遥测参数仿真

遥测参数仿真（共4篇）

遥测参数仿真 篇1

摘要：论述了遥测参数仿真与判决系统的模块化设计思想,充分利用实时遥测参数数据,通过以字符滚动、时间历程曲线等形式,实时显示并判决目标主要遥测参数的物理量、开关量和数字量等信息,实时监视目标的工作状态,为靶场试验提供可靠的决策依据。对软件实现过程中使用的程序设计技巧、实现方法及应用实例进行了简要介绍。

关键词：遥测参数,模块化,遥测挑点,特殊副帧

0引言

在靶场试验中,目标遥测参数信息内容丰富,数据量大,在目标鉴定评估中发挥着重要作用。目前,靶场综合测控系统联网合练由于无仿真数据,只能在与真实目标对接过程中全面检验装备。在没有真实目标遥测数据时,选用静态固定遥测数据加时间码进行传输,通过判断时码来检测各种数传信息数据的正确与否,这带有极大的片面性,达不到系统联网调试的要求,而每次又无法都安排真实目标参加。根据每次试验中的实际需求,生成遥测动态仿真数据,用于检测遥测、GNSS系统性能、靶场测控系统通信和指控中心综合显控能力是非常必要的。因此,实时监视遥测关键参数并进行实时判决,对缩短试验周期、降低试验消耗和提高试验成功率等是非常急需的。

1总体设计方案

为了完成遥测数据的实时仿真和对数据进行实时判决,设计了遥测参数仿真与判决系统。系统采用模块化设计思想,主要研究内容应包括:遥测参数转换算法、遥测参数组帧模型、遥测参数数据库、遥测参数挑路物理量转换模型、数据多种显示方式、网络数据接收算法和实现部分关键参数智能处理功能。遥测参数仿真与判决系统置于靶场现有的遥测遥控测量系统内,由遥测终端计算机、判决计算机、网络、挑点与判决软件等组成,结构框图如图1所示。

2需要解决的问题

遥测数据的仿真因为遥测数据的多样化而变得复杂和繁琐,各种型号任务交叉执行,且遥测数据采用的帧格式往往根据任务考核目的的不同有所变化,长期靠修改软件来适应任务的需要显得非常被动。因此,对于遥测数据通用挑点组帧的方法及数据信息的交换是本系统需要重点解决的问题。

2.1遥测挑点的通用化

通过采用通用遥测挑点技术,应用软件通过加载不同的遥测参数配置,可以方便地完成包括子帧、副帧和特殊副帧等不同挑路类型以及模拟量、数字量和开关量等不同数据类型的遥测参数挑路[1]。在数据挑路过程中,由遥测参数挑路服务程序进行统一管理,通过标识区分。

2.2网络信息数据的交换

系统的研制首先要确保能够正确完整地读取网络数据,同时将外部接收的数据放到网络之中,例如遥测数据。网关站软件平台只能提供信息的管理和控制,网络信息数据交换模块必须根据用户的需求自行编写定制,因此在选取了网关站软件平台之后,首要的设计就是网络信息数据交换的模块设计[2]。设置好组地址和用户IP地址,编写网络读写函数,完成网络数据信息的交换。

3关键技术

遥测参数仿真与判决系统,采用模块化设计使得软件的修改和维护变得快捷和方便。采用面向对象的设计方法,把各个功能模块尽量独立,规范接口,大大降低了维护周期和成本。主要包括以下几个典型模块。

3.1可重构软件平台的选用

仿真与判决系统采用了可重构软件平台技术。在系统设计之中,为了方便信息交换,达到功能的可重组、设备的可重组以及界面可重组,从而提高系统功能的良好扩展,该系统都选用可重构软件平台[3]。通过对这个软件平台的研究发现,采用这个软件平台能方便灵活地处理其设备信息资源,完全利用其所有信息资源。

