励磁系统建模试验及仿真研究

2015-03-28余侃胜桂小智谢国强徐在德熊丽霞

江西电力 2015年2期

关键词：阶跃调节器励磁

邹进，余侃胜，桂小智，谢国强，徐在德，熊丽霞

（国网江西省电力科学研究院，江西南昌 330096）

0 引言

发电机励磁控制系统对电力系统的静态稳定、动态稳定和暂态稳定性都有显著的影响。在电力系统稳定计算中采用不同的励磁系统模型和参数，其计算结果会产生较大的差异。因此需要能正确反映实际运行设备运行状态的数学模型和参数，使得计算结果真实可靠。

随着我国电力系统全国联网和西电东送工程的实施，对电力系统稳定计算提出了更高的要求。新的稳定导则要求发电机采用精确模型，也要求在计算中采用实际的励磁系统模型和参数[1]。

通过对电网典型主力机组的发电机、励磁和调速系统模型和参数进行调查和测试，为系统稳定分析及电网日常生产调度提供准确的计算数据，是保证电网安全运行和提高劳动生产率的有效措施，具有重要的社会意义和经济效益。

1 励磁系统建模测试概述

随着全国联网工作的开展，电网的安全性问题日益突出。电网中由于发电机的励磁控制系统在事故时没能发挥作用，从而造成事故扩大的事例并不少见。发电机组的励磁控制一直被看作是提高和改善电力系统稳定性的主要措施之一。大电网的建设和发展要求对发电机及其励磁系统模型进行实测。发电机励磁系统参数测试及建模工作着眼于本地区电力系统安全稳定运行，采用新技术与现场试验相结合的方法，对已投运及所有新投运发电机励磁系统的参数进行实测并建立模型，为电网稳定计算提供第一手数据，为电力系统稳定分析提供可靠数据[2]。

励磁系统参数测试试验是励磁建模的一个重要环节。对未知环节或者系统，通过一些方法获取励磁系统的比例系数、微分系数、积分系数等模型参数；对已知环节或系统，通过一些手段来验证其参数，最后得到符合实际的规格化的励磁系统或部件的数学模型参数。试验内容主要包括发电机空载试验、发电机空载特性参数计算、发电机空载5%阶跃试验、励磁系统PID参数计算、全控整流回路移相范围校核等[3]。

2 某水电厂建模测试试验案例分析

2.1 机组参数

表1 机组参数表

2.2 励磁系统PID模型

该机组励磁调节器控制方式采用的是串联型PID+PSS控制。

根据励磁调节器制造厂家提供的控制原理和逻辑，形成主调节通道，即电压调节通道（AVR）原理方框图如图1所示。

图1 某水电厂励磁系统PID模型

2.3 发电机空载特性试验

励磁调节器采用他励方式进行空载升压，其发电机空载升压特性如表2所示。

表2 某水电厂发电机空载特性试验结果

空载特性曲线如图2所示。

图2 空载特性曲线

2.4 发电机空载阶跃相应试验

用励磁调节将发电机电压升到空载额定值的95%，进行5%阶跃响应试验，图3为5%阶跃响应录图。

图3 发电机空载5%阶跃特性曲线

由图3可见，机组5%阶跃响应发电机电压的振荡次数为0.5次，超调量Mp=9.5%，上升时间TR=0.2 s，达到最大值的时间Tp=0.55 s，调节时间Ts=1.4 s，根据行标DL/T 650—1998要求：励磁控制系统电压给定阶跃响应应满足以下要求：发电机空载时阶跃响应：阶跃量为发电机额定电压的5%，超调量不大于阶跃量的30%，振荡次数不大于3次，上升时间不大于0.6 s，调节时间不大于5 s。可知本试验结果满足标准要求。

