祖友軍,祝春暉,陳俊華,饒春平(.中廣核工程有限公司,廣東 深圳 58000;.武漢科創(chuàng)源科技有限公司,湖北 武漢 430073)
大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀的開(kāi)發(fā)與測(cè)試
祖友軍1,祝春暉2,陳俊華1,饒春平1
(1.中廣核工程有限公司,廣東 深圳 518000;2.武漢科創(chuàng)源科技有限公司,湖北 武漢 430073)
勵(lì)磁系統(tǒng)作為重要的發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng),其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性的優(yōu)劣對(duì)機(jī)組的運(yùn)行安全及發(fā)電效益有很大的影響。為解決機(jī)組靜態(tài)時(shí)可獲知?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性問(wèn)題,研制出大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)便攜式仿真儀;經(jīng)在某核電站測(cè)試,該仿真儀基本滿足該電站勵(lì)磁系統(tǒng)所有試驗(yàn)程序要求,能比較真實(shí)地模擬發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況,來(lái)進(jìn)行勵(lì)磁系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試、開(kāi)機(jī)前的閉環(huán)動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn),以驗(yàn)證勵(lì)磁系統(tǒng)的性能。
勵(lì)磁系統(tǒng);仿真儀;短路試驗(yàn);空載試驗(yàn);閉環(huán)仿真試驗(yàn)
勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的重要組成部分,負(fù)責(zé)發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)和并網(wǎng)后無(wú)功功率的分配。勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定都有著重要的影響。勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)試是一項(xiàng)非常重要的工作,以往調(diào)試順序是開(kāi)機(jī)前做勵(lì)磁系統(tǒng)靜態(tài)試驗(yàn),開(kāi)機(jī)后做動(dòng)態(tài)試驗(yàn),因而無(wú)法在開(kāi)機(jī)前開(kāi)展動(dòng)態(tài)試驗(yàn)來(lái)提前排查勵(lì)磁系統(tǒng)的各種隱患。
為此,研制出了大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)便攜式仿真測(cè)試儀。勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀通過(guò)采集勵(lì)磁系統(tǒng)整流輸出的勵(lì)磁電壓,經(jīng)過(guò)勵(lì)磁機(jī)和發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,實(shí)時(shí)計(jì)算發(fā)電機(jī)的三相電壓、電流和勵(lì)磁電流,并輸出至勵(lì)磁系統(tǒng)檢測(cè)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通過(guò)給定值與反饋的機(jī)端電壓量、勵(lì)磁電流量來(lái)計(jì)算可控硅控制角度,并結(jié)合臨時(shí)勵(lì)磁變壓器及可控硅整流橋,從而實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的閉環(huán)仿真。
1.1 交流勵(lì)磁機(jī)的數(shù)學(xué)模型
仿真儀需要考慮到各種勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真要求,由于三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)和兩機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中都有交流勵(lì)磁機(jī)的存在,仿真儀需要建立交流勵(lì)磁機(jī)的數(shù)學(xué)模型。該模型考慮了以下因素:交流勵(lì)磁機(jī)的D軸阻尼效應(yīng)、勵(lì)磁機(jī)的電樞反應(yīng)、自勵(lì)系數(shù)和勵(lì)磁機(jī)的飽和效應(yīng)、整流器換相電抗引起的電壓降、勵(lì)磁機(jī)同步電抗引起的電壓降。勵(lì)磁機(jī)模型框圖如圖1所示。
在圖1中,Ufe為勵(lì)磁機(jī)輸入的勵(lì)磁電壓,TE為勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù),KE為勵(lì)磁機(jī)自勵(lì)系數(shù),SE為勵(lì)磁機(jī)飽和系數(shù),KEF為勵(lì)磁機(jī)暫態(tài)系數(shù),TEF為勵(lì)磁機(jī)暫態(tài)時(shí)間常數(shù),Eq為勵(lì)磁機(jī)空載電勢(shì),Ufg為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓,Ifg為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流,Tdx′為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù),K1為交流勵(lì)磁機(jī)去磁系數(shù),K2為交流勵(lì)磁機(jī)電抗壓降系數(shù),K4為換相電抗壓降系數(shù),K5為整流系數(shù),K6為交流勵(lì)磁機(jī)發(fā)電機(jī)電壓換算系數(shù)。K1-K6均由已知的交流勵(lì)磁機(jī)參數(shù)求出。以上交流勵(lì)磁機(jī)模型可以準(zhǔn)確地反應(yīng)勵(lì)磁機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
1.2 發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
選取勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀中發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí),既要考慮勵(lì)磁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,又要考慮到便攜式仿真儀技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度?,F(xiàn)選取實(shí)用的發(fā)電機(jī)3階模型作為勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀的發(fā)電機(jī)模型,其發(fā)電機(jī)模型如下式。
式中:
ud,uq——發(fā)電機(jī)d,q軸電壓;
id,iq——發(fā)電機(jī)d,q軸電流;
