基于BPA的励磁系统建模与仿真

莫 瑶，张 璇

（1.紫坪铺水力发电厂，四川 都江堰 611830；2.成都交大许继电气有限责任公司，四川 成都 610000）

0 引言

随着电力建设的发展，我国电力系统目前已进入了大网络、超高压、大机组的阶段[1]。如何获得准确的仿真用励磁系统模型和参数，在系统稳定性分析上显得尤为重要。

电厂技术人员对于建模工作掌握往往不够透彻，只能通过试验单位出具的报告判断建模的准确性，无法自己验证，在网源协调工作中十分被动。所以迫切的需要一套能够进行励磁系统建模和仿真的方法。本文以紫坪铺水力发电厂3号机组为例，进行励磁系统建模与仿真工作，归纳总结了一套适用于水电厂励磁建模与仿真的方法。

1 励磁系统模型

励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁系统的特性对电力系统及同步发电机的运行特性有着十分重要的影响。励磁系统主要分为调节器单元、功率单元、灭磁单元3个部分，其中功率单元以静止式可控硅为主；调节器随着控制理论的发展，自20世纪50年代至今演变出以下几种：单变量控制；PSS（电力系统稳定器）；线性最优励磁控制。灭磁单元用于事故灭磁，正常情况下不参与控制。

1.1 调节器单元

励磁调节器单元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[2]。由于励磁系统响应速度很快，通常不需要采用微分环节校正来提高其频率特性的高频段增益，因此采用PI调节即可，其构成方式有3种，如图1所示。

图1 自并励励磁系统PI调节的几种构成

1.2 PSS电力系统稳定器

随着电网规模的不断增大，输电距离的增加，电网的小干扰稳定性减弱，最为经济的措施是投入电力系统稳定器。IEC对PSS的定义是：一种装置，它借助于电压调节器控制励磁机的输出，来阻尼同步电机的功率振荡[3]。输入变量可以是转速、频率或者功率（或者是多个变量的综合）。这里所指的“励磁机”为提供同步电机磁场电流的功率电源。IEEE提出过 PSS-1A、PSS-2A、PSS-2B、PSS-3B、PSS-4B 等PSS模型，目前在全世界范围内有广泛的应用。就国内水电机组励磁系统而言，普遍采用IEEE PSS-2B模型。

1.3 功率单元

自并励励磁系统的功率单元就是指励磁变压器及晶闸管整流装置。一般有一个比例环节和一个很小的延时组成，该延时可以计入AVR的延时Ta内，其整流输出电压VFD与控制电压VK呈线性关系，且与发电机机端电压无关。因为当发电机机端电压下降时，同步电压幅值也下降，使控制角减小，输出电压不变，因此，发电机空载运行时，即使手动也能稳定调节机端电压。强励或者强减时，已达限幅，α达到最大或者最小值，不能再改变。因此，励磁输出的限幅值与机端电压成正比，同理，采用余弦移相的自并励系统其换弧压降Kc也只影响其幅值。

2 励磁系统建模

此次建模与仿真工作皆以紫坪铺水电厂3号机组为样本，该发电机容量为190 MW，机端电压13.8 kV，上网电压等级为500 kV,励磁系统采用EXC9000型全数字式静态励磁系统，是广州电器科学研究院开发的第4代微机励磁系统[4]。EXC9000型励磁系统AVR与PSS传递函数见图2、图3，该励磁系统所有测量值都是由DSP采样计算的，时间常数相等，用TR表示。无功补偿由KIR调整,有功补偿由KIA调整。主控制环有二级超前－滞后环节，TA1、TA3为超前时间常数，TA2、TA4为滞后时间常数，稳态增益由KR调整。当TA1＝TA2＝0时，该环节不使用。整流桥的移相范围是10°～150°，由额定阳极电压可计算励磁电压的限幅值。

图2 EXC9000型励磁系统传递函数

2.1 发电机空载特性试验

对紫坪铺电厂3号机进行发电机空载特性试验，用零起升压模式手动调整励磁系统励磁电流，令发电机电压增加至120%的额定电压，然后逐渐降至最低，进行发电机空载特性试验，得到相应数据，以备绘制空载特性曲线。

图3 EXC9000型励磁系统PSS传递函数

2.2 发电机空载电压给定阶跃试验

对励磁系统进行10%阶跃试验。根据试验结果调整参数，直到其调节品质满足“发电机电压超调量不应大于阶跃量的50%，振荡次数不超过3次。调节时间不超过10 s。”[5]的要求，最终在Kp=280、TA3=1、TA4=6.86的情况下，发电机10%空载阶跃响应试验曲线见图4，并计算得出表1所列数据。

图4 3号发电机空载10%阶跃响应试验

表1 紫坪铺电厂3号发电机10%阶跃

3 参数计算

3.1 发电机饱和系数

对空载特性试验得到的数据进行分析，得到发电机的饱和与不饱和曲线如图5所示。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。由此，可进行励磁系统基值和发电机饱和系数计算。

图5 3号机空载特性曲线

（1）励磁系统基值和发电机饱和系数计算

Ifb对应发电机空载不饱和曲线上100%额定电压时的励磁电流；Ifj对应发电机空载不饱和曲线上120%额定电压时的励磁电流；If0对应发电机空载饱和曲线上100%额定电压时的励磁电流;Ifk对应发电机空载饱和曲线上120%额定电压对应的励磁电流，通过发电机的饱和与不饱和曲线，可以得出Ifb=640 A；Ifj=775 A；If=799 A；Ifk=1 343 A。

