發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁回路電阻基準(zhǔn)值選取研究

袁 晨，袁訓(xùn)奎

（1.國網(wǎng)山東平陰縣供電公司，山東 濟(jì)南 250400；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)模型和參數(shù)測(cè)試可為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析及電網(wǎng)日常生產(chǎn)調(diào)度提供準(zhǔn)確的模型和參數(shù)，是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的有效措施。

為規(guī)范發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試及建模工作，國家能源局發(fā)布了DL／T 1167—2012《同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)建模導(dǎo)則》（以下簡稱導(dǎo)則），對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立方法進(jìn)行了規(guī)范。導(dǎo)則規(guī)定：發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流的基準(zhǔn)值為發(fā)電機(jī)空載特性氣隙線上產(chǎn)生額定電壓所需要的磁場(chǎng)電流；發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)繞組電阻的基準(zhǔn)值為發(fā)電機(jī)額定工況下發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路電阻，也可取為發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓除以額定磁場(chǎng)電流的數(shù)值；發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電壓的基準(zhǔn)值為磁場(chǎng)電流的基準(zhǔn)值乘以磁場(chǎng)繞組電阻的基準(zhǔn)值［1-2］。根據(jù)導(dǎo)則，可對(duì)大部分機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行模型參數(shù)的確認(rèn)，但在執(zhí)行過程中仍存在不合理現(xiàn)象。因此，有必要對(duì)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁回路電阻基準(zhǔn)值選取進(jìn)行研究，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的準(zhǔn)確性。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試建模及存在問題

某電廠3 號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)原始參數(shù)為：定子額定電壓為15.75 kV，轉(zhuǎn)子額定電壓為267.5 V，轉(zhuǎn)子額定電流為1 449.5 A，空載轉(zhuǎn)子額定電壓為69.7 V，空載轉(zhuǎn)子額定電流為481.2 A。發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。表1中Uab、Ubc、Uca為發(fā)電機(jī)定子各線電壓值，If為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流值，Uf為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓值。

表1 發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)發(fā)電機(jī)的空載特性數(shù)據(jù)，計(jì)算可得勵(lì)磁電流基準(zhǔn)值為454.7 A，發(fā)電機(jī)電壓基準(zhǔn)值為15 750 V，繪制的發(fā)電機(jī)空載特性擬合曲線如圖1 所示。圖1中，點(diǎn)A、點(diǎn)B 分別為發(fā)電機(jī)電壓取標(biāo)幺值對(duì)應(yīng)氣隙線與特性曲線上的勵(lì)磁電流值。

圖1 發(fā)電機(jī)空載特性擬合曲線

根據(jù)導(dǎo)則，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流基準(zhǔn)值IfB選取為發(fā)電機(jī)空載特性擬合曲線氣隙線上與發(fā)電機(jī)額定電壓相對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流 （圖1 中A 點(diǎn)橫坐標(biāo)），IfB為454.7 A；發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路電阻基準(zhǔn)值RfB選取發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓與額定勵(lì)磁電流之比作為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路的電阻基準(zhǔn)值，RfB=UfN／IfN＝267.5／1 449.5=0.184 5 （Ω）；發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值UfB為勵(lì)磁電流基準(zhǔn)值IfB與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路電阻基準(zhǔn)值RfB乘積，UfB=IBRfB=454.7×0.184 5=83.9 （V）。

本機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)通道（即電壓調(diào)節(jié)通道）采用串聯(lián)PID（Proportion Intergral Derivative）控制方式，PID 的傳遞函數(shù)為f（S）=KRKG（1+TA1S）／（1＋TA2S），KR為PID 比例放大倍數(shù)，KG為功率單元放大倍數(shù)，TA1、TA2均為PID 時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，控制角度為0 時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電壓為490 V，發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電壓基準(zhǔn)值為83.9 V，經(jīng)折算得PID 參數(shù)為：KR＝22，TA1＝1，TA2＝4，KG＝1.35×490÷83.9＝7.884 4。

由此可得PID 調(diào)節(jié)表達(dá)式為f（S）＝22×7.884 4×（1＋S）／（1＋4S）＝173.5×（1＋S）／（1＋4S）。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)導(dǎo)則、機(jī)組原始參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可求得電壓調(diào)節(jié)器最大輸出電壓Vrmax、電壓調(diào)節(jié)器最小輸出電壓Vrmin和換相電抗的整流器負(fù)載因子KC。

使用電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP 進(jìn)行仿真，可以選用程序包中的12 型勵(lì)磁系統(tǒng)模型。根據(jù)調(diào)節(jié)器出廠參數(shù)及經(jīng)計(jì)算所得參數(shù)，可得電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP 12 型勵(lì)磁系統(tǒng)模型的參數(shù)，如表2中仿真參數(shù)值1 所示。表2 中仿真數(shù)值2 與仿真數(shù)值3 分別為下文3.1、3.2 中采取改進(jìn)措施后的仿真參數(shù)值；表2 中T1、T2、T3、T4均為PSASP 時(shí)間常數(shù)，KA為PSASP 中放大倍數(shù)，KV為模型選擇參數(shù)。

采用表2 中仿真參數(shù)值1 進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載階躍仿真，仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線的比對(duì)結(jié)果如表3 中仿真結(jié)果1 與仿真偏差1 所示。表3 中仿真結(jié)果2 與仿真偏差2、仿真結(jié)果3 與仿真偏差3 分別為下文3.1、3.2 中采取改進(jìn)措施后的仿真結(jié)果與仿真偏差。