3.2遥测参数实时仿真模块

通过递归调用组帧模块,方便地实现了对子帧、副帧和特殊副帧的仿真。在对含有特殊副帧的参数进行仿真时,由于特殊副帧长度不定,所以其参数结构不同于已设计好的标准数据库结构,必须修改数据库中参数配置,以满足实际需求。仿真系统框图如图2所示。

3.3遥测参数实时判决模块

系统从网络接口实时获取所需的关键遥测挑路数据,与数据库中的标准数据进行跟踪匹配,在门限阈值以内,判为正常;超出门限,区分为2种准则:① 立即拒收准则,当数据值一旦超过门限,立即产生严重告警;② 延时拒收准则,当数据值超过门限并保持一段时间时,才产生告警。判决模块系统框图如图3所示。

3.4模块间的信息转换

遥测数据信息统一由网络数据采集模块实现,采集获取的数据统一管理,程序通过统一的接口函数访问数据,采集过程与数据处理过程分开。

多个挑点模块应用动态库可以同时访问相同的数据区。首先从内存映像文件中获取到数据流的有关数据区指针,得到数据区地址。根据数据区属性内容从数据区中拷贝数据进行处理。应用程序自行维护数据区的尾指针,使用数据区属性结构中头指针进行有效数据的处理。

所有数据分别对应地配置一个数据采集动态库,定义采集数据的属性信息,以通过以上相同的处理步骤实现在本地信息元表中维护一个对应的数据区。对于数据的使用模块可以完全不用关心此数据从什么地方来以及数据是如何进来的,它只要从对应的数据区中读取数据进行处理即可。

对程序完成挑点后的原始数据进行物理量转换,通用物理量转换模块提供多种转换方式,对模拟量采用公式法,通用公式[4]为:

undefined

式中,DATA为参数物理量;data为遥测原始数据;C为采编器参数;C1,C2,C3,C4为计算用系数。

通过以上公式,可将模拟量参数转为物理量。

对数字量参数,采用如下公式:

DATA=d*data+C,

式中,DATA为参数物理量;data为遥测原始数据;d为量化当量;C为初始化常量。

4实验结果与结果分析

假设要仿真的数据格式为:字长8位,子帧长32,反码副帧方式,副帧长32,帧同步码组为EB90,生成数据时长100 s。

选取某一型号遥测数据,根据遥测大纲约定的参数位置和系数等条件,选取需要实时显示判决的关键参数[5,6,7,8,9],通过参数判决软件进行实时地显示与判决,关键参数值如果超出规定的范围,判决软件将以红灯的方式进行告警。

通过生成仿真数据与遥测系统的对接试验,实时任务中对关键参数的判决,该系统的功能满足设计要求。具备了应用仿真数据检测设备的性能,在系统联网合练中使用仿真数据检测数据通信的准确性,可在校飞试验及飞行试验中应用判决系统监测目标飞行状态。

5结束语

本系统能够为靶场测控系统装备调试提供动态信号源,为大系统联网合练调试提供技术支持。由于生成仿真数据简易快捷,对测控装备的调试和测控系统通信的检测有较好的辅助作用,同时能够实时地观测目标内部参数的变化,自动判决目标各种参数的数值变化趋势,在目标发生故障隐患时,可及时做出决策,为决策提供依据,既能够降低试验消耗,又能够缩短试验任务周期。 

参考文献

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遥测参数仿真 篇2

在赛艇运动技术的实船测试方面,Asami(1981年)[1]、Roth(1993年)[2]通过实船运动员划桨力量的测试来评定运动技术;卢德明(1988年)[3]研制了赛艇运动技术多参数实船测试系统,可以测试多种运动学和动力学参数,但由于技术设备的局限,该系统最终未能在我国赛艇界得到推广应用,欧阳波等以桨频和心率作为测量参数,建立了赛艇训练遥测系统,系统的主要优点是使用无线传输数据,使教练员能有在线监测运动员的心率和桨频[4],只是该套系统选择参数比较简单,不能综合全面的反应运动员对艇的控制情况。

