曹 沂 楊希剛 劉愛(ài)軍

?

分布式發(fā)電系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能對(duì)比

曹 沂 楊希剛 劉愛(ài)軍

（國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，南京 210023）

本文比較分析了分布式發(fā)電系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)幾種勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，對(duì)系統(tǒng)的/關(guān)系變化、短路電抗、故障清除時(shí)間、最大有功功率和電壓曲線進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)其性能進(jìn)行了討論。結(jié)果表明，靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)抗動(dòng)態(tài)干擾性能更好，維護(hù)成本更低。從應(yīng)用性方面講，靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)相對(duì)于其他勵(lì)磁系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。

分布式發(fā)電；同步發(fā)電機(jī)；勵(lì)磁系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)性能

分布式發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，尤其是同步發(fā)電機(jī)型[1]。勵(lì)磁系統(tǒng)為發(fā)電系統(tǒng)重要的組成部分[2]，主要供給同步發(fā)電機(jī)所必需的勵(lì)磁，維持發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓穩(wěn)定，改善同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。同步機(jī)型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 同步機(jī)型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

分布式同步發(fā)電機(jī)中常見(jiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)配置類型 有[3]：①直流勵(lì)磁系統(tǒng)，其代表是IEEE DC1A模型，主要用于工業(yè)；②無(wú)刷交流勵(lì)磁系統(tǒng)，其代表是IEEE AC1A模型，利用率最高；③靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，其代表是IEEE ST1A模型，技術(shù)性能高，維護(hù)成本低[4-5]；④復(fù)合勵(lì)磁系統(tǒng)，其代表是IEEE ST2A模型，在石油和天然氣發(fā)電廠廣泛使用。本文基于Matlab/ Simulink環(huán)境，對(duì)分布式發(fā)電同步機(jī)型勵(lì)磁系統(tǒng)模型開(kāi)展了仿真研究，考慮以下因素：

1）更改系統(tǒng)的/關(guān)系。

2）短路電抗。

3）不計(jì)發(fā)電損失的故障清除時(shí)間。

4）電機(jī)可以在不損失穩(wěn)定性的情況下注入系統(tǒng)的最大有功功率。

5）同步發(fā)電機(jī)端子電壓曲線。

1 仿真模型

本文使用Matlab/Simulink平臺(tái)附加的SIMPOWERSYSTEM軟件包進(jìn)行仿真，使用POWERGUI作為初始化工具。電力系統(tǒng)組件由三相模型表示，采用電磁仿真，網(wǎng)絡(luò)變量由瞬時(shí)值表示。系統(tǒng)組件模型見(jiàn)表1。

表1 Matlab/Simulink組件

在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性仿真期間考慮了表示為恒定阻抗的靜態(tài)負(fù)載。另外，在電壓穩(wěn)定情況下還使用異步電機(jī)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行仿真[6-7]。

1）同步發(fā)電機(jī)模型

使用八階模型（次暫態(tài)模型）來(lái)表示同步發(fā)電機(jī)，其在仿真研究中被減少到六階模型，忽略定子瞬變。用實(shí)際的18.75MVA發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真。

2）勵(lì)磁系統(tǒng)模型

對(duì)于連接到配電網(wǎng)絡(luò)的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，通?？捎脙煞N控制形式，即恒定電壓或恒定功率因數(shù)（無(wú)功功率）[8-9]。本文僅考慮最常用的恒壓控制策略。

IEEE DC1A型的勵(lì)磁機(jī)表示現(xiàn)場(chǎng)控制直流換向器激勵(lì)器，具有連續(xù)作用的電壓調(diào)節(jié)器。其在行業(yè)里獲得廣泛應(yīng)用，并且在詳細(xì)數(shù)據(jù)不可用或需要簡(jiǎn)化模型時(shí)用于表示其他類型的系統(tǒng)[10-11]。IEEE DC1A模型如圖2所示。

