大型發(fā)電機勵磁系統(tǒng)仿真儀的開發(fā)與測試

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)電機勵磁系統(tǒng)仿真儀的開發(fā)與測試

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）

勵磁系統(tǒng)作為重要的發(fā)電機控制系統(tǒng)，其動態(tài)調(diào)節(jié)特性的優(yōu)劣對機組的運行安全及發(fā)電效益有很大的影響。為解決機組靜態(tài)時可獲知勵磁系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)特性問題，研制出大型發(fā)電機勵磁系統(tǒng)便攜式仿真儀；經(jīng)在某核電站測試，該仿真儀基本滿足該電站勵磁系統(tǒng)所有試驗程序要求，能比較真實地模擬發(fā)電機的運行工況，來進行勵磁系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試、開機前的閉環(huán)動態(tài)仿真試驗，以驗證勵磁系統(tǒng)的性能。

勵磁系統(tǒng)；仿真儀；短路試驗；空載試驗；閉環(huán)仿真試驗

0 概述

勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機的重要組成部分，負責(zé)發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)和并網(wǎng)后無功功率的分配。勵磁系統(tǒng)對發(fā)電機和電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定都有著重要的影響。勵磁系統(tǒng)的調(diào)試是一項非常重要的工作，以往調(diào)試順序是開機前做勵磁系統(tǒng)靜態(tài)試驗，開機后做動態(tài)試驗，因而無法在開機前開展動態(tài)試驗來提前排查勵磁系統(tǒng)的各種隱患。

為此，研制出了大型發(fā)電機勵磁系統(tǒng)便攜式仿真測試儀。勵磁系統(tǒng)仿真儀通過采集勵磁系統(tǒng)整流輸出的勵磁電壓，經(jīng)過勵磁機和發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型，實時計算發(fā)電機的三相電壓、電流和勵磁電流，并輸出至勵磁系統(tǒng)檢測。勵磁調(diào)節(jié)器通過給定值與反饋的機端電壓量、勵磁電流量來計算可控硅控制角度，并結(jié)合臨時勵磁變壓器及可控硅整流橋，從而實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)的閉環(huán)仿真。

1 勵磁系統(tǒng)仿真儀的實現(xiàn)

1.1 交流勵磁機的數(shù)學(xué)模型

仿真儀需要考慮到各種勵磁系統(tǒng)的仿真要求，由于三機勵磁系統(tǒng)和兩機勵磁系統(tǒng)中都有交流勵磁機的存在，仿真儀需要建立交流勵磁機的數(shù)學(xué)模型。該模型考慮了以下因素：交流勵磁機的D軸阻尼效應(yīng)、勵磁機的電樞反應(yīng)、自勵系數(shù)和勵磁機的飽和效應(yīng)、整流器換相電抗引起的電壓降、勵磁機同步電抗引起的電壓降。勵磁機模型框圖如圖1所示。

在圖1中，Ufe為勵磁機輸入的勵磁電壓，TE為勵磁機時間常數(shù)，KE為勵磁機自勵系數(shù)，SE為勵磁機飽和系數(shù)，KEF為勵磁機暫態(tài)系數(shù)，TEF為勵磁機暫態(tài)時間常數(shù)，Eq為勵磁機空載電勢，Ufg為發(fā)電機勵磁電壓，Ifg為發(fā)電機勵磁電流，Tdx′為發(fā)電機轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，K1為交流勵磁機去磁系數(shù)，K2為交流勵磁機電抗壓降系數(shù)，K4為換相電抗壓降系數(shù)，K5為整流系數(shù)，K6為交流勵磁機發(fā)電機電壓換算系數(shù)。K1-K6均由已知的交流勵磁機參數(shù)求出。以上交流勵磁機模型可以準(zhǔn)確地反應(yīng)勵磁機的動態(tài)過程。

1.2 發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型

選取勵磁系統(tǒng)仿真儀中發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型時，既要考慮勵磁系統(tǒng)的動態(tài)過程，又要考慮到便攜式仿真儀技術(shù)實現(xiàn)的難度。現(xiàn)選取實用的發(fā)電機3階模型作為勵磁系統(tǒng)仿真儀的發(fā)電機模型，其發(fā)電機模型如下式。

