某1 000 MW汽轮机组励磁系统实测建模过程浅析

李 鹏

(安徽新力电业科技咨询有限责任公司，安徽 合肥 230601)

0 前言

为适应经济发展，电网互联规模不断增长，电源建设速度也同步加快。大容量发电机组并网运行时的安全稳定性能关系到整个电网运行的安全稳定，而这些机组的励磁系统对机组的稳定运行又起着至关重要的作用。因此，大容量新机组投运时励磁系统的调节性能能否满足机组并网安全稳定运行的要求，成为电力系统关注的焦点。

本文在为1 000 MW汽轮机组励磁系统投运试验提供技术支持和现场监督服务的基础上，建立能够真实反映机组调节特性的励磁系统模型，并结合各项投运试验波形，分析励磁系统的调节性能是否满足并网要求。首先，励磁系统建模根据励磁系统各环节(包括发电机和主励磁机等)的详细参数，建立可供BPA电力系统仿真程序使用的励磁系统传递函数模型及参数，并通过发电机空载阶跃响应仿真，初步评估励磁系统PID参数的设定效果。在机组启动时，将发电机空载阶跃响应试验结果和仿真结果进行比较，以最终确定励磁系统模型和参数。

本文根据各项投运试验的结果对机组励磁系统的调节性能进行综合分析，最终的分析结果将作为确定机组励磁系统调节性能能否满足机组并网发电条件的依据。

1 发电机励磁系统设备参数

1.1 发电机技术参数

发电机相关技术参数如表1所示。

表1 发电机技术参数

1.2 励磁变参数

励磁变相关技术参数如表2所示。

表2 励磁变参数

1.3 PT、CT、转子分流器变比

发电机PT变比为27 kV/100 V，CT变比为30 000 A/5 A，转子分流器的变比为8 000 A/60 mV。[1]

1.4 励磁调节器

数字型励磁调节器的生产厂家为上海ABB工程有限公司，型号为UNITROL-6800。

2 励磁调节器(AVR)模型

电力系统稳定器PSS是UNITROL-6800测量单元板MUB的一个标准软件功能。PSS通过引入附加反馈信号来抑制同步发电机的低频振荡，提高电网的稳定性。PSS的控制算法基于双输入型的PSS 模型IEEE Std.421-2A。附加反馈信号为机组的加速功率信号，由电功率信号和转子角频率信号综合而成。[2]ABB UN6800型励磁调节器的电压控制环传递函数如图1所示。

图1 励磁调节器原始模型

3 实测建模过程

3.1 发电机空载特性测试

发电机额定转速空载运行，励磁变压器接6.3 kV临时电源，采用手动励磁方式调整发电机励磁电流，使发电机机端电压由0升到105%额定，记录励磁电压和电流、发电机机端电压，如图2所示，数据见表3。

图2 发电机空载特性曲线

表3 发电机空载特性试验数据

3.2 发电机定子开路时励磁绕组d轴时间常数测试

图3 发电机空载不饱和时间常数试验录波

3.3 发电机空载阶跃5%响应试验

图4为发电机自并励空载运行机端电压在额定电压条件下±5%阶跃试验波形图，其技术指标如表4所示。

表4 自并励空载机端电压小扰动阶跃技术指标

图4 发电机自并励空载运行机端电压±5%阶跃

3.4 发电机空载阶跃20%响应试验

在发电机空载运行时，励磁调节器运行于自动控制方式，在40%额定机端电压条件下，进行机端电压20%阶跃，记录发电机电压、发电机磁场电压和电流的响应波形如图5所示。

图5 发电机自并励空载运行机端电压20%阶跃

3.5 调差极性测量

试验中，维持发电机有功不变，保持电压给定值不变，改变调差值，记录对应的无功功率和机端电压值，试验结果见表5。从表5可见，随着调差值减小，发电机电压也随之减小，最终整定调差值为0.07，即调差系数为-7%。

表5 调差极性试验记录

4 励磁系统参数计算

4.1 发电机励磁回路参数和饱和系数计算

4.1.1 励磁系统基准值

(1) 根据发电机空载特性曲线，发电机磁场电流基准值IfB=1 726 A。

(3) 发电机磁场电压基准值UfB=IfB×RfB=1 726×0.074=127.7 V。

(4) 发电机电压基准值UB=发电机额定电压UGN=27 kV。

(5) 发电机电流基准值IB=发电机额定电流IGN=23 778 A。

(6) 发电机功率基准值SB=发电机额定视在功率SGN=1 112 MVA。

4.1.2 发电机饱和系数计算

实测发电机空载特性曲线如图2所示。

对应于M/MG卡发电机模型，其饱和特性参数如下:

式中：a、b、n为PSASP电力系统分析程序进行仿真计算时的饱和系数，If0和IfB为发电机额定电压下发电机空载特性曲线上对应的励磁电流和发电机磁场基准电流，单位为安(A)，IfK和IfJ为发电机1.2倍额定电压下发电机空载特性曲线和发电机空载气隙曲线上对应的励磁电流，单位为安(A)。