圖2 IEEE DC1A模型

在求和點(diǎn)，從設(shè)定值參考REF減去實(shí)際端子電壓C和穩(wěn)定反饋電壓F，所得到的信號(hào)在調(diào)節(jié)器中通過(guò)時(shí)間常數(shù)A和增益A放大。勵(lì)磁飽和曲線通過(guò)X信號(hào)并入。通過(guò)使用發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流FD來(lái)表示勵(lì)磁器對(duì)負(fù)載的顯著影響。交流勵(lì)磁機(jī)輸出端的二極管特性保證了勵(lì)磁機(jī)輸出電壓下限為零。模型對(duì)整流器調(diào)節(jié)曲線EX、以及由整流調(diào)節(jié)C和勵(lì)磁機(jī)同步和瞬態(tài)電抗D引起的勵(lì)磁機(jī)輸出電壓降都進(jìn)行了解釋。IEEE AC1A型的交流勵(lì)磁機(jī)如圖3所示。在大型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究中，該模型被廣泛用作無(wú)刷系統(tǒng)。

圖3 IEEE AC1A模型

勵(lì)磁系統(tǒng)還能夠不使用旋轉(zhuǎn)激振器就為發(fā)電機(jī)領(lǐng)域提供必要的直流電流。因此，該系統(tǒng)被稱為靜態(tài)系統(tǒng)。在靜態(tài)系統(tǒng)中，無(wú)論是受控源還是非控制源，電壓都可以通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換到適當(dāng)?shù)碾娖健?/p>

電勢(shì)源控制整流器勵(lì)磁系統(tǒng)模型（IEEE ST1A靜態(tài)系統(tǒng)模型）如圖4所示。模型展示IEEE ST1A系統(tǒng)通過(guò)變壓器從發(fā)電機(jī)端子或發(fā)電單元的輔助總線提供勵(lì)磁功率并由受控整流器調(diào)節(jié)。

這種系統(tǒng)可獲得的最大勵(lì)磁電壓與發(fā)電機(jī)端電壓直接相關(guān)。電壓調(diào)節(jié)器增益和勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)分別由A和A表示。由于橋式整流器的觸發(fā)角信號(hào)對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)是線性的，所以A是線性值。一些靜態(tài)系統(tǒng)利用發(fā)電機(jī)電流和電壓源來(lái)構(gòu)成電源。根據(jù)相量組合，IEEE ST2A勵(lì)磁器模型代表這種復(fù)合源整流器勵(lì)磁系統(tǒng)。

圖4 IEEE ST1A模型

圖5所示模型的應(yīng)用主要與大用戶相關(guān)。主發(fā)電機(jī)端子附近的饋線發(fā)生短路可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作引發(fā)停電，從而導(dǎo)致維護(hù)成本上升，停機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)而降低了用電可靠性。因此，復(fù)合系統(tǒng)的概念是指通過(guò)使用短路電氣特性或負(fù)載突變（即發(fā)電機(jī)端子電壓和電流）以及為此專門(mén)設(shè)計(jì)的復(fù)合變壓器來(lái)饋送主機(jī)場(chǎng)或勵(lì)磁機(jī)。整流器加載和換向效果表示為EX函數(shù)。

圖5 IEEE ST2A模型

2 仿真結(jié)果

1）故障清除時(shí)間（CRIT）

本節(jié)的仿真和計(jì)算結(jié)果均考慮了在靠近同步發(fā)電機(jī)終端發(fā)生三相短路時(shí)同步發(fā)電機(jī)可以不失步而繼續(xù)運(yùn)行的時(shí)間。對(duì)每種勵(lì)磁系統(tǒng)都分別進(jìn)行了連續(xù)故障清除時(shí)間計(jì)算的仿真，其結(jié)果見(jiàn)表2。

因?yàn)楣收习l(fā)生在發(fā)電機(jī)端子附近，所以故障清除時(shí)間的仿真結(jié)果值較低。對(duì)于DC1A、AC1A和ST1A，也出現(xiàn)了類似的情況，ST2A具有更好的性能。事實(shí)上，這種性能在用作保護(hù)目的時(shí)可能并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡姍C(jī)與配電網(wǎng)并聯(lián)，最容易造成電力系統(tǒng)故障。

