基于BPA的励磁系统建模

卫鹏，徐珂，周前，张俊芳

（1．南京理工大学自动化学院，江苏南京 210094；2．江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103）

随着电力建设的发展，我国电力系统目前已进入大网络、高电压、大机组的阶段。大容量机组运行时的稳定性对于整体电网的稳定性和安全至关重要。然而，影响发电机稳定性最大的是电机励磁系统。励磁系统对于电网安全起到了非常重要的作用，它不仅是机组稳定运行的保证，也是整个电网中无功以及电压调节的杠杆。所以，研究励磁系统的模型及其参数，是研究电网以及机组稳定性的基础[1]。

IEEE提出了几种标准励磁系统模型[2]，由于制造厂家提供的参数大多都是通过离线试验得到的集中参数[3]，稳定计算误差较大，因此需要在线测量精确参数。国外的Demello、Dandero、Bollinger、UTA、GE等公司在20世纪70年代就已经开展了在线参数测试工作[4]。国内各电力试验研究所在90年代才开展了励磁系统参数辨识工作，主要采取时域法、频域法[5-7]和基于现代控制理论的辨识方法[8-10]。文献[11]采用PSS/E进行了励磁系统建模并与PSASP建模的仿真结果进行了动态特性对比；文献[12]利用PSASP对三机无刷励磁系统进行了建模，通过实测结果与仿真对比进行校核得到了稳定计算用发电机励磁系统参数。但是基于BPA的励磁系统的建模研究还比较少。

本文通过对江苏某台额定容量为1 000 MW的典型大机组进行了空载阶跃试验，并对现场测量数据进行分析，得到励磁系统的部分参数，在BPA中搭建了仿真模型，将实测波形与仿真波形对比，通过调整模型参数，使仿真波形在动态指标和形态上与实测波形基本一致，由此得到了该发电机励磁系统模型的准确参数。

1 励磁系统的模型

发电机的励磁系统由励磁控制部分、发电机电压测量和无功电流补偿部分、励磁功率部分、以及电力系统稳定器（PSS）几部分组成[13]。根据励磁功率部件的不同常见的励磁系统分为直流励磁机励磁系统、交流励磁机励磁系统、静止励磁系统。静止励磁系统包括：恒定电压源静止励磁系统、自并励静止励磁系统和交流侧串联自复励静止励磁系统。

1.1 功率部分

采用余弦移向方式和三相全波可控整流的自并励励磁系统的功率部分数学模型如图1所示[14]。

图1 功率部分数学模型Fig.1 Mathematical model of the power part

其中，URMIN和URMAX分别为发电机额定电压下AVR的最小和最大输出电压，引入Ut表示发电机的机端电压会影响到实际AVR输出的限幅。Kc表示换弧压降系数，URMIN和URMAX为调节器输出限幅。

其中，UETK为励磁变短路电压；SETN为励磁变额定容量；UET为励磁变二次额定线电压。

式中，UET为励磁变二次额定线电压，αMAX和αMIX为可控硅的最小控制角和最大控制角。调节器输出限幅通过发电机空载大扰动试验可以得到。

1.2 励磁控制部分

励磁控制部分实现励磁稳定控制和限制功能，包括功率控制、PID环节、软反馈校正补偿励磁机时间常数的反馈、过励限制（OEL）、顶值限制、低励限制（UEL）等[15]。大型自并励励磁调节器采用数字PID实现，一般采用二阶超前滞后串联PID搭建，如图2所示。

图2 串联型PID校正环节Fig.2 Series PID corrected link

1.3 电力系统稳定器PSS

电网之间互联后的稳定计算结果表明联网后系统中存在着频率在0.2~2.0 Hz的低频振荡。因此，为了确保系统安全，电网中的大容量发电机组的励磁调节器应投入电力系统稳定器（PSS）。PSS的投入不仅能抑制本机的低频振荡，还能有效地抑制区域间低频振荡。PSS模型一般分为3类：加速功率型、单输入信号型和双输入信号型。

2 励磁系统建模

本文测试机组为上海发电机厂生产，容量为1 000 MW，上网电压等级为500 kV，励磁系统形式为自并励，励磁调节器采用了ABB公司生产的UNITROLL6000励磁调节器，其PSS采用合成加速功率2A型，输入采用发电机电功率和发电机转速信号，以发电机额定视在功率为基准值，输出控制电压UPSS至AVR的电压相加点，输出为发电机额定电压27 kV。

自并励静止励磁系统的结构如图3所示[16]。

图3 自并励励磁系统框图Fig.3 Self-shunt excitation system block diagram

其中，AVR为自动电压调压器，发电机作为励磁电源，励磁变输出到可控硅，可控硅提供发电机励磁。

励磁厂家提供的励磁系统传递函数框图如图4所示。励磁系统参数设置如表1所示。

2.1 发电机空载特性试验

维持发电机额定转速不变，用励磁调节器调整励磁机励磁电流，令发电机电压增加至110%的额定电压，然后逐渐降至最低，进行发电机空载特性试验。本次试验只升压到105%额定电压，绘制本机组空载特性曲线如图5所示，其中发电机额定电压27 kV，纵坐标采用标幺表示。

