海南瓊中抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測(cè)與建模仿真

劉向東，符彥青，楊亞九

(1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗(yàn)分公司，廣東廣州511400；2.海南蓄能發(fā)電有限公司，海南?？?70100)

0 引 言

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓穩(wěn)定、控制并列運(yùn)行機(jī)組無功功率合理分配及提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定作用顯著[1]。在電力系統(tǒng)分析中，不同勵(lì)磁系統(tǒng)模型及參數(shù)的使用將對(duì)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較為明顯的差異[2-3]。與此同時(shí)，隨著我國(guó)電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)及西電東送工程的實(shí)施，電網(wǎng)潮流更加復(fù)雜，這對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算的精確性提出了更高的要求[4]。新的計(jì)算導(dǎo)則要求發(fā)電機(jī)模型的采用更加精準(zhǔn)，同時(shí)要求穩(wěn)定計(jì)算中采用實(shí)際的勵(lì)磁系統(tǒng)模型和參數(shù)[5]。

本文以海南瓊中抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組為例，對(duì)典型抽水蓄能機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)模型及參數(shù)進(jìn)行了研究測(cè)試，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析及電網(wǎng)日常生產(chǎn)調(diào)度提供了準(zhǔn)確的計(jì)算依據(jù)，對(duì)保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率意義重大。

1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)組成

勵(lì)磁控制系統(tǒng)主要由自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、功率滅磁單元和同步發(fā)電機(jī)組成。自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是勵(lì)磁控制系統(tǒng)的核心，一般由基本控制、輔助控制和勵(lì)磁限制三大部分組成，其根據(jù)檢測(cè)到的發(fā)電機(jī)的電壓、電流或其他狀態(tài)量的輸入信號(hào)，按照給定的勵(lì)磁控制準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁功率單元的輸出[6]。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)模型及仿真

2.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模型

海南瓊中抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為ALSTOM提供的P320 AVR V3型數(shù)字式調(diào)節(jié)器。勵(lì)磁系統(tǒng)AVR等效模型框圖如圖1所示，勵(lì)磁系統(tǒng)PSS等效模型框圖如圖2所示。

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)AVR等效模型

圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)PSS等效模型

2.2 PID環(huán)節(jié)模型參數(shù)頻域辨識(shí)

調(diào)試分別設(shè)置兩組PID參數(shù)，通過動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀實(shí)際測(cè)試PID整體環(huán)節(jié)輸入和輸出信號(hào)的幅頻特性和相頻特性。同時(shí)，結(jié)合頻域響應(yīng)的理論計(jì)算數(shù)據(jù)，可以得出實(shí)際測(cè)量和理論模型的頻域響應(yīng)對(duì)比情況。PID參數(shù)設(shè)置一：grv1=20，trv1=trv3=1 s，trv2=5 s；PID參數(shù)設(shè)置二：grv1=10，trv1=trv3=1 s，trv2=1 s。

如圖3、4所示，理論Q1曲線和實(shí)測(cè)Q2曲線分別表示理論和實(shí)測(cè)幅頻特性，理論P(yáng)1曲線和實(shí)測(cè)P2曲線分別表示理論和實(shí)測(cè)相頻特性。從圖中可以看出，理論相位Q1與實(shí)測(cè)相位Q2基本重合，理論增益P1和實(shí)測(cè)增益P2基本重合。

ΔQ=Q1-Q2

(1)

式中，ΔQ為相位誤差；Q1為理論相位；Q2為實(shí)測(cè)相位。

ΔP=(P1-P2)/P1×100%

(2)

式中，ΔP為增益誤差；P1為理論增益；P2為實(shí)測(cè)增益。

圖3 PID整體環(huán)節(jié)頻域響應(yīng)特性測(cè)量一

圖4 PID整體環(huán)節(jié)頻域響應(yīng)特性測(cè)量二

由式(1)和式(2)分別計(jì)算兩組參數(shù)給定下PID整體環(huán)節(jié)的相位誤差和增益誤差。參數(shù)設(shè)置一情況下，當(dāng)頻率為0.5 Hz時(shí)，理論和測(cè)量的相位偏差最大，ΔQ為-0.826°，當(dāng)頻率為1.1 Hz時(shí)，理論和測(cè)量的增益偏差最大，ΔP為1.315%。參數(shù)設(shè)置二情況下，當(dāng)頻率為10 Hz時(shí)，理論和測(cè)量的相位偏差最大，ΔQ為-1.774°，當(dāng)頻率為0.2 Hz時(shí)，理論和測(cè)量的增益偏差最大，ΔP為2.495%。PID整體環(huán)節(jié)的理論模型和測(cè)量模型基本一致。

