三機(jī)勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)辨識與分析

穆興華,徐明宇,齊 超,崔佳鵬,姜 鵬,關(guān)萬琳

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院, 哈爾濱 150030；2.大唐黑龍江發(fā)電有限公司哈爾濱第一熱電廠安全監(jiān)察部， 哈爾濱 150078)

三機(jī)勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)辨識與分析

穆興華1,徐明宇1,齊 超2,崔佳鵬1,姜 鵬1,關(guān)萬琳1

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院, 哈爾濱 150030；2.大唐黑龍江發(fā)電有限公司哈爾濱第一熱電廠安全監(jiān)察部， 哈爾濱 150078)

介紹了三機(jī)勵磁系統(tǒng)建模的方法,以黑龍江某電廠200 MW機(jī)組的 三機(jī)勵磁系統(tǒng)為研究對象,通過現(xiàn)場小擾動試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比分析,驗證了模型建立方法的可行性,同時也為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和分析提供了準(zhǔn)確的計算數(shù)據(jù)。

三機(jī)勵磁系統(tǒng);空載特性;負(fù)載特性;參數(shù)辨識;建模

隨著電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行重要性的日益突出,通過對電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算與分析來評估電力系統(tǒng)最優(yōu)運行工況,已經(jīng)成為提高電網(wǎng)穩(wěn)定性的一個重要手段。而不同的勵磁系統(tǒng)模型和參數(shù)會對計算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響,因此,建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和采用能正確反映實際運行設(shè)備運行狀態(tài)的勵磁系統(tǒng)參數(shù)就顯得比較關(guān)鍵。三機(jī)勵磁系統(tǒng)具有勵磁電壓穩(wěn)定,不受電網(wǎng)影響的優(yōu)點,但相比自并勵勵磁系統(tǒng)響應(yīng)仍然較慢,而且維護(hù)和建模比較復(fù)雜[1-4]。本文針對三機(jī)勵磁系統(tǒng)的特點,以黑龍江某電廠200 MW汽輪發(fā)電機(jī)組為例,介紹了對三機(jī)勵磁系統(tǒng)參數(shù)的辨識方法及試驗研究和理論分析。

1 三機(jī)勵磁系統(tǒng)試驗分析

1.1 發(fā)電機(jī)空載特性試驗及飽和系數(shù)計算

為了掌握發(fā)電機(jī)電壓、額定勵磁電壓及勵磁電流等數(shù)據(jù),從而確定發(fā)電機(jī)勵磁回路的計算基準(zhǔn)值及發(fā)電機(jī)飽和系數(shù),對發(fā)電機(jī)空載時機(jī)端電壓與勵磁電流的關(guān)系進(jìn)行了測量,試驗時對勵磁電流逐步調(diào)整,逐漸增加發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓,先升高到105%額定電壓后再降到最低,測得的曲線和其數(shù)據(jù)如圖1、表1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)空載特性曲線與氣隙線

在圖1所示的氣隙線上,勵磁電流的基準(zhǔn)值取自發(fā)電機(jī)額定電壓下勵磁電流的數(shù)值,發(fā)電機(jī)勵磁繞組電阻的基準(zhǔn)值為額定勵磁電壓與額定勵磁電流之比,可由發(fā)電機(jī)的空載特性曲線、氣隙線上對應(yīng)于額定定子電壓的勵磁電流確定發(fā)電機(jī)的飽和系數(shù)。

表1 發(fā)電機(jī)空載特性試驗數(shù)據(jù)

1.2 交流勵磁機(jī)空載特性、負(fù)載特性試驗

對交流勵磁機(jī)進(jìn)行空載特性和負(fù)載特性測試,其試驗數(shù)據(jù)如表2、表3,其中UFD為發(fā)電機(jī)勵磁電壓,ULD為勵磁機(jī)電壓,IFD為發(fā)電機(jī)勵磁電流,ILD為勵磁機(jī)勵磁電流。

表3 勵磁機(jī)負(fù)載特性數(shù)據(jù)

表2 勵磁機(jī)空載特性試驗記錄

交流勵磁機(jī)空載、負(fù)載特性曲線如圖2所示。

圖2 交流勵磁機(jī)空載、負(fù)載特性

根據(jù)交流勵磁機(jī)空載特性延長線,通過勵磁機(jī)1.8倍和0.75倍輸出最大電壓所對應(yīng)的勵磁機(jī)勵磁電流和氣隙線電流可以計算勵磁機(jī)飽和系數(shù)。

1.3 換弧壓降系數(shù)與去磁系數(shù)的計算

不可控三相全波整流橋的數(shù)學(xué)模型如圖3所示,其換相壓降系數(shù)Kc的計算表達(dá)式為

式中,SN、X2e、UN、RFDB、X″de分別為交流勵磁機(jī)的額定視在功率、負(fù)序電抗、額定電壓、電阻基值和次暫態(tài)電抗。

圖3 不可控三相全波整流橋數(shù)學(xué)模型

1.4 發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)5%小擾動階躍試驗

驗證勵磁控制系統(tǒng)PID參數(shù)的重要手段之一是發(fā)電機(jī)空載5%小擾動階躍試驗,在發(fā)電機(jī)空載運行的條件下,用勵磁調(diào)節(jié)器升壓到發(fā)電機(jī)額定電壓的95%,進(jìn)行5%階躍響應(yīng)試驗,這樣可以得到擾動信號的響應(yīng)特性。調(diào)整勵磁調(diào)節(jié)器PID參數(shù),能夠使發(fā)電機(jī)電壓階躍響應(yīng)的超調(diào)量、振蕩次數(shù)和調(diào)節(jié)時間等性能指標(biāo)滿足電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T843-2010《大型汽輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件》的要求[5],試驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4分析可得:上階躍的超調(diào)量是22.247%,到達(dá)峰值的時間是Tp=0.660 s,上升時間Tup=0.282 s,調(diào)節(jié)時間Ts=1.218 s,振蕩次數(shù)為1次,其各項指標(biāo)符合發(fā)電機(jī)空載5%階躍響應(yīng)性能指標(biāo)的要求。

