劉向東，符彥青，楊亞九

(1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗分公司，廣東廣州511400；2.海南蓄能發(fā)電有限公司，海南?？?70100)

0 引 言

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)對維持發(fā)電機機端電壓穩(wěn)定、控制并列運行機組無功功率合理分配及提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定作用顯著[1]。在電力系統(tǒng)分析中，不同勵磁系統(tǒng)模型及參數(shù)的使用將對穩(wěn)定計算結(jié)果產(chǎn)生較為明顯的差異[2-3]。與此同時，隨著我國電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)及西電東送工程的實施，電網(wǎng)潮流更加復雜，這對電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算的精確性提出了更高的要求[4]。新的計算導則要求發(fā)電機模型的采用更加精準，同時要求穩(wěn)定計算中采用實際的勵磁系統(tǒng)模型和參數(shù)[5]。

本文以海南瓊中抽水蓄能電站1號機組為例，對典型抽水蓄能機組的勵磁系統(tǒng)模型及參數(shù)進行了研究測試，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析及電網(wǎng)日常生產(chǎn)調(diào)度提供了準確的計算依據(jù)，對保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、提高勞動生產(chǎn)效率意義重大。

1 勵磁控制系統(tǒng)組成

勵磁控制系統(tǒng)主要由自動勵磁調(diào)節(jié)器、功率滅磁單元和同步發(fā)電機組成。自動勵磁調(diào)節(jié)器是勵磁控制系統(tǒng)的核心，一般由基本控制、輔助控制和勵磁限制三大部分組成，其根據(jù)檢測到的發(fā)電機的電壓、電流或其他狀態(tài)量的輸入信號，按照給定的勵磁控制準則自動調(diào)節(jié)勵磁功率單元的輸出[6]。

2 勵磁系統(tǒng)模型及仿真

2.1 勵磁調(diào)節(jié)器模型

海南瓊中抽水蓄能電站1號機采用自并勵勵磁方式，勵磁調(diào)節(jié)器為ALSTOM提供的P320 AVR V3型數(shù)字式調(diào)節(jié)器。勵磁系統(tǒng)AVR等效模型框圖如圖1所示，勵磁系統(tǒng)PSS等效模型框圖如圖2所示。

圖1 勵磁系統(tǒng)AVR等效模型

圖2 勵磁系統(tǒng)PSS等效模型

2.2 PID環(huán)節(jié)模型參數(shù)頻域辨識

調(diào)試分別設(shè)置兩組PID參數(shù)，通過動態(tài)信號分析儀實際測試PID整體環(huán)節(jié)輸入和輸出信號的幅頻特性和相頻特性。同時，結(jié)合頻域響應的理論計算數(shù)據(jù)，可以得出實際測量和理論模型的頻域響應對比情況。PID參數(shù)設(shè)置一：grv1=20，trv1=trv3=1 s，trv2=5 s；PID參數(shù)設(shè)置二：grv1=10，trv1=trv3=1 s，trv2=1 s。

如圖3、4所示，理論Q1曲線和實測Q2曲線分別表示理論和實測幅頻特性，理論P1曲線和實測P2曲線分別表示理論和實測相頻特性。從圖中可以看出，理論相位Q1與實測相位Q2基本重合，理論增益P1和實測增益P2基本重合。

ΔQ=Q1-Q2

(1)

式中，ΔQ為相位誤差；Q1為理論相位；Q2為實測相位。

ΔP=(P1-P2)/P1×100%

(2)

式中，ΔP為增益誤差；P1為理論增益；P2為實測增益。

圖3 PID整體環(huán)節(jié)頻域響應特性測量一

圖4 PID整體環(huán)節(jié)頻域響應特性測量二

由式(1)和式(2)分別計算兩組參數(shù)給定下PID整體環(huán)節(jié)的相位誤差和增益誤差。參數(shù)設(shè)置一情況下，當頻率為0.5 Hz時，理論和測量的相位偏差最大，ΔQ為-0.826°，當頻率為1.1 Hz時，理論和測量的增益偏差最大，ΔP為1.315%。參數(shù)設(shè)置二情況下，當頻率為10 Hz時，理論和測量的相位偏差最大，ΔQ為-1.774°，當頻率為0.2 Hz時，理論和測量的增益偏差最大，ΔP為2.495%。PID整體環(huán)節(jié)的理論模型和測量模型基本一致。