2.3 PSS環(huán)節(jié)模型參數(shù)頻域辨識(shí)

試驗(yàn)在機(jī)組發(fā)電工況下進(jìn)行，有功功率輸出穩(wěn)定在120 MW，噪聲信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換疊加到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器給定值上，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓、機(jī)端電壓、機(jī)端電流、有功功率和無功功率均產(chǎn)生擾動(dòng)，調(diào)節(jié)器通過內(nèi)部計(jì)算可獲得帶擾動(dòng)信號(hào)的有功功率PE和帶擾動(dòng)信號(hào)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速FPSS，PE和FPSS作為輸入信號(hào)送至PSS模型中即可測(cè)量并辨識(shí)PSS各環(huán)節(jié)模型參數(shù)。

2.3.1 PSS隔直環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)模型參數(shù)頻域辨識(shí)

圖5 PSS隔直環(huán)節(jié)的頻域響應(yīng)特性曲線

圖6 PSS慣性環(huán)節(jié)的頻域響應(yīng)特性曲線

圖5、6分別為PSS隔直環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)理論模型和實(shí)際測(cè)量的頻域響應(yīng)特性曲線。通過計(jì)算數(shù)據(jù)得知，PSS隔直環(huán)節(jié)理論和測(cè)量的最大增益偏差為0.723%，最大相位偏差為0.665°，PSS慣性環(huán)節(jié)理論和測(cè)量的最大增益偏差為-2.15%，最大相位偏差為1.69°。PSS隔直環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的理論模型和測(cè)量模型一致。

2.3.2 PSS整個(gè)相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)模型參數(shù)頻域辨識(shí)

圖7為PSS整個(gè)相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)理論模型和實(shí)際測(cè)量的頻域響應(yīng)特性曲線。通過計(jì)算數(shù)據(jù)得知，該環(huán)節(jié)理論和測(cè)量的最大增益偏差為2.43%，最大相位偏差為0.85°，PSS整個(gè)相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)的理論模型和測(cè)量模型基本一致。

圖7 PSS整個(gè)相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)的頻域響應(yīng)特性曲線

2.4 發(fā)電機(jī)空載特性

維持發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速，利用自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行勵(lì)磁電壓升壓、降壓試驗(yàn)，同時(shí)記錄轉(zhuǎn)子電流、電壓和發(fā)電機(jī)定子電壓變化情況。

通過試驗(yàn)得出發(fā)電機(jī)空載額定勵(lì)磁電壓和額定勵(lì)磁電流分別為108.5 V和908.7 A。機(jī)端PT二次側(cè)額定電壓為100 V，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制發(fā)電機(jī)空載特性曲線，如圖8所示。

圖8 發(fā)電機(jī)空載特性曲線

2.5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、功率滅磁單元正常投入使用的過程中，通過突然改變勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出控制電壓使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓發(fā)生躍變，使用TK電量記錄分析儀測(cè)量發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓UFD、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流IFD和發(fā)電機(jī)定子電壓UAB變化。

錄波過程中測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓躍變時(shí)對(duì)應(yīng)定子電壓波形可得出轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Δt=10.27 s，小于廠家提供的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)11.45 s，計(jì)算用時(shí)間常數(shù)取實(shí)測(cè)值10.27 s。

2.6 勵(lì)磁系統(tǒng)比例放大倍數(shù)

PID自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的積分、微分環(huán)節(jié)退出，參數(shù)設(shè)置K=5，此狀態(tài)下PID自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為單純的比例調(diào)節(jié)器，在線測(cè)量可直接得出勵(lì)磁系統(tǒng)比例放大倍數(shù)。將發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓從額定值的20%依次調(diào)整至100%，記錄自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器給定電壓、轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流變化情況。

圖9為勵(lì)磁系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)測(cè)量曲線，橫坐標(biāo)為機(jī)端給定電壓與實(shí)際電壓差值Uref-Ug(p.u.)，縱坐標(biāo)為調(diào)節(jié)器輸出電壓Uavr_out(p.u.)。實(shí)測(cè)勵(lì)磁系統(tǒng)比例放大倍數(shù)grv=10.76，說明調(diào)節(jié)器中還有另一放大倍數(shù)為10.76/5=2.15的環(huán)節(jié)存在，此環(huán)節(jié)在BPA程序中可用電壓調(diào)節(jié)器增益KA=2.15體現(xiàn)。

圖9 勵(lì)磁系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)測(cè)量

2.7 發(fā)電機(jī)空載階躍試驗(yàn)

2.7.1 ±40%大干擾階躍試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)維持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器于自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)模式，在空載條件下進(jìn)行±40%階躍試驗(yàn)可測(cè)得調(diào)節(jié)器最大和最小輸出電壓。

