同步發(fā)電機勵磁調(diào)差系數(shù)對電力系統(tǒng)影響分析及其優(yōu)化配置方法研究

陳 喬，付險鋒，丁 凱，萬 黎，黃文濤

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北省電力公司黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰 442005)

同步發(fā)電機勵磁調(diào)差系數(shù)對電力系統(tǒng)影響分析及其優(yōu)化配置方法研究

陳 喬1，付險鋒2，丁 凱1，萬 黎1，黃文濤1

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北省電力公司黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰 442005)

對不同接線方式下勵磁調(diào)差系數(shù)對于電網(wǎng)、機組穩(wěn)定及PSS試驗結(jié)果的影響展開了詳細(xì)的分析，提出了調(diào)差系數(shù)的優(yōu)化配置方法，即單元制接線機組應(yīng)設(shè)置負(fù)調(diào)差，以提升機組對系統(tǒng)的無功支撐能力，而對于機端并列機組應(yīng)采用正調(diào)差，以保證機組間無功合理穩(wěn)定分配。最后以實際機組為例，結(jié)合現(xiàn)場試驗和PSASP程序暫態(tài)穩(wěn)定仿真，驗證了理論分析的正確性。

同步發(fā)電機；勵磁調(diào)差系數(shù)；系統(tǒng)穩(wěn)定；仿真

0 引言

發(fā)電機調(diào)差是發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中的一種附加控制功能，是通過在勵磁調(diào)節(jié)器的輸入端計入發(fā)電機無功電流補償以達(dá)到調(diào)節(jié)機端電壓的目的。附加調(diào)差對系統(tǒng)和機組的穩(wěn)定性影響較大，通過改變調(diào)差系數(shù)可以控制勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用對于無功功率變化的敏感程度。合理地整定調(diào)差系數(shù)可以有效提高發(fā)電機無功支撐能力、改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性或是穩(wěn)定并列機組間的無功分配[1]。隨著電力系統(tǒng)穩(wěn)定性要求不斷提高以及勵磁系統(tǒng)建模工作的深入，在勵磁系統(tǒng)中調(diào)差已經(jīng)成為一個非常重要的功能環(huán)節(jié)[2-3]。

1 發(fā)電機調(diào)差的基本原理

發(fā)電機調(diào)差又稱作電壓調(diào)差率，在國標(biāo)GB/T7409中，電壓調(diào)差率定義為同步發(fā)電機在功率因數(shù)等于零的情況下，無功電流（無功功率）從零變化到額定值時，機端電壓的變化率[4]，若不考慮自然調(diào)差率，電壓調(diào)差率的計算式如下：

式中：D為電壓調(diào)差率；Ut為功率因素等于零、無功電流等于額定值時的發(fā)電機端電壓；Ut0為空載時發(fā)電機端電壓；Utn為發(fā)電機額定電壓。

標(biāo)準(zhǔn)的勵磁系統(tǒng)模型中調(diào)差環(huán)節(jié)如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)勵磁系統(tǒng)模型中的調(diào)差環(huán)節(jié)Fig.1 The adjustment link of standard excitation system model

圖1中，Vt為發(fā)電機電壓測量值；It為發(fā)電機電流測量值；XC為調(diào)差電抗，即調(diào)差系數(shù)；φ為功率因素角；Tr為測量環(huán)節(jié)時間常數(shù)；Vref為發(fā)電機電壓給定值；Uerr為電壓偏差；補償后的電壓Uc由機端電壓Vt、機端電流 It和調(diào)差系數(shù) XC計算合成，再經(jīng)過測量環(huán)節(jié)延時，與電壓給定值Vref比較后得到勵磁調(diào)節(jié)器PID環(huán)節(jié)的輸入Uerr?？梢钥闯觯?dāng)調(diào)差系數(shù)XC為負(fù)值時，機端電壓隨著無功功率的增加而升高，在滯相條件下機端電壓始終高于給定值，此即為負(fù)調(diào)差；當(dāng)XC為正值時，機端電壓隨著無功功率的增加而降低，在滯相條件下機端電壓始終低于給定值，此即為正調(diào)差（見圖2）。