xd,xq——發(fā)電機(jī)d,q軸電抗;
Xd′,Xq′——發(fā)電機(jī)d,q軸暫態(tài)電抗;
Td0′,Tq0′——發(fā)電機(jī)d,q軸暫態(tài)時(shí)間常數(shù);
Ed′,Eq′——發(fā)電機(jī)d,q軸暫態(tài)電勢(shì);
Ef——發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電勢(shì);
ω——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;
δ——功角;
TJ——慣性時(shí)間常數(shù);
Tm——機(jī)械轉(zhuǎn)矩。
由以上基本模型具體細(xì)化成發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)?zāi)P?,發(fā)電機(jī)短路升流試驗(yàn)?zāi)P停l(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)荷模型。
1.3 勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀的硬件設(shè)計(jì)
某核電站2號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)為2機(jī)1變自并勵(lì)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng),勵(lì)磁裝置為法國(guó)ALSTOM公司P320型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,采用“雙自動(dòng)+獨(dú)立手動(dòng)通道、雙橋”配置。
勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀硬件按照P320微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器所需要的電氣信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)。勵(lì)磁系統(tǒng)使用2路發(fā)電機(jī)PT電壓、2路發(fā)電機(jī)CT電流、2路交流勵(lì)磁CT電流、3組開(kāi)關(guān)量信號(hào)、1路4-20 mA勵(lì)磁電流信號(hào)。發(fā)電機(jī)交流信號(hào)輸出采樣16位高精度DA輸出正弦信號(hào)后,進(jìn)入功率放大單元,輸出三相交流電壓(AC 0-150 V)、三相交流電流(AC 0-5 A)、三相交流勵(lì)磁電流(AC 0-2 A)信號(hào)給勵(lì)磁系統(tǒng)檢測(cè)。所有的輸出交流電壓、電流信號(hào)都經(jīng)過(guò)V/I,I/I轉(zhuǎn)換,經(jīng)AD采樣后在觸摸屏上顯示。
勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀采集勵(lì)磁系統(tǒng)輸出的直流勵(lì)磁電壓作為仿真儀的輸入信號(hào),直流信號(hào)采樣通過(guò)外置SPI串行輸出AD轉(zhuǎn)換器來(lái)采集。為了實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電壓與CPU部分的隔離,外置SPI串行輸出AD轉(zhuǎn)換器采用單獨(dú)的隔離電源供電,AD轉(zhuǎn)換器輸出的串行SPI信號(hào)通過(guò)數(shù)字隔離器輸出至CPU,解決了線性光耦采樣可能出現(xiàn)的失真問(wèn)題。勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀硬件原理如圖2。
勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀中勵(lì)磁機(jī)和發(fā)電機(jī)所有需要設(shè)置的參數(shù)都是由勵(lì)磁機(jī)和發(fā)電機(jī)廠家提供的。以下是勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀仿真結(jié)果與真實(shí)發(fā)電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。
2.1 短路試驗(yàn)和空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較
勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀與2號(hào)發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)和空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較如表1所示。由表1可知,短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)和空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確,勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀可以較為準(zhǔn)確地反映發(fā)電機(jī)的空載、短路試驗(yàn)過(guò)程。
2.2 機(jī)端電壓階躍響應(yīng)錄波
空載條件下機(jī)端電壓95 %時(shí),±5 %階躍響應(yīng)錄波如圖3,4所示。圖中UAB為發(fā)電機(jī)線電壓,ULD為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓,ILD為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流。從圖3與圖4的發(fā)電機(jī)空載階躍波形比較來(lái)看,勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀空載±5 %階躍的超調(diào)、調(diào)節(jié)時(shí)間與2號(hào)發(fā)電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近。
2.3 滅磁試驗(yàn)
滅磁試驗(yàn)在空載及100 %機(jī)端電壓下進(jìn)行,錄波如圖5,6所示。圖中U為發(fā)電機(jī)線電壓,Uex為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓,Iex為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流。
圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀硬件原理
表1 仿真儀與2號(hào)發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)和空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖3 仿真儀空載±5 %階躍響應(yīng)錄波
