衛(wèi)鵬，徐珂，周前，張俊芳

（1．南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210094；2．江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103）

隨著電力建設(shè)的發(fā)展，我國(guó)電力系統(tǒng)目前已進(jìn)入大網(wǎng)絡(luò)、高電壓、大機(jī)組的階段。大容量機(jī)組運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性對(duì)于整體電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全至關(guān)重要。然而，影響發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性最大的是電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)于電網(wǎng)安全起到了非常重要的作用，它不僅是機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的保證，也是整個(gè)電網(wǎng)中無(wú)功以及電壓調(diào)節(jié)的杠桿。所以，研究勵(lì)磁系統(tǒng)的模型及其參數(shù)，是研究電網(wǎng)以及機(jī)組穩(wěn)定性的基礎(chǔ)[1]。

IEEE提出了幾種標(biāo)準(zhǔn)勵(lì)磁系統(tǒng)模型[2]，由于制造廠家提供的參數(shù)大多都是通過(guò)離線試驗(yàn)得到的集中參數(shù)[3]，穩(wěn)定計(jì)算誤差較大，因此需要在線測(cè)量精確參數(shù)。國(guó)外的Demello、Dandero、Bollinger、UTA、GE等公司在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開展了在線參數(shù)測(cè)試工作[4]。國(guó)內(nèi)各電力試驗(yàn)研究所在90年代才開展了勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)工作，主要采取時(shí)域法、頻域法[5-7]和基于現(xiàn)代控制理論的辨識(shí)方法[8-10]。文獻(xiàn)[11]采用PSS/E進(jìn)行了勵(lì)磁系統(tǒng)建模并與PSASP建模的仿真結(jié)果進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性對(duì)比；文獻(xiàn)[12]利用PSASP對(duì)三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了建模，通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真對(duì)比進(jìn)行校核得到了穩(wěn)定計(jì)算用發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)。但是基于BPA的勵(lì)磁系統(tǒng)的建模研究還比較少。

本文通過(guò)對(duì)江蘇某臺(tái)額定容量為1 000 MW的典型大機(jī)組進(jìn)行了空載階躍試驗(yàn)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到勵(lì)磁系統(tǒng)的部分參數(shù)，在BPA中搭建了仿真模型，將實(shí)測(cè)波形與仿真波形對(duì)比，通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)，使仿真波形在動(dòng)態(tài)指標(biāo)和形態(tài)上與實(shí)測(cè)波形基本一致，由此得到了該發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確參數(shù)。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)的模型

發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁控制部分、發(fā)電機(jī)電壓測(cè)量和無(wú)功電流補(bǔ)償部分、勵(lì)磁功率部分、以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）幾部分組成[13]。根據(jù)勵(lì)磁功率部件的不同常見的勵(lì)磁系統(tǒng)分為直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。靜止勵(lì)磁系統(tǒng)包括：恒定電壓源靜止勵(lì)磁系統(tǒng)、自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)和交流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。

1.1 功率部分

采用余弦移向方式和三相全波可控整流的自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的功率部分?jǐn)?shù)學(xué)模型如圖1所示[14]。

圖1 功率部分?jǐn)?shù)學(xué)模型Fig.1 Mathematical model of the power part

其中，URMIN和URMAX分別為發(fā)電機(jī)額定電壓下AVR的最小和最大輸出電壓，引入U(xiǎn)t表示發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓會(huì)影響到實(shí)際AVR輸出的限幅。Kc表示換弧壓降系數(shù)，URMIN和URMAX為調(diào)節(jié)器輸出限幅。

其中，UETK為勵(lì)磁變短路電壓；SETN為勵(lì)磁變額定容量；UET為勵(lì)磁變二次額定線電壓。

式中，UET為勵(lì)磁變二次額定線電壓，αMAX和αMIX為可控硅的最小控制角和最大控制角。調(diào)節(jié)器輸出限幅通過(guò)發(fā)電機(jī)空載大擾動(dòng)試驗(yàn)可以得到。