圖2 發(fā)電機調(diào)差特性曲線Fig.2 Generator adjustment characteristic curve

2 發(fā)電機調(diào)差對電網(wǎng)穩(wěn)定的影響

2.1 正調(diào)差對電網(wǎng)穩(wěn)定的影響

在早期的小容量機組中有許多是機端直接并列的，這種接線方式雖然節(jié)省了變壓器的成本，但存在無功功率分配不穩(wěn)定的問題，容易出現(xiàn)“搶無功”現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的無功失衡，為了確保機組間無功穩(wěn)定分配所有并列機組的發(fā)電機勵磁必須設(shè)置為正調(diào)差。

圖3所示是兩臺機端直接并列的機組，其中It1和It2分別是兩臺發(fā)電機機端電流，勵磁調(diào)節(jié)器測量到的合成電壓為

圖3 機端并列機組接線圖Fig.3 Wiring diagram of machine-connected units

在穩(wěn)態(tài)情況下，可以近似將勵磁調(diào)節(jié)器用放大倍數(shù)KA來代表，則與勵磁電壓對應(yīng)的勵磁調(diào)節(jié)器輸出電動勢可表示為

假設(shè)由于一個小的擾動，兩臺發(fā)電機間產(chǎn)生了環(huán)流，It1產(chǎn)生了一個正的增量ΔIt1，則It2上會產(chǎn)生負(fù)的增量ΔIt2=－ΔIt1，如果此時兩臺機均為負(fù)調(diào)差，則Efd1會繼續(xù)增大，而Efd1會繼續(xù)減小，如此循環(huán)下去會使得環(huán)流越來越大，造成無功分配混亂，也就是所謂的“搶無功”，最終可能導(dǎo)致一臺機組失磁解列，而另一臺機組無功過載的后果。所以這種情況下兩臺機組必須設(shè)置相同的正調(diào)差，以抑制環(huán)流增長，確保機組間的無功功率穩(wěn)定分配。按照最新行標(biāo)要求，并列點的發(fā)電機電壓調(diào)差率宜按5%～10%整定，在無功分配穩(wěn)定的情況下去最小值，同母線下的機組電壓調(diào)差率應(yīng)相同。

為了降低短路電流水平，現(xiàn)在的主變壓器短路阻抗普遍在10%～20%左右，若發(fā)電機再采用正調(diào)差會使得主變高壓側(cè)電壓變得更低，而且對系統(tǒng)的無功負(fù)荷波動不夠敏感，不利于提高系統(tǒng)電壓質(zhì)量和穩(wěn)定運行，所以機端并列機組采用正調(diào)差也是不得已而為之。

2.2 負(fù)調(diào)差對電網(wǎng)穩(wěn)定的影響

2.2.1 提高靜態(tài)穩(wěn)定極限

電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小干擾后，不發(fā)生自發(fā)振蕩或非周期性失步，自動恢復(fù)到起始運行狀態(tài)的能力，而發(fā)電機所能傳輸?shù)淖畲蠊β手饕芟抻谄潇o態(tài)穩(wěn)定極限。圖4所示是一個單機-無窮大系統(tǒng)等值電路。

圖4 單機-無窮大等值電路Fig.4 Single-infinite equivalent circuit

圖4中，Eq'為發(fā)電機橫軸暫態(tài)電勢，Xd'為發(fā)電機縱軸暫態(tài)電抗，XC為調(diào)差電抗，Vt為發(fā)電機電壓，VH為主變高壓側(cè)電壓，XT為主變短路電抗，XL是線路傳輸電壓，Vs為無窮大系統(tǒng)電壓；當(dāng)采用零調(diào)差時，勵磁系統(tǒng)主要控制目標(biāo)為保持發(fā)電機機端電壓Vt恒定，Vt與系統(tǒng)間的聯(lián)系阻抗XS=(XT+XL)，忽略縱、橫軸磁路不對稱產(chǎn)生的附加電磁功率，發(fā)電機發(fā)出的電磁功率

其中δ為發(fā)電機功角，根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定判據(jù)

當(dāng)發(fā)電機功角 δ=90°時，達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定極限VtVs/(XT+XL)。