對(duì)比圖5和圖6,勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀的滅磁時(shí)間常數(shù)(電壓從額定降至0.386 p.u.的時(shí)間)和設(shè)置的發(fā)電機(jī)(11 s)基本一致,和發(fā)電機(jī)實(shí)際滅磁錄波曲線也基本一致。由于勵(lì)磁裝置的錄波時(shí)間較短,所以沒(méi)有錄到小于20 %以后的仿真試驗(yàn)波形。P=861 MW,發(fā)電機(jī)無(wú)功功率Q=150 Mvar下進(jìn)行。階躍響應(yīng)錄波如圖7,8所示,其中U為發(fā)電機(jī)線電壓,Uex為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓,Iex為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流,P為發(fā)電機(jī)有功,Q為發(fā)電機(jī)無(wú)功。
圖4 2號(hào)發(fā)電機(jī)空載±5 %階躍響應(yīng)錄波
圖5 仿真儀滅磁試驗(yàn)錄波
從圖7,8階躍錄波波形來(lái)看,兩者的主要差別在于階躍響應(yīng)的穩(wěn)定時(shí)間上,造成這種現(xiàn)象的主要原因是發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型采用相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)用3階模型,而發(fā)電機(jī)真正并網(wǎng)以后的動(dòng)態(tài)過(guò)程模型復(fù)雜,對(duì)于便攜式的仿真儀來(lái)說(shuō)要實(shí)現(xiàn)比較困難。
圖7 勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀并網(wǎng)±2 %階躍響應(yīng)錄波
圖8 2號(hào)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)±2 %階躍響應(yīng)錄波
圖6 2號(hào)發(fā)電機(jī)滅磁試驗(yàn)錄波
2.4 并網(wǎng)±2 %階躍試驗(yàn)
并網(wǎng)±2 %階躍試驗(yàn)在發(fā)電機(jī)有功功率
2.5 甩負(fù)荷試驗(yàn)
甩負(fù)荷試驗(yàn)在發(fā)電機(jī)有功功率P=575 MW,發(fā)電機(jī)無(wú)功功率Q=300 Mvar下進(jìn)行。錄波圖如圖9,10所示,其中U為發(fā)電機(jī)線電壓,Uex為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓,Iex為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流,P為發(fā)電機(jī)有功,Q為發(fā)電機(jī)無(wú)功。
從圖9,10甩負(fù)荷的錄波波形來(lái)看,兩者的主要差別在于甩負(fù)荷的超調(diào)量以及上升時(shí)間上。出現(xiàn)這種差別的原因主要是發(fā)電機(jī)模型采用相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)用3階模型。
圖9 50 %甩負(fù)荷仿真儀錄波
圖10 50 %甩負(fù)荷2號(hào)發(fā)電機(jī)錄波
通過(guò)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀在該核電站2號(hào)發(fā)電機(jī)組上的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,在有準(zhǔn)確的勵(lì)磁機(jī)和發(fā)電機(jī)參數(shù)的情況下,勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀能夠與勵(lì)磁系統(tǒng)形成閉環(huán),實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁系統(tǒng)的閉環(huán)仿真,可以較準(zhǔn)確地進(jìn)行發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)和空載試驗(yàn)。考慮到此仿真儀為便攜式仿真儀,采用復(fù)雜的發(fā)電機(jī)高階模型實(shí)現(xiàn)難度比較大,而采用了實(shí)用3階模型;同時(shí)實(shí)際發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)以后的動(dòng)態(tài)過(guò)程比較復(fù)雜,因此仿真儀模擬發(fā)電機(jī)并網(wǎng)動(dòng)態(tài)過(guò)程,與實(shí)際發(fā)電機(jī)在響應(yīng)時(shí)間上差別較大。綜合考慮,要消除響應(yīng)時(shí)間差別大的問(wèn)題,需要對(duì)現(xiàn)有并網(wǎng)帶負(fù)荷模型做進(jìn)一步的優(yōu)化。
總體而言,作為一種新型的勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)試工具,勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀通過(guò)參數(shù)的選擇可以滿足2機(jī)1變無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)、3機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、自并勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真要求,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)勵(lì)磁系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)試的空白。無(wú)論對(duì)新投運(yùn)的勵(lì)磁系統(tǒng)還是投運(yùn)后勵(lì)磁系統(tǒng)的檢修,勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀給勵(lì)磁系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試、開(kāi)機(jī)前的閉環(huán)動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)、勵(lì)磁系統(tǒng)開(kāi)機(jī)前的隱患排除、勵(lì)磁系統(tǒng)專業(yè)人員的試驗(yàn)培訓(xùn)都提供了很大的方便,對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)試有非常重要的意義。該發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)仿真儀經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化后具有實(shí)際推廣價(jià)值。
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2015-06-25;
2015-09-07。
祖友軍(1973-),男,高級(jí)工程師,主要從事繼電保護(hù)及勵(lì)磁專業(yè)工作,email:zuyoujun@cgnpc.com.cn。
祝春暉(1984-),男,工程師,主要從事嵌入式系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)工作。
陳俊華(1982-),男,工程師,主要從事繼電保護(hù)及勵(lì)磁專業(yè)工作 。
饒春平(1984-),男,工程師,主要從事繼電保護(hù)及勵(lì)磁專業(yè)工作。