1.2 勵(lì)磁控制部分

勵(lì)磁控制部分實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁穩(wěn)定控制和限制功能，包括功率控制、PID環(huán)節(jié)、軟反饋校正補(bǔ)償勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)的反饋、過(guò)勵(lì)限制（OEL）、頂值限制、低勵(lì)限制（UEL）等[15]。大型自并勵(lì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用數(shù)字PID實(shí)現(xiàn)，一般采用二階超前滯后串聯(lián)PID搭建，如圖2所示。

圖2 串聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)Fig.2 Series PID corrected link

1.3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS

電網(wǎng)之間互聯(lián)后的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明聯(lián)網(wǎng)后系統(tǒng)中存在著頻率在0.2~2.0 Hz的低頻振蕩。因此，為了確保系統(tǒng)安全，電網(wǎng)中的大容量發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)投入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）。PSS的投入不僅能抑制本機(jī)的低頻振蕩，還能有效地抑制區(qū)域間低頻振蕩。PSS模型一般分為3類：加速功率型、單輸入信號(hào)型和雙輸入信號(hào)型。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)建模

本文測(cè)試機(jī)組為上海發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)，容量為1 000 MW，上網(wǎng)電壓等級(jí)為500 kV，勵(lì)磁系統(tǒng)形式為自并勵(lì)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用了ABB公司生產(chǎn)的UNITROLL6000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，其PSS采用合成加速功率2A型，輸入采用發(fā)電機(jī)電功率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，以發(fā)電機(jī)額定視在功率為基準(zhǔn)值，輸出控制電壓UPSS至AVR的電壓相加點(diǎn)，輸出為發(fā)電機(jī)額定電壓27 kV。

自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示[16]。

圖3 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)框圖Fig.3 Self-shunt excitation system block diagram

其中，AVR為自動(dòng)電壓調(diào)壓器，發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源，勵(lì)磁變輸出到可控硅，可控硅提供發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。

勵(lì)磁廠家提供的勵(lì)磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖4所示。勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.1 發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)

維持發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速不變，用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)整勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流，令發(fā)電機(jī)電壓增加至110%的額定電壓，然后逐漸降至最低，進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)。本次試驗(yàn)只升壓到105%額定電壓，繪制本機(jī)組空載特性曲線如圖5所示，其中發(fā)電機(jī)額定電壓27 kV，縱坐標(biāo)采用標(biāo)幺表示。

圖4 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和PSS模型Fig.4 Excitation regulator and PSSmodel

表1 勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Excitation system parameters

圖5 發(fā)電機(jī)空載特性Fig.5 Generator no-load characteristics

可見，發(fā)電機(jī)定子電壓隨著轉(zhuǎn)子電流的增加不是線性增加的，這主要是由磁路飽和導(dǎo)致的。

2.2 空載電壓階躍試驗(yàn)

使用WFLC電量記錄分析儀記錄發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓UFD、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流IFD和發(fā)電機(jī)定子電壓UAB，發(fā)電機(jī)空載時(shí)電壓給定±5%階躍響應(yīng)情況下現(xiàn)場(chǎng)錄波圖見6圖。

圖6 電壓給定±5%階躍響應(yīng)Fig.6 Response of the±5%step given voltage

由空載階躍試驗(yàn)可以得到的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)指標(biāo)如表2所示。

表2 實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)Tab.2 Measured dynamic characteristics of indicators

由表2可見，本機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)滿足國(guó)標(biāo)相關(guān)要求。

3 勵(lì)磁系統(tǒng)模型參數(shù)

3.1 發(fā)電機(jī)飽和系數(shù)

根據(jù)對(duì)圖1的空載特性曲線進(jìn)行擬合得到發(fā)電機(jī)的飽和與不飽和曲線如圖7所示。

圖7 發(fā)電機(jī)空載特性Fig.7 Generator no-load characteristics

IfB對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)空載不飽和曲線上額定電壓時(shí)的勵(lì)磁電流；Ifj對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)空載不飽和曲線上1.2倍額定電壓時(shí)的勵(lì)磁電流；If0對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)空載飽和曲線上額定電壓時(shí)的勵(lì)磁電流；Ifk對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)空載飽和曲線上1.2倍額定電壓對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流，得到發(fā)電機(jī)幾個(gè)基準(zhǔn)電流值如下：

