基于BPA的勵磁系統(tǒng)建模與仿真

莫 瑤，張 璇

（1.紫坪鋪水力發(fā)電廠，四川 都江堰 611830；2.成都交大許繼電氣有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

0 引言

隨著電力建設(shè)的發(fā)展，我國電力系統(tǒng)目前已進(jìn)入了大網(wǎng)絡(luò)、超高壓、大機(jī)組的階段[1]。如何獲得準(zhǔn)確的仿真用勵磁系統(tǒng)模型和參數(shù)，在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析上顯得尤為重要。

電廠技術(shù)人員對于建模工作掌握往往不夠透徹，只能通過試驗(yàn)單位出具的報告判斷建模的準(zhǔn)確性，無法自己驗(yàn)證，在網(wǎng)源協(xié)調(diào)工作中十分被動。所以迫切的需要一套能夠進(jìn)行勵磁系統(tǒng)建模和仿真的方法。本文以紫坪鋪水力發(fā)電廠3號機(jī)組為例，進(jìn)行勵磁系統(tǒng)建模與仿真工作，歸納總結(jié)了一套適用于水電廠勵磁建模與仿真的方法。

1 勵磁系統(tǒng)模型

勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，勵磁系統(tǒng)的特性對電力系統(tǒng)及同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性有著十分重要的影響。勵磁系統(tǒng)主要分為調(diào)節(jié)器單元、功率單元、滅磁單元3個部分，其中功率單元以靜止式可控硅為主；調(diào)節(jié)器隨著控制理論的發(fā)展，自20世紀(jì)50年代至今演變出以下幾種：單變量控制；PSS（電力系統(tǒng)穩(wěn)定器）；線性最優(yōu)勵磁控制。滅磁單元用于事故滅磁，正常情況下不參與控制。

1.1 調(diào)節(jié)器單元

勵磁調(diào)節(jié)器單元實(shí)現(xiàn)勵磁穩(wěn)定控制和限制功能，包括功率控制、PID環(huán)節(jié)、軟反饋校正補(bǔ)償勵磁機(jī)時間常數(shù)的反饋、過勵限制（OEL）、頂值限制、低勵限制（UEL）等[2]。由于勵磁系統(tǒng)響應(yīng)速度很快，通常不需要采用微分環(huán)節(jié)校正來提高其頻率特性的高頻段增益，因此采用PI調(diào)節(jié)即可，其構(gòu)成方式有3種，如圖1所示。

圖1 自并勵勵磁系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)的幾種構(gòu)成

1.2 PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大，輸電距離的增加，電網(wǎng)的小干擾穩(wěn)定性減弱，最為經(jīng)濟(jì)的措施是投入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。IEC對PSS的定義是：一種裝置，它借助于電壓調(diào)節(jié)器控制勵磁機(jī)的輸出，來阻尼同步電機(jī)的功率振蕩[3]。輸入變量可以是轉(zhuǎn)速、頻率或者功率（或者是多個變量的綜合）。這里所指的“勵磁機(jī)”為提供同步電機(jī)磁場電流的功率電源。IEEE提出過 PSS-1A、PSS-2A、PSS-2B、PSS-3B、PSS-4B 等PSS模型，目前在全世界范圍內(nèi)有廣泛的應(yīng)用。就國內(nèi)水電機(jī)組勵磁系統(tǒng)而言，普遍采用IEEE PSS-2B模型。

1.3 功率單元

自并勵勵磁系統(tǒng)的功率單元就是指勵磁變壓器及晶閘管整流裝置。一般有一個比例環(huán)節(jié)和一個很小的延時組成，該延時可以計入AVR的延時Ta內(nèi)，其整流輸出電壓VFD與控制電壓VK呈線性關(guān)系，且與發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓無關(guān)。因?yàn)楫?dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓下降時，同步電壓幅值也下降，使控制角減小，輸出電壓不變，因此，發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時，即使手動也能穩(wěn)定調(diào)節(jié)機(jī)端電壓。強(qiáng)勵或者強(qiáng)減時，已達(dá)限幅，α達(dá)到最大或者最小值，不能再改變。因此，勵磁輸出的限幅值與機(jī)端電壓成正比，同理，采用余弦移相的自并勵系統(tǒng)其換弧壓降Kc也只影響其幅值。