本研究综合现有研究情况,拟研发一套能够综合反应“人—艇”系统的运动学、动力学及运动员体能的状况的皮划艇训练状态多参数遥测装置。

1皮划艇训练状态多参数遥测装置设备组成及功能

皮划艇训练状态多参数遥测装置是由三个部分组成:第一部分是艇载信息终端,包括:运动员心率无线测试、船艇运动测速测试、三轴加速度测试和两轴震动角度测试,参数数据存储,测试信息实时发射;第二部分是岸上遥测信息接收显示系统,包括:高增益定向接收天线、数字接收机模块、便携式计算机、电源系统等;第三部分是皮划艇专业训练用运动员实时接收处理软件。

皮划艇训练状态多参数遥测装置主要实现艇载运动信息的实时采集、存储、传输及事后运动信息分析处理功能。具体功能如下: (1)具有对运动员心率实时测量的功能;(2)具有实时划桨频率测量的功能;(3)具有实时人体运动能耗测量的功能;(4)具有实时艇速、艇运动轨迹测量的功能;(5)具有实时数据实时记录、传输的功能; (6)具有事后数据处理功能。

1 . 1艇载信息终端

艇载信息终端主要由三轴加速度传感器、心率带、数据采集传输终端、充电器、显示终端(安装支架)、发射天线及连接电缆等组成,其实物图如图1所示。

艇载信息终端主要功能:具有时间、GPS定位显示功能;具有对运动员心率实时测量的功能;具有实时、平均划桨频率测量的功能;具有运动距离测量的功能;具有实时、平均艇速迹测量的功能。

1 . 2岸上遥测信息接收显示系统

岸上遥测信息接收显示系统由高增益定向宽波束天线、三脚架、遥测接收处理计算机等组成。天线、三脚架和遥测接收处理计算机实物如图2所示。

岸上遥测信息接收显示系统功能:具有实时接收艇载信息终端发射的无线信号功能;具有无线信号传输、解调、数据处理等功能。

1 . 3实时接收处理软件

实时接收处理软件是遥测接收处理计算机的重要组成部分, 可对接收到的数据信息实时、事后显示处理。实时接收处理软件可安装在计算机任意盘上,双击实时处理软件图标即可打开软件进行相应操作。实时处理软件实时显示内容有:X、Y、Z三轴加速度、桨频、心率、帧计数、船艇运行轨迹、每次划桨的加速度、即时信息、统计信息、累计信息,实时接收处理软件界面如图3所示。

实时接收处理软件的功能主要有:(1)具有对X、Y、Z三轴加速度、运动员心率、桨频、帧计数、船艇运行轨迹实时曲线显示功能; (2)具有当前速度、划桨频率、拉桨时间、回桨时间、拉桨距离显示功能;(3)具有平均速度、平均频率、平均拉桨、平均回桨、平均距离、划桨计数显示功能;(4)具有最大速度、最大频率、最大拉桨、最大回桨、最大距离、累计桨数、累计时间显示功能;(5)具有实时数据实时存储、传输的功能;(6)具有数据事后分路、转换功能。

2划艇训练实时信息遥测系统技术特点

(1)智能、数字设计方案设计,设备采用模块、单板设计方法,使传统设备小型化;(2)运用GPS定位系统,采用先进的无线数据传输技术和现有的各种信息平台、无线传感器。

3软件质量控制情况

3 . 1软件性质和等级

根据任务书中软件研制要求,系统研制软件为实时接收处理软件,为C级软件。

3 . 2软件的管理

根据任务书,对产品的软件进行了需求分析、概要设计,按Q/ AC315《软件开发库、受控库和产品库的管理管理规定》,对软件实施了“三库管理”,系统软件文档已经归入“产品库”。经系统联试、检验验收后确认系统软件功能正常,满足要求。

4皮划艇训练状态多参数遥测装置设备配套情况(见表1)