式中：

ud，uq——發(fā)電機d，q軸電壓；

id，iq——發(fā)電機d，q軸電流；

xd，xq——發(fā)電機d，q軸電抗；

Xd′，Xq′——發(fā)電機d，q軸暫態(tài)電抗；

Td0′，Tq0′——發(fā)電機d，q軸暫態(tài)時間常數(shù)；

Ed′，Eq′——發(fā)電機d，q軸暫態(tài)電勢；

Ef——發(fā)電機勵磁電勢；

ω——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

δ——功角；

TJ——慣性時間常數(shù)；

Tm——機械轉(zhuǎn)矩。

由以上基本模型具體細化成發(fā)電機空載試驗?zāi)Ｐ?，發(fā)電機短路升流試驗?zāi)Ｐ停l(fā)電機并網(wǎng)帶負荷模型。

1.3 勵磁系統(tǒng)仿真儀的硬件設(shè)計

某核電站2號發(fā)電機勵磁系統(tǒng)為2機1變自并勵無刷勵磁系統(tǒng)，勵磁裝置為法國ALSTOM公司P320型微機勵磁調(diào)節(jié)器，采用“雙自動+獨立手動通道、雙橋”配置。

勵磁系統(tǒng)仿真儀硬件按照P320微機勵磁調(diào)節(jié)器所需要的電氣信號來設(shè)計。勵磁系統(tǒng)使用2路發(fā)電機PT電壓、2路發(fā)電機CT電流、2路交流勵磁CT電流、3組開關(guān)量信號、1路4-20 mA勵磁電流信號。發(fā)電機交流信號輸出采樣16位高精度DA輸出正弦信號后，進入功率放大單元，輸出三相交流電壓（AC 0-150 V）、三相交流電流（AC 0-5 A）、三相交流勵磁電流（AC 0-2 A）信號給勵磁系統(tǒng)檢測。所有的輸出交流電壓、電流信號都經(jīng)過V/I，I/I轉(zhuǎn)換，經(jīng)AD采樣后在觸摸屏上顯示。

勵磁系統(tǒng)仿真儀采集勵磁系統(tǒng)輸出的直流勵磁電壓作為仿真儀的輸入信號，直流信號采樣通過外置SPI串行輸出AD轉(zhuǎn)換器來采集。為了實現(xiàn)勵磁電壓與CPU部分的隔離，外置SPI串行輸出AD轉(zhuǎn)換器采用單獨的隔離電源供電，AD轉(zhuǎn)換器輸出的串行SPI信號通過數(shù)字隔離器輸出至CPU，解決了線性光耦采樣可能出現(xiàn)的失真問題。勵磁系統(tǒng)仿真儀硬件原理如圖2。

2 勵磁系統(tǒng)仿真儀試驗結(jié)果與發(fā)電機試驗結(jié)果比較

勵磁系統(tǒng)仿真儀中勵磁機和發(fā)電機所有需要設(shè)置的參數(shù)都是由勵磁機和發(fā)電機廠家提供的。以下是勵磁系統(tǒng)仿真儀仿真結(jié)果與真實發(fā)電機試驗數(shù)據(jù)的對比。

2.1 短路試驗和空載試驗數(shù)據(jù)比較

勵磁系統(tǒng)仿真儀與2號發(fā)電機短路試驗和空載試驗數(shù)據(jù)比較如表1所示。由表1可知，短路試驗數(shù)據(jù)和空載試驗數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，勵磁系統(tǒng)仿真儀可以較為準(zhǔn)確地反映發(fā)電機的空載、短路試驗過程。

2.2 機端電壓階躍響應(yīng)錄波

空載條件下機端電壓95 %時，±5 %階躍響應(yīng)錄波如圖3，4所示。圖中UAB為發(fā)電機線電壓，ULD為勵磁機勵磁電壓，ILD為勵磁機勵磁電流。從圖3與圖4的發(fā)電機空載階躍波形比較來看，勵磁系統(tǒng)仿真儀空載±5 %階躍的超調(diào)、調(diào)節(jié)時間與2號發(fā)電機試驗數(shù)據(jù)比較接近。

2.3 滅磁試驗

滅磁試驗在空載及100 %機端電壓下進行，錄波如圖5，6所示。圖中U為發(fā)電機線電壓，Uex為勵磁機勵磁電壓，Iex為勵磁機勵磁電流。

圖2 勵磁系統(tǒng)仿真儀硬件原理

表1 仿真儀與2號發(fā)電機短路試驗和空載試驗數(shù)據(jù)

圖3 仿真儀空載±5 %階躍響應(yīng)錄波

對比圖5和圖6，勵磁系統(tǒng)仿真儀的滅磁時間常數(shù)（電壓從額定降至0.386 p.u.的時間）和設(shè)置的發(fā)電機（11 s）基本一致，和發(fā)電機實際滅磁錄波曲線也基本一致。由于勵磁裝置的錄波時間較短，所以沒有錄到小于20 %以后的仿真試驗波形。P=861 MW，發(fā)電機無功功率Q=150 Mvar下進行。階躍響應(yīng)錄波如圖7，8所示，其中U為發(fā)電機線電壓，Uex為勵磁機勵磁電壓，Iex為勵磁機勵磁電流，P為發(fā)電機有功，Q為發(fā)電機無功。