若發(fā)電機采用負(fù)調(diào)差，勵磁系統(tǒng)就從控制機端電壓Vt恒定，變成了控制升壓變電抗某一點電壓VH'恒定，VH'與系統(tǒng)間的聯(lián)系阻抗為 Xs=(XTXC+XL)，這相當(dāng)于縮短了電源與負(fù)荷之間的距離，增強了系統(tǒng)的聯(lián)系。此時發(fā)電機電磁功率可表示為

當(dāng)發(fā)電機功角δ=90°時，靜態(tài)穩(wěn)定極限提高到VH'Vs/(XT-XC+XL)，也就是說，負(fù)調(diào)差可以提升靜態(tài)穩(wěn)定極限，加強發(fā)電機的功率輸送能力。

2.2.2 提高機組無功支撐能力

目前大多數(shù)機組都已采用一機一變的單元制接線，為了補償主變壓器的電抗壓降，維持母線側(cè)電壓的高水平，單元接線機組的發(fā)電機勵磁應(yīng)該設(shè)置為負(fù)調(diào)差。

由調(diào)差的定義可知

目前勵磁調(diào)節(jié)器普遍采用高放大倍數(shù)，因此可近似認(rèn)為

在滯相情況下，無功電流IQ為正值，負(fù)調(diào)差會迫使機端電壓始終高于勵磁調(diào)節(jié)器的電壓給定值，這也使得升壓變高壓側(cè)電壓能保持一個相對較高的水平。

當(dāng)系統(tǒng)電壓下降時，勵磁調(diào)節(jié)器電壓偏差Uerr變大，勵磁系統(tǒng)輸出增加，無功電流IQ隨之增加，而在負(fù)調(diào)差下IQ的增加同時又會使Uerr變大，這就進(jìn)一步增加了發(fā)電機的無功出力；當(dāng)系統(tǒng)電壓過高時，勵磁系統(tǒng)輸出減小，無功電流IQ隨之減小，在負(fù)調(diào)差下IQ的減小同時也會使Uerr變小，就進(jìn)一步減小了發(fā)電機的無功出力。

圖5～圖7所示為某電廠1號機在負(fù)載情況下的3%電壓階躍試驗結(jié)果，試驗工況均為有功318 MW，無功28 MVar，分別設(shè)置調(diào)差系數(shù)為0%、-5%、+5%進(jìn)行試驗，記錄發(fā)電機電壓、勵磁電壓、有功功率、和無功功率。

圖5 調(diào)差為-5%時的3%電壓階躍響應(yīng)Fig.5 A 3%voltage step response when the adjustment coefficient is-5%

圖6 調(diào)差為0%時的3%電壓階躍響應(yīng)Fig.6 A 3%voltage step response when the adjustment coefficient is 0%

圖7 調(diào)差為5%時的3%電壓階躍響應(yīng)Fig.7 A 3%voltage step response when the adjustment coefficient is 5%

此機組額定功率為330 MW額定電壓20 kV，試驗時對勵磁調(diào)節(jié)器電壓給定值施加3%的階躍，一定程度上可以反映系統(tǒng)電壓突然跌落3%時勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)。

可以看出當(dāng)調(diào)差為0時，發(fā)電機電壓從19.61 kV到20.16 kV上升了約550 V，無功出力從27.6 MVar到94.29 MVar增加了66.69 MVar；當(dāng)調(diào)差為-5%時，發(fā)電機電壓從19.61 kV到20.43 kV上升了約820 V，無功出力從27.30 MVar到122.65 MVar增加了95.35 MVar，相對于零調(diào)差無功出力增量加大了28.66 MVar；當(dāng)調(diào)差為+5%時，發(fā)電機電壓從19.65 kV到20.07 V上升了約420 V，無功出力從28.35 MVar到78.86 MVar增加了50.51 MVar，相對于零調(diào)差無功出力增量減小了16.18 MVar?？梢钥闯鲆坏┚€路故障等原因引起電壓跌落時，負(fù)調(diào)差可以大大增加發(fā)電機的無功出力，使系統(tǒng)電壓盡快恢復(fù)到正常值，反之，正調(diào)差會限制發(fā)電機的無功出力，降低發(fā)電機對系統(tǒng)的無功支撐能力，不利于系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