5设备设计输出、技术文件齐套情况

遥测参数仿真 篇3

在农业机械的研究设计、性能试验和产品质量检测中,需要在实验室和田间工作条件下对机具运行中的扭矩、转速、功率输出、拉压力等动力学参数进行测试,从而全面地考核、评价机具的主要性能,为产品改进设计和质量监督提供依据。因此,先进农机测试方法和手段的持续研究与开发,必将对多功能农机装备的发展和进步起到有力的支撑作用。

虽然集线器在一定场合可以用来解决旋转部件和往复运动机件的应变测量问题,但它的安装、调整和维护都比较麻烦,特别是噪音干扰较大、易磨损,而无线遥测法信躁比高、耐冲击和振动,还能摆脱连接电缆的累赘,因此通过根据不同测量需要配套开发相应的专用无线传感器、信号处理及数据采集发射器、接受主机等[1],从而创新研制通用的农业机械动力学参数田间试验遥测系统是十分必要的。

1 遥测系统结构原理

遥测系统的各传感器配置示意图如图1所示。

1.四通道信号采集及无线发射装置 2.拉杆拉压力传感器 3.上拉杆 4.拖拉机后桥 5.下拉杆 6.万向轴7.转速数据采集及无线发射装置 8.单通道信号采集及无线发射装置 9.扭矩传感装置 10.下悬挂销轴剪切力传感装置 11.农机具悬挂架

该系统的研制任务要求扭矩额定载荷150kgm、牵引力的额定载荷为3 000kg,上拉杆拉压力最大为2 000kg,各传感器输出灵敏度1mV/V。扭矩传感变送装置通过法兰盘与万向轴组成动力输出轴一体化无线扭矩传感器,并采用霍尔转速传感器检测牵引车(拖拉机)动力输出轴转速;上拉杆拉压力传感装置、上拉杆角度传感器、左与右下悬挂销轴拉压力传感装置,构成无框架三点悬挂[1]牵引力传感器组。

遥测系统无线采集处理器可实现对传感器输出的电压信号进行放大、滤波、模数转换、数据处理以及无线发射[3,4,5],单通道与四通道信号采集[6]及无线发射装置原理如图2和图3所示。

遥测系统无线接收及数据处理主机原理,如图4所示。

2 传感器的理论设计与实际应用

2.1 应变片的选择

现在农机测试中多采用箔式应变片,以往120Ω应变片应用较普遍,而目前较大阻值应变片(最大到2 500Ω)[7]的生产和使用已越来越广。大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点,镍铬铝铜合金材料在20℃时电阻率高达1.3μΩ·m左右,温度系数只有约≤±20 ×10-6/℃[8],因此为该系统所有传感器设计统一选用350Ω的镍铬铝铜合金应变片。

2.2 供桥电压选定

各传感器的非电量测量采用直流电桥。供桥电压较低时测量灵敏度也较低,供桥电压过高则又会使应变片滞后和蠕变增大,产生零点漂移。因此,结合所选用的应变片敏感栅面积、电阻值、试件的散热能力和环境温度等,可由下列公式确定最佳供桥电压(V) [9],即

$u=2\sqrt{R{\rm P}{g}^{\prime }Fg}$

式中 R—应变片电阻值(Ω),R=350;

Fg—敏感栅面积(mm2),Fg=4×6;

Pg′—敏感栅上的功率密度(W/mm) ,该应变片使用参数表上标明为(3.1～7.8)×10-3。

则u≈2×(5.1～8.1)≈10.2～16.2

故选择定制12V标准的锂电池组作为各传感器电桥直流供电电源,并配套设计安装锂电池稳压和充电电路。

2.3 电桥平衡元件选择以及正负极性判断

由于各应变片的阻值间必然存在些微偏差,接触电阻和导线电阻也可能有差异,因而为提高测量精度,需要设计平衡电路来使电桥处于平衡状态,即测量前电桥输出为0时,测量中采用在电桥电路中增加电阻R5和电位器R6的平衡电路,如图5所示。