圖4 發(fā)電機(jī)空載5%階躍試驗波形

1.5 發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)大擾動階躍試驗

為了校核勵磁調(diào)節(jié)器的輸出限幅值,需要進(jìn)行發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)大階躍試驗。廠家提供的可控硅最小控制角、最大控制角分別為30°和140°。進(jìn)行30%階躍響應(yīng)試驗,使調(diào)節(jié)器輸出達(dá)到限制。30%上、下階躍響應(yīng)錄波如圖5所示。

圖5 發(fā)電機(jī)空載30%上、下階躍試驗波形

從圖5中可以看到,在上階躍中,調(diào)節(jié)器輸出電壓ULD達(dá)到最高值為123.901 V,下階躍為最小值-107.640 V,計算得可控硅控制角的最小值αmin=34.4°和最大值αmax=135.8°,與實際值基本吻合。

圖6 3型勵磁系統(tǒng)模型

2 勵磁系統(tǒng)仿真模型及主要參數(shù)

2.1 穩(wěn)定計算用勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)勵磁系統(tǒng)廠家提供的傳遞函數(shù)框圖,在“電力系統(tǒng)分析綜合程序”中,選用3型作為計算用發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)模型,其模型框圖如圖6所示。

表4 3型模型參數(shù)

2.2 勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)

利用以上實測數(shù)據(jù),通過計算可以得到勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定計算用的實用參數(shù),如表4所示,其中VaMAX、VaMIN、K、Kv、Ka、KB、VrMAX、VrMIN、Ke、Kf、Kc、KD、KL1、KH1、VL1R為標(biāo)幺值。

3 仿真校核

為了驗證勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)的正確性,采用表4中勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定計算用的實用參數(shù),在“電力系統(tǒng)分析綜合程序”中進(jìn)行空載5%階躍仿真,如圖7所示。

圖7 發(fā)電機(jī)空載5%階躍仿真

對比仿真結(jié)果與試驗結(jié)果如表5所示。

表5 5%階躍響應(yīng)試驗與仿真各項指標(biāo)對比

從表5可以看到,各項指標(biāo)接近,仿真與試驗結(jié)果的差別符合小擾動特性校核標(biāo)準(zhǔn)[6]。因此,表4的實用參數(shù)可以作為電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算用勵磁模型參數(shù)。

4 結(jié) 語

針對黑龍江地區(qū)典型的三機(jī)勵磁系統(tǒng),通過對現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的計算分析,得出了勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定計算用的實用參數(shù),并在“電力系統(tǒng)分析綜合程序”中進(jìn)行了小擾動仿真,其結(jié)果與實測空載階躍響應(yīng)結(jié)果的各項指標(biāo)接近,從而驗證了試驗方法的可行性和三機(jī)勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)的準(zhǔn)確性,同時也表明該模型可以用來作為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析中的模型使用。

[1] 竺士章.發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)試驗[M].北京:中國電力出版社,2005. ZHU Shizhang. Experiment of generation excitation system [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2005.

[2] 沈善德.電力系統(tǒng)辨識[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000. SHEN Shande. Power System Identification [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2000.

[3] 李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2002. LI Jicheng. Design and application of modern synchronous generation excitation system [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2002.

[4] 劉取.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)勵磁控制[M].北京:中國電力出版社,2007. LIU Qu. Power system stability and generation excitation contr-ol [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2007.

[5] DL/T 843-2010 大型汽輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件[S].

[6] Q/GDW 142-2012 同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)建模導(dǎo)則[S].

(責(zé)任編輯 郭金光)

Model parameter identification and analysis of exciter’s excitation system

MU Xinghua1, XU Mingyu1, QI Chao2,CUI Jiapeng1, JIANG peng1, GUAN Wanlin1

(1.Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China；2.Harbin No1 Thermal Power Plant Safety Supervision Department，Datang Heilongjiang Electric Power Gereration Co.,Ltd.Harbin 150078，China)

This paper introduced the modeling method of exciter’s excitation system, taking exciter’s excitation system of 200 MW unit of a certain power plant in Heilongjiang as a research object, verified the feasibility of model establishment method through comparative analysis of the small disturbance test results and the simulation results, which provided the accurate calculation data for the stable operation and analysis of the power grid.

exciter’s excitation system; no-load characteristic; load characteristic; parameter identificati-on; modeling

2015-08-11。

穆興華(1982—),男,碩士,工程師,現(xiàn)從事繼電保護(hù)、勵磁系統(tǒng)及智能電網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域分析研究工作。

TM712

A

2095-6843(2015)06-0520-04