勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)性能仿真測(cè)試系統(tǒng)

徐景彪,李 翔

（1.吉林省電力科學(xué)研究院,吉林 長(zhǎng)春 130021;2.徐州發(fā)電廠培訓(xùn)中心,江蘇 徐州 221006）

傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法只能在動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行。動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試投資巨大,無法滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要?，F(xiàn)場(chǎng)機(jī)組啟動(dòng)測(cè)試發(fā)電機(jī)必須承受多次啟停的沖擊,電網(wǎng)也受到?jīng)_擊和擾動(dòng),消耗大量的燃油和時(shí)間。因此需要一種對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試、易于運(yùn)輸、投資小的測(cè)試設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)試方法,當(dāng)發(fā)電機(jī)大修期間或新設(shè)備投運(yùn)時(shí),完成對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)試驗(yàn)和調(diào)整,使發(fā)電機(jī)組安全、可靠、迅速并網(wǎng)。

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展,一種基于計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)（勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)）可代替實(shí)際發(fā)電機(jī)組或動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室中的模擬發(fā)電機(jī)組,做勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的開環(huán)和閉環(huán)試驗(yàn)。

1 系統(tǒng)工作原理及功能

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)替代了發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī),受勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制與調(diào)節(jié),對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性和技術(shù)指標(biāo)測(cè)試。圖1為典型的三機(jī)系統(tǒng)（虛框部分為測(cè)試系統(tǒng)）。

1.1 工作原理

通過隔離濾波和A/D接口,實(shí)時(shí)檢測(cè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的可控整流橋直流輸出U11（或觸發(fā)脈沖）,并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

針對(duì)不同的發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī),計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的數(shù)學(xué)模型和設(shè)置的機(jī)組參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字仿真,得到勵(lì)磁機(jī)、發(fā)電機(jī)及單機(jī)—無窮大系統(tǒng)在調(diào)節(jié)器控制作用下的動(dòng)態(tài)過程。

圖1 典型的三機(jī)測(cè)試系統(tǒng)接線

通過A/D接口和功率放大,將仿真計(jì)算得到的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、電流等數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量實(shí)時(shí)傳送到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由計(jì)算機(jī)完成發(fā)電機(jī)組及電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算（測(cè)試系統(tǒng)的核心）。采用發(fā)電機(jī)的3階或5階微分方程來描述發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性;用1個(gè)或2個(gè)貫性環(huán)節(jié)來模擬勵(lì)磁機(jī),求解微分方程,就可得到被測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值算法,可以比較真實(shí)地仿真發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)的動(dòng)態(tài)過程,從而完成以前無法實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目（如三相短路試驗(yàn)）及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器只有在發(fā)電機(jī)啟機(jī)才能做的動(dòng)態(tài)試驗(yàn),既節(jié)省了時(shí)間又節(jié)省了大量燃料。

1.2 功能

1.2.1 靜態(tài)性能測(cè)試

根據(jù)需要手動(dòng)或自動(dòng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)輸出的電壓、電流幅值、相位、頻率進(jìn)行各種方式的人為改變（此時(shí)系統(tǒng)為開環(huán)）,相當(dāng)于1臺(tái)智能化調(diào)壓器、變頻器、移相器和變流器?？蓪?shí)現(xiàn)的測(cè)試有開環(huán)特性、頻率特性、欠勵(lì)特性及各種限制特性。

1.2.2 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

動(dòng)態(tài)性能測(cè)試是閉環(huán)測(cè)試。測(cè)試過程中勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸出（可以是直流電壓也可以是可控硅控制角度）實(shí)時(shí)被測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)。系統(tǒng)的輸出模擬發(fā)電機(jī)組在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器作用下的動(dòng)態(tài)過程,包括切負(fù)荷、階躍、短路、零起升壓和靜穩(wěn)測(cè)試。

2 試驗(yàn)項(xiàng)目和測(cè)試結(jié)果

某火電廠6號(hào)機(jī)組檢修期間,使用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行測(cè)試。機(jī)組的勵(lì)磁方式是2機(jī)1變。勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)由2臺(tái)相同的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器組成,正常時(shí)2臺(tái)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器并列運(yùn)行,互為備用,也可單臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行。調(diào)節(jié)器投運(yùn)已有8年,接近于設(shè)計(jì)使用壽命。機(jī)組運(yùn)行中曾在零起升壓時(shí)發(fā)生過過壓現(xiàn)象。

