一种氧化锌阀片适配型灭磁热熔断保护控制系统的制作方法

本发明涉及发电机灭磁保护，具体为一种氧化锌阀片适配型灭磁热熔断保护控制系统。

背景技术：

1、发电机灭磁系统是电力系统安全稳定运行的重要保障，其主要作用是在发电机发生内部故障或外部短路时，将发电机励磁绕组中的磁场能量释放掉，防止故障扩大，氧化锌阀片由于其优异的非线性伏安特性，被广泛应用于现代发电机灭磁系统中作为能量吸收元件，在灭磁过程中承担着吸收励磁绕组释放能量、限制过电压的关键功能。

2、然而，现有的灭磁热熔断保护方法通常采用固定阈值的过流保护或过热保护，即当阀片电流或温度超过预设阈值时，立即切断灭磁回路，这种方法存在以下明显不足：第一，无法动态适应不同工况下阀片的热状态，只能采用保守的阈值设置，导致灭磁速度远低于阀片实际可承受的极限，造成阀片能量吸收能力的浪费；第二，仅考虑单一时刻的电流或温度值，无法预测阀片未来的热变化趋势，容易出现保护误动或拒动；第三，没有建立热应力与灭磁速度之间的量化关系，无法在保证阀片热安全的前提下实现灭磁速度的最大化，热安全与灭磁速度之间缺乏可量化的最优平衡机制。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了弥补现有技术的不足，提供了一种氧化锌阀片适配型灭磁热熔断保护控制系统，通过建立热承受能力与灭磁时间要求之间的双边速率约束模型，并采用模型预测控制技术求解满足约束条件的最优电流转移轨迹，从而在严格保证氧化锌阀片热安全的前提下实现灭磁速度的最大化，同时具备对阀片未来热变化趋势的预测能力和对模型不确定性的滚动修正能力。

2、本发明为解决上述技术问题，提供如下技术方案：一种氧化锌阀片适配型灭磁热熔断保护控制系统，该系统包括：

3、实时状态采集模块，用于采集发电机励磁电流、灭磁回路电流、氧化锌阀片表面温度以及环境温度；

4、阀片热状态计算模块，与实时状态采集模块连接，用于建立氧化锌阀片的一维热传导模型，根据采集到的电流和温度数据，采用有限差分法求解热传导方程得到阀片内部各节点的温度分布，并基于阀片的最大允许工作温度和当前最高温度计算剩余能量裕度；

5、双边速率约束生成模块，与阀片热状态计算模块连接，用于根据阀片内部温度分布和剩余能量裕度，计算在不超过阀片最大允许热应力和最高温度前提下的电流转移速率上限约束函数；同时根据发电机励磁绕组的初始储能和预设灭磁时间要求，计算为满足灭磁时间要求所需的电流转移速率下限约束函数；

6、模型预测控制模块，与双边速率约束生成模块连接，用于建立灭磁回路的离散时间状态空间模型，以灭磁时间最短为优化目标函数，以电流转移速率上限和下限为不等式约束条件，以灭磁回路的动态方程为等式约束条件，采用二次规划算法求解有限时域内的最优控制序列，并将最优控制序列的第一个元素作为当前控制周期的控制量输出；

7、执行机构驱动模块，与模型预测控制模块连接，包括灭磁开关驱动器和晶闸管触发电路，用于根据控制量输出驱动灭磁开关分合闸和晶闸管导通角调节，实现对电流转移过程的精确控制；

8、滚动优化模块，分别与实时状态采集模块和模型预测控制模块连接，用于将控制周期设置为1-10ms，在每个控制周期结束时，根据最新的状态测量值更新模型预测控制模型的初始状态，并重新求解未来有限时域内的最优控制轨迹，直至灭磁过程结束。

9、进一步地，所述实时状态采集模块与发电机励磁系统、灭磁回路以及氧化锌阀片物理连接，同步采集发电机励磁电流、灭磁回路电流、氧化锌阀片表面温度以及环境温度，实时状态采集模块采用多传感器同步采集技术，所有传感器的采样时钟通过fpga内部高精度晶振同步，同步误差小于1μs，确保不同物理量数据的时间一致性；