图4 励磁调节器和PSS模型Fig.4 Excitation regulator and PSSmodel

表1 励磁系统参数Tab.1 Excitation system parameters

图5 发电机空载特性Fig.5 Generator no-load characteristics

可见，发电机定子电压随着转子电流的增加不是线性增加的，这主要是由磁路饱和导致的。

2.2 空载电压阶跃试验

使用WFLC电量记录分析仪记录发电机励磁电压UFD、发电机励磁电流IFD和发电机定子电压UAB，发电机空载时电压给定±5%阶跃响应情况下现场录波图见6图。

图6 电压给定±5%阶跃响应Fig.6 Response of the±5%step given voltage

由空载阶跃试验可以得到的励磁调节器的动态指标如表2所示。

表2 实测动态特性指标Tab.2 Measured dynamic characteristics of indicators

由表2可见，本机组励磁系统的动态指标满足国标相关要求。

3 励磁系统模型参数

3.1 发电机饱和系数

根据对图1的空载特性曲线进行拟合得到发电机的饱和与不饱和曲线如图7所示。

图7 发电机空载特性Fig.7 Generator no-load characteristics

IfB对应发电机空载不饱和曲线上额定电压时的励磁电流；Ifj对应发电机空载不饱和曲线上1.2倍额定电压时的励磁电流；If0对应发电机空载饱和曲线上额定电压时的励磁电流；Ifk对应发电机空载饱和曲线上1.2倍额定电压对应的励磁电流，得到发电机几个基准电流值如下：

可得BPA励磁系统的饱和系数SG1.0、SG1.2：

由SG1.0、SG1.2可以拟合发电机的饱和特性，使模型更接近发电机的真实情况。

3.2 励磁系统最大输出电压和最小输出电压

由于ABB调节器厂家提供的可控硅最小控制角和最大控制角分别为10°和150°。

其中，UET为励磁变压器二次侧额定线电压，通过实测UET为961 V。

3.3 换弧压降系数K c

根据国家电网同步发电机励磁系统参数实测与建模导则中的相关内容，励磁变二次侧阻抗基准值为：

3.4 励磁电压最大输出值

其中，Kcu为强励倍数。

4 励磁系统模型的仿真校核

选取BPA软件中与本机组励磁装置最为接近的FV型励磁模型作为建模目标模型。FV模型如图8所示。

调节器原模型可对应FV模型的串联型PID调节器。对应图6中相关参数为：K=500，KV=1，T1=1.52 s，T2=12.67 s，T3=0.1 s，T4=0.1 s。根据第3节的计算结果完成BPA中该发电机励磁模型数据卡，在BPA中搭建了单机无穷大系统仿真模型，令发电机外等值电抗为同步电抗的100倍，调整发电机出力使其处于空载状态，如图9所示。

本文利用搭建的模型进行空载阶跃仿真，在发电机额定电压的空载状态下进行阶跃小扰动试验，阶跃量为5%，得到的定子电压仿真结果如图10所示。

阶跃响应的仿真和实测结果的对比情况如表3所示。

表3 仿真动态特性指标及对比Tab.3 Simulation of dynamic characteristics of indicators and contrast

由表3可见，仿真结果与实测结果在超调量、上升时间和峰值时间上都比较接近，误差满足国调通信中心文件中对于励磁系统模型仿真标准规定，可以认为本文采用的励磁系统仿真模型中PID模型时间常数基本合理，能够较为准确地反映实测模型的动态特性，可以用于发电机的稳定计算。

通过校核，最终确定的励磁系统模型参数如表4所示。

图8 BPA中FV型励磁系统结构框图Fig.8 FV Excitation system block diagram in BPA

图9 单机无穷大仿真模型Fig.9 Single machine infinite simulation model

图10 ±5%阶跃响应波形图Fig.10 Response of±5%step waveform chart

表4 励磁系统校核结果Tab.4 Excitation system checking results

最终采用调整值作为本机组励磁建模参数值。

5 结论

本文选取了江苏电网的一台典型大容量机组，通过现场试验获得机组励磁系统的实测参数和部分特性，利用所得的实测数据和设备厂家提供的发电机、主、副励磁机、励磁调节器、励磁方式等参数，计算出电力系统稳定计算（精确模型）中励磁系统模型参数。依据实测的励磁系统特性，通过仿真计算，对励磁调节器内部参数进行校核，最终获得与发电机实际特性相符的电力系统稳定计算模型和参数，对于大电网稳定性研究提供了基础。

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