勵磁系統(tǒng)建模試驗及仿真研究

鄒 進，余侃勝，桂小智，謝國強，徐在德，熊麗霞

（國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096）

0 引言

發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng) 對電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定性都有顯著的影響。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算中采用不同的勵磁系統(tǒng)模型和參數(shù)，其計算結(jié)果會產(chǎn)生較大的差異。因此需要能正確反映實際運行設(shè)備運行狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)，使得計算結(jié)果真實可靠。

隨著我國電力系統(tǒng)全國聯(lián)網(wǎng)和西電東送工程的實施，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算提出了更高的要求。新的穩(wěn)定導(dǎo)則要求發(fā)電機采用精確模型，也要求在計算中采用實際的勵磁系統(tǒng)模型和參數(shù)[1]。

通過對電網(wǎng)典型主力機組的發(fā)電機、勵磁和調(diào)速系統(tǒng)模型和參數(shù)進行調(diào)查和測試，為系統(tǒng)穩(wěn)定分析及電網(wǎng)日常生產(chǎn)調(diào)度提供準確的計算數(shù)據(jù)，是保證電網(wǎng)安全運行和提高勞動生產(chǎn)率的有效措施，具有重要的社會意義和經(jīng)濟效益。

1 勵磁系統(tǒng)建模測試概述

隨著全國聯(lián)網(wǎng)工作的開展，電網(wǎng)的安全性問題日益突出。電網(wǎng)中由于發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)在事故時沒能發(fā)揮作用，從而造成事故擴大的事例并不少見。發(fā)電機組的勵磁控制一直被看作是提高和改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要措施之一。大電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展要求對發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)模型進行實測。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)測試及建模工作著眼于本地區(qū)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，采用新技術(shù)與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，對已投運及所有新投運發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的參數(shù)進行實測并建立模型，為電網(wǎng)穩(wěn)定計算提供第一手數(shù)據(jù)，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析提供可靠數(shù)據(jù)[2]。

勵磁系統(tǒng)參數(shù)測試試驗是勵磁建模的一個重要環(huán)節(jié)。對未知環(huán)節(jié)或者系統(tǒng)，通過一些方法獲取勵磁系統(tǒng)的比例系數(shù)、微分系數(shù)、積分系數(shù)等模型參數(shù)；對已知環(huán)節(jié)或系統(tǒng)，通過一些手段來驗證其參數(shù)，最后得到符合實際的規(guī)格化的勵磁系統(tǒng)或部件的數(shù)學(xué)模型參數(shù)。試驗內(nèi)容主要包括發(fā)電機空載試驗、發(fā)電機空載特性參數(shù)計算、發(fā)電機空載5%階躍試驗、勵磁系統(tǒng)PID參數(shù)計算、全控整流回路移相范圍校核等[3]。

2 某水電廠建模測試試驗案例分析

2.1 機組參數(shù)

表1 機組參數(shù)表

2.2 勵磁系統(tǒng)PID模型

該機組勵磁調(diào)節(jié)器控制方式采用的是串聯(lián)型PID+PSS控制。

根據(jù)勵磁調(diào)節(jié)器制造廠家提供的控制原理和邏輯，形成主調(diào)節(jié)通道，即電壓調(diào)節(jié)通道（AVR）原理方框圖如圖1所示。

圖1 某水電廠勵磁系統(tǒng)PID模型

2.3 發(fā)電機空載特性試驗

勵磁調(diào)節(jié)器采用他勵方式進行空載升壓，其發(fā)電機空載升壓特性如表2所示。

表2 某水電廠發(fā)電機空載特性試驗結(jié)果

空載特性曲線如圖2所示。

圖2 空載特性曲線

2.4 發(fā)電機空載階躍相應(yīng)試驗

用勵磁調(diào)節(jié)將發(fā)電機電壓升到空載額定值的95%，進行5%階躍響應(yīng)試驗，圖3為5%階躍響應(yīng)錄圖。

圖3 發(fā)電機空載5%階躍特性曲線

由圖3可見，機組5%階躍響應(yīng)發(fā)電機電壓的振蕩次數(shù)為0.5次，超調(diào)量Mp=9.5%，上升時間TR=0.2 s，達到最大值的時間Tp=0.55 s，調(diào)節(jié)時間Ts=1.4 s，根據(jù)行標DL/T 650—1998要求：勵磁控制系統(tǒng)電壓給定階躍響應(yīng)應(yīng)滿足以下要求：發(fā)電機空載時階躍響應(yīng)：階躍量為發(fā)電機額定電壓的5%，超調(diào)量不大于階躍量的30%，振蕩次數(shù)不大于3次，上升時間不大于0.6 s，調(diào)節(jié)時間不大于5 s?？芍驹囼灲Y(jié)果滿足標準要求。