（2）按照式（1）计算可得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 发电机励磁电压基准值计算

选取发电机铭牌额定励磁电压与额定励磁电流之比为励磁回路电阻的基准值，可知Rfb=0.293 5 Ω。由此可知发电机励磁电压的基准值Ufb=187.8 V

3.3 整流器换相压降系数Kc计算

励磁变压器供电的三相整流桥换压降系数KC可以用下面公式（2）计算：

3.4 励磁系统最大输出电压和最小输出电压

励磁系统最大输出电压和最小输出电压按公式（3）计算得出，αmin和αmax是可控整流器的最小控制角和最大控制角。

4 励磁系统建模研究

4.1 BPA中励磁系统模型及PSS模型

BPA稳定程序中提供了FV型模型[6]及其改进型最接近此次建模的励磁系统，可以作为建模目标模型，用于模拟自并励静止可控硅励磁系统。对比与EXC9000 AVR模型，FV模型中串联校正与综合放大环节也是对应于励磁调节器和可控硅整流功率单元，包括串联PID环节、超前滞后校正环节、综合放大环节（图6）。

图6 BPA自并励励磁系统FV模型

SI型PSS模型如图7所示，对比IEEE PSS-2B模型，EXC9000型微机励磁调节器中PSS模型在角速度输入环节缺少一阶惯性环节，此差异可忽略。因为系统扰动由功率信号反映，转速信号仅仅起抵消原动机扰动作用，因此PSS相位补偿不需要计算此环节。所以仅对比BPA中SI型PSS与IEEE PSS-2B模型的异同即可。

图7 BPASI型PSS模型

BPA中SI型PSS与IEEE PSS-2B模型相比，有关ω信号的处理过程完全相同；由于BPA中PSS的功率信号输入为正，IEEE中PSS的功率信号输入为负，因此需要在功率信号加入积分环节进行等效，等效后的功率输入环节相同；在滤波函数环节，BPA中SI型PSS将滤波函数分成一个超前滞后环节和一个4阶滤波函数，因为IEEE PSS-2B模型中滤波函数典型值为N=1、M=5，因此在T10=T12时，两者等效。

4.2 搭建单机无穷大系统

单机-无穷大系统接线如图8所示，其中无穷大系统电压假设恒定不变，Xe为输电线路电抗。

图8 单机-无穷大系统

根据上述情况，可以在BPA程序中建立潮流文件，以实现单机-无穷大系统的建模，并完成对应的BPA潮流程序各参数设置。

4.3 发电机空载电压给定阶跃仿真

在BPA潮流文件中，将3号发电机的实际出力修改为0 MW，模拟发电机空载状态。对应FV卡的格式，填入EXC9000系统出厂参数、3号发电机空载电压给定10%阶跃试验时确定的励磁系统参数、计算所得参数。在LS卡片中修改关键节点值与关键节点时间，仿真3号发电机空载电压给定10%阶跃试验，仿真结果见图9。发电机空载10%阶跃响应仿真结果与试验对比结果,见表2。发电机空载10%阶跃响应仿真结果与试验对比结果,符合国标要求。此组参数可供稳定计算用。

图9 空载10%阶跃响应仿真结果

表2 发电机空载10%阶跃响应仿真结果与试验结果

4.4 PSS阻尼效果校核试验

在BPA潮流文件中，将3号发电机的实际出力修改为190 MW，模拟发电机额定状态。采用FV型自并励静止励磁系统模型和SI型PSS在单机—无限大母线系统0.1～2 Hz范围的振荡模式内进行了仿真。PSS对“地区振荡模式”和“区域间振荡模式”都有阻尼作用。其中，振荡频率为1.5 Hz时PSS的阻尼作用见图10。

图10 振荡频率为1.5 Hz时有无PSS，4%阶跃仿真

将仿真中能够取得理想效果的PSS参数写入EXC9000励磁调节器中。在PSS投入和退出两种工况下进行负载阶跃响应试验，比较有功功率的振荡情况，检验PSS阻尼功率振荡的作用。试验结果表明PSS能够提供良好的阻尼。

5 结语

随着国内大电网互联日益紧密，电网稳定性问题的凸显，建模、仿真成果的准确性对于电力系统分析工作来说也越来越重要，电厂技术人员参与其中的程度也逐渐加强。建模仿真工作必须由小及大，由点到面，各电厂机组的建模仿真工作是开展大电网建模仿真工作的基础。本文以紫坪铺水力发电厂3号机组为例，进行励磁系统建模与仿真工作，通过模型对比、特性测试、参数计算、建立模型、验证模型等步骤，最终确定了一套适用于水电厂的励磁建模与仿真方案，可供电厂技术人员进行类似工作时参考。

[1]卫鹏，徐珂，周前，等.基于BPA的励磁系统建模[J].电网与清洁能源,2013,29（8）.

[2]袁训奎，刘世富，刘卫东.基于现场试验及程序仿真的发电机励磁系统模型参数确认[J].大电机技术，2009（5）.

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

[4]EXC9000静态励磁系统用户手册[Z].

[5]DLT 583-2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件[S].

[6]印永华，卜广全.PSD-BPA暂态稳定程序用户手册[Z].中国电力科学研究院，2005.