陸海清，熊鴻韜，周一飛，盧嘉華，房樂(lè)

(1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院， 杭州 310014； 2. 國(guó)網(wǎng)嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000)

0 引 言

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)建模通過(guò)簡(jiǎn)化，得到可應(yīng)用于電力系統(tǒng)仿真分析計(jì)算用的數(shù)學(xué)模型，用于分析系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定、小干擾穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定等[1]，其準(zhǔn)確性直接影響電網(wǎng)的運(yùn)行安全。勵(lì)磁電流基值直接影響模型中的放大倍數(shù)(P)[2]，因此它的整定是建模中最重要的工作之一。

勵(lì)磁電流基值采用發(fā)電機(jī)空載氣隙線上產(chǎn)生額定電壓所需的勵(lì)磁電流[3-6]，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)各繞組間互感可逆。為保證該參數(shù)的準(zhǔn)確性，采用靜止勵(lì)磁方式的機(jī)組普遍通過(guò)實(shí)測(cè)空載特性，經(jīng)線性擬合得到空載氣隙線[7-8]，最終確定勵(lì)磁電流基值。因此，空載特性的實(shí)測(cè)工作對(duì)基值的整定至關(guān)重要。

結(jié)合一例發(fā)電機(jī)空載特性測(cè)量結(jié)果，分析了勵(lì)磁電流測(cè)量位置、測(cè)量方式，提出通過(guò)高頻采樣獲取勵(lì)磁電流暫態(tài)過(guò)程，并經(jīng)過(guò)濾波來(lái)解決穩(wěn)定性問(wèn)題。最后，在某630 MW采用靜止勵(lì)磁方式的機(jī)組進(jìn)行實(shí)測(cè)，及仿真驗(yàn)證。

1 事件回顧

某電廠1號(hào)機(jī)采用某公司制造的QFSN-630-2型汽輪發(fā)電機(jī)，采用靜止勵(lì)磁方式，采用某繼保公司生產(chǎn)的PCS-9410型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。在進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)時(shí)，以6.4 kHz的采樣頻率在分流器上測(cè)量勵(lì)磁電流，并經(jīng)過(guò)0.2 s濾波，獲得的空載特性曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，采用該方法測(cè)量到的空載特性的穩(wěn)定性較差。部分區(qū)間內(nèi)的偏差較小，如在50%UN時(shí)，實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值偏差為21 A，偏差率為3.4%。但也部分區(qū)間內(nèi)的偏差較大，如在60%UN～80%UN，95%UN～110%UN區(qū)間內(nèi)，實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)值大，尤其是在100%UN時(shí)，實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的偏差到達(dá)227 A，偏差率為16.1%。

圖1 發(fā)電機(jī)空載特性曲線實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比Fig.1 Comparison of measured value and design value of generator no-load characteristic curve

表1 實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值勵(lì)磁電流偏差Tab.1 Deviation between measured value and design value of the excitation current

機(jī)端電壓為50 Hz的正弦波，根據(jù)采樣定理，采樣頻率只要大于100 Hz就能獲得所有信息，試驗(yàn)時(shí)的采樣頻率為6.4 kHz并經(jīng)過(guò)0.2 s濾波，基本可反映真實(shí)的機(jī)端電壓。而勵(lì)磁電流通過(guò)交流電整流獲得，存在短暫的換向過(guò)程，該過(guò)程測(cè)量較為困難[9]，為引起實(shí)測(cè)曲線與設(shè)計(jì)曲線偏差的根本原因。