2.5 勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)計算

發(fā)電機飽和系數(shù)和勵磁系統(tǒng)基值計算：

1）發(fā)電機勵磁電流基準值IFDB。

由于發(fā)電機勵磁電流基值為發(fā)電機空載氣隙線上額定電壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流，因此根據(jù)表1數(shù)據(jù)可以計算出轉(zhuǎn)子電流基值，即：

IFDB＝575 A

2）發(fā)電機勵磁回路電阻的基準值RFDB。

選取發(fā)電機銘牌額定勵磁電壓與額定勵磁電流之比為發(fā)電機勵磁繞組電阻的基準值，即

RFDB=UFDN/IFDN

UFDN=429 V IFDN=1 275 A

RFDB=UFDN/IFDN=429/1275=0.336 Ω

3）發(fā)電機勵磁電壓的基準值UFDB。

UFDB=RFDB×IFDB=575×0.336=193.2 V

4）整流器換相壓降系數(shù)Kc的計算。

計算中用的U、Uk、Sn、分別為勵磁變的二次電壓、短路阻抗和額定容量，UFDB、IFDB發(fā)電機勵磁電流電壓基值。換相電抗的整流器負載因子KC（標幺值）為：

5）勵磁系統(tǒng)的最大輸出電壓（URMAX）和最小輸出電壓（URMIN）。

對自并勵勵磁系統(tǒng)，電壓調(diào)節(jié)器最大輸出電壓URMAX和最小輸出電壓URMIN也就是勵磁系統(tǒng)的最大、最小輸出電壓，是發(fā)電機端電壓等于額定值時的最大、最小輸出電壓。

通過大階躍試驗來確定最大、最小控制角。

把機端電壓加到60%額定電壓，然后做20%大階躍試驗。試驗波形圖如圖4所示。

圖4 發(fā)電機空載20%階躍特性曲線

從波形圖中看出做20%大階躍試驗時。轉(zhuǎn)子電壓最大值為770 V，最小值為-664 V。根據(jù)《Q/GDW 142-2012同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)建模導(dǎo)則》，可以計算得出最大、最小調(diào)節(jié)器輸出限幅標幺值為：

URmax=（Uf1+KcIf1）/Ut1，

URmin=（Uf2+KcIf2）/Ut2

其中：Uf1和Uf2——試驗中最大和最小發(fā)電機磁場電壓標幺值

Ut1和Ut2——對應(yīng)于Uf1和Uf2的試驗中發(fā)電機電壓標幺值

If1和If2——對應(yīng)于Uf1和Uf2的試驗中發(fā)電機勵磁電流標幺值

Kc—換相壓降系數(shù)

從試驗中可以得出：Uf1=770/193.2=3.98，Uf2=-664/193.2=-3.44

Ut1=11.37/15.75=0.72，Ut2=12.52/15.75=0.79

If1=544/575=0.95，If2=448/575=0.78，Kc=0.2743

把以上數(shù)據(jù)代入得

URmax=（Uf1+KcIf1）

/Ut1=（3.98+0.2743×0.95）/0.72=5.89 p.u.，

URmin=（Uf2+KcIf2）/Ut2=（-3.44+0.2743×0.78）/0.79=-4.08 p.u.

同時可以計算得出最大、最小控制角度：

αmin=arcos（URmax× UFDB/(1.35××U勵磁變二次電壓）=arcos（5.89×193.2/(1.35×890)）=18.7°

αmax=arcos（URmin×UFDB/(1.35×U勵磁變二次電壓）=arcos（-4.08×193.2/(1.35×890)）=131°

6）勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部最大/最小輸出電壓計算：

調(diào)節(jié)器最大內(nèi)部電壓UAMAX和最小內(nèi)部電壓UAMIN指AVR的PID環(huán)節(jié)總輸入的內(nèi)部限幅值，取UAMAX=10，UAMIN=-10 。