2 勵磁系統(tǒng)建模

此次建模與仿真工作皆以紫坪鋪水電廠3號機(jī)組為樣本，該發(fā)電機(jī)容量為190 MW，機(jī)端電壓13.8 kV，上網(wǎng)電壓等級為500 kV,勵磁系統(tǒng)采用EXC9000型全數(shù)字式靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，是廣州電器科學(xué)研究院開發(fā)的第4代微機(jī)勵磁系統(tǒng)[4]。EXC9000型勵磁系統(tǒng)AVR與PSS傳遞函數(shù)見圖2、圖3，該勵磁系統(tǒng)所有測量值都是由DSP采樣計算的，時間常數(shù)相等，用TR表示。無功補(bǔ)償由KIR調(diào)整,有功補(bǔ)償由KIA調(diào)整。主控制環(huán)有二級超前－滯后環(huán)節(jié)，TA1、TA3為超前時間常數(shù)，TA2、TA4為滯后時間常數(shù)，穩(wěn)態(tài)增益由KR調(diào)整。當(dāng)TA1＝TA2＝0時，該環(huán)節(jié)不使用。整流橋的移相范圍是10°～150°，由額定陽極電壓可計算勵磁電壓的限幅值。

圖2 EXC9000型勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)

2.1 發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)

對紫坪鋪電廠3號機(jī)進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)，用零起升壓模式手動調(diào)整勵磁系統(tǒng)勵磁電流，令發(fā)電機(jī)電壓增加至120%的額定電壓，然后逐漸降至最低，進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)，得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，以備繪制空載特性曲線。

圖3 EXC9000型勵磁系統(tǒng)PSS傳遞函數(shù)

2.2 發(fā)電機(jī)空載電壓給定階躍試驗(yàn)

對勵磁系統(tǒng)進(jìn)行10%階躍試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整參數(shù)，直到其調(diào)節(jié)品質(zhì)滿足“發(fā)電機(jī)電壓超調(diào)量不應(yīng)大于階躍量的50%，振蕩次數(shù)不超過3次。調(diào)節(jié)時間不超過10 s?！盵5]的要求，最終在Kp=280、TA3=1、TA4=6.86的情況下，發(fā)電機(jī)10%空載階躍響應(yīng)試驗(yàn)曲線見圖4，并計算得出表1所列數(shù)據(jù)。

圖4 3號發(fā)電機(jī)空載10%階躍響應(yīng)試驗(yàn)

表1 紫坪鋪電廠3號發(fā)電機(jī)10%階躍

3 參數(shù)計算

3.1 發(fā)電機(jī)飽和系數(shù)

對空載特性試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到發(fā)電機(jī)的飽和與不飽和曲線如圖5所示。發(fā)電機(jī)定子電壓隨著轉(zhuǎn)子電流的增加不是線性增加的，這主要是由磁路飽和導(dǎo)致的。由此，可進(jìn)行勵磁系統(tǒng)基值和發(fā)電機(jī)飽和系數(shù)計算。

圖5 3號機(jī)空載特性曲線

（1）勵磁系統(tǒng)基值和發(fā)電機(jī)飽和系數(shù)計算

Ifb對應(yīng)發(fā)電機(jī)空載不飽和曲線上100%額定電壓時的勵磁電流；Ifj對應(yīng)發(fā)電機(jī)空載不飽和曲線上120%額定電壓時的勵磁電流；If0對應(yīng)發(fā)電機(jī)空載飽和曲線上100%額定電壓時的勵磁電流;Ifk對應(yīng)發(fā)電機(jī)空載飽和曲線上120%額定電壓對應(yīng)的勵磁電流，通過發(fā)電機(jī)的飽和與不飽和曲線，可以得出Ifb=640 A；Ifj=775 A；If=799 A；Ifk=1 343 A。