由表3 可知，仿真結(jié)果1 中部分指標(biāo)與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差較大，超出偏差允許范圍，因此表2 中的仿真參數(shù)1 值不能作為實(shí)用值用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算。

2 原因分析

2.1 不合理現(xiàn)象

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值83.9 V 大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的機(jī)組空載轉(zhuǎn)子額定電壓74.9 V。查看其他機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)建模試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也存在這種現(xiàn)象。表4 給出了部分發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值和空載額定轉(zhuǎn)子電壓值。

表2 PSASP12 型勵(lì)磁系統(tǒng)模型仿真參數(shù)表

表3 發(fā)電機(jī)空載5%上階躍仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

2.2 分析原因

計(jì)算發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值時(shí)采用的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路電阻基準(zhǔn)值為發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓除以額定磁場(chǎng)電流的數(shù)值，考慮額定工況下磁場(chǎng)繞組溫度較高，此數(shù)據(jù)較發(fā)電機(jī)空載額定時(shí)勵(lì)磁回路的阻值大。

表4 部分發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值和空載額定轉(zhuǎn)子電壓值對(duì)比表 V

計(jì)算發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路電阻基準(zhǔn)值時(shí)如采用發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓除以額定磁場(chǎng)電流的數(shù)值，對(duì)于個(gè)別勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主控制回路放大倍數(shù)采用PID 控制環(huán)節(jié)放大倍數(shù)和勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元放大倍數(shù)乘積的機(jī)組，可造成勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主控制回路總放大倍數(shù)的計(jì)算值偏低，進(jìn)而導(dǎo)致部分指標(biāo)與實(shí)際值差別較大，不滿足導(dǎo)則要求，無法確認(rèn)勵(lì)磁系統(tǒng)模型和參數(shù)。

3 改進(jìn)措施

3.1 以空載額定時(shí)勵(lì)磁回路電阻實(shí)測(cè)值作為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路電阻基準(zhǔn)值

根據(jù)空載特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，空載額定時(shí)轉(zhuǎn)子電壓為74.9 V，轉(zhuǎn)子電流為492.9 A，勵(lì)磁回路電阻為74.9／492.9=0.152（Ω），勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值為0.152×454.7=69.1（V），主控制回路放大倍數(shù)為22×1.35×490／69.1=210.6。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)導(dǎo)則和機(jī)組原始參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可求得電壓調(diào)節(jié)器最大輸出電壓Vrmax、電壓調(diào)節(jié)器最小輸出電壓Vrmin和換相電抗的整流器負(fù)載因子KC。由此可得電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP 12 型勵(lì)磁系統(tǒng)模型的仿真參數(shù)，見表2 中仿真參數(shù)值2。

采用表2 中仿真參數(shù)值2 進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載階躍仿真，仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比結(jié)果如表3 仿真結(jié)果2 和仿真偏差2 所示。

由表3 仿真結(jié)果2 和仿真偏差2 可知，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，偏差在允許范圍內(nèi)。

3.2 根據(jù)發(fā)電機(jī)額定工況下勵(lì)磁回路電壓基準(zhǔn)值求取空載額定時(shí)勵(lì)磁回路電壓基準(zhǔn)值

根據(jù)本文勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試建模及存在問題，發(fā)電機(jī)額定工況下勵(lì)磁回路電壓基準(zhǔn)值等于83.9 V。由于發(fā)電機(jī)額定工況下和空載額定時(shí)轉(zhuǎn)子繞組溫度不同，額定工況下轉(zhuǎn)子繞組溫度一般選取為75 ℃，空載額定時(shí)轉(zhuǎn)子繞組溫度一般選取為25 ℃，并考慮溫度因素對(duì)電阻值的影響［3-8］，可得空載額定時(shí)勵(lì)磁回路電壓基準(zhǔn)值為83.9×（234.5＋25）／（234.5＋75）＝70.3（V），計(jì)算控制回路放大倍數(shù)為22×1.35×490／70.3＝207.0。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)導(dǎo)則和機(jī)組原始參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可求得電壓調(diào)節(jié)器最大輸出電壓Vrmax、電壓調(diào)節(jié)器最小輸出電壓Vrmin和換相電抗的整流器負(fù)載因子KC。由此可得電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP 12 型勵(lì)磁系統(tǒng)模型的仿真參數(shù)，見表2 中仿真參數(shù)值3。

采用表2 中仿真參數(shù)值3 進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載階躍仿真，仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比結(jié)果如表3 仿真結(jié)果3 和仿真偏差3 所示。

由表3 仿真結(jié)果3 和仿真偏差3 可知，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，偏差在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

根據(jù)上述分析可知，在進(jìn)行勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試建模時(shí)，如根據(jù)導(dǎo)則計(jì)算出的勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值或原始數(shù)據(jù)，對(duì)于部分機(jī)組，應(yīng)對(duì)勵(lì)磁回路電阻基準(zhǔn)值進(jìn)行修正；導(dǎo)則中宜增加相關(guān)內(nèi)容，在出現(xiàn)上述情況時(shí)，允許對(duì)勵(lì)磁回路電阻基準(zhǔn)值進(jìn)行修正，否則仿真結(jié)果可能與實(shí)測(cè)值存在加大的偏差，導(dǎo)致無法建立勵(lì)磁系統(tǒng)模型參數(shù)。