基于BPA的勵磁系統(tǒng)建模

衛(wèi)鵬，徐珂，周前，張俊芳

（1．南京理工大學(xué)自動化學(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)行時的穩(wěn)定性對于整體電網(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)勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)對于電網(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，也是整個電網(wǎng)中無功以及電壓調(diào)節(jié)的杠桿。所以，研究勵磁系統(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，因此需要在線測量精確參數(shù)。國外的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)測試工作[4]。國內(nèi)各電力試驗(yàn)研究所在90年代才開展了勵磁系統(tǒng)參數(shù)辨識工作，主要采取時域法、頻域法[5-7]和基于現(xiàn)代控制理論的辨識方法[8-10]。文獻(xiàn)[11]采用PSS/E進(jìn)行了勵磁系統(tǒng)建模并與PSASP建模的仿真結(jié)果進(jìn)行了動態(tài)特性對比；文獻(xiàn)[12]利用PSASP對三機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)進(jìn)行了建模，通過實(shí)測結(jié)果與仿真對比進(jìn)行校核得到了穩(wěn)定計(jì)算用發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)參數(shù)。但是基于BPA的勵磁系統(tǒng)的建模研究還比較少。

本文通過對江蘇某臺額定容量為1 000 MW的典型大機(jī)組進(jìn)行了空載階躍試驗(yàn)，并對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到勵磁系統(tǒng)的部分參數(shù)，在BPA中搭建了仿真模型，將實(shí)測波形與仿真波形對比，通過調(diào)整模型參數(shù)，使仿真波形在動態(tài)指標(biāo)和形態(tài)上與實(shí)測波形基本一致，由此得到了該發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確參數(shù)。

1 勵磁系統(tǒng)的模型

發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)由勵磁控制部分、發(fā)電機(jī)電壓測量和無功電流補(bǔ)償部分、勵磁功率部分、以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）幾部分組成[13]。根據(jù)勵磁功率部件的不同常見的勵磁系統(tǒng)分為直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)、交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)、靜止勵磁系統(tǒng)。靜止勵磁系統(tǒng)包括：恒定電壓源靜止勵磁系統(tǒng)、自并勵靜止勵磁系統(tǒng)和交流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵靜止勵磁系統(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勵磁系統(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為勵磁變短路電壓；SETN為勵磁變額定容量；UET為勵磁變二次額定線電壓。

式中，UET為勵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)器輸出限幅通過發(fā)電機(jī)空載大擾動試驗(yàn)可以得到。

1.2 勵磁控制部分

勵磁控制部分實(shí)現(xiàn)勵磁穩(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)償勵磁機(jī)時間常數(shù)的反饋、過勵限制（OEL）、頂值限制、低勵限制（UEL）等[15]。大型自并勵勵磁調(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、單輸入信號型和雙輸入信號型。

2 勵磁系統(tǒng)建模

本文測試機(jī)組為上海發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)，容量為1 000 MW，上網(wǎng)電壓等級為500 kV，勵磁系統(tǒng)形式為自并勵，勵磁調(diào)節(jié)器采用了ABB公司生產(chǎn)的UNITROLL6000勵磁調(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，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。

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

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

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

勵磁廠家提供的勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖4所示。勵磁系統(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，用勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)整勵磁機(jī)勵磁電流，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 勵磁調(diào)節(jié)器和PSS模型Fig.4 Excitation regulator and PSSmodel

表1 勵磁系統(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)勵磁電壓UFD、發(fā)電機(jī)勵磁電流IFD和發(fā)電機(jī)定子電壓UAB，發(fā)電機(jī)空載時電壓給定±5%階躍響應(yīng)情況下現(xiàn)場錄波圖見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)可以得到的勵磁調(diào)節(jié)器的動態(tài)指標(biāo)如表2所示。

表2 實(shí)測動態(tài)特性指標(biāo)Tab.2 Measured dynamic characteristics of indicators

由表2可見，本機(jī)組勵磁系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)滿足國標(biāo)相關(guān)要求。