2 測(cè)量位置分析

對(duì)勵(lì)磁電流的電流測(cè)量主要有以下三種方法：勵(lì)磁變低壓側(cè)電流互感器法、直流側(cè)分流器法及直流側(cè)霍爾元件法。

勵(lì)磁變低壓側(cè)電流互感器法：該方法干擾小，穩(wěn)定性高，控制精度高，大部分勵(lì)磁系統(tǒng)均采用此值作為手動(dòng)方式運(yùn)行、過(guò)勵(lì)限制等輔環(huán)控制的依據(jù)。但受整流橋的影響，交流側(cè)電流畸變嚴(yán)重，測(cè)量準(zhǔn)確性受電流互感器性能影響較大。同時(shí)，交流側(cè)電流與勵(lì)磁電流(直流電流)之間存在一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系，需根據(jù)發(fā)電機(jī)空載額定勵(lì)磁電流設(shè)計(jì)值進(jìn)行調(diào)整，因此，勵(lì)磁變低壓側(cè)測(cè)量到的電流不能完全反映實(shí)際勵(lì)磁電流。

直流側(cè)分流器法：其實(shí)質(zhì)為一高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻，當(dāng)勵(lì)磁電流流過(guò)該電阻時(shí)，通過(guò)測(cè)量?jī)啥穗妷壕涂傻玫綄?shí)際的勵(lì)磁電流。分流器串的阻值很小，一般十幾微歐，產(chǎn)生的電壓也是毫安級(jí)，因此該方法受外界干擾的影響較大，一般需要采用雙絞線等屏蔽措施。

直流側(cè)霍爾元件法：該方法通過(guò)裝設(shè)在直流側(cè)的霍爾元件測(cè)量勵(lì)磁電流，因其直接夾在母排上，受外界干擾小。但霍爾元件的測(cè)量范圍有限，不能適應(yīng)勵(lì)磁電流變化較大的大容量靜止勵(lì)磁機(jī)組。一般用于小容量機(jī)組或者三機(jī)勵(lì)磁方式中。

為提高勵(lì)磁電流基值測(cè)量的準(zhǔn)確度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)條件，建議采用直流側(cè)分流器法測(cè)量勵(lì)磁電流，并通過(guò)濾波，用于勵(lì)磁電流基值的計(jì)算。

3 測(cè)量方式分析

3.1 勵(lì)磁電流特性分析

勵(lì)磁電流不是理想的直流電流，當(dāng)晶閘管換向過(guò)程中，勵(lì)磁電流會(huì)發(fā)生突變，這對(duì)勵(lì)磁電流的平均值影響較大。某630 MW靜止勵(lì)磁機(jī)組勵(lì)磁電流原始波形(采樣頻率為51.2 kHz)如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流波形Fig.2 Waveform of excitation voltage and current

靜止勵(lì)磁方式采用三相全控六脈動(dòng)整流，每次換向過(guò)程中存在短暫的短路現(xiàn)象，因此，勵(lì)磁電流原始波形中包含了大量的諧波，其中主要為N×6×50 Hz(N=1,2,…)次諧波，其他次諧波相對(duì)較少，如圖3所示。

圖3 勵(lì)磁電流原始波形頻率分析Fig.3 Frequency analysis of original waveform of excitation current

換向過(guò)程時(shí)間雖然很短，但暫態(tài)電流幅值較大，考慮換向過(guò)程后的勵(lì)磁電流平均值比原平均值小344.9 A，為原平均值的80.4%。因此，換向過(guò)程暫態(tài)電流值的測(cè)量是勵(lì)磁電流測(cè)量的關(guān)鍵與難點(diǎn)，如果不能較準(zhǔn)確的獲得該暫態(tài)電流，就可能出現(xiàn)勵(lì)磁電流實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值的情況，如表2所示。

表2 勵(lì)磁電流平均值Tab.2 Average value of excitation current

3.2 采樣頻率影響分析

三相全控整流換向重疊角簡(jiǎn)化計(jì)算方法可表示為[10]：

式中γ為換向重疊角；α為觸發(fā)角；Id為輸出電流；xs為交流回路電感；U2為交流電力額定電流。

根據(jù)整流橋特性，輸出直流電壓與觸發(fā)角α的近似關(guān)系可表示為：

Ud=1.35U2cosα

(2)

已知某630 MW靜止勵(lì)磁機(jī)組勵(lì)磁變漏抗Xs=8.54%，二次側(cè)額定電壓U2=950 V，空載額定時(shí)，勵(lì)磁電壓Ud=139 V，勵(lì)磁電流Id=1 413 A。