2.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

測(cè)試共進(jìn)行了零起升壓試驗(yàn)、靜態(tài)特性試驗(yàn)、±10%階躍試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)、短路試驗(yàn)、欠勵(lì)限制試驗(yàn)6個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目。不同工況試驗(yàn)曲線如圖3～圖7所示。

圖3 1號(hào)調(diào)節(jié)器零起升壓試驗(yàn)曲線

2.2 測(cè)試結(jié)果

2.2.1 零起升壓試驗(yàn)

圖3、圖4為2臺(tái)調(diào)節(jié)器分別對(duì)應(yīng)給定電位為3.5 V、3.08 V和2.5 V下的零起升壓曲線,由此可以計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的升壓時(shí)間和超調(diào)量。調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)是在機(jī)端電壓建立到0.68（標(biāo)幺值）時(shí)投入的,且1號(hào)調(diào)節(jié)器的升壓時(shí)間比2號(hào)調(diào)節(jié)器升壓時(shí)間長(zhǎng)0.5 s。

2.2.2 靜態(tài)特性試驗(yàn)

圖5為2臺(tái)調(diào)節(jié)器的靜態(tài)輸入、輸出特性曲線。由靜態(tài)特性試驗(yàn)可計(jì)算出開環(huán)平均放大倍數(shù)K：

式中 Us0——機(jī)端電壓基值,取100 V;

UL0——?jiǎng)?lì)磁電壓基值,為17.5 V;

ΔUL——?jiǎng)?lì)磁電壓變化值（1號(hào)調(diào)節(jié)器為51.38 V,2號(hào)調(diào)節(jié)器為54.07 V）;

ΔUs——機(jī)端電壓變化值（1號(hào)調(diào)節(jié)器為56.0 V,2號(hào)調(diào)節(jié)器為60.0 V）。

經(jīng)計(jì)算1號(hào)調(diào)節(jié)器平均放大倍數(shù)K1=5.24,2號(hào)調(diào)節(jié)器K2=5.15。

2.2.3 ±10%階躍試驗(yàn)

圖6為2臺(tái)調(diào)節(jié)器±10%階躍特性曲線。由階躍試驗(yàn)可以計(jì)算出相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

1號(hào)調(diào)節(jié)器+10%階躍超調(diào)量為17.7%, -10%階躍超調(diào)量為21%,±10%階躍調(diào)整時(shí)間7 s,擺動(dòng)1次、無振蕩。

2號(hào)調(diào)節(jié)器+10%階躍超調(diào)量為14.2%, -10%階躍超調(diào)量為20%,±10%階躍調(diào)整時(shí)間9 s,擺動(dòng)1次、無振蕩。

2.2.4 甩負(fù)荷試驗(yàn)

零有功時(shí)甩67 Mvar無功（如圖7所示）。計(jì)算得調(diào)壓精度為0.3%,調(diào)整時(shí)間4 s,無振蕩。

2.2.5 短路試驗(yàn)

計(jì)算機(jī)仿真單機(jī)—無窮大系統(tǒng)線路發(fā)生三相短路故障,機(jī)端電壓為0.95（標(biāo)幺值）,短路時(shí)機(jī)端電壓降50%,短路持續(xù)時(shí)間0.2 s。通過此項(xiàng)試驗(yàn)可以檢驗(yàn)出調(diào)節(jié)器的強(qiáng)勵(lì)和強(qiáng)減特性。由短路試驗(yàn)計(jì)算出勵(lì)磁強(qiáng)勵(lì)電壓動(dòng)作時(shí)間小于0.1 s,頂值電壓倍數(shù)為1.97;阻尼振蕩3次,調(diào)節(jié)時(shí)間5 s。說明調(diào)節(jié)器勵(lì)磁電壓的強(qiáng)勵(lì)和強(qiáng)減調(diào)節(jié)速度很快,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性良好。