7）根據(jù)發(fā)電機空載特性可計算模型需要的飽和系數(shù)SG：

從發(fā)電機空載曲線上得到：氣隙線上對應(yīng)于額定定子電壓的勵磁電流IFDB=575 A，空載曲線上對應(yīng)于額定定子電壓的勵磁電流IFD0=650 A，額定定子電壓時發(fā)電機的飽和系數(shù)：

SG1.0=（IFD0—IFDB）/IFDB=（650-575）/575=0.13

氣隙線上對應(yīng)于1.2倍額定定子電壓的勵磁電流IFDB1.2=690 A，空載曲線上對應(yīng)于1.2倍額定定子電壓的勵磁電流IFD01.2=1 080 A，額定定子電壓時發(fā)電機的飽和系數(shù)：

SG1.2=（IFD01.2-IFDB1.2）/IFDB1.2=（1080-690）/690=0.5652

對應(yīng)PSASP發(fā)電機飽和系數(shù)：

a=1 ；b=IFD0/IFDB-1=650/575-1=0.13；

8）PID環(huán)節(jié)參數(shù)換算：

根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，Tr=0.01，KR=200，TA1=0.01 s，TA2=0.01 s，TA3=1，TA4=4，TS=0.004 s，得到本機勵磁調(diào)節(jié)器PID原始模型及參數(shù)，見圖1所示。

2.6 穩(wěn)定計算用勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及參數(shù)

由電科院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)是一套功能強大、使用方便的大型電力系統(tǒng)仿真軟件，它是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、資源共享、使用方便、高度集成和開放的大型軟件包。PSASP基于電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、固定模型庫以及用戶自定義模型庫的支持，可進行電力系統(tǒng)(輸電、供電和配電系統(tǒng))的各種計算分析，能處理潮流計算、暫態(tài)穩(wěn)定計算、自定義建模和動態(tài)仿真等問題[4]。

該機組為自并勵勵磁系統(tǒng)，電力系統(tǒng)分析綜合程序用戶，應(yīng)選用12型計算模型，作為計算用勵磁系統(tǒng)模型，其模型框圖見圖6。我們首先把調(diào)節(jié)器原始參數(shù)輸入到PSASP中進行仿真，并通過對原始參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整，使仿真結(jié)果和實測結(jié)果的誤差滿足《Q/GDW 142-2012同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)建模導(dǎo)則》要求所允許的誤差范圍之內(nèi)。具體參數(shù)見表3所示：

表3 12型勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)表

12型勵磁系統(tǒng)模型如圖5所示。

2.7 發(fā)電機空載階躍響應(yīng)特性仿真結(jié)果

用表3中“原始參數(shù)”，采用“電力系統(tǒng)分析綜合程序”進行發(fā)電機空載。

5%階躍仿真，如圖6所示。

圖6 5%階躍相應(yīng)試驗仿真圖

階躍響應(yīng)仿真及實測結(jié)果比較實測與仿真的比較結(jié)果如表4所示。從表4比較的結(jié)果可以看出，兩者誤差在標準允許的范圍內(nèi)。

表4 階躍響應(yīng)試驗及仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文指出了建立勵磁系統(tǒng)模型的重要性，介紹了勵磁系統(tǒng)建模的基本知識。為了建立發(fā)電機勵磁系統(tǒng)更詳細、更準確的模型，對江西電網(wǎng)某典型機組進行原始參數(shù)的分析、現(xiàn)場試驗、參數(shù)辨識，確定了發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)的模型參數(shù)。

利用PSASP軟件建立了勵磁系統(tǒng)仿真模型，通過對仿真結(jié)果的分析，得出此模型能夠反映出真實的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程，可以提供給有關(guān)部門參考使用。

[1]呂廣飛.發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)測試及建模技術(shù)研究：[D].北京：華北電力大學(xué)，2011.

[2]黃翠艷.勵磁系統(tǒng)實測仿真模型研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2008

[3]孟凡超，吳龍.發(fā)電機勵磁技術(shù)問答及事故分析[M].北京：中國電力出版社，2008.

[4]李名文.基于PSASP的勵磁系統(tǒng)建模與參數(shù)辨識：[D].北京：華北電力大學(xué)，2010.

[5]張旭昶.同步發(fā)電機勵磁裝置及其在PSASP中模型的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[6]李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2002.