Uf=1.35U21·cosα

(3)

式中，Uf為勵(lì)磁電壓；U21為勵(lì)磁變低壓側(cè)線電壓；α為整流橋控制角。

使用TK電量記錄分析儀可得到發(fā)電機(jī)±40%階躍響應(yīng)曲線，勵(lì)磁電壓最大值Ufmax=533.8 V， 勵(lì)磁電壓最小值Ufmin=474.4 V，根據(jù)式(3)計(jì)算得到相應(yīng)的最大控制角αmax=137.1°和最小控制角αmax=34.5°。

2.7.2 ±5%小干擾階躍試驗(yàn)

同樣發(fā)電機(jī)維持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器于自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)模式，在空載條件下先利用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓升至95%額定電壓，再進(jìn)行±5%階躍響應(yīng)試驗(yàn)。通過測(cè)試得到±5%階躍響應(yīng)試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)為：發(fā)電機(jī)電壓振蕩次數(shù)N=1，超調(diào)量MP=1.4%，到達(dá)峰值的時(shí)間TP=0.61 s，上升時(shí)間Tr=0.285 s，調(diào)節(jié)時(shí)間Ts=0.34 s，動(dòng)態(tài)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.8 調(diào)差系數(shù)校核

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器于自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)模式，維持有功功率額定不變，無功功率設(shè)置值為50 MVar。由于試驗(yàn)檢測(cè)到的電壓給定值是調(diào)節(jié)器內(nèi)部經(jīng)過調(diào)差計(jì)算后的值UrefB，所以首先設(shè)置勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)為0，記錄此時(shí)機(jī)端電壓給定值，然后修改勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)，依次記錄發(fā)電機(jī)無功功率和機(jī)端電壓給定值，同時(shí)通過計(jì)算校核調(diào)差系數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

調(diào)差系數(shù)公式

UrefB=Uref-k·Q

(4)

由式(4)可得計(jì)算調(diào)差系數(shù)公式

k=(Uref-UrefB)/Q (5)

以校核調(diào)差系數(shù)2%為例，先將k=0代入式(4)可得到Uref=UrefB=0.9976，再將Q=37.6代入式(5)可得到k=(0.997 6-1.00 00)/(37.6/334)×100%=-2.17%。

從表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，實(shí)測(cè)調(diào)差系數(shù)與設(shè)置調(diào)差系數(shù)極性相反，絕對(duì)值基本一致，修改調(diào)差系數(shù)時(shí)需要引起注意。調(diào)節(jié)器整定調(diào)差系數(shù)為2%。

圖10 FV型勵(lì)磁系統(tǒng)模型

2.9 勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及參數(shù)

勵(lì)磁電流基準(zhǔn)值IFDB=746.77 A

勵(lì)磁回路電阻基準(zhǔn)值

RFDB=UFDN/IFDN=231/1 532=0.150 8 Ω

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值

UFDB=RFDB·IFDB=112.6 V

空載曲線上機(jī)端電壓為額定電壓時(shí)對(duì)應(yīng)勵(lì)磁電流IFD0=908.7 A

發(fā)電機(jī)額定電壓點(diǎn)的飽和系數(shù)

SG1，0=(IFD0-IFDB)/IFDB=0.216 9

發(fā)電機(jī)1.2倍額定電壓點(diǎn)的飽和系數(shù)

SG1，2=(IFD1，2-IFDB1，2)/IFDB1，2=0.528 6

調(diào)節(jié)器PID參數(shù)：grv=28.67，trv1=1 s，trv2=1 s，trv3=1 s。實(shí)測(cè)參數(shù)：K1=61.7，T1=5 s，T2=5 s，T3=1 s，T4=5 s，KV=0。

電壓調(diào)節(jié)器最大和最小輸出電壓

VRMAX=1.35×480×cos34.5°/112.6=4.74

VRMIN=1.35×480×cos137.1°/112.6=-4.21

調(diào)節(jié)器最大內(nèi)部電壓和最小內(nèi)部電壓

VAMAX=Uex-max·KA=5.26×2.15=11.31

VAMIN=Uex-min·KA=-4.56×2.15=-9.80

換相電抗的整流橋負(fù)載因子

=0.086 5

海南瓊中抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)可采用FV型勵(lì)磁系統(tǒng)模型(BPA模型)作為仿真計(jì)算用數(shù)學(xué)模型。FV型勵(lì)磁系統(tǒng)模型框圖如圖10所示。