对应于M/MF卡发电机模型，发电机饱和特性参数如下：

SG1.0=(If0-IfB)/IfB=(1 998-1 726)/1 726=0.157 6
SG1.2=(IfK-IfJ)/IfJ=(3 581-2 071)/2 071=0.729 1

式中：SG1.0和SG1.2为PSD电力系统分析程序中发电机的饱和系数。

4.2 整流桥换相压降系数KC的计算

式中：UETK为励磁变压器短路电压，标幺值(pu)；SETN为励磁变压器额定容量，单位为伏安(VA)；UET为励磁变压器二次额定线电压，单位为伏(V)；IfB和UfB为磁场电流和磁场电压基准值，单位分别为安(A)和伏(V)。

4.3 励磁调节器参数计算

4.3.1 励磁调节器输出电压的最大值和最小值

(1)URMAX和URMIN理论值计算：

URMAX=1.35UETcosαMIN/UfB=1.35×956×cos10°/127.7=9.95 V
URMIN=1.35UETcosαMAX/UfB=1.35×956×cos150°/127.7=-8.75 V

式中：αMAX和αMIN分别为可控整流器的最大控制角和最小控制角，单位为度(°)。

(2) 发电机空载大扰动试验校核。在发电机空载运行时，励磁调节器运行于自动控制方式，在40%额定机端电压条件下，进行机端电压20%阶跃，记录发电机电压、发电机磁场电压和电流的响应波形。[3]其波形如图5所示。

由波形数据可得，励磁调节器输出限幅值分别为：

URMAX=(Uf1+KCIf1)/Ut1=(545.45/127.7+0.101 6×2 424.4/1 726)/0.461 42=9.57 V
URMIN=(Uf2+KCIf2)/Ut2=(671.8/127.7+0.101 6×330.15/1 726)/0.594 18=8.82 V

式中：Uf1和Uf2为试验中最大和最小发电机磁场电压，标幺值(pu)；Ut1和Ut2分别对应于Uf1和Uf2试验中的发电机电压，标幺值(pu)；If1和If2分别对应于Uf1和Uf2试验中的发电机磁场电流，标幺值(pu)。

由URMAX=1.35UETcosαMIN/UfB得，可控整流器的最小控制角αMIN=18.75°。

由URMIN=1.35UETcosαMAX/UfB得，可控整流器的最大控制角αMAX=150.77°。

实际录波结果相对于理论计算结果比较接近，以实际录波结果为最终值。

4.3.2 发电机电压测量环节等值时间常数

调节器输入滤波器时间常数TR=0.02 s。

4.3.3 调节器最大内部电压VAMAX和最小内部电压VAMIN

调节器最大内部电压VAMAX=10 pu。

调节器最小内部电压VAMIN=-10 pu。

4.4 PID原始模型参数

ABB UN6800型励磁调节器的参数见表6。

表6 调节器参数

PID参数计算：

(1)KR=VO=500；

(2)TC1=1.0 s；

(3)TC2=0.1 s；

(4)由VP=KR×TC1/TB1得，TB1=KR×TC1/VP=500×1.0/50=10 s；

(5)由VOO=KR×TC1×TC2/(TB1×TB2)=VP×TC2/TB2得，TB2=VP×TC2/VOO=50×0.1/50=0.1 s。

式中：KR为稳态增益；TB1为电压调节器第一滞后时间常数；TB2为电压调节器第二滞后时间常数。

4.5 功率控制环节放大倍数

式中：Uac为整流桥交流侧线电压，单位为伏(V)；UB为调节器输出电压基准值，单位为伏(V)。

5 供仿真计算使用的励磁系统模型及参数

利用电力系统分析软件(BPA)构建单机空载系统，发电机采用M/MG卡，其中发电机参数见表1(其中发电机直轴开路时间常数采用实测值)。对比制造厂提供的励磁系统模型，在BPA模型库中选取励磁系统模型FV/F+卡，其模型如图6所示，由上述实测参数填写FV/F+卡如表7所示。

图6 FV型自并励静止励磁系统模型

表7 BPA励磁系统参数(FV/F+卡)

6 励磁系统空载阶跃仿真

利用BPA模型进行发电机自并励空载机端电压5%阶跃响应仿真，验证该模型在暂稳计算中能否近似反映励磁系统的响应，仿真波形如图7所示，品质参数对比结果见表8。

图7 机端电压±5%阶跃BPA仿真(机端电压(标幺值))

表8 机端电压±5%阶跃响应品质参数

7 结论

本项目基于1 000 MW汽轮机组发电机及励磁系统原始数据和试验数据，分别进行了发电机和励磁调节器的模型辨识工作，得出了励磁系统模型参数，并通过BPA软件仿真验证了所辨识参数的准确性。

项目给出了1 000 MW汽轮机组励磁系统BPA模型参数表，BPA软件仿真结果表明，给出的BPA模型参数可应用于电力系统仿真计算。