大，因此宝鸡热电厂两台机组受到的高次谐波干扰较为明显。其突出表征是在2014年1月至2019年6月期间，不定期发生过数十次，全部6个发电机有功功率变送器的功率测量输出值发生失真突变，导致机组协调退出的严重后果。其中功率的突变不定，有时突增、有时突降，但6个变送器的变化趋势基本一致。

2．模拟式三相三线有功功率变送器的高次谐波干扰试验

宝鸡热电厂机组测量屏中，送DEH和DCS的6个有功功率测量点，采用分体布置的6个模拟式三相三线有功功率变送器。测量输出为4-20mA模拟量。

实验室对该型变送器进行了额定功率下的谐波干扰试验：含有20%的3次谐波时，功率测量值偏大31.63%；含有20%的5次谐波时，功率测量值偏小33.06%；含有20%的7次谐波时，功率测量值偏小20.69%。有功功率测量的偏差量，正是叠加在基波上的谐波功率的反映。

3．模拟式三相三线有功功率变送器的测量回路分析及固有缺陷

在时分割乘法器中，待测50Hz电压与高频1000Hz三角波经过比较器产生矩形脉冲（PWM脉宽调制），每个脉冲的宽度代表某一时刻电压的幅值。正弦波的最低点对应的脉宽宽度最小，正弦波的最高点对应的脉宽宽度最大，一个正弦波被分割成20个脉冲波；这个电压变换后的脉冲输出去切割这段脉冲宽度里的电流波形，再经过RC电路积分得到的面积（每段脉冲小于1ms），就是我们所要测量的功率值。

RC积分电路的充放电过程可以分为三种：过阻尼、欠阻尼和临界阻尼。当RC参数处于欠阻尼状态时，其阶跃响应被放大，输出的阶跃跳变产生过充，其幅值远远大于其输入的阶跃信号。在理想的一定频率的方波信号作用下，通过调整电路参数，可以使电路工作在临界阻尼状态（理想状态）。这种状态下，不仅输出的波形平坦，而且响应时间也较短。然而，现场实际情况复杂，当输入信号含有很多不同次数的谐波时，无法保证电路始终工作在临界阻尼状态，因此大多工作在欠阻尼状态。而如果使电路工作在过阻尼状态，则电路的响应时间又会很长，不符合国标要求。所以，常规模拟变送器既要满足瞬态响应又要满足稳态测量是非常困难的。

据此分析可得，在含有不定的各高次谐波涌流的影响下，超过了功率变送器的正常输入范围，产生了大量的谐波功率，使其放大了正常功率的波动，变送器的测量输出值不是真实的基波功率，而是叠加了各高次谐波的功率值。这种干扰对于采用模拟电路的功率变送器（含有RC积分电路）是不能被消除的。

4基于DPS控制的瞬时功率累加技术的优点

数字化功率测量电路可采用基于DSP控制的处理芯片，从交流采样环节就开始由微处理芯片的程序进行处理，其功率测量值是对电压、电流经模数变换后的数字量直接相乘后得到。其优点是采样快速，集成化程度高，精度好。原理框图如图4-1所示。

数字化的功率变送器电路，将所要测量的电压、电流正弦波进行采点分割计算，横轴将一个周期分为128块（6400Hz分频），每一块都近似为一个长方形，将每一块的电压幅值乘以电流幅值再乘以分割成的时间（50Hz就是20ms/128），得到每一块的功率，再进行累加即可。

数字化的功率变送器，相比于纯模拟式的功率变送器，测量电路设计原理截然不同，技术创新有两点：

一、数字化的功率变送器，对电压、电流模拟量进行分频后采样、相乘、再累加，不存在模拟式功率变送器的RC积分电路的阶跃响应问题。

二、数字化的功率变送器，在对微处理芯片的编程算法中，可以人为的滤除短暂的异常输入突变信号，并将稳态的测量值做窗型滑动滤波，使得变送输出更加稳定，受外界突变信号的干扰影响小。

5两种原理变送器的高次谐波干扰实验比对

给模拟式功率变送器和数字式功率变送器输入相同的基波二次额定电压，60%二次额定电流（功率因数为1），突然叠加30%三次谐波，分析比较4-20mA输出情况。

上图中，绿色曲线是模拟式功率变送器的4-20mA输出曲线，红色曲线是数字式功率变送器的4-20mA输出曲线。

由图可以看出，在叠加3次谐波干扰后，模拟式功率变送器的4-20mA输出发生了突增，峰值（14.46mA，相对误差6.3%）；而数字式功率变送器由于在算法中滤除了谐波功率，因此基波有功功率输出值保持在13.6mA不变。

我们同样施加了5次、7次谐波进行干扰试验，结果均为模拟式功率变送器的4-20mA输出值发生突变，数字式功率变送器的4-20mA输出值保持不变。

经实验验证，采用基于DSP控制的瞬时功率累加技术的数字式功率变送器确实具有滤除暂态谐波功率的能力，相较于模拟式功率变送器，抗电网冲击性高次谐波干扰的能力更强，维持基波功率测量4-20mA输出值稳定的能力更强，能更真实准确地反映发电机的基波有功功率。

参考文献：

[1]李志军,刘艳萍,马军,etal.交流采样技术在同步发电机测试中的应用[J].电机与控制应用,2003(5):52-55.

[2]杨立敏,李耀华,王平,etal.IRP理论和IEEEStd1459-2010在变流器驱动电机能效测试中的应用比较[J].电工电能新技术,2016,35(1):1-6.

[3]赵清松,徐建源,李胜辉.变流器瞬时功率平衡理论在直驱永磁风力发电机组低电压穿越中的应用[J].东北电力技术,2012,33(11):5-9.