圖4 2號發(fā)電機空載±5 %階躍響應(yīng)錄波

圖5 仿真儀滅磁試驗錄波

從圖7，8階躍錄波波形來看，兩者的主要差別在于階躍響應(yīng)的穩(wěn)定時間上，造成這種現(xiàn)象的主要原因是發(fā)電機并網(wǎng)模型采用相對簡單的實用3階模型，而發(fā)電機真正并網(wǎng)以后的動態(tài)過程模型復(fù)雜，對于便攜式的仿真儀來說要實現(xiàn)比較困難。

圖7 勵磁系統(tǒng)仿真儀并網(wǎng)±2 %階躍響應(yīng)錄波

圖8 2號發(fā)電機并網(wǎng)±2 %階躍響應(yīng)錄波

圖6 2號發(fā)電機滅磁試驗錄波

2.4 并網(wǎng)±2 %階躍試驗

并網(wǎng)±2 %階躍試驗在發(fā)電機有功功率

2.5 甩負荷試驗

甩負荷試驗在發(fā)電機有功功率P=575 MW，發(fā)電機無功功率Q=300 Mvar下進行。錄波圖如圖9，10所示，其中U為發(fā)電機線電壓，Uex為勵磁機勵磁電壓，Iex為勵磁機勵磁電流，P為發(fā)電機有功，Q為發(fā)電機無功。

從圖9，10甩負荷的錄波波形來看，兩者的主要差別在于甩負荷的超調(diào)量以及上升時間上。出現(xiàn)這種差別的原因主要是發(fā)電機模型采用相對簡單的實用3階模型。

圖9 50 %甩負荷仿真儀錄波

圖10 50 %甩負荷2號發(fā)電機錄波

3 結(jié)束語

通過發(fā)電機勵磁系統(tǒng)仿真儀在該核電站2號發(fā)電機組上的動態(tài)試驗結(jié)果來看，在有準(zhǔn)確的勵磁機和發(fā)電機參數(shù)的情況下，勵磁系統(tǒng)仿真儀能夠與勵磁系統(tǒng)形成閉環(huán)，實現(xiàn)發(fā)電機與勵磁系統(tǒng)的閉環(huán)仿真，可以較準(zhǔn)確地進行發(fā)電機短路試驗和空載試驗?？紤]到此仿真儀為便攜式仿真儀，采用復(fù)雜的發(fā)電機高階模型實現(xiàn)難度比較大，而采用了實用3階模型；同時實際發(fā)電機在并網(wǎng)以后的動態(tài)過程比較復(fù)雜，因此仿真儀模擬發(fā)電機并網(wǎng)動態(tài)過程，與實際發(fā)電機在響應(yīng)時間上差別較大。綜合考慮，要消除響應(yīng)時間差別大的問題，需要對現(xiàn)有并網(wǎng)帶負荷模型做進一步的優(yōu)化。

總體而言，作為一種新型的勵磁系統(tǒng)調(diào)試工具，勵磁系統(tǒng)仿真儀通過參數(shù)的選擇可以滿足2機1變無刷勵磁系統(tǒng)、3機勵磁系統(tǒng)、自并勵磁系統(tǒng)的仿真要求，填補了國內(nèi)勵磁系統(tǒng)現(xiàn)場動態(tài)調(diào)試的空白。無論對新投運的勵磁系統(tǒng)還是投運后勵磁系統(tǒng)的檢修，勵磁系統(tǒng)仿真儀給勵磁系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試、開機前的閉環(huán)動態(tài)仿真試驗、勵磁系統(tǒng)開機前的隱患排除、勵磁系統(tǒng)專業(yè)人員的試驗培訓(xùn)都提供了很大的方便，對勵磁系統(tǒng)的調(diào)試有非常重要的意義。該發(fā)電機勵磁系統(tǒng)仿真儀經(jīng)進一步優(yōu)化后具有實際推廣價值。

1 李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2002.

2 方思立，朱 方.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的原理及其應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，1996.

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4 竺士章.發(fā)電機勵磁系統(tǒng)試驗［M］.北京：中國電力出版社.2005.

5 周雙喜，李 丹.同步發(fā)電機數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器［M］.北京：中國電力出版社，1998.

6 陸繼明，毛承雄，范 澍，等.同步發(fā)電機微機勵磁控制［M］.北京：中國電力出版社，2005.

2015-06-25；

2015-09-07。

祖友軍（1973-），男，高級工程師，主要從事繼電保護及勵磁專業(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)研究與開發(fā)工作。

陳俊華（1982-），男，工程師，主要從事繼電保護及勵磁專業(yè)工作 。

饒春平（1984-），男，工程師，主要從事繼電保護及勵磁專業(yè)工作。