根據(jù)式(1)、式(2)，計(jì)算得到空載額定時(shí)的觸發(fā)角與換向重疊角分別為：

換向過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為6/360×20 ms=0.33 ms。根據(jù)采樣定理，若該段時(shí)間內(nèi)的換向電流為正弦波，采樣頻率只需大于2/0.33 ms=6 kHz時(shí)，就能完成獲得波形所有信息。

但換向過(guò)程的勵(lì)磁電流波形更加復(fù)雜，需更高的頻率才能獲得相近的勵(lì)磁電流波形。對(duì)某靜止勵(lì)磁機(jī)組的勵(lì)磁電流波形進(jìn)行傅里葉變換得到的頻率特性如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)頻率大于15 kHz，各次諧波的幅值明顯減小，為獲得較為準(zhǔn)確的勵(lì)磁電流波形，采樣頻率應(yīng)至少大于2×15 kHz=30 kHz。如果采樣頻率只有6.4 kHz，將失去一部分有用信息，從而影響勵(lì)磁電流測(cè)量結(jié)果，降低空載特性的穩(wěn)定性。

圖4 靜止勵(lì)磁機(jī)組勵(lì)磁電流波形頻譜分析Fig.4 Analysis of excitation current waveform in static excitation unit

綜合考慮換向過(guò)程分析及勵(lì)磁電流的頻率分析結(jié)果，在工程上，勵(lì)磁電流采樣頻率可考慮為51.2 kHz。

3.3 濾波時(shí)間常數(shù)影響分析

對(duì)采用采樣頻率為51.2 kHz的勵(lì)磁電流波形，分別按照0.01 s、0.02 s、0.04 s、0.06 s、0.08 s、0.1 s、0.2 s、0.4 s等時(shí)間常數(shù)進(jìn)行濾波，得到不同時(shí)間常數(shù)濾波后波形的最大、最小值與平均值之比，以及標(biāo)準(zhǔn)差情況如圖5所示。

圖5 最大值、最小值與平均值之比及標(biāo)準(zhǔn)差情況Fig.5 The maximum, minimum and average ratios and standard deviation

隨著濾波時(shí)間常數(shù)的增大，其濾波后波形的最大值、最小值與平均之比均趨向穩(wěn)定，趨于1，標(biāo)準(zhǔn)差趨向于穩(wěn)定，趨于2。當(dāng)濾波時(shí)間大于0.2 s后，最大值、最小值與平均值之比，標(biāo)準(zhǔn)差均已趨于穩(wěn)定。因此，對(duì)于采用靜止勵(lì)磁方式的機(jī)組，濾波時(shí)間建議采用0.2 s～0.3 s，以獲得較為穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)空載特性曲線。

3.4 測(cè)量結(jié)果

采用51.2 kHz采樣頻率并經(jīng)過(guò)0.2 s濾波的方式實(shí)測(cè)某630 MW靜止勵(lì)磁機(jī)組的空載特性，實(shí)測(cè)曲線與設(shè)計(jì)曲線對(duì)比如圖6所示。

圖6 發(fā)電機(jī)空載特性曲線實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比Fig.6 Comparison of measured value and design value of generator no-load characteristic curve

由圖6可知，該方式測(cè)量到的空載特性曲線穩(wěn)定性較好，在典型電壓值50%UN、100%UN，實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的偏差率分別為0.2%、0.1%，偏差率較小，已能滿足工程化應(yīng)用需要，如表3所示。

表3 實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值勵(lì)磁電流偏差Tab.3 Deviation between measured value and design value of the excitation current

4 仿真驗(yàn)證

某630 MW機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)采用串聯(lián)PID，模型如圖7所示。