因此負(fù)調(diào)差可以加強勵磁系統(tǒng)對電壓或無功變化的敏感度，在系統(tǒng)需要時更有效地增加或減少無功功率，從而能更好地發(fā)揮發(fā)電機對系統(tǒng)的無功支撐能力，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平。

2.3 調(diào)差對PSS試驗結(jié)果影響

PSS是目前抑制低頻振蕩、改善系統(tǒng)阻尼最有效的措施之一。PSS試驗最重要的一個步驟就是通過測量勵磁系統(tǒng)的無補償頻率響應(yīng)特性，來確定合理的PSS相位補償角度，使得 -ΔPe產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩滯后達(dá)到-90°。

在PSS試驗中，工作人員關(guān)注的往往是PID參數(shù)設(shè)置、噪聲信號的起振效果及頻譜分析儀的掃頻情況等，而忽視了調(diào)差系數(shù)對試驗結(jié)果的影響。為了測試調(diào)差系數(shù)對勵磁系統(tǒng)相頻特性的影響，在某電廠1號機的PSS試驗中，分別在調(diào)差系數(shù)等于-5%、0%和5%的情況下測量了勵磁系統(tǒng)的無補償頻率響應(yīng)特性，測量結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同調(diào)差系數(shù)下的勵磁系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性Fig.8 Frequency response characteristics of excitation system under different adjustment coefficients

由圖8曲線可以看出，調(diào)差系數(shù)對相頻特性的影響較大，從整體趨勢看負(fù)調(diào)差會使勵磁系統(tǒng)的相位滯后變大，而正調(diào)差會使相位滯后變小，尤其在0.3～0.4 Hz范圍內(nèi)負(fù)調(diào)差和正調(diào)差的相頻特性相差達(dá)到近30°。但隨著頻率升高，調(diào)差對相位的影響會逐漸變小，當(dāng)達(dá)到本機振蕩頻率(1.6～1.7 Hz左右)時相位差已可忽略不計。

目前PSS試驗要求在0.1～2.0 Hz頻段補償后的相位滯后應(yīng)在-70°～-135°范圍內(nèi)，然后通過電壓階躍試驗計算有功功率振蕩曲線阻尼比來校核PSS的補償效果，但其本質(zhì)上只是校核了發(fā)電機本機振蕩頻率附近的阻尼比，對于低頻段的阻尼比只能夠通過參數(shù)整定過程中正確的相位補償來保證。由于不同調(diào)差系數(shù)下本機振蕩頻率處的相位滯后差別很小，所以當(dāng)調(diào)差系數(shù)改變時，即使當(dāng)前PSS參數(shù)不再滿足相位補償要求(尤其在低頻段)，也很難通過電壓階躍試驗來檢驗。

因此，在PSS試驗開始前，工作人員必須先設(shè)置好調(diào)差系數(shù)，以確保頻率響應(yīng)特性測量結(jié)果的正確性；一旦PSS參數(shù)整定完成，就不要再隨意修改調(diào)差系數(shù)；若確實需要修改調(diào)差系數(shù)，那就必須重新進(jìn)行勵磁系統(tǒng)的無補償頻率響應(yīng)特性測量，根據(jù)新的頻率響應(yīng)特性重新PSS參數(shù)，確保在新的調(diào)差系數(shù)下PSS能提供正確的阻尼作用。

3 調(diào)差系數(shù)的優(yōu)化配置

采用負(fù)調(diào)差補償變壓器電抗壓降對于系統(tǒng)的穩(wěn)定十分有利，但過度補償變壓器電抗反而會使發(fā)電機電壓、無功變得不穩(wěn)定。

實際上，對于整個發(fā)變組來說，仍然需要一定的正調(diào)差特性來保證主變高壓側(cè)并列機組間無功功率分配穩(wěn)定，若負(fù)調(diào)差設(shè)置過大甚至接近變壓器短路電抗時，會造成主變高壓側(cè)并列機組間的無功分配不穩(wěn)定。