（2）按照式（1）計算可得BPA勵磁系統(tǒng)的飽和系數(shù) SG1.0、SG1.2。

由SG1.0、SG1.2可以擬合發(fā)電機(jī)的飽和特性，使模型更接近發(fā)電機(jī)的真實(shí)情況。

3.2 發(fā)電機(jī)勵磁電壓基準(zhǔn)值計算

選取發(fā)電機(jī)銘牌額定勵磁電壓與額定勵磁電流之比為勵磁回路電阻的基準(zhǔn)值，可知Rfb=0.293 5 Ω。由此可知發(fā)電機(jī)勵磁電壓的基準(zhǔn)值Ufb=187.8 V

3.3 整流器換相壓降系數(shù)Kc計算

勵磁變壓器供電的三相整流橋換壓降系數(shù)KC可以用下面公式（2）計算：

3.4 勵磁系統(tǒng)最大輸出電壓和最小輸出電壓

勵磁系統(tǒng)最大輸出電壓和最小輸出電壓按公式（3）計算得出，αmin和αmax是可控整流器的最小控制角和最大控制角。

4 勵磁系統(tǒng)建模研究

4.1 BPA中勵磁系統(tǒng)模型及PSS模型

BPA穩(wěn)定程序中提供了FV型模型[6]及其改進(jìn)型最接近此次建模的勵磁系統(tǒng)，可以作為建模目標(biāo)模型，用于模擬自并勵靜止可控硅勵磁系統(tǒng)。對比與EXC9000 AVR模型，F(xiàn)V模型中串聯(lián)校正與綜合放大環(huán)節(jié)也是對應(yīng)于勵磁調(diào)節(jié)器和可控硅整流功率單元，包括串聯(lián)PID環(huán)節(jié)、超前滯后校正環(huán)節(jié)、綜合放大環(huán)節(jié)（圖6）。

圖6 BPA自并勵勵磁系統(tǒng)FV模型

SI型PSS模型如圖7所示，對比IEEE PSS-2B模型，EXC9000型微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器中PSS模型在角速度輸入環(huán)節(jié)缺少一階慣性環(huán)節(jié)，此差異可忽略。因?yàn)橄到y(tǒng)擾動由功率信號反映，轉(zhuǎn)速信號僅僅起抵消原動機(jī)擾動作用，因此PSS相位補(bǔ)償不需要計算此環(huán)節(jié)。所以僅對比BPA中SI型PSS與IEEE PSS-2B模型的異同即可。

圖7 BPASI型PSS模型

BPA中SI型PSS與IEEE PSS-2B模型相比，有關(guān)ω信號的處理過程完全相同；由于BPA中PSS的功率信號輸入為正，IEEE中PSS的功率信號輸入為負(fù)，因此需要在功率信號加入積分環(huán)節(jié)進(jìn)行等效，等效后的功率輸入環(huán)節(jié)相同；在濾波函數(shù)環(huán)節(jié)，BPA中SI型PSS將濾波函數(shù)分成一個超前滯后環(huán)節(jié)和一個4階濾波函數(shù)，因?yàn)镮EEE PSS-2B模型中濾波函數(shù)典型值為N=1、M=5，因此在T10=T12時，兩者等效。

4.2 搭建單機(jī)無窮大系統(tǒng)

單機(jī)-無窮大系統(tǒng)接線如圖8所示，其中無窮大系統(tǒng)電壓假設(shè)恒定不變，Xe為輸電線路電抗。

圖8 單機(jī)-無窮大系統(tǒng)

根據(jù)上述情況，可以在BPA程序中建立潮流文件，以實(shí)現(xiàn)單機(jī)-無窮大系統(tǒng)的建模，并完成對應(yīng)的BPA潮流程序各參數(shù)設(shè)置。

