同步电机动态参数辨识的新方法，试验设备少，简单安全
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三相突然短路试验是同步电机动态参数辨识最常用的方法，但对于大型同步电机而言，由于突然短路过程的电流非常大，给电机系统造成损伤的风险较大，且试验及保护系统十分复杂。为解决上述问题，强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学电气与电子工程学院）的研究人员马一鸣、周理兵、王晋、周佳、郑印钊，在2019年第23期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于直流阶跃电压试验的同步电机动态参数辨识方法。
同步电机的动态参数，主要包括各阶瞬态电抗与各种瞬态时间常数，是其动态运行特性的决定因素。这些参数的准确测量对大型同步电机的性能考核评估与保护整定起着至关重要的作用。
目前，大型同步电机动态参数的试验测试方法主要有三相突然短路法、电压恢复法和静止频率响应法。三相突然短路法是指电机以额定转速旋转时，在一定的空载电压下，利用开关在机端进行三相突然对称短路，通过对短路电流进行录波和处理，提取出电机的动态参数。
诸多学者已对三相突然短路法进行了深入研究，并在小容量同步电机上获得了良好的试验结果。三相突然短路时，机端会出现很大的冲击电流，在额定空载电压下，此电流会高达额定电流的数10倍。即便按照标准最低降压至20%空载电压进行三相突然短路，机端电流也可能存在3倍额定电流值以上的冲击电流。
过大的突然短路电流可能会对电机及其他辅助试验设备造成不可逆的损伤，甚至造成严重的经济损失。这也是大型电机制造厂家与用户不轻易进行三相突然短路试验的原因。
另外，为保证大型同步电机进行三相突然短路试验时设备与人员安全，试验时需要额外配备大量的保护装置，使得开展三相突然短路试验时所需设备的要求变高且接线复杂。为避免产生过大的冲击电流，工程上常利用电压恢复法替代三相突然短路法，但是电压恢复法仅能测量d轴参数，无法测量q轴参数，这是此方法存在的固有缺陷。
静止频率响应法是在电机静止状态下进行试验，由于施加的信号较小，不会产生大的瞬态电流，因此被IEEE标准所推荐。但是，静止频率响应法需要向电机施加一定频带的交流信号，试验需要具备可调频的电源，且此方法涉及频域信号的幅值与相位的处理，试验及参数辨识复杂，难以推广运用。
鉴于以上问题，在2007年，美国学者F. S. Sellscopp提出了直接阶跃电压试验方法，此方法的特征是：试验时电机处于静止状态，在电枢绕组的两相间施加幅值很小的直流阶跃电压信号，然后对电流响应进行录波，再通过对电流响应进行时域拟合提取电机的稳态与动态参数。
此方法不会产生冲击电流，且仅需要在时域内处理信号，简单易行，安全性高。由于试验时施加的是小信号，导致实测电流响应波形中含有大量噪声，因此参数辨识过程的难点在于如何从含噪信号中提取出真实的电流响应以及电流响应提取后的时域拟合过程。
F. S. Sellscopp对直流阶跃电压试验的原理进行了说明，并通过理想化的电流响应信号成功辨识得到同步电机的动态参数。然而作者并未考虑实测信号中噪声含量大的问题，噪声的存在会大大降低电流响应曲线拟合的准确度。
同时，有学者在进行同步电机d轴参数辨识时，将电枢电流响应与励磁电流响应合并作为一个目标进行优化，忽略了两电流的数值大小关系，使得优化误差绝大部分由电枢电流拟合结果决定，无法真实反映励磁电流的拟合效果，造成参数辨识误差较大。另外，目前并未针对此类方法建立通用的参数计算方法与模型，相关内容在国内鲜有报道。
为解决上述问题，强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学电气与电子工程学院）的研究人员提出一种基于直流阶跃电压试验的同步电机动态参数辨识方法。
图1 直流阶跃电压试验示意图
图5 直流阶跃电压试验设备
图6 试验使用的直流电压源
图7 d轴试验的电枢电流响应波形
主要研究内容包括：首先给出基于同步电机五绕组模型的直流阶跃电压试验的参数解析计算方法，并将其推广至采用其他类型信号或更复杂模型时的情况；其次，针对实测电流响应波形中存在大量噪声的问题，提出一种改进的小波阈值去噪方法对实测电流响应波形进行预处理；然后，为兼顾多个电流响应的拟合精度，第二代非支配排序演化算法（Nondominated Sorting Genetic AlgorithmsⅡ, NSGAⅡ）多目标优化算法被用于电流响应的时域拟合过程；最后，利用一台376MV·A同步电机的试验样机进行动模验证。
研究者最后得出以下结论：
1）运用提出的基于直流阶跃电压试验的通用参数解析计算方法可以得到同步电机d、q轴等效电路的稳态与动态参数。当将输入信号改变为其他类型的信号，或采用更复杂的同步电机模型，此动态参数解析计算方法同样适用，具有很强的通用性。
2）由于试验施加的电压信号很小，实测的电流响应波形存在的大量噪声会降低参数辨识精度。采用文中所提出的结合SAPSO算法的改进小波阈值去噪方法可以很好地滤除电流响应中的噪声。
3）对d轴试验的电流响应曲线时域拟合，考虑到励磁绕组电流比电枢电流要小得多，需要利用NSGAⅡ算法对两电流响应进行双目标优化。而对q轴试验，仅需对q轴电流进行单目标优化，可采用如本文所述的SAPSO算法。
4）本文运用的直流阶跃电压试验简便易行，对设备要求低，冲击电流小，安全性高，可以作为三相突然短路试验及静止频率响应试验的替代性试验。