2.3 PSS環(huán)節(jié)模型參數(shù)頻域辨識

試驗在機組發(fā)電工況下進行，有功功率輸出穩(wěn)定在120 MW，噪聲信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換疊加到勵磁調(diào)節(jié)器給定值上，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電壓、機端電壓、機端電流、有功功率和無功功率均產(chǎn)生擾動，調(diào)節(jié)器通過內(nèi)部計算可獲得帶擾動信號的有功功率PE和帶擾動信號的發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速FPSS，PE和FPSS作為輸入信號送至PSS模型中即可測量并辨識PSS各環(huán)節(jié)模型參數(shù)。

2.3.1 PSS隔直環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)模型參數(shù)頻域辨識

圖5 PSS隔直環(huán)節(jié)的頻域響應特性曲線

圖6 PSS慣性環(huán)節(jié)的頻域響應特性曲線

圖5、6分別為PSS隔直環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)理論模型和實際測量的頻域響應特性曲線。通過計算數(shù)據(jù)得知，PSS隔直環(huán)節(jié)理論和測量的最大增益偏差為0.723%，最大相位偏差為0.665°，PSS慣性環(huán)節(jié)理論和測量的最大增益偏差為-2.15%，最大相位偏差為1.69°。PSS隔直環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的理論模型和測量模型一致。

2.3.2 PSS整個相位補償環(huán)節(jié)模型參數(shù)頻域辨識

圖7為PSS整個相位補償環(huán)節(jié)理論模型和實際測量的頻域響應特性曲線。通過計算數(shù)據(jù)得知，該環(huán)節(jié)理論和測量的最大增益偏差為2.43%，最大相位偏差為0.85°，PSS整個相位補償環(huán)節(jié)的理論模型和測量模型基本一致。

圖7 PSS整個相位補償環(huán)節(jié)的頻域響應特性曲線

2.4 發(fā)電機空載特性

維持發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速，利用自動勵磁調(diào)節(jié)器進行勵磁電壓升壓、降壓試驗，同時記錄轉(zhuǎn)子電流、電壓和發(fā)電機定子電壓變化情況。

通過試驗得出發(fā)電機空載額定勵磁電壓和額定勵磁電流分別為108.5 V和908.7 A。機端PT二次側(cè)額定電壓為100 V，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制發(fā)電機空載特性曲線，如圖8所示。

圖8 發(fā)電機空載特性曲線

2.5 發(fā)電機轉(zhuǎn)子時間常數(shù)

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)自動勵磁調(diào)節(jié)器、功率滅磁單元正常投入使用的過程中，通過突然改變勵磁調(diào)節(jié)器輸出控制電壓使得發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓發(fā)生躍變，使用TK電量記錄分析儀測量發(fā)電機勵磁電壓UFD、發(fā)電機勵磁電流IFD和發(fā)電機定子電壓UAB變化。

錄波過程中測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓躍變時對應定子電壓波形可得出轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Δt=10.27 s，小于廠家提供的轉(zhuǎn)子時間常數(shù)11.45 s，計算用時間常數(shù)取實測值10.27 s。

2.6 勵磁系統(tǒng)比例放大倍數(shù)

PID自動勵磁調(diào)節(jié)器的積分、微分環(huán)節(jié)退出，參數(shù)設(shè)置K=5，此狀態(tài)下PID自動勵磁調(diào)節(jié)器為單純的比例調(diào)節(jié)器，在線測量可直接得出勵磁系統(tǒng)比例放大倍數(shù)。將發(fā)電機機端電壓從額定值的20%依次調(diào)整至100%，記錄自動勵磁調(diào)節(jié)器給定電壓、轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流變化情況。

圖9為勵磁系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)測量曲線，橫坐標為機端給定電壓與實際電壓差值Uref-Ug(p.u.)，縱坐標為調(diào)節(jié)器輸出電壓Uavr_out(p.u.)。實測勵磁系統(tǒng)比例放大倍數(shù)grv=10.76，說明調(diào)節(jié)器中還有另一放大倍數(shù)為10.76/5=2.15的環(huán)節(jié)存在，此環(huán)節(jié)在BPA程序中可用電壓調(diào)節(jié)器增益KA=2.15體現(xiàn)。

圖9 勵磁系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)測量

2.7 發(fā)電機空載階躍試驗

2.7.1 ±40%大干擾階躍試驗

發(fā)電機維持額定轉(zhuǎn)速運行，勵磁調(diào)節(jié)器于自動電壓調(diào)節(jié)模式，在空載條件下進行±40%階躍試驗可測得調(diào)節(jié)器最大和最小輸出電壓。

