发电机组励磁回路电阻基准值选取研究

袁 晨，袁训奎

（1.国网山东平阴县供电公司，山东 济南 250400；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

发电机组励磁系统模型和参数测试可为电力系统稳定分析及电网日常生产调度提供准确的模型和参数，是保证电网安全运行的有效措施。

为规范发电机组励磁系统参数测试及建模工作，国家能源局发布了DL／T 1167—2012《同步发电机励磁系统建模导则》（以下简称导则），对同步发电机励磁系统数学模型的建立方法进行了规范。导则规定：发电机磁场电流的基准值为发电机空载特性气隙线上产生额定电压所需要的磁场电流；发电机磁场绕组电阻的基准值为发电机额定工况下发电机励磁回路电阻，也可取为发电机额定励磁电压除以额定磁场电流的数值；发电机磁场电压的基准值为磁场电流的基准值乘以磁场绕组电阻的基准值［1-2］。根据导则，可对大部分机组励磁系统进行模型参数的确认，但在执行过程中仍存在不合理现象。因此，有必要对发电机组励磁回路电阻基准值选取进行研究，保证电力系统稳定分析的准确性。

1 励磁系统参数测试建模及存在问题

某电厂3 号机组励磁系统采用自并励励磁系统，发电机原始参数为：定子额定电压为15.75 kV，转子额定电压为267.5 V，转子额定电流为1 449.5 A，空载转子额定电压为69.7 V，空载转子额定电流为481.2 A。发电机空载特性试验数据如表1 所示。表1中Uab、Ubc、Uca为发电机定子各线电压值，If为发电机转子电流值，Uf为发电机转子电压值。

表1 发电机空载特性试验数据

根据发电机的空载特性数据，计算可得励磁电流基准值为454.7 A，发电机电压基准值为15 750 V，绘制的发电机空载特性拟合曲线如图1 所示。图1中，点A、点B 分别为发电机电压取标幺值对应气隙线与特性曲线上的励磁电流值。

图1 发电机空载特性拟合曲线

根据导则，发电机励磁电流基准值IfB选取为发电机空载特性拟合曲线气隙线上与发电机额定电压相对应的发电机励磁电流 （图1 中A 点横坐标），IfB为454.7 A；发电机励磁回路电阻基准值RfB选取发电机额定励磁电压与额定励磁电流之比作为发电机励磁回路的电阻基准值，RfB=UfN／IfN＝267.5／1 449.5=0.184 5 （Ω）；发电机励磁电压基准值UfB为励磁电流基准值IfB与发电机励磁回路电阻基准值RfB乘积，UfB=IBRfB=454.7×0.184 5=83.9 （V）。

本机组励磁调节器主调节通道（即电压调节通道）采用串联PID（Proportion Intergral Derivative）控制方式，PID 的传递函数为f（S）=KRKG（1+TA1S）／（1＋TA2S），KR为PID 比例放大倍数，KG为功率单元放大倍数，TA1、TA2均为PID 时间常数。

根据厂家提供的数据，控制角度为0 时，发电机输出电压为490 V，发电机磁场电压基准值为83.9 V，经折算得PID 参数为：KR＝22，TA1＝1，TA2＝4，KG＝1.35×490÷83.9＝7.884 4。

由此可得PID 调节表达式为f（S）＝22×7.884 4×（1＋S）／（1＋4S）＝173.5×（1＋S）／（1＋4S）。

在此基础上，根据导则、机组原始参数和现场试验数据，可求得电压调节器最大输出电压Vrmax、电压调节器最小输出电压Vrmin和换相电抗的整流器负载因子KC。

使用电力系统分析综合程序PSASP 进行仿真，可以选用程序包中的12 型励磁系统模型。根据调节器出厂参数及经计算所得参数，可得电力系统分析综合程序PSASP 12 型励磁系统模型的参数，如表2中仿真参数值1 所示。表2 中仿真数值2 与仿真数值3 分别为下文3.1、3.2 中采取改进措施后的仿真参数值；表2 中T1、T2、T3、T4均为PSASP 时间常数，KA为PSASP 中放大倍数，KV为模型选择参数。

