大型同步发电机组励磁系统的PSASP建模及仿真

万 黎，周鲲鹏，何 俊

(国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077)

0 引言

大型发电机组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。通过对并网发电机组励磁系统模型和参数进行测试，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[1-6]。

本文通过对大型发电机组励磁系统的模型的研究，以PSASP为仿真工具，建立了大型同步发电机励磁系统模型，并通过仿真分析验证了模型的准确性。

1 同步发电机励磁系统概述

发电机组励磁系统由励磁功率部分、励磁控制部分、发电机组电压测量和无功电流补偿部分以及电力系统稳定器（PSS）组成，如图1所示。

图1 同步发电机励磁系统组成Fig.1 Component of Synchronous Generator Excitation System

励磁系统按照励磁功率部件不同，分为直流励磁机励磁系统、交流励磁机励磁系统、静止励磁系统三大类，常见的发电机励磁系统可细分如表1所示。

表1 常见同步发电机励磁系统分类Tab.1 Classification of Common Synchronous Generator Excitation System

由于直流励磁机受换向器（整流子）的限制，容量难以做大，新投产的100 MW及以上的发电机组已不再使用。目前新投运大型发电机组均为静止自并励励磁系统或有副励磁机的交流励磁系统（简称三机励磁），如图2、图3所示。

图2 静止自并励励磁系统Fig.2 Static Shunt Self-excitation System

图3 有副励磁机的交流励磁系统（三机励磁）Fig.3 AC Excitation System with auxiliary exciter（Three Machine Excitation System）

2 同步发电机励磁系统PSASP模型

2.1 PSASP中的励磁系统模型

在PSASP的程序中考虑了14种励磁调节器的模型，即1型～14型，各模型根据励磁机类型和整流是否可控、有无副励磁机等特性可按表2进行分类。

根据表2中所列选型依据，对自并励励磁系统，选择12型模型；对三机无刷励磁系统，选择3型模型；对三机有刷励磁系统，选择4型模型。

2.2 PSASP中的PID模型

PID环节是励磁控制器中的核心部分，其参数决定了发电机励磁系统的特性。一般PID环节可分为串联PID和并联PID两种。

对于串联型PID校正，Kv为积分校正选择因子，一般使用两级超前滞后环节构成串联校正，此时置Kv=1。

表2 PSASP中的励磁调节器模型Tab.2 Types of Exciter in PSASP

串联PID传递函数框图见图4。

图4 串联PID传递函数框图Fig.4 Diagram of Transfer Function for Series PID

因TB1＞TC1，记β=TB1TC1=T2T1＞1，一般β=5～10，故

串联PID传递函数为为滞后环节，又称积分环节。

因TB2＜TC2，记γ=TB2TC2=T4T3＜1，一般γ=0.1～0.2，故为超前环节，又称微分环节。

串联PID稳态增益为KS=K，串联PID动态增益为KD=KSβ，串联PID暂态增益为KT=KDγ=KS(βγ)。显然有KD＜KS，KD＜KT。对于并联型PID校正，常规的并联PID校正传递函数为

PSASP中常用的串联PID校正传递函数为

上述条件不满足时，无法等价转化，需使用新的并联PID校正环节，传递函数框图见图5。

图5 并联PID传递函数框图Fig.5 Diagram of Transfer Function for Parallel PID

3 同步发电机励磁系统建模

本文分别以湖北省一个自并励发电机组和一个三机励磁发电机组为例，对大型发电机组励磁系统进行建模仿真。

3.1 自并励发电机励磁系统建模

湖北省某发电厂（下文简称A电厂）3号机组为东方电机有限公司生产的容量650 MW汽轮发电机组，采用自并励励磁方式，励磁调节器采用BB瑞士公司生产的UNITROL5000型励磁调节器，配置有采用功率信号和角速度信号的电力系统稳定器。励磁调节器PID传递函数及电力系统稳定器（PSS）的模型框图见图6。

图6 湖北省A电厂3号机组励磁调节器数学模型Fig.6 Diagram of Transfer Function for Series PID of No3 Generator,Power Station A,Hubei

