大型发电机励磁系统仿真仪的开发与测试

祖友军，祝春晖，陈俊华，饶春平（.中广核工程有限公司，广东 深圳 58000；.武汉科创源科技有限公司，湖北 武汉 430073）

大型发电机励磁系统仿真仪的开发与测试

祖友军1，祝春晖2，陈俊华1，饶春平1
（1.中广核工程有限公司，广东 深圳 518000；2.武汉科创源科技有限公司，湖北 武汉 430073）

励磁系统作为重要的发电机控制系统，其动态调节特性的优劣对机组的运行安全及发电效益有很大的影响。为解决机组静态时可获知励磁系统动态调节特性问题，研制出大型发电机励磁系统便携式仿真仪；经在某核电站测试，该仿真仪基本满足该电站励磁系统所有试验程序要求，能比较真实地模拟发电机的运行工况，来进行励磁系统的静态调试、开机前的闭环动态仿真试验，以验证励磁系统的性能。

励磁系统；仿真仪；短路试验；空载试验；闭环仿真试验

0 概述

励磁系统是发电机的重要组成部分，负责发电机的电压调节和并网后无功功率的分配。励磁系统对发电机和电力系统的静态和动态稳定都有着重要的影响。励磁系统的调试是一项非常重要的工作，以往调试顺序是开机前做励磁系统静态试验，开机后做动态试验，因而无法在开机前开展动态试验来提前排查励磁系统的各种隐患。

为此，研制出了大型发电机励磁系统便携式仿真测试仪。励磁系统仿真仪通过采集励磁系统整流输出的励磁电压，经过励磁机和发电机的数学模型，实时计算发电机的三相电压、电流和励磁电流，并输出至励磁系统检测。励磁调节器通过给定值与反馈的机端电压量、励磁电流量来计算可控硅控制角度，并结合临时励磁变压器及可控硅整流桥，从而实现励磁系统的闭环仿真。

1 励磁系统仿真仪的实现

1.1 交流励磁机的数学模型

仿真仪需要考虑到各种励磁系统的仿真要求，由于三机励磁系统和两机励磁系统中都有交流励磁机的存在，仿真仪需要建立交流励磁机的数学模型。该模型考虑了以下因素：交流励磁机的D轴阻尼效应、励磁机的电枢反应、自励系数和励磁机的饱和效应、整流器换相电抗引起的电压降、励磁机同步电抗引起的电压降。励磁机模型框图如图1所示。

在图1中，Ufe为励磁机输入的励磁电压，TE为励磁机时间常数，KE为励磁机自励系数，SE为励磁机饱和系数，KEF为励磁机暂态系数，TEF为励磁机暂态时间常数，Eq为励磁机空载电势，Ufg为发电机励磁电压，Ifg为发电机励磁电流，Tdx′为发电机转子时间常数，K1为交流励磁机去磁系数，K2为交流励磁机电抗压降系数，K4为换相电抗压降系数，K5为整流系数，K6为交流励磁机发电机电压换算系数。K1-K6均由已知的交流励磁机参数求出。以上交流励磁机模型可以准确地反应励磁机的动态过程。

1.2 发电机的数学模型

选取励磁系统仿真仪中发电机的数学模型时，既要考虑励磁系统的动态过程，又要考虑到便携式仿真仪技术实现的难度。现选取实用的发电机3阶模型作为励磁系统仿真仪的发电机模型，其发电机模型如下式。

式中：

ud，uq——发电机d，q轴电压；

id，iq——发电机d，q轴电流；

xd，xq——发电机d，q轴电抗；

Xd′，Xq′——发电机d，q轴暂态电抗；

Td0′，Tq0′——发电机d，q轴暂态时间常数；

Ed′，Eq′——发电机d，q轴暂态电势；

Ef——发电机励磁电势；

ω——转子转速；

δ——功角；

TJ——惯性时间常数；

Tm——机械转矩。

由以上基本模型具体细化成发电机空载试验模型，发电机短路升流试验模型，发电机并网带负荷模型。

1.3 励磁系统仿真仪的硬件设计

某核电站2号发电机励磁系统为2机1变自并励无刷励磁系统，励磁装置为法国ALSTOM公司P320型微机励磁调节器，采用“双自动+独立手动通道、双桥”配置。

励磁系统仿真仪硬件按照P320微机励磁调节器所需要的电气信号来设计。励磁系统使用2路发电机PT电压、2路发电机CT电流、2路交流励磁CT电流、3组开关量信号、1路4-20 mA励磁电流信号。发电机交流信号输出采样16位高精度DA输出正弦信号后，进入功率放大单元，输出三相交流电压（AC 0-150 V）、三相交流电流（AC 0-5 A）、三相交流励磁电流（AC 0-2 A）信号给励磁系统检测。所有的输出交流电压、电流信号都经过V/I，I/I转换，经AD采样后在触摸屏上显示。

励磁系统仿真仪采集励磁系统输出的直流励磁电压作为仿真仪的输入信号，直流信号采样通过外置SPI串行输出AD转换器来采集。为了实现励磁电压与CPU部分的隔离，外置SPI串行输出AD转换器采用单独的隔离电源供电，AD转换器输出的串行SPI信号通过数字隔离器输出至CPU，解决了线性光耦采样可能出现的失真问题。励磁系统仿真仪硬件原理如图2。