表2 臨界故障時(shí)間

2）最大有功功率（CRIT）

與配網(wǎng)中同步發(fā)電機(jī)的安裝相關(guān)的一項(xiàng)重要研究證明最大發(fā)電機(jī)有功功率應(yīng)注入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，就不會(huì)在網(wǎng)絡(luò)或發(fā)電機(jī)附近的干擾中失去穩(wěn)定性。對(duì)短路持續(xù)時(shí)間為200ms的系統(tǒng)進(jìn)行分析，并且再次監(jiān)視電機(jī)轉(zhuǎn)子角度直至系統(tǒng)失穩(wěn)，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 最大有功功率

在仿真中，ST2A的性能比DC1A、AC1A和ST1A更好，在所有負(fù)載水平下都能提供較低的電機(jī)故障角。ST2A在相同加載點(diǎn)處對(duì)所有的配置施加了離散的較高的場(chǎng)電壓值。這有助于其在其他有效功率值以上的穩(wěn)定性損失（面積標(biāo)準(zhǔn)）和相同負(fù)載水平下的離散較低的預(yù)失真角度[12]。這只是理想狀態(tài)下的結(jié)果，實(shí)際上達(dá)不到。為了研究方便，總是忽略發(fā)電機(jī)損耗，所有配置都能夠超過(guò)能力曲線的5%。

(2)與大豆產(chǎn)量掛鉤的補(bǔ)貼政策效果不會(huì)改善政策的經(jīng)濟(jì)效率。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委文件，大豆目標(biāo)價(jià)格取消后會(huì)實(shí)施和玉米一樣的生產(chǎn)者補(bǔ)貼政策，即實(shí)施與種植面積或產(chǎn)量掛鉤的補(bǔ)貼政策。掛鉤的補(bǔ)貼政策同樣會(huì)產(chǎn)生扭曲，而且進(jìn)口依存度越大產(chǎn)生的扭曲越大，政策的經(jīng)濟(jì)效率越低。實(shí)質(zhì)上目標(biāo)價(jià)格政策就是一種差價(jià)補(bǔ)貼，在市場(chǎng)環(huán)境沒(méi)有發(fā)生改變的情況下，若取消目標(biāo)價(jià)格政策轉(zhuǎn)而實(shí)施與大豆產(chǎn)量掛鉤的補(bǔ)貼政策仍不會(huì)提高政策的經(jīng)濟(jì)效率。

3）轉(zhuǎn)子角度與故障清除時(shí)間

只要被檢測(cè)到并消除的故障是由轉(zhuǎn)子角造成的，轉(zhuǎn)子角瞬態(tài)響應(yīng)值就會(huì)增加。因此，同步發(fā)電機(jī)將會(huì)變得更加紊亂，這可以在所有配置中看到。圖6顯示了DC1A的轉(zhuǎn)子角度具有不同故障清除時(shí)間。仿真表明，ST1A配置具有最高的轉(zhuǎn)子角，因?yàn)樗臅r(shí)間常數(shù)較小。此外，其暫態(tài)響應(yīng)非?？臁?/p>

圖6 轉(zhuǎn)子角與故障清除時(shí)間

4）轉(zhuǎn)子速度偏差與故障清除時(shí)間

發(fā)電機(jī)阻尼率由仿真中的動(dòng)態(tài)特性得到。為確保得到預(yù)期的有功功率的振蕩阻尼流，期望發(fā)電機(jī)阻尼率在每種情況下具有最高的可能值。停止振蕩所需的時(shí)間取決于發(fā)電機(jī)自然和系統(tǒng)阻尼的值。在仿真過(guò)程中，轉(zhuǎn)子速度振蕩被視為二階動(dòng)力系統(tǒng)，為了估計(jì)阻尼比，對(duì)每條曲線采用對(duì)數(shù)遞減法[13]獲得兩個(gè)對(duì)應(yīng)于頂部和底部包線的阻尼率。對(duì)同一個(gè)指數(shù)，計(jì)算這兩個(gè)阻尼率的算術(shù)平均值。

一般來(lái)說(shuō)，隨著故障清除時(shí)間的增加，阻尼率的降低，同步發(fā)電機(jī)的波動(dòng)會(huì)變得更大。ST1A和ST2A配置的性能與DC1A和AC1A在任何時(shí)候都非常相似，如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差率與故障清除時(shí)間