4.3 發(fā)電機(jī)空載電壓給定階躍仿真

在BPA潮流文件中，將3號發(fā)電機(jī)的實(shí)際出力修改為0 MW，模擬發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)。對應(yīng)FV卡的格式，填入EXC9000系統(tǒng)出廠參數(shù)、3號發(fā)電機(jī)空載電壓給定10%階躍試驗(yàn)時確定的勵磁系統(tǒng)參數(shù)、計算所得參數(shù)。在LS卡片中修改關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)值與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)時間，仿真3號發(fā)電機(jī)空載電壓給定10%階躍試驗(yàn)，仿真結(jié)果見圖9。發(fā)電機(jī)空載10%階躍響應(yīng)仿真結(jié)果與試驗(yàn)對比結(jié)果,見表2。發(fā)電機(jī)空載10%階躍響應(yīng)仿真結(jié)果與試驗(yàn)對比結(jié)果,符合國標(biāo)要求。此組參數(shù)可供穩(wěn)定計算用。

圖9 空載10%階躍響應(yīng)仿真結(jié)果

表2 發(fā)電機(jī)空載10%階躍響應(yīng)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

4.4 PSS阻尼效果校核試驗(yàn)

在BPA潮流文件中，將3號發(fā)電機(jī)的實(shí)際出力修改為190 MW，模擬發(fā)電機(jī)額定狀態(tài)。采用FV型自并勵靜止勵磁系統(tǒng)模型和SI型PSS在單機(jī)—無限大母線系統(tǒng)0.1～2 Hz范圍的振蕩模式內(nèi)進(jìn)行了仿真。PSS對“地區(qū)振蕩模式”和“區(qū)域間振蕩模式”都有阻尼作用。其中，振蕩頻率為1.5 Hz時PSS的阻尼作用見圖10。

圖10 振蕩頻率為1.5 Hz時有無PSS，4%階躍仿真

將仿真中能夠取得理想效果的PSS參數(shù)寫入EXC9000勵磁調(diào)節(jié)器中。在PSS投入和退出兩種工況下進(jìn)行負(fù)載階躍響應(yīng)試驗(yàn)，比較有功功率的振蕩情況，檢驗(yàn)PSS阻尼功率振蕩的作用。試驗(yàn)結(jié)果表明PSS能夠提供良好的阻尼。

5 結(jié)語

隨著國內(nèi)大電網(wǎng)互聯(lián)日益緊密，電網(wǎng)穩(wěn)定性問題的凸顯，建模、仿真成果的準(zhǔn)確性對于電力系統(tǒng)分析工作來說也越來越重要，電廠技術(shù)人員參與其中的程度也逐漸加強(qiáng)。建模仿真工作必須由小及大，由點(diǎn)到面，各電廠機(jī)組的建模仿真工作是開展大電網(wǎng)建模仿真工作的基礎(chǔ)。本文以紫坪鋪水力發(fā)電廠3號機(jī)組為例，進(jìn)行勵磁系統(tǒng)建模與仿真工作，通過模型對比、特性測試、參數(shù)計算、建立模型、驗(yàn)證模型等步驟，最終確定了一套適用于水電廠的勵磁建模與仿真方案，可供電廠技術(shù)人員進(jìn)行類似工作時參考。

[1]衛(wèi)鵬，徐珂，周前，等.基于BPA的勵磁系統(tǒng)建模[J].電網(wǎng)與清潔能源,2013,29（8）.

[2]袁訓(xùn)奎，劉世富，劉衛(wèi)東.基于現(xiàn)場試驗(yàn)及程序仿真的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)確認(rèn)[J].大電機(jī)技術(shù)，2009（5）.

[3]IEC34-16-1[S].

[4]EXC9000靜態(tài)勵磁系統(tǒng)用戶手冊[Z].

[5]DLT 583-2006大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件[S].

[6]印永華，卜廣全.PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序用戶手冊[Z].中國電力科學(xué)研究院，2005.