R6的大小影响调平衡速度,R6愈小则平衡调整的速度愈快。

由电工学理论推出R5,R6并联后R1和R2的阻值最大变化公式[9],即

Δ$R1{}_{\max }=\frac{R1{}^2}{R1+R5}$

Δ$R2{}_{\max }=\frac{R2{}^2}{R2+R5}$

R5的大小决定平衡调整范围,R5越小调节范围越大。但R5,R6值不能太小,过小桥臂电阻减少太多,带来较大的测量误差。一般R5和R6均为10kΩ以上。R6一般选10～30kΩ,选择30kΩ。

经试验标定,该扭矩传感器的扭矩负载与应变之比(N/με)约为94%,即1 500 N·m约为1 596με。考虑能正反向旋转时,可令平衡调整范围为±1 500με,应变电桥的桥臂电阻选350Ω时,当R1承受3 000με时其阻值变化ΔR1为

ΔR1=Rkε=2.1Ω

其中,k为应变片灵敏系数,该应变片为2.06。

平衡调整范围2.1Ω,此时平衡电阻R5为

$R5=\frac{R1{}^2-4R{}_{\max }R1}{\Delta R1{}_{\max }}$=40.737kΩ

取R5=47kΩ。

设应变片R1承受应变力为1 000με,可求出平衡电阻47kΩ所引起的测量误差。

增加平衡电阻R5后桥臂电阻R1变为

$R15^{\prime }=\frac{R1R5}{R1+R5}$=347.413Ω

在应变片又产生1 000με后,则

ΔR1=Rκε=0.7Ω

桥臂电阻R1变为

$R15^{\prime }=\frac{(R1+\text{Δ}R1)\times R5}{(R1+\text{Δ}R1)+R5}$=348.103Ω

则桥臂电阻变化为

ΔR′=R15′-R15=0.69Ω

电桥反映出的应变为

${\epsilon }^{\prime }=\frac{\text{Δ}{R}^{\prime }}{kR15}$=993.054με

测量误差为

Δ$\epsilon =\frac{\epsilon -{\epsilon }^{\prime }}{\epsilon }\times 100\%$=0.69%

选取的平衡电阻R5引起误差极小,可经过标定后消除。

2.4 电桥调零及正负极的判别方法

采用了偏位调零法[7],在直流电桥中直接用零点平衡电位器调偏一个正向电压偏位值UA,工作时电桥变化Ua,则电桥输出为UA+Ua;如果电桥变化-Ub,电桥输出为UA- Ub。以UA为新的零点,则当遥测系统主机接收到的输出电压值在零点以上为正输出,在零点以下为负输出。偏置电压值UA应大于或等于所测负载的最大应变输出电压以防输出电压超出量程。

2.5 传感器弹性元件确定

在额定载荷下传感器弹性元件的最大工作应变力应处于材料的弹性线性阶段,一般应变量大致要求在500～1 000με之间为宜。根据农业机械的工作特点采用了高强度、耐冲击、精度高的30CrMnSi结构合金( E=2×10kg/mm2)[8]钢作为弹性元件,在专业工厂设计制造了传感器。前已论述,当传感信号εmax为1 600με时,便可确保实际量程大于1 500N·m,因采用了全桥接法,每应变片贴片区域实际最大应变ε0为εmax的1/4,即为400με,30CrMnSi材料的弹性极限为1 080με,则材料过载能力为270%。

遥测系统出厂前应对各传感器依次进行机械标定,用机械加载设备(如材料试验机、扭矩标定仪、砝码等)来施加相应的负载值,系统主机无线接收后处理显示数据参数,得到相应的标定值N/字、Nm/字。在测试现场,还可采用电标定方法,即测试前调整平衡电阻使电桥输出一个1mv的标准信号,则可得到字/mv,然后根据各传感器的不同灵敏度确定 N/字、Nm/字、με/字。

3 扭矩传感器设计

测量扭矩最常用的弹性元件是圆轴[10],工作时弹性元件受扭转外,还可能受轴向力和弯矩的作用,为了消除它们引起的误差,并提高输出灵敏度,将4个同一型号应变片在圆轴的圆周上每隔90°作均匀分布,接成全桥。