10、采集到的原始数据首先经过硬件低通滤波去除高频电磁干扰，截止频率设置为100hz；然后经过软件卡尔曼滤波进一步平滑处理，抑制随机噪声；最后进行传感器校准，修正传感器的非线性误差和温度漂移，校准参数预先存储在控制器的flash存储器中，校准后的数据通过内部高速总线传输至阀片热状态计算模块。

11、更进一步地，所述阀片热状态计算模块建立氧化锌阀片的一维热传导模型：，其中，为氧化锌阀片的密度，为氧化锌阀片的比热容，为氧化锌阀片的热导率，为氧化锌阀片在厚度方向位置、时刻的温度，为氧化锌阀片在厚度方向位置、时刻的焦耳热功率密度。

12、更进一步地，所述阀片热状态计算模块根据灭磁回路电流计算：，其中，是时刻的灭磁回路电流，为阀片位置的电阻，采用有限差分法将热传导方程离散化，得到阀片内部各节点的温度分布，。

13、更进一步地，所述阀片热状态计算模块计算阀片的最高温度，并根据阀片的最大允许工作温度计算剩余能量裕度：，其中，是时刻氧化锌阀片的剩余能量裕度，为氧化锌阀片的总热容。

14、更进一步地，所述双边速率约束生成模块根据阀片内部温度分布和剩余能量裕度，计算电流转移速率上限约束函数，具体为：根据热应力计算公式计算出热应力：，其中，为热膨胀系数，为弹性模量，为温差，为保证热应力不超过允许值，引入安全系数，温差满足：，其中，是氧化锌阀片的最大允许热应力，通过离线仿真或实验，建立不同初始温度和电流下，电流转移速率dimdt与阀片内部最大温差δt之间的映射关系表，在线运行时，根据当前和查表或计算得到保证不超限的最大允许，由此推导出电流转移速率的上限约束：，其中，是灭磁回路电流的变化率，即电流转移速率，为电流转移速率上限约束函数，与阀片当前最高温度和剩余能量裕度正相关。

15、更进一步地，所述双边速率约束生成模块，根据发电机励磁绕组的初始储能和预设灭磁时间要求，为保证在时间内完成灭磁，电流转移速率应满足：，其中，为电流转移速率下限约束函数，与初始储能正相关，与灭磁时间要求负相关。

16、更进一步地，所述模型预测控制模块建立灭磁回路的离散时间状态空间模型，其模型表达式为：，其中，是第个控制周期的系统状态向量，，式中，为第个控制周期的发电机励磁电流，为第个控制周期的灭磁回路电流；控制变量为第个控制周期的电流转移速率；、、为系统矩阵。

17、更进一步地，所述模型预测控制模块定义控制量增量，并惩罚的平方项，优化目标函数为：,其中，为预测时域，、、为权重系数，为励磁电流参考值，为控制量增量，加入约束条件：，，同时根据控制量增量定义，满足状态方程，采用二次规划算法求解该优化问题，得到未来 个控制周期的最优控制序列，将最优控制序列的第一个元素作为当前控制周期的控制量输出。

18、更进一步地，所述滚动优化模块在每个控制周期结束时，采集最新的励磁电流、灭磁回路电流和阀片表面温度数据；将最新的状态数据作为模型预测控制模型的初始状态；重新求解未来个控制周期的最优控制轨迹；直至励磁电流小于预设阈值，判定灭磁过程结束。

19、与现有技术相比，该一种氧化锌阀片适配型灭磁热熔断保护控制系统具备如下有益效果：

20、本发明通过将氧化锌阀片的热承受能力和灭磁时间要求分别转化为电流转移速率的上下限约束，通过模型预测控制技术求解最优电流转移轨迹，实现热应力与灭磁速度之间的可量化最优平衡，在保证阀片热安全的前提下最大化灭磁速度，并能够根据阀片的实时温度和剩余能量裕度动态调整电流转移速率约束，避免传统固定阈值保护方法的保守性，同时通过模型预测控制能够预测阀片未来的热变化趋势，提前调整控制策略，防止阀片热击穿事故的发生，通过采用滚动优化机制，能够不断根据最新的状态测量值修正控制量输出，有效抑制了模型不确定性和外部干扰的影响。

21、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。