2.2.6 欠勵(lì)限制試驗(yàn)

2臺(tái)調(diào)節(jié)器的欠勵(lì)限制設(shè)定值為P=0 MW,Q =-40 Mva。但在進(jìn)相超出定值后P=0 MW、Q= -80 Mvar時(shí),2臺(tái)調(diào)節(jié)器的欠勵(lì)限制均沒有動(dòng)作。

3 測(cè)試結(jié)果

a.由零起升壓曲線和實(shí)際運(yùn)行情況可以看出,當(dāng)調(diào)節(jié)器給定值Ug＞3.2 V時(shí),發(fā)電機(jī)零起升壓將出現(xiàn)超調(diào),給定值越大超調(diào)量越大。

b.通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的比較可以看出,2臺(tái)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)特性基本一致。

c.由零起升壓試驗(yàn)和靜態(tài)特性試驗(yàn)可以看出,特性曲線越平緩說明放大倍數(shù)越均勻、穩(wěn)定。2臺(tái)調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)投入點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的機(jī)端電壓值為Us1=6.8 kV（一次）和Us2=68 V（二次）,平均放大倍數(shù)分別為K1=5.24、K2=5.15。說明發(fā)電機(jī)端電壓運(yùn)行在6.8 kV以下時(shí)調(diào)節(jié)器只有比例環(huán)節(jié)起作用,機(jī)端電壓僅按比例調(diào)節(jié),機(jī)端電壓與給定值之間存在靜態(tài)差值ΔU,理論計(jì)算值分別為ΔU1=Us1/K1=1.30 kV,ΔU2=Us2/K2=1.32 kV。

當(dāng)機(jī)端電壓高于6.8 kV時(shí)調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)投入,發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓按指數(shù)關(guān)系迅速上升消除此靜差。由圖5可知,2號(hào)調(diào)節(jié)器各點(diǎn)的放大倍數(shù)大小不均,離散性很大。特別是在臨近拐點(diǎn)68 V （一次6.8 kV）附近,瞬時(shí)放大倍數(shù)可能很小,所對(duì)應(yīng)的靜差值很大。由此可以推斷,當(dāng)2號(hào)調(diào)節(jié)器初始給定電位Ug若高于3.5 V,在積分環(huán)節(jié)投入（6.8 kV）時(shí),因調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)大小不均（或此時(shí)增加給定電位時(shí)操作過快）,其對(duì)應(yīng)的靜差值ΔU會(huì)很大。ΔU越大則調(diào)整時(shí)出現(xiàn)的超調(diào)量就越大,將引起機(jī)端過壓。建議今后發(fā)電機(jī)零起升壓時(shí),初始給定電位設(shè)置值不要超過3.0 V,待機(jī)端電壓升至8.0 kV時(shí)稍做停頓,使積分環(huán)節(jié)投入,消除靜差后再緩慢增加至額定值。

d.在欠勵(lì)限制試驗(yàn)中,超出設(shè)定值（P=0 MW,Q=-40Mvar）時(shí)調(diào)節(jié)器限制沒有動(dòng)作。說明由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,欠勵(lì)單元的元件參數(shù)已發(fā)生改變,使工作點(diǎn)偏離了原設(shè)定值（該定值在起機(jī)后需重新設(shè)定）。

4 結(jié)束語

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)可現(xiàn)場(chǎng)完成勵(lì)磁調(diào)節(jié)器規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目（零起升壓、靜態(tài)特性、± 10%階躍、甩負(fù)荷、短路、欠勵(lì)限制等）。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析可知,2臺(tái)運(yùn)了8年的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器目前的調(diào)節(jié)特性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)良好,主要技術(shù)指標(biāo)滿足部頒標(biāo)準(zhǔn)（DL/T 843《大型汽輪發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件》要求。存在的問題是要對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的“欠勵(lì)限制”定值重新進(jìn)行調(diào)整,并在零起升壓時(shí)注意方式和方法。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)為脫離發(fā)電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的測(cè)試和調(diào)整提供了有效手段,可在機(jī)組大修、事故分析、基建調(diào)試中發(fā)揮巨大作用。