5）轉(zhuǎn)子角度與系統(tǒng)短路能力

短路電抗是與配電系統(tǒng)相關(guān)的重要因素，因?yàn)楫?dāng)發(fā)生諸如負(fù)載變化大、故障嚴(yán)重等干擾的情況時(shí)，短路電抗對(duì)配電系統(tǒng)穩(wěn)定性有重要影響。在配電網(wǎng)絡(luò)和輸電網(wǎng)絡(luò)互連的電路中，對(duì)3種不同的短路電抗進(jìn)行了仿真。傳輸功率依次為500MVA、3500MVA和9500MVA，故障清除時(shí)間為200ms。在3500MVA和9500MVA下獲得的ST1A的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)短路電抗的轉(zhuǎn)子角

總體結(jié)果表明，在同樣條件下，系統(tǒng)短路電抗越低，故障后角度值越高，從而增加發(fā)電機(jī)失步的概率。由于發(fā)電機(jī)貢獻(xiàn)必須隨著系統(tǒng)短路電抗的降低而增加，所以其動(dòng)態(tài)性能將會(huì)惡化。

DC1A、AC1A和ST1A配置與最小系統(tǒng)貢獻(xiàn)500MVA非常相似。所以，與具有交流或直流勵(lì)磁器的勵(lì)磁系統(tǒng)相比較，ST1A具有較低的時(shí)間常數(shù)和快速響應(yīng)時(shí)間。

仿真結(jié)果顯示ST2A配置在所有電壓水平下的故障后轉(zhuǎn)子角度更低，這可以再次通過(guò)離散的較低的預(yù)故障角度來(lái)解釋，因此不能代表相對(duì)于其他配置具有更好的動(dòng)態(tài)反應(yīng)[14-15]。

6）轉(zhuǎn)子速度偏差與系統(tǒng)短路能力

由于通常發(fā)電機(jī)對(duì)維持短路影響最大，所以隨著短路電抗的降低，阻尼率也隨之降低。在500MVA短路電抗下，ST1A具有最高的轉(zhuǎn)子速度偏差，這確保了較低短路能力的電氣系統(tǒng)也能從ST1A獲得更好的響應(yīng)，如圖9所示。此外，DC1A和AC1A配置對(duì)于相同的短路電抗具有較低的轉(zhuǎn)子速度偏差，這表明即使具有高時(shí)間常數(shù)（時(shí)間常數(shù)作為主發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)的總和），ST1A的性能也是最差的。對(duì)于更高的短路電抗，ST1A與ST2A的性能相似。

圖9 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差率與系統(tǒng)短路電抗

7）轉(zhuǎn)子角度與系統(tǒng)/

/比是與分布式發(fā)電相關(guān)的一個(gè)重要因素，因?yàn)樵谙到y(tǒng)中，較低的/比值不允許考慮q和V形式的去耦系統(tǒng)，所以勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)無(wú)功電壓（系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓）和損耗都有影響。在配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)絡(luò)互連的3個(gè)/比下進(jìn)行仿真。故障清除時(shí)間依然設(shè)定為200ms內(nèi)。

當(dāng)/比值從0.5增加到接近3.0（基本情況）時(shí)，所有配置的轉(zhuǎn)子后故障角最大值都有所下降，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)對(duì)于短路故障影響更大。與預(yù)期相反的是，隨著/比從3.0增加到0.8，故障后轉(zhuǎn)子角也增加了。

在相同的短路能力和短路電抗下，/變化導(dǎo)致也發(fā)生了變化。/比值的增加導(dǎo)致仿真過(guò)程中/對(duì)值的影響減小，從而表征擾動(dòng)發(fā)生在發(fā)電機(jī)附近。因此，發(fā)電機(jī)失步還取決于同步發(fā)電機(jī)（其勵(lì)磁系統(tǒng)）對(duì)擾動(dòng)時(shí)間的損耗的貢獻(xiàn)。