3 勵磁系統(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對應(yīng)發(fā)電機(jī)空載不飽和曲線上額定電壓時的勵磁電流；Ifj對應(yīng)發(fā)電機(jī)空載不飽和曲線上1.2倍額定電壓時的勵磁電流；If0對應(yīng)發(fā)電機(jī)空載飽和曲線上額定電壓時的勵磁電流；Ifk對應(yīng)發(fā)電機(jī)空載飽和曲線上1.2倍額定電壓對應(yīng)的勵磁電流，得到發(fā)電機(jī)幾個基準(zhǔn)電流值如下：

可得BPA勵磁系統(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為勵磁變壓器二次側(cè)額定線電壓，通過實(shí)測UET為961 V。

3.3 換弧壓降系數(shù)K c

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

3.4 勵磁電壓最大輸出值

其中，Kcu為強(qiáng)勵倍數(shù)。

4 勵磁系統(tǒng)模型的仿真校核

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

調(diào)節(jié)器原模型可對應(yīng)FV模型的串聯(lián)型PID調(diào)節(jié)器。對應(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)勵磁模型數(shù)據(jù)卡，在BPA中搭建了單機(jī)無窮大系統(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)測結(jié)果的對比情況如表3所示。

表3 仿真動態(tài)特性指標(biāo)及對比Tab.3 Simulation of dynamic characteristics of indicators and contrast

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

通過校核，最終確定的勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)如表4所示。

圖8 BPA中FV型勵磁系統(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)組勵磁建模參數(shù)值。

5 結(jié)論

本文選取了江蘇電網(wǎng)的一臺典型大容量機(jī)組，通過現(xiàn)場試驗(yàn)獲得機(jī)組勵磁系統(tǒng)的實(shí)測參數(shù)和部分特性，利用所得的實(shí)測數(shù)據(jù)和設(shè)備廠家提供的發(fā)電機(jī)、主、副勵磁機(jī)、勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁方式等參數(shù)，計(jì)算出電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算（精確模型）中勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)。依據(jù)實(shí)測的勵磁系統(tǒng)特性，通過仿真計(jì)算，對勵磁調(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)，對于大電網(wǎng)穩(wěn)定性研究提供了基礎(chǔ)。

[1]安光輝，武亞娟．330 MW發(fā)電機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)運(yùn)行分析[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（12）：45-47．AN Guang-hui，WU Ya-juan．Operation analysis of brushless excitation system of 330 MW generators[J]．Power System and Clean Energy，2008，24（12）：45-47 （in Chinese）．

[2] 同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)建模導(dǎo)則[M]．北京：國家電網(wǎng)公司，2006．

[3] 魯升敏．基于反推方法的滑模自適應(yīng)勵磁控制[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2010，26（1）：77-80．LU Sheng-min．Sliding mode adaptive excitation system control based on back-stepping approach[J]．Power System and Clean Energy，2010，26（1）：77-80（in Chinese）．

[4] 李?。?0 MW發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置的更新改造 [J]．熱力發(fā)電，2003，32（3）：72-74．LI Jian．Updating and retrofitting the excitation regulating device of a 60 MWgenerator[J]．Thermal Power Generation，2003，32（3）：72-74（in Chinese）．

[5] 孫喆．大唐石泉水力發(fā)電廠勵磁系統(tǒng)技術(shù)改造 [J]．電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（9）：79-82．SUN Zhe．Excitation system technological transformation of Datang Shiquan hydro-electric power plant[J]．Power System and Clean Energy，2008，24（9）：79-82（in Chinese）．

[6] 王興貴，王言徐，智勇．遺傳算法在發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)參數(shù)辨識中的應(yīng)用[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)，2010，22（1）：76-79．WANG Xing-gui，WANGYan-xu，ZHIYong．Application of genetic algorithm in generator excitation system parametersidentification[J]．Proceedingsof the CSU-EPSA，2010，22（1）：76-79（in Chinese）．