Uf=1.35U21·cosα

(3)

式中，Uf為勵磁電壓；U21為勵磁變低壓側(cè)線電壓；α為整流橋控制角。

使用TK電量記錄分析儀可得到發(fā)電機±40%階躍響應曲線，勵磁電壓最大值Ufmax=533.8 V， 勵磁電壓最小值Ufmin=474.4 V，根據(jù)式(3)計算得到相應的最大控制角αmax=137.1°和最小控制角αmax=34.5°。

2.7.2 ±5%小干擾階躍試驗

同樣發(fā)電機維持額定轉(zhuǎn)速運行，勵磁調(diào)節(jié)器于自動電壓調(diào)節(jié)模式，在空載條件下先利用勵磁調(diào)節(jié)器將發(fā)電機機端電壓升至95%額定電壓，再進行±5%階躍響應試驗。通過測試得到±5%階躍響應試驗各項指標為：發(fā)電機電壓振蕩次數(shù)N=1，超調(diào)量MP=1.4%，到達峰值的時間TP=0.61 s，上升時間Tr=0.285 s，調(diào)節(jié)時間Ts=0.34 s，動態(tài)指標滿足標準要求。

2.8 調(diào)差系數(shù)校核

發(fā)電機并網(wǎng)運行，勵磁調(diào)節(jié)器于自動電壓調(diào)節(jié)模式，維持有功功率額定不變，無功功率設(shè)置值為50 MVar。由于試驗檢測到的電壓給定值是調(diào)節(jié)器內(nèi)部經(jīng)過調(diào)差計算后的值UrefB，所以首先設(shè)置勵磁調(diào)差系數(shù)為0，記錄此時機端電壓給定值，然后修改勵磁調(diào)差系數(shù)，依次記錄發(fā)電機無功功率和機端電壓給定值，同時通過計算校核調(diào)差系數(shù)。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

調(diào)差系數(shù)公式

UrefB=Uref-k·Q

(4)

由式(4)可得計算調(diào)差系數(shù)公式

k=(Uref-UrefB)/Q (5)

以校核調(diào)差系數(shù)2%為例，先將k=0代入式(4)可得到Uref=UrefB=0.9976，再將Q=37.6代入式(5)可得到k=(0.997 6-1.00 00)/(37.6/334)×100%=-2.17%。

從表1試驗數(shù)據(jù)可知，實測調(diào)差系數(shù)與設(shè)置調(diào)差系數(shù)極性相反，絕對值基本一致，修改調(diào)差系數(shù)時需要引起注意。調(diào)節(jié)器整定調(diào)差系數(shù)為2%。

圖10 FV型勵磁系統(tǒng)模型

2.9 勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型及參數(shù)

勵磁電流基準值IFDB=746.77 A

勵磁回路電阻基準值

RFDB=UFDN/IFDN=231/1 532=0.150 8 Ω

發(fā)電機勵磁電壓基準值

UFDB=RFDB·IFDB=112.6 V

空載曲線上機端電壓為額定電壓時對應勵磁電流IFD0=908.7 A

發(fā)電機額定電壓點的飽和系數(shù)

SG1，0=(IFD0-IFDB)/IFDB=0.216 9

發(fā)電機1.2倍額定電壓點的飽和系數(shù)

SG1，2=(IFD1，2-IFDB1，2)/IFDB1，2=0.528 6

調(diào)節(jié)器PID參數(shù)：grv=28.67，trv1=1 s，trv2=1 s，trv3=1 s。實測參數(shù)：K1=61.7，T1=5 s，T2=5 s，T3=1 s，T4=5 s，KV=0。

電壓調(diào)節(jié)器最大和最小輸出電壓

VRMAX=1.35×480×cos34.5°/112.6=4.74

VRMIN=1.35×480×cos137.1°/112.6=-4.21

調(diào)節(jié)器最大內(nèi)部電壓和最小內(nèi)部電壓

VAMAX=Uex-max·KA=5.26×2.15=11.31

VAMIN=Uex-min·KA=-4.56×2.15=-9.80

換相電抗的整流橋負載因子

=0.086 5

海南瓊中抽水蓄能電站1號機組自并勵勵磁系統(tǒng)可采用FV型勵磁系統(tǒng)模型(BPA模型)作為仿真計算用數(shù)學模型。FV型勵磁系統(tǒng)模型框圖如圖10所示。