根据厂家提供的资料，励磁调节器中参数设置如表3所示。

表3 励磁系统参数表Tab.3 Parameters of Excitation System

图7 12型励磁系统模型框图Fig.7 Diagram of Excitation System Type 12

则比例环节增益Kp=500，转换成PID传递函数的参数后，等效为串联PID得到表达式：

湖北省A电厂3号机组为自并励励磁系统，在PSASP程序中选12型作为计算用励磁系统模型。这是自并励励磁系统模型，其框图见图7，参数见表4。

表4 12型励磁系统模型参数表Tab.4 Parameters of Excitation System Type 12

采用表4中的“仿真参数”，进行发电机空载5%阶跃仿真计算。仿真计算条件为：调整单机无穷大系统潮流，使发电机空载，发电机端电压与现场试验施加阶跃前的机端电压一致，阶跃扰动幅度及间隔时间与现场试验相同。仿真曲线如图8所示，响应特性指标比较结果见表5（取上阶跃段分析）。

由表5可知，仿真结果与实测结果接近（偏差均在允许范围内），故表4中的“仿真参数”可以作为“实用参数”用于电力系统稳定计算。

图8 湖北省A电厂3号机组空载电压5%阶跃仿真曲线Fig.8 5%No-load Voltage Step Simulation of No3 Generator,Power Station A,Hubei

表5 发电机空载5%阶跃响应试验实测结果及仿真结果比较Tab.5 Comparison between Test Result and Simulation Result on 5%No-load Voltage Step Response

3.2 三机励磁发电机组励磁系统建模

湖北省某发电厂（下文简称B电厂）3号机组采用上海电机股份有限公司1 000 MW机组，采用三机励磁方式，励磁系统采用上海ABB工程有限公司生产的UNITROL5000系列微机励磁调节器，励磁调节器PID传递函数及电力系统稳定器（PSS）的模型框图见图9。

图9 湖北省B电厂3号机励磁调节器PID数学模型Fig.9 Diagram of Transfer Function for Series PID of No3 Generator,Power Station B,Hubei

根据厂家提供的资料，励磁调节器中参数设置 如表6所示。

表6 励磁系统参数表Tab.6 Parameters of Excitation System

则比例环节增益Kp=400，转换成PID传递函数的参数后，并等效为串联PID得到表达式为

湖北省B电厂3号机组为交流励磁机励磁系统，在PSASP程序中选3型作为计算用励磁系统模型。这是副励磁机向调节器供电的不可控整流交流励磁机励磁系统。适用于无刷励磁系统，其框图见图10，参数见表7。

图10 3型励磁系统模型框图Fig.10 Diagram of Excitation System Type 3

表7 3型励磁系统模型参数表Tab.7 Parameters of Excitation System Type 3

4 仿真与实测结果校核

在PSASP程序中，选用3型励磁系统，采用表7中的“仿真参数”，进行发电机空载5%阶跃仿真计算。仿真计算条件为：调整单机无穷大系统潮流，使发电机空载，发电机端电压与现场试验施加阶跃前的机端电压一致，阶跃扰动幅度及间隔时间与现场试验相同。仿真曲线如图11所示，响应特性指标比较结果见表8（取上阶跃段分析）。

由表8可知，仿真结果与实测结果接近（偏差均在允许范围内），故表3中的“仿真参数”可以作为“实用参数”用于电力系统稳定计算。

图11 湖北省B电厂3号机组空载电压5%阶跃仿真曲线Fig.11 5%No-load Voltage Step Simulation of No3 Generator,Power Station B,Hubei

表8 发电机空载5%阶跃响应试验实测结果及仿真结果比较Tab.8 Comparison between Test Result and Simulation Result on 5%No-load Voltage Step Response

5 结论

本文建立了自并励励磁发电机组和三机励磁发电机组的励磁系统模型，以PSASP为仿真工具进行了建模和仿真，仿真结果表明PSASP建模具有足够的精度，满足电力系统计算需求。

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