8）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差與系統(tǒng)的/

在仿真時(shí)觀察到，在3個(gè)/值（0.5、3.0和8.0）處，ST1A配置呈現(xiàn)閉合比，這表明ST1A優(yōu)于其他配置。此外，其性能接近ST2A，一般優(yōu)于DC1A和AC1A。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)不同勵(lì)磁系統(tǒng)在故障清除時(shí)間、最大有功功率等方面的仿真計(jì)算比較表明，以IEEE ST1A代表的靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)被視為分布式發(fā)電新裝（更換）的最佳選擇，因?yàn)槠淇箘?dòng)態(tài)干擾的性能優(yōu)于直流和無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)，在大多數(shù)情況下接近成本最高的復(fù)合系統(tǒng)。

靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)的維護(hù)成本低于本文中提出的所有研究類型的成本，不使用特殊變壓器，并且設(shè)計(jì)難度低，可以在較高的電壓限值下運(yùn)行，在擾動(dòng)期間達(dá)到理想的上限電壓和電流。從應(yīng)用性方面講，靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)相對(duì)于其他勵(lì)磁系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。

[1] 姚輝. 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁實(shí)時(shí)仿真測(cè)試系統(tǒng)研究[D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2005.

[2] 任小超, 劉叢洲. 阿海水電廠靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)備選型分析[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(12): 157-159.

[3] 李闊. 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁原理與工程應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(7): 48-50.

[4] Artale G, Cataliotti A, Cosentino V, et al. Smart interface devices for distributed Generation in smart grids: the case of islanding[J]. IEEE Sensors Journal, 2017, 17(23): 7803-7811.

[5] Manassero G, Santo S D, Souto L. Heuristic method for fault location in distribution feeders with the presence of distributed Generation[J]. IEEE Transa- ctions on Smart Grid, 2017, 8(6): 2849-2858.

[6] Freitas W, Vieira J M, Morelato A, et al. Influence of excitation system control modes on the allowable penetration level of distributed synchronous generators[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2005, 20(2): 474-480.

[7] Delgado Saa J F, ?etin M. Discriminative methods for classification of asynchronous imaginary motor tasks from EEG data[J]. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering : a Publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2013, 21(5): 716-724.

[8] 郭培源. 同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性模型的研究[J]. 工業(yè)工程, 1993(2): 22-29.

[9] Gonzalez-Longatt F, Fortoul C. Review of distributed generation concept: attempt of unification[C]//Inter- national Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ). Espa?a: 2005. 16-18.

[10] De Abreu L L. Dynamic performance of synchronous generators connected to electric power distribution systems[Z]. 2005.

[11] Oliveira M O, Paz MCR, Bretas A S, et al. Active power control of hydro-electric power unit auxiliary synchronous generator connected to distribution systems[C]//Power and Energy Society General Meeting. San Diego, CA, USA: 2012.

[12] 蔣忠瑋, 李巖. 無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)數(shù)字仿真分析與計(jì)算[J]. 微特電機(jī), 1995(1): 6-9.

[13] Price W. Load representation for dynamic performance analysis[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1993, 8(2): 472-482.

[14] Price W W, Taylor C W, Rogers G J, et al. Standard load models for power flow and dynamic performance simulation[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1995, 10(3): 1302-1313.

[15] 劉承榆, 劉維友. 同步發(fā)電機(jī)參數(shù)和試驗(yàn)的數(shù)字仿真[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 1994(1): 77-82.

Dynamic performance comparison of excitation system of distributed generation synchronous generator

Cao Yi Yang Xigang Liu Aijun

(Guodian Science and Technology Research Institute Co., Ltd, Nanjing 210023)

This paper mainly analysis the dynamic performance of several excitation systems of synchronous generator in distributed generation system. Through the use of related software simulation environment,/relationship changes, short-circuit reactance, fault clearing time, maximum active power and voltage curve of the system are simulated and its performance is under discussion. The results show that the static excitation system has better dynamic disturbance resistance and lower maintenance cost. The static excitation system has more advantages than other excitation systems in terms of applicability.

distributed generation; synchronous generator; excitation system; dynamic performance

2018-05-20

曹 沂（1962-），男，江蘇人，高級(jí)工程師，主要從事發(fā)電廠設(shè)備管理和研究工作。