根據(jù)勵磁調(diào)節(jié)器模型參數(shù)及試驗計算結(jié)果換算所得的FV型勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)：調(diào)節(jié)器輸入濾波器時間常數(shù)Tr=0.02 s，調(diào)節(jié)器最大內(nèi)部電壓(標幺值)VAMAX=11.31，調(diào)節(jié)器最小內(nèi)部電壓(標幺值)VAMIN=-9.80，電壓調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)T1=5.0 s，電壓調(diào)節(jié)器滯后時間常數(shù)T2=5.0 s，電壓調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)T3=1.0 s，電壓調(diào)節(jié)器滯后時間常數(shù)T4=1.0 s，電壓調(diào)節(jié)器增益(標幺值)KA=2.15，電壓調(diào)節(jié)器增益(標幺值)K=28.67，電壓調(diào)節(jié)器增益(標幺值)KV=0，電壓調(diào)節(jié)器滯后時間常數(shù)TA=0.005 s，電壓調(diào)節(jié)器最大輸出電壓(標幺值)VRMAX=4.74，電壓調(diào)節(jié)器最大輸出電壓(標幺值)VRMIN=-4.21，換相電抗的整流器負載因子(標幺值)KC=0.087，調(diào)節(jié)器穩(wěn)定回路增益(標幺值)KF=0，調(diào)節(jié)器穩(wěn)定回路時間常數(shù)(標幺值)TF=1，負載補償無功分量(標幺值)XC=-2%。

2.10 勵磁控制系統(tǒng)空載階躍仿真

仿真過程中，發(fā)電機計算卡采用BPA模型中的發(fā)電機M卡和MF卡。

發(fā)電機M卡參數(shù)：發(fā)電機母線電壓Ust=13.8 kV，電機額定容量SN=222 MW，電機功率因素COSα=0.9，直軸暫態(tài)電抗Xdpp=0.214 1，交軸暫態(tài)電抗Xqpp=0.1877，直軸次暫態(tài)時間常數(shù)Td0pp=0.021 s，交軸次暫態(tài)時間常數(shù)Tq0pp=0.043 s。發(fā)電機MF卡參數(shù)：Ust=13.8 kV，發(fā)電機動能EP=1 069 MW·s，SN=222 MV·A，Xdp=0.279 7，Xqpp=0.678 4，直軸不飽和同步電抗Xd=0.971 9，交軸不飽和電抗Xq=0.678 4，直軸暫態(tài)開路時間常數(shù)實測值Td0p=10.27 s，交軸暫態(tài)開路時間常數(shù)Tq0p=0.43 s，定子漏抗Xσ=0.108 1，額定電壓下電機飽和系數(shù)SG1，0=0.216 9，1.2倍額定電壓下電機飽和系數(shù)SG1，2=0.528 6。

發(fā)電機+5%階躍響應的BPA模型仿真與試驗錄波實測情況如圖11和圖12所示，其中曲線Curve1為模型仿真曲線，曲線Curve2為試驗實測曲線。通過對比分析可以看出，無論是機端電壓還是勵磁電壓，模型仿真與試驗實測結(jié)果基本一致。

圖11 +5%階躍響應模型仿真與試驗實測結(jié)果對比(機端電壓)

圖12 +5%階躍響應模型仿真與試驗實測結(jié)果比較(勵磁電壓)

表2 +5%階躍響應模型仿真與試驗實測數(shù)據(jù)(機端電壓)

3 結(jié) 論

(1)通過海南瓊中抽水蓄能機組勵磁系統(tǒng)參數(shù)實測工作，完成了1號機組勵磁調(diào)節(jié)器模型參數(shù)辨識、發(fā)電機空載特性測試、發(fā)電機空載階躍響應及調(diào)差系數(shù)校核等試驗，各項性能指標均滿足相關(guān)標準要求。

(2)建立了勵磁系統(tǒng)空載階躍響應仿真模型，對比空載階躍響應的模型仿真數(shù)據(jù)與試驗實測結(jié)果，驗證了勵磁系統(tǒng)空載階躍響應仿真模型的正確性。

(3)在勵磁系統(tǒng)參數(shù)實測的基礎(chǔ)上，歸算了仿真模型所需的各項參數(shù)，特別是南方電網(wǎng)穩(wěn)定計算BPA程序中的海蓄發(fā)電機模型參數(shù)，可為系統(tǒng)穩(wěn)定分析及電網(wǎng)日常生產(chǎn)調(diào)度提供準確的計算依據(jù)。