2 励磁系统仿真仪试验结果与发电机试验结果比较

励磁系统仿真仪中励磁机和发电机所有需要设置的参数都是由励磁机和发电机厂家提供的。以下是励磁系统仿真仪仿真结果与真实发电机试验数据的对比。

2.1 短路试验和空载试验数据比较

励磁系统仿真仪与2号发电机短路试验和空载试验数据比较如表1所示。由表1可知，短路试验数据和空载试验数据比较准确，励磁系统仿真仪可以较为准确地反映发电机的空载、短路试验过程。

2.2 机端电压阶跃响应录波

空载条件下机端电压95 %时，±5 %阶跃响应录波如图3，4所示。图中UAB为发电机线电压，ULD为励磁机励磁电压，ILD为励磁机励磁电流。从图3与图4的发电机空载阶跃波形比较来看，励磁系统仿真仪空载±5 %阶跃的超调、调节时间与2号发电机试验数据比较接近。

2.3 灭磁试验

灭磁试验在空载及100 %机端电压下进行，录波如图5，6所示。图中U为发电机线电压，Uex为励磁机励磁电压，Iex为励磁机励磁电流。

图2 励磁系统仿真仪硬件原理

表1 仿真仪与2号发电机短路试验和空载试验数据

图3 仿真仪空载±5 %阶跃响应录波

对比图5和图6，励磁系统仿真仪的灭磁时间常数（电压从额定降至0.386 p.u.的时间）和设置的发电机（11 s）基本一致，和发电机实际灭磁录波曲线也基本一致。由于励磁装置的录波时间较短，所以没有录到小于20 %以后的仿真试验波形。P=861 MW，发电机无功功率Q=150 Mvar下进行。阶跃响应录波如图7，8所示，其中U为发电机线电压，Uex为励磁机励磁电压，Iex为励磁机励磁电流，P为发电机有功，Q为发电机无功。

图4 2号发电机空载±5 %阶跃响应录波

图5 仿真仪灭磁试验录波

从图7，8阶跃录波波形来看，两者的主要差别在于阶跃响应的稳定时间上，造成这种现象的主要原因是发电机并网模型采用相对简单的实用3阶模型，而发电机真正并网以后的动态过程模型复杂，对于便携式的仿真仪来说要实现比较困难。

图7 励磁系统仿真仪并网±2 %阶跃响应录波

图8 2号发电机并网±2 %阶跃响应录波

图6 2号发电机灭磁试验录波

2.4 并网±2 %阶跃试验

并网±2 %阶跃试验在发电机有功功率

2.5 甩负荷试验

甩负荷试验在发电机有功功率P=575 MW，发电机无功功率Q=300 Mvar下进行。录波图如图9，10所示，其中U为发电机线电压，Uex为励磁机励磁电压，Iex为励磁机励磁电流，P为发电机有功，Q为发电机无功。

从图9，10甩负荷的录波波形来看，两者的主要差别在于甩负荷的超调量以及上升时间上。出现这种差别的原因主要是发电机模型采用相对简单的实用3阶模型。

图9 50 %甩负荷仿真仪录波

图10 50 %甩负荷2号发电机录波

3 结束语

通过发电机励磁系统仿真仪在该核电站2号发电机组上的动态试验结果来看，在有准确的励磁机和发电机参数的情况下，励磁系统仿真仪能够与励磁系统形成闭环，实现发电机与励磁系统的闭环仿真，可以较准确地进行发电机短路试验和空载试验。考虑到此仿真仪为便携式仿真仪，采用复杂的发电机高阶模型实现难度比较大，而采用了实用3阶模型；同时实际发电机在并网以后的动态过程比较复杂，因此仿真仪模拟发电机并网动态过程，与实际发电机在响应时间上差别较大。综合考虑，要消除响应时间差别大的问题，需要对现有并网带负荷模型做进一步的优化。

总体而言，作为一种新型的励磁系统调试工具，励磁系统仿真仪通过参数的选择可以满足2机1变无刷励磁系统、3机励磁系统、自并励磁系统的仿真要求，填补了国内励磁系统现场动态调试的空白。无论对新投运的励磁系统还是投运后励磁系统的检修，励磁系统仿真仪给励磁系统的静态调试、开机前的闭环动态仿真试验、励磁系统开机前的隐患排除、励磁系统专业人员的试验培训都提供了很大的方便，对励磁系统的调试有非常重要的意义。该发电机励磁系统仿真仪经进一步优化后具有实际推广价值。

1 李基成.现代同步发电机励磁系统设计与应用［M］.北京：中国电力出版社，2002.

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5 周双喜，李 丹.同步发电机数字式励磁调节器［M］.北京：中国电力出版社，1998.

6 陆继明，毛承雄，范 澍，等.同步发电机微机励磁控制［M］.北京：中国电力出版社，2005.

2015-06-25；

2015-09-07。

祖友军（1973-），男，高级工程师，主要从事继电保护及励磁专业工作，email：zuyoujun@cgnpc.com.cn。

祝春晖（1984-），男，工程师，主要从事嵌入式系统研究与开发工作。

陈俊华（1982-），男，工程师，主要从事继电保护及励磁专业工作 。

饶春平（1984-），男，工程师，主要从事继电保护及励磁专业工作。