根據(jù)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模型參數(shù)及試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果換算所得的FV型勵(lì)磁系統(tǒng)模型參數(shù)：調(diào)節(jié)器輸入濾波器時(shí)間常數(shù)Tr=0.02 s，調(diào)節(jié)器最大內(nèi)部電壓(標(biāo)幺值)VAMAX=11.31，調(diào)節(jié)器最小內(nèi)部電壓(標(biāo)幺值)VAMIN=-9.80，電壓調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)T1=5.0 s，電壓調(diào)節(jié)器滯后時(shí)間常數(shù)T2=5.0 s，電壓調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)T3=1.0 s，電壓調(diào)節(jié)器滯后時(shí)間常數(shù)T4=1.0 s，電壓調(diào)節(jié)器增益(標(biāo)幺值)KA=2.15，電壓調(diào)節(jié)器增益(標(biāo)幺值)K=28.67，電壓調(diào)節(jié)器增益(標(biāo)幺值)KV=0，電壓調(diào)節(jié)器滯后時(shí)間常數(shù)TA=0.005 s，電壓調(diào)節(jié)器最大輸出電壓(標(biāo)幺值)VRMAX=4.74，電壓調(diào)節(jié)器最大輸出電壓(標(biāo)幺值)VRMIN=-4.21，換相電抗的整流器負(fù)載因子(標(biāo)幺值)KC=0.087，調(diào)節(jié)器穩(wěn)定回路增益(標(biāo)幺值)KF=0，調(diào)節(jié)器穩(wěn)定回路時(shí)間常數(shù)(標(biāo)幺值)TF=1，負(fù)載補(bǔ)償無功分量(標(biāo)幺值)XC=-2%。

2.10 勵(lì)磁控制系統(tǒng)空載階躍仿真

仿真過程中，發(fā)電機(jī)計(jì)算卡采用BPA模型中的發(fā)電機(jī)M卡和MF卡。

發(fā)電機(jī)M卡參數(shù)：發(fā)電機(jī)母線電壓Ust=13.8 kV，電機(jī)額定容量SN=222 MW，電機(jī)功率因素COSα=0.9，直軸暫態(tài)電抗Xdpp=0.214 1，交軸暫態(tài)電抗Xqpp=0.1877，直軸次暫態(tài)時(shí)間常數(shù)Td0pp=0.021 s，交軸次暫態(tài)時(shí)間常數(shù)Tq0pp=0.043 s。發(fā)電機(jī)MF卡參數(shù)：Ust=13.8 kV，發(fā)電機(jī)動(dòng)能EP=1 069 MW·s，SN=222 MV·A，Xdp=0.279 7，Xqpp=0.678 4，直軸不飽和同步電抗Xd=0.971 9，交軸不飽和電抗Xq=0.678 4，直軸暫態(tài)開路時(shí)間常數(shù)實(shí)測(cè)值Td0p=10.27 s，交軸暫態(tài)開路時(shí)間常數(shù)Tq0p=0.43 s，定子漏抗Xσ=0.108 1，額定電壓下電機(jī)飽和系數(shù)SG1，0=0.216 9，1.2倍額定電壓下電機(jī)飽和系數(shù)SG1，2=0.528 6。

發(fā)電機(jī)+5%階躍響應(yīng)的BPA模型仿真與試驗(yàn)錄波實(shí)測(cè)情況如圖11和圖12所示，其中曲線Curve1為模型仿真曲線，曲線Curve2為試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線。通過對(duì)比分析可以看出，無論是機(jī)端電壓還是勵(lì)磁電壓，模型仿真與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

圖11 +5%階躍響應(yīng)模型仿真與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比(機(jī)端電壓)

圖12 +5%階躍響應(yīng)模型仿真與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果比較(勵(lì)磁電壓)

表2 +5%階躍響應(yīng)模型仿真與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(機(jī)端電壓)

3 結(jié) 論

(1)通過海南瓊中抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測(cè)工作，完成了1號(hào)機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模型參數(shù)辨識(shí)、發(fā)電機(jī)空載特性測(cè)試、發(fā)電機(jī)空載階躍響應(yīng)及調(diào)差系數(shù)校核等試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)建立了勵(lì)磁系統(tǒng)空載階躍響應(yīng)仿真模型，對(duì)比空載階躍響應(yīng)的模型仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了勵(lì)磁系統(tǒng)空載階躍響應(yīng)仿真模型的正確性。

(3)在勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，歸算了仿真模型所需的各項(xiàng)參數(shù)，特別是南方電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算BPA程序中的海蓄發(fā)電機(jī)模型參數(shù)，可為系統(tǒng)穩(wěn)定分析及電網(wǎng)日常生產(chǎn)調(diào)度提供準(zhǔn)確的計(jì)算依據(jù)。