3.1 弹性元件直径的确定

依据电桥原理以及传感器输出灵敏度达到1mv/v的技术要求,全桥测量应变值[9]为

$\epsilon {}_{\text{测}}=\frac{4\text{Δ}U}{U{\rm K}}=\frac{4\times 1}{1\times 2.06}$=2 000με

则单应变片应变值为

$\epsilon =\frac{\epsilon {}_{\text{测}}}{A}$=500 με

其中,A为桥臂系数,全桥为4。

根据材料力学理论,按强度条件,实心圆轴横截面上的许用最大扭矩为

${\rm M}{}_{{\rm K}}=\frac{\text{π}D{}^3}{16}\frac{E}{(1+V)}\cdot \epsilon$

式中 E—弹性模量,30CrMnSi为2×104kg/mm2;

V—波桑系数,V=0.285 1。

则实心圆轴直径应为

$D\ge \sqrt[3]{\frac{16{\rm M}{}_k(1+V)}{\text{π}E\epsilon }}$≈46.14mm

选D=50mm。

3.2 强度校核

由第四强度理论知,实心圆轴在纯扭转时,圆断面合成应力为

$\sigma {}_{\text{合}}=\sqrt{3(\frac{E}{1+V}\epsilon ){}^2}$=13.479kg/mm2

而最大许用应力为

$[\sigma ]=\frac{\sigma {}_B}{{\rm K}}$=53.3kg/mm2

式中 σB—弹性元件材料的强度极限应力,30CrMnSi为160kg/mm2;

K—安全系数,设为3。

则σ合<[σ]。

所以,该传感器的设计是非常安全、可靠的。

4 结论

无框架三点悬挂牵引力传感器以及牵引式机具牵引力传感器等限于篇幅,不在此篇文章叙述。该遥测系统现已陆续完成第一轮、第二轮样机的试制和试验, 2008年1-10月份第1轮样机试用于东北农业大学收获机底盘田间试验中变速箱输出扭矩测试与水稻整株秸秆还田机参数设计试验;2009年2月第2轮样机在中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院试验基地及进了场地试验。定制的各传感装置出厂检定测量准确度标称为0.5%,各点锂电池电源充电后正常供电工作时间为12h以上,遥测距离在无金属遮蔽情况下可达50m。

摘要：针对播种、收获、整地、植保等农业机械的研发需要依靠大量季节性田间试验,而相关试验检测手段却相对薄弱的现状,笔者研制了该系统。系统各传感器全面采用无线传输技术,上悬挂杆传感器和牵引拉力板分别配用角度传感器检测瞬时空间位置,并结合动态应变测试、嵌入式计算机等技术,在牵引车内无线实时接收机具扭矩、水平牵引力与垂直分力、机架载荷、转速等动力学信号,处理、分析并显示旋转功率、全功率等测试结果。同时,简单介绍了遥测系统的组成结构,对传感器电桥、应变片、电源、平衡元件等的参数选择进行了理论分析,介绍了电桥调零、正负极性判断、弹性元件材料确定、标定等采用的技术方法。最后,以动力输出轴一体化扭矩传感器为例详细阐述了农机测试专用传感器的设计与计算依据。

关键词：农机测试,田间试验,遥测,传感器

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遥测参数仿真 篇4

次同步谐振是一种电力系统现象。它是在串联电容补偿的电网中, 电力系统和发电机转子以一个或多个低于同步频率的频率交换能量。当电磁谐振频率接近汽轮发电机轴系模式频率时, 就会发生次同步谐振。成功地应用FACTS控制抑制次同步谐振已有相关文献报道[1]。在文献[2], SSDC被添加到STATCOM控制器中, 以增加系统轴系阻尼。

最近发展起来的广域测量技术用相测单元以大约30Hz采样率传递同步相角和控制信号。使用光纤通讯传输这些状态到控制中心。这些全部的电力系统网路信息被用于设计电力系统稳定控制器 (PSS) 和FACTS控制器, 以阻尼区域振荡[3]。