[7] 蔣平，戴列峰，黃霆，等．頻域法在勵磁系統(tǒng)參數(shù)辨識中的應(yīng)用[J]．電力系統(tǒng)自動化，2001，25（16）：30-33．JIANG Ping，DAI Lie-feng，HUANG Ting，et al．Application of frequency domain method in identification for excitation systems of generators[J]．Automation of Electric Power Systems，2001，25（16）：30-33（in Chinese）．

[8] 王興貴，王言徐，智勇．辨識理論在發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)建模中的應(yīng)用[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（7）：51-55．WANG Xing-gui，WANG Yan-xu，ZHI Yong．Application of parameters identification theory in generator excitation system modeling[J]．Power System Protection and Control，2010，38（7）：52-55（in Chinese）．

[9] 張福林，趙學(xué)強(qiáng)．500 kV串聯(lián)外間隙復(fù)合絕緣避雷器結(jié)構(gòu)部件性能可靠性分析[J]．電磁避雷器，2000（5）：29-32，39．ZHANG Fu-lin，ZHAO Xue-qiang．Evaluation on reliability of 500 kV polymeric metal oxide arresters with series gaps[J]．Insulators and Surge Arresters，2000（5）：29-32，39（in Chinese）．

[10]陳義宣，王曉茹，廖國棟，等．PSS/E勵磁系統(tǒng)的自定義建模[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（18）：78-83．CHEN Yi-xuan，WANG Xiao-ru，LIAO Guo-dong，et al．User defined excitation system models in PSS/E[J]．Power System Technology，2009，33（18）：78-83（in Chinese）．

[11]汪建凡．準(zhǔn)高速牽引線路棒形瓷絕緣子的研制[J]．電磁避雷器，2000（5）：19-21．WANGJian-fan．Development of rod insulator for subhighspeed tracking line[J]．Insulators and Surge Arresters，2000（5）：19-21（in Chinese）．

[12]甘柳芳．流溪河發(fā)電公司2號機(jī)勵磁系統(tǒng)改造[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（5）：32-34．GAN Liu-fang．Modification of excitation system of No.2 Hydro generating units in Liuxihe generation company[J]．Electric Power Construction，2009，25（5）：32-34 （in Chinese）．

[13]張衛(wèi)軍，陳勝軍，張學(xué)延．某臺起超臨界1 000 MW機(jī)組振動故障診斷與治理[J]．熱力發(fā)電，2012，41（2）：64-67.ZHANG Wei-jun，CHEN Sheng-jun，ZHANG Xue-yan．Diagnosis and remedy of the vibration fault for ultrasupercritical 1 000 MW unit[J]．Thermal Power Generation，2012，41（2）：64-67（in Chinese）．

[14]袁訓(xùn)奎，劉世富，劉衛(wèi)東．基于現(xiàn)場試驗(yàn)及程序仿真的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)確認(rèn)[J]．大電機(jī)技術(shù)，2009（5）：53-56．YUANXun-kui，LIUShi-fu，LIU Wei-dong．Identification of generator excitation system models and parameters based on site test and program simulation[J]．Large Electric Machine and Hydraulic Turbine，2009（5）：53-56 （in Chinese）．

[15]周建平 ，羅建．變壓器鐵心剩磁的一種估算方法[J]．熱力發(fā)電，2010，39（3）：61-64．ZHOU Jian-ping， LUO Jian．A method of estimating residual magnetism in iron core of transformers[J]．Thermal Power Generation，2010，39（3）：61-64（in Chinese）．

[16]孫澤慧，顧洪連．淺析玻璃絕緣子運(yùn)行質(zhì)量的規(guī)律性[J]．電磁避雷器，2000（5）：3-5，18．SUN Ze-hui，GU Hong-lian．On regularity of service behavior of glassinsulator[J]．Insulatorsand Surge Arresters，2000（5）：3-5，18（in Chinese）．