當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生波動時，過高的負(fù)調(diào)差也會使得勵磁系統(tǒng)反應(yīng)過度敏感，產(chǎn)生過大的無功擺動，反而不利系統(tǒng)的穩(wěn)定；發(fā)電機的長期運行電壓一般在1.05倍額定電壓以內(nèi)，過高的負(fù)調(diào)差也容易造成定子短時過電壓。

按照DL/T843－2010標(biāo)準(zhǔn)要求，主變高壓側(cè)并列的機組應(yīng)采用不大于5%的負(fù)調(diào)差。對于整個發(fā)變組來說，其調(diào)差率DT計算式如下

式中：UK為主變短路電壓；D為發(fā)電機電壓調(diào)差率；UGN、IGN為發(fā)電機額定電壓、電流；UTN、ITN為主變額定電壓、電流。

為了減小系統(tǒng)短路電流，目前主變壓器的短路電抗普遍達(dá)到10%至20%，補償30%～50%的主變電抗壓降已經(jīng)能夠有效改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性了，補償再多反而會得不償失。

4 仿真計算

以黃龍灘電廠3號機組為例，采用PSASP程序在湖北電網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定仿真。機組主要參數(shù)設(shè)置如下：3型發(fā)電機模型，12型勵磁調(diào)節(jié)器模型，7型調(diào)速器模型，4型PSS模型；Xd=0.996，Xq=0.713，Xd'’=0.295，Tj=7.43，Td0'’=10.94，主變電抗 Xt=0.14。

設(shè)置機組初始機端電壓為Ut=0.975，功率P=1.7，Q=0.42，在5 s時母線電壓發(fā)生3%左右電壓跌落，在電壓調(diào)差分別為-7%(補償50%的主變電抗)、0和+7%時進(jìn)行仿真，機組無功出力的變化如圖9所示。

圖9 不同調(diào)差下無功出力變化曲線Fig.9 The curve of reactive power output under different adjustment coefficients

可以看到，采用負(fù)調(diào)差補償主變電抗后，無功出力將明顯增加，在系統(tǒng)電壓跌落時，大大提高了機組的無功支撐能力，更有利于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。反之，采用正調(diào)差會減少機組無功出力，限制其無功支撐能力，非直接并列機組不應(yīng)使用正調(diào)差。

5 結(jié)語

發(fā)電機調(diào)差系數(shù)對于機組的無功特性影響極大，應(yīng)根據(jù)機組實際情況合理設(shè)置。對于單元制接線機組均應(yīng)設(shè)置負(fù)調(diào)差，能有效提升系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平，加強機組對系統(tǒng)的無功支撐能力。對于機端并列機組應(yīng)采用正調(diào)差，以保證機組間無功合理穩(wěn)定分配。同時，勵磁系統(tǒng)無補償?shù)念l率特性也會隨調(diào)差系數(shù)而變化，這直接影響了PSS參數(shù)整定的效果，所以在PSS試驗前必須設(shè)定好調(diào)差系數(shù)。

（References）

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Synchronous Generator Excitation Adjustment Differential Coefficient of Impact on Power System Analysis and Optimization Configuration Method Research

CHEN Qiao1，F(xiàn)U Xianfeng2，DING Kai1，WAN Li1，HUANG Wentao1
（1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute，Wuhan Hubei 430077，China;2.State Grid Hubei Electric PowerHuanglongtan Hydropower Station，Shiyan Hubei 442005，China）

In this paper,the influences of adjustment coefficient to the system，unit stability and result of PSS test are analyzed in detail.Then optimized configuration methodof adjustment coeffi?cient is proposed.Unit connection units should set negativeadjustment coefficient,to enhance the unit's ability of reactive power support to grid,and parallel connection units should set positivead?justment coefficient,to ensure stable distribution of reactive power between units.Finally,taking the actual unit as an example,the correctness of theoretical analysis is verifiedby combining field test results and PSASP simulation.

synchronous generator;excitation adjustment differential coefficient;system stability;simulation

TM31

A

1006-3986(2016)12-0043-06

10.19308/j.hep.2016.12.010

2016-10-09

陳 喬(1988)，男，湖北荊州人，碩士，工程師。

國網(wǎng)湖北省電力公司科技項目（項目編號：521532150009）。