可得BPA勵(lì)磁系統(tǒng)的飽和系數(shù)SG1.0、SG1.2：

由SG1.0、SG1.2可以擬合發(fā)電機(jī)的飽和特性，使模型更接近發(fā)電機(jī)的真實(shí)情況。

3.2 勵(lì)磁系統(tǒng)最大輸出電壓和最小輸出電壓

由于ABB調(diào)節(jié)器廠家提供的可控硅最小控制角和最大控制角分別為10°和150°。

其中，UET為勵(lì)磁變壓器二次側(cè)額定線電壓，通過(guò)實(shí)測(cè)UET為961 V。

3.3 換弧壓降系數(shù)K c

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測(cè)與建模導(dǎo)則中的相關(guān)內(nèi)容，勵(lì)磁變二次側(cè)阻抗基準(zhǔn)值為：

3.4 勵(lì)磁電壓最大輸出值

其中，Kcu為強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)。

4 勵(lì)磁系統(tǒng)模型的仿真校核

選取BPA軟件中與本機(jī)組勵(lì)磁裝置最為接近的FV型勵(lì)磁模型作為建模目標(biāo)模型。FV模型如圖8所示。

調(diào)節(jié)器原模型可對(duì)應(yīng)FV模型的串聯(lián)型PID調(diào)節(jié)器。對(duì)應(yīng)圖6中相關(guān)參數(shù)為：K=500，KV=1，T1=1.52 s，T2=12.67 s，T3=0.1 s，T4=0.1 s。根據(jù)第3節(jié)的計(jì)算結(jié)果完成BPA中該發(fā)電機(jī)勵(lì)磁模型數(shù)據(jù)卡，在BPA中搭建了單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)仿真模型，令發(fā)電機(jī)外等值電抗為同步電抗的100倍，調(diào)整發(fā)電機(jī)出力使其處于空載狀態(tài)，如圖9所示。

本文利用搭建的模型進(jìn)行空載階躍仿真，在發(fā)電機(jī)額定電壓的空載狀態(tài)下進(jìn)行階躍小擾動(dòng)試驗(yàn)，階躍量為5%，得到的定子電壓仿真結(jié)果如圖10所示。

階躍響應(yīng)的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比情況如表3所示。

表3 仿真動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)及對(duì)比Tab.3 Simulation of dynamic characteristics of indicators and contrast

由表3可見，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在超調(diào)量、上升時(shí)間和峰值時(shí)間上都比較接近，誤差滿足國(guó)調(diào)通信中心文件中對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)模型仿真標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可以認(rèn)為本文采用的勵(lì)磁系統(tǒng)仿真模型中PID模型時(shí)間常數(shù)基本合理，能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)測(cè)模型的動(dòng)態(tài)特性，可以用于發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定計(jì)算。

通過(guò)校核，最終確定的勵(lì)磁系統(tǒng)模型參數(shù)如表4所示。

圖8 BPA中FV型勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 FV Excitation system block diagram in BPA

圖9 單機(jī)無(wú)窮大仿真模型Fig.9 Single machine infinite simulation model

圖10 ±5%階躍響應(yīng)波形圖Fig.10 Response of±5%step waveform chart

表4 勵(lì)磁系統(tǒng)校核結(jié)果Tab.4 Excitation system checking results

最終采用調(diào)整值作為本機(jī)組勵(lì)磁建模參數(shù)值。

5 結(jié)論

本文選取了江蘇電網(wǎng)的一臺(tái)典型大容量機(jī)組，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的實(shí)測(cè)參數(shù)和部分特性，利用所得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備廠家提供的發(fā)電機(jī)、主、副勵(lì)磁機(jī)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁方式等參數(shù)，計(jì)算出電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算（精確模型）中勵(lì)磁系統(tǒng)模型參數(shù)。依據(jù)實(shí)測(cè)的勵(lì)磁系統(tǒng)特性，通過(guò)仿真計(jì)算，對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行校核，最終獲得與發(fā)電機(jī)實(shí)際特性相符的電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算模型和參數(shù)，對(duì)于大電網(wǎng)穩(wěn)定性研究提供了基礎(chǔ)。

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