圖7 勵(lì)磁系統(tǒng)模型Fig.7 Model of excitation system

圖中Ut為機(jī)端電壓(pu)；Uref為電壓給定值(pu)；KP為放大倍數(shù)；T1～T4為超前滯后時(shí)間常數(shù)(s)；Ka為整流橋放大倍數(shù)；Ta為整流橋時(shí)間常數(shù)(s)；Uf為勵(lì)磁電壓(pu)。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)整定，KP=56.25，T1=1.2 s，T2=10 s，T3=T4=0.03 s，Ta=0.003 3 s。

勵(lì)磁系統(tǒng)的實(shí)際放大倍數(shù)P=KP×Ka，KP為軟件內(nèi)部定值，Ka為整流橋放大倍數(shù)，需根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)基值計(jì)算得到，直接受實(shí)測(cè)空載特性影響。

該機(jī)組采用51.2 kHz采樣頻率，并經(jīng)過(guò)0.2 s濾波后實(shí)測(cè)得到的發(fā)電機(jī)空載特性曲線如圖8所示。

圖中IfB為空載氣隙線上電壓為1.0 pu是對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流基值(A)；If0為發(fā)電機(jī)空載額定勵(lì)磁電流(A)；IfJ為空載氣隙線上電壓為1.2 pu時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流(A)；IfK為機(jī)端電壓為1.2 pu時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電路(A)。

圖8 實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)空載特性曲線Fig.8 Measured generator no-load characteristic curve

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，獲得IfB=1 234 A，If0=1 414 A，IfJ=1 485 A，Ifk=2 596 A。勵(lì)磁電壓、電阻基值可由負(fù)載額定勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流獲得[3]，即：

RfB=Ufn/Ifn=457/4452=0.103 Ω

(4)

UfB=IfB×RfB=1234×0.103=127.1 V

(5)

式中Ufn、Ifn為額定勵(lì)磁電壓、額定勵(lì)磁電流。

整流橋放大倍數(shù)Ka可根據(jù)勵(lì)磁變二次側(cè)電壓及勵(lì)磁電壓基值計(jì)算得到：

Ka=1.35×Uppt2/UfB=1.35×901/127.1=9.57

(6)

式中Uppt2為勵(lì)磁變二次側(cè)電壓，經(jīng)實(shí)測(cè)獲得。

因此，勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)際放大倍數(shù)為：

P=KP×Ka=56.25×9.57=538.3

(7)

利用主流電力系統(tǒng)分析計(jì)算軟件(BPA)，通過(guò)發(fā)電機(jī)空載階躍試驗(yàn)來(lái)校核實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證參數(shù)的準(zhǔn)確性。圖9、表4為5%空載給定階躍響應(yīng)的仿真結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖9 仿真與實(shí)測(cè)階躍響應(yīng)對(duì)比Fig.9 Comparison of simulation and measured step response

表4 空載階躍響應(yīng)參數(shù)表Tab.4 No-load step response parameter table

由圖9、表4可以看出，通過(guò)51.2 kHz采樣頻率、0.2 s濾波得到的勵(lì)磁電流能夠滿足勵(lì)磁系統(tǒng)建模，其模型參數(shù)應(yīng)用到BPA仿真軟件中得到的空載階躍結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，該方法能夠滿足工程化應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)分析，靜止勵(lì)磁方式機(jī)組由于換向過(guò)程的影響，勵(lì)磁電流中包含大量的N×300 Hz次諧波。如果采樣頻率較低，將失去大部分的有用信息，從而影響勵(lì)磁電流測(cè)量。

隨濾波時(shí)間常數(shù)增加，勵(lì)磁電流平均值將趨于穩(wěn)定，對(duì)于采用靜止勵(lì)磁方式的機(jī)組，濾波時(shí)間建議取0.2 s ～0.3 s，以獲得較為穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)空載特性曲線。

提出的勵(lì)磁電流測(cè)量方法能夠有效解決發(fā)電機(jī)空載特性測(cè)量穩(wěn)定性差的問(wèn)題，為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)建模工作提供了可靠的依據(jù)。同時(shí)，也能為發(fā)電機(jī)縱軸同步電抗、短路比等重要參數(shù)的實(shí)測(cè)、評(píng)估提供依據(jù)。