2.5 励磁系统模型参数计算

发电机饱和系数和励磁系统基值计算：

1）发电机励磁电流基准值IFDB。

由于发电机励磁电流基值为发电机空载气隙线上额定电压对应的转子电流，因此根据表1数据可以计算出转子电流基值，即：

IFDB＝575 A

2）发电机励磁回路电阻的基准值RFDB。

选取发电机铭牌额定励磁电压与额定励磁电流之比为发电机励磁绕组电阻的基准值，即

RFDB=UFDN/IFDN

UFDN=429 V IFDN=1 275 A

RFDB=UFDN/IFDN=429/1275=0.336 Ω

3）发电机励磁电压的基准值UFDB。

UFDB=RFDB×IFDB=575×0.336=193.2 V

4）整流器换相压降系数Kc的计算。

计算中用的U、Uk、Sn、分别为励磁变的二次电压、短路阻抗和额定容量，UFDB、IFDB发电机励磁电流电压基值。换相电抗的整流器负载因子KC（标幺值）为：

5）励磁系统的最大输出电压（URMAX）和最小输出电压（URMIN）。

对自并励励磁系统，电压调节器最大输出电压URMAX和最小输出电压URMIN也就是励磁系统的最大、最小输出电压，是发电机端电压等于额定值时的最大、最小输出电压。

通过大阶跃试验来确定最大、最小控制角。

把机端电压加到60%额定电压，然后做20%大阶跃试验。试验波形图如图4所示。

图4 发电机空载20%阶跃特性曲线

从波形图中看出做20%大阶跃试验时。转子电压最大值为770 V，最小值为-664 V。根据《Q/GDW 142-2012同步发电机励磁系统建模导则》，可以计算得出最大、最小调节器输出限幅标幺值为：

URmax=（Uf1+KcIf1）/Ut1，

URmin=（Uf2+KcIf2）/Ut2

其中：Uf1和Uf2——试验中最大和最小发电机磁场电压标幺值

Ut1和Ut2——对应于Uf1和Uf2的试验中发电机电压标幺值

If1和If2——对应于Uf1和Uf2的试验中发电机励磁电流标幺值

Kc—换相压降系数

从试验中可以得出：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

把以上数据代入得

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.

同时可以计算得出最大、最小控制角度：

αmin=arcos（URmax× UFDB/(1.35××U励磁变二次电压）=arcos（5.89×193.2/(1.35×890)）=18.7°

αmax=arcos（URmin×UFDB/(1.35×U励磁变二次电压）=arcos（-4.08×193.2/(1.35×890)）=131°

6）励磁调节器内部最大/最小输出电压计算：

调节器最大内部电压UAMAX和最小内部电压UAMIN指AVR的PID环节总输入的内部限幅值，取UAMAX=10，UAMIN=-10 。

7）根据发电机空载特性可计算模型需要的饱和系数SG：

从发电机空载曲线上得到：气隙线上对应于额定定子电压的励磁电流IFDB=575 A，空载曲线上对应于额定定子电压的励磁电流IFD0=650 A，额定定子电压时发电机的饱和系数：

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

气隙线上对应于1.2倍额定定子电压的励磁电流IFDB1.2=690 A，空载曲线上对应于1.2倍额定定子电压的励磁电流IFD01.2=1 080 A，额定定子电压时发电机的饱和系数：

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

对应PSASP发电机饱和系数：

a=1 ；b=IFD0/IFDB-1=650/575-1=0.13；

8）PID环节参数换算：

根据厂家提供的数据，Tr=0.01，KR=200，TA1=0.01 s，TA2=0.01 s，TA3=1，TA4=4，TS=0.004 s，得到本机励磁调节器PID原始模型及参数，见图1所示。

2.6 稳定计算用励磁系统数学模型及参数

由电科院开发的电力系统分析综合程序(PSASP)是一套功能强大、使用方便的大型电力系统仿真软件，它是具有我国自主知识产权、资源共享、使用方便、高度集成和开放的大型软件包。PSASP基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，可进行电力系统(输电、供电和配电系统)的各种计算分析，能处理潮流计算、暂态稳定计算、自定义建模和动态仿真等问题[4]。

该机组为自并励励磁系统，电力系统分析综合程序用户，应选用12型计算模型，作为计算用励磁系统模型，其模型框图见图6。我们首先把调节器原始参数输入到PSASP中进行仿真，并通过对原始参数进行适当调整，使仿真结果和实测结果的误差满足《Q/GDW 142-2012同步发电机励磁系统建模导则》要求所允许的误差范围之内。具体参数见表3所示：