采用表2 中仿真参数值1 进行发电机空载阶跃仿真，仿真曲线与实测曲线的比对结果如表3 中仿真结果1 与仿真偏差1 所示。表3 中仿真结果2 与仿真偏差2、仿真结果3 与仿真偏差3 分别为下文3.1、3.2 中采取改进措施后的仿真结果与仿真偏差。

由表3 可知，仿真结果1 中部分指标与实测结果偏差较大，超出偏差允许范围，因此表2 中的仿真参数1 值不能作为实用值用于电力系统稳定计算。

2 原因分析

2.1 不合理现象

发电机励磁电压基准值83.9 V 大于现场实测的机组空载转子额定电压74.9 V。查看其他机组励磁系统建模试验数据，也存在这种现象。表4 给出了部分发电机组励磁电压基准值和空载额定转子电压值。

表2 PSASP12 型励磁系统模型仿真参数表

表3 发电机空载5%上阶跃仿真与试验结果对比表

2.2 分析原因

计算发电机励磁电压基准值时采用的发电机励磁回路电阻基准值为发电机额定励磁电压除以额定磁场电流的数值，考虑额定工况下磁场绕组温度较高，此数据较发电机空载额定时励磁回路的阻值大。

表4 部分发电机组励磁电压基准值和空载额定转子电压值对比表 V

计算发电机励磁回路电阻基准值时如采用发电机额定励磁电压除以额定磁场电流的数值，对于个别励磁调节器主控制回路放大倍数采用PID 控制环节放大倍数和励磁系统功率单元放大倍数乘积的机组，可造成励磁调节器主控制回路总放大倍数的计算值偏低，进而导致部分指标与实际值差别较大，不满足导则要求，无法确认励磁系统模型和参数。

3 改进措施

3.1 以空载额定时励磁回路电阻实测值作为发电机励磁回路电阻基准值

根据空载特性试验数据，空载额定时转子电压为74.9 V，转子电流为492.9 A，励磁回路电阻为74.9／492.9=0.152（Ω），励磁电压基准值为0.152×454.7=69.1（V），主控制回路放大倍数为22×1.35×490／69.1=210.6。在此基础上，根据导则和机组原始参数和现场试验数据，可求得电压调节器最大输出电压Vrmax、电压调节器最小输出电压Vrmin和换相电抗的整流器负载因子KC。由此可得电力系统分析综合程序PSASP 12 型励磁系统模型的仿真参数，见表2 中仿真参数值2。

采用表2 中仿真参数值2 进行发电机空载阶跃仿真，仿真曲线与实测曲线的对比结果如表3 仿真结果2 和仿真偏差2 所示。

由表3 仿真结果2 和仿真偏差2 可知，仿真结果与实测结果基本吻合，偏差在允许范围内。

3.2 根据发电机额定工况下励磁回路电压基准值求取空载额定时励磁回路电压基准值

根据本文励磁系统参数测试建模及存在问题，发电机额定工况下励磁回路电压基准值等于83.9 V。由于发电机额定工况下和空载额定时转子绕组温度不同，额定工况下转子绕组温度一般选取为75 ℃，空载额定时转子绕组温度一般选取为25 ℃，并考虑温度因素对电阻值的影响［3-8］，可得空载额定时励磁回路电压基准值为83.9×（234.5＋25）／（234.5＋75）＝70.3（V），计算控制回路放大倍数为22×1.35×490／70.3＝207.0。在此基础上，根据导则和机组原始参数和现场试验数据，可求得电压调节器最大输出电压Vrmax、电压调节器最小输出电压Vrmin和换相电抗的整流器负载因子KC。由此可得电力系统分析综合程序PSASP 12 型励磁系统模型的仿真参数，见表2 中仿真参数值3。

采用表2 中仿真参数值3 进行发电机空载阶跃仿真，仿真曲线与实测曲线的对比结果如表3 仿真结果3 和仿真偏差3 所示。

由表3 仿真结果3 和仿真偏差3 可知，仿真结果与实测结果基本吻合，偏差在允许范围内。

4 结语

根据上述分析可知，在进行励磁系统参数测试建模时，如根据导则计算出的励磁电压基准值大于现场实测值或原始数据，对于部分机组，应对励磁回路电阻基准值进行修正；导则中宜增加相关内容，在出现上述情况时，允许对励磁回路电阻基准值进行修正，否则仿真结果可能与实测值存在加大的偏差，导致无法建立励磁系统模型参数。