本文中, 用于STATCOM的次同步阻尼控制器, 假定被安装在传输线路的中点。基于48脉冲门极可关断晶闸管电压型转换器的STATCOM, 能提供电网无功补偿和电压稳定性控制[4,5]。额外增加的一个辅助SSDC设计用于增加系统扭转的模态阻尼, 且利用遥测到的发电机功率信号作为稳定器信号。该方法的优点是:简单, 容易实现。至于传输迟延的影响, 在本文中也给予了论述。

1数字仿真模型

基于MATLAB/Simulink软件环境和电力系统模块 (PSB) 进行数字仿真。详细描述了在一个电力系统中, 用48脉冲的STATCOM数字仿真模型。其控制过程是基于STATCOM的直轴和交轴电流成分的去耦电流控制策略。

1.1电力系统描述

此系统是一个修改过的IEEE第二标准模型[6,7]。如图1所示:机电系统的模型结构包括发电机, 多质量块机械系统, 励磁系统, 电力系统稳定器 (PSS) 等[8]。本文分析是基于如下的初始运行状态和假设:

1) 发电机传输标幺值为1p.u的功率到系统, 并且发电机和无限大母线的电压都设置为1p.u。

2) 涡轮调速系统的动态特性被忽略, 并且输入到涡轮机的机械功率假定为常数。

3) 由串联电容器提供的补偿水平是设为电路感抗XL的52%。

4) 在没有STATCOM的研究例子中, 固定式并联电容器 (BC) 选择如下:在稳态下, 中点电压设为1p.u (并联电容器提供的所需的无功为160.37MVAr以维持电压幅值为1p.u) 。

5) 在有STATCOM的研究例子中, 并联电容器提供100MVAr, 同时为维持中点电压幅值为1p.u, STATCOM提供额外所需的无功。STATCOM的额定值选为±100MVAr。

6) 在0.022 2s时, 线路发生了A相接地故障, 并在0.039 1s时故障消失。

1.2STATCOM模型

STATCOM是FACTS家族中用在电力系统的一个并联装置。它通过注入或者吸收无功调节电压。电压型转换器由四个三相三电平逆变器和四个移相变压器组成。在48脉冲电压型转换器中, 直流母线Vdc是连接到四个三电平逆变器上, 由逆变器产生的四个电压被应用于四曲折次级绕组移相变压器, 连接方式为Y或者Δ。本仿真采用48脉冲门极可关断晶闸管电压型转换器模型;一个直流电容器连接到3电平逆变器, 正弦电压的幅值可能是+Vdc, 0, -Vdc。在每一个四分之一周期的0电压被定义为“死角”γ, 并且它能从0度到90度的调节。电压型转换器基本的组成部分有如下的振幅关系。

$V{}_{X\cdot {\rm N}}=\frac{2}{\text{π}}V{}_{dc}\cos \left(\frac{\text{π}}{24}\right)\cos r(1)$

从式 (1) 可看出, 输出电压幅值可通过改变死角γ或者电容电压Vdc调节, 输出电压相角可用从脉冲发生器来的信号作为输入信号进行调节。

1.3STATCOM 控制模型

STATCOM的控制模型 (如图2) 用来控制电压型转换器注入或者吸收无功功率以调节连接点电压在设定值Vref。解耦控制系统是用STATCOM的基于全D-Q解耦直轴电流和交轴电流成分的电流控制策略实现的。

锁相环 (PLL) 与终端接口母线三相正序分量电压同步。PLL的输出是wt, 用来测量直轴和交轴的三相电压和电流成分。输出调节环由交流电压调节器提供参考电流Iqref给电流调节器组成, 以控制无功功率。电压调节器是一个按比例加积分PI控制器。电流调节器也是PI控制器, 采用PLL的输出wt和电流调节器的输出 (α angle) 触发脉冲发生器产生脉冲给4个转换器。

STATCOM有两种不同的运行模式:

1) 电压控制模式。在这种模式下, STATCOM通过控制注入或者吸收电网的无功功率调节其端电压。

2) 无功控制模式。在这种模式下, STATCOM的无功功率输出保持为常数, 在这种情况下, 参考电流 (Iqref) 不再由电压调节器产生, 其保持为常数 (如图2) 。

1.4SSDC设计

发电机的遥测功率加速信号作为稳定器的输入信号。由MATLAB的FFT分析发现, 振荡模态存在于发电机的功率加速信号和各涡轮机轴段的扭矩信号中 (如图3) 。

无功电流也能通过SSDC的输出进行调节。SSDC控制器包括一个增益放大器 (KP) , 一个高通滤波器。KP增益放大器用来放大遥测信号。暂态仿真显示, 通过使用放大发电机功率加速信号, 我们能稳定不稳定的模态。用FFT 分析发电机功率加速信号显示, 增加KP使机械模态更稳定。

2仿真结果分析

用IEEE第二标准模型系统一, 进行分析和仿真计算研究。系统由一个额定容量为600 MVA, 端电压22 kV的两极汽轮发电机组成, 并通过两条平行线 (其中一条上有串联电容补偿器) 连接到系统母线上 (如图1) 。

汽轮发电机轴系设定为四个质量块组成:励磁机, 发电机转子, 一个低压缸轴段和一个高压缸轴段。轴系有三个自然振荡模态, 其频率分别为24.83 Hz, 32.43 Hz和50.6 Hz (如图3)

当线路一串联补偿容抗为XC=0.245p.u (52%的补偿度) 时, 部分电磁谐振频率与第二标准模型系统一特定的轴系模态匹配时, 而电网的阻尼又很低时, 系统将变得不稳定。因此, 采用这种模型分析有或者没有SSDC参与STATCOM控制时的系统次同步振荡情况。

图3描述了串联补偿时的FFT的频谱图。它显示了最大的不稳定是在模式1 (24.83 Hz模态) 。从图4中很清楚看出, SSDC没有参与STATCOM的控制时, 低压缸和发电机转子之间的扭矩随时间而增长, 即发生了振荡, 系统失稳。而图5中由于SSDC参与了STATCOM的控制, 使得低压缸和发电机转子之间的扭矩快速衰减。

当SSDC被应用于STATCOM, 并且在两种工作模式下, 仿真结果如图5和图6所示。图中说明, 两中模式下系统都是稳定的, 但从图6可看出LP-GEN之间扭矩在更短时间内就被阻尼了。因此可得出, 在KP保持不变的情况下, STATCOM在无功功率控制模式下的振荡阻尼率比STATCOM在电压控制模式下的阻尼率要大得多。

正如前述的, 通过增加增益放大器KP, 机械模式将变得更稳定。通过比较图5和图7, 可以看到, 在其他条件不变情况下, 随着KP变大, 振荡阻尼率会随着增加。

3信号传输延时

一个重要方面是:遥测信号的获得会产生传输延时。延时:即从遥测点获得的信号再传到设备安装点使用所需要的传输时间。典型的延时范围为 (20—50) ms。遥测信号到达FACTS控制安装点产生的延时可能引起系统不稳定。因此要设计合适的控制器用于补偿这种延迟, 以阻尼频率在 (0.1—0.8) Hz范围内的区域振荡模式。

传输延时对遥测信号的影响可通过带SSDC的STATCOM阻尼次同步谐振模型进行检验。延时用传输延时模块模拟, 如图1所示。通过仿真可发现, 在延时为51 ms时, 引起了系统失稳。如图8所示。

4结论

本文通过对利用遥测到的发电机功率加速信号阻尼次同步谐振的研究, 发现基于遥测发电机功率加速信号进行控制的STATCOM次同步阻尼控制器 (SSDC) , 能成功地阻尼严重补偿水平下各种次同步谐振;同时在其他条件不变的情况下, STATCOM在无功功率控制模式下的振荡阻尼率比STATCOM在电压控制模式下的阻尼率稍大;在其他条件不变情况下, 随着KP变大, 振荡阻尼率会随着增加。

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