某1 000 MW汽輪機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)測(cè)建模過(guò)程淺析

李 鵬

(安徽新力電業(yè)科技咨詢(xún)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230601)

0 前言

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，電源建設(shè)速度也同步加快。大容量發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的安全穩(wěn)定性能關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定，而這些機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行又起著至關(guān)重要的作用。因此，大容量新機(jī)組投運(yùn)時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能能否滿(mǎn)足機(jī)組并網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，成為電力系統(tǒng)關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文在為1 000 MW汽輪機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)投運(yùn)試驗(yàn)提供技術(shù)支持和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督服務(wù)的基礎(chǔ)上，建立能夠真實(shí)反映機(jī)組調(diào)節(jié)特性的勵(lì)磁系統(tǒng)模型，并結(jié)合各項(xiàng)投運(yùn)試驗(yàn)波形，分析勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能是否滿(mǎn)足并網(wǎng)要求。首先，勵(lì)磁系統(tǒng)建模根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)各環(huán)節(jié)(包括發(fā)電機(jī)和主勵(lì)磁機(jī)等)的詳細(xì)參數(shù)，建立可供BPA電力系統(tǒng)仿真程序使用的勵(lì)磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型及參數(shù)，并通過(guò)發(fā)電機(jī)空載階躍響應(yīng)仿真，初步評(píng)估勵(lì)磁系統(tǒng)PID參數(shù)的設(shè)定效果。在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，將發(fā)電機(jī)空載階躍響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行比較，以最終確定勵(lì)磁系統(tǒng)模型和參數(shù)。

本文根據(jù)各項(xiàng)投運(yùn)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能進(jìn)行綜合分析，最終的分析結(jié)果將作為確定機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能能否滿(mǎn)足機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電條件的依據(jù)。

1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

1.1 發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 勵(lì)磁變參數(shù)

勵(lì)磁變相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 勵(lì)磁變參數(shù)

1.3 PT、CT、轉(zhuǎn)子分流器變比

發(fā)電機(jī)PT變比為27 kV/100 V，CT變比為30 000 A/5 A，轉(zhuǎn)子分流器的變比為8 000 A/60 mV。[1]

1.4 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

數(shù)字型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的生產(chǎn)廠家為上海ABB工程有限公司，型號(hào)為UNITROL-6800。

2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)模型

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS是UNITROL-6800測(cè)量單元板MUB的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)軟件功能。PSS通過(guò)引入附加反饋信號(hào)來(lái)抑制同步發(fā)電機(jī)的低頻振蕩，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。PSS的控制算法基于雙輸入型的PSS 模型IEEE Std.421-2A。附加反饋信號(hào)為機(jī)組的加速功率信號(hào)，由電功率信號(hào)和轉(zhuǎn)子角頻率信號(hào)綜合而成。[2]ABB UN6800型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的電壓控制環(huán)傳遞函數(shù)如圖1所示。

圖1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器原始模型

3 實(shí)測(cè)建模過(guò)程

3.1 發(fā)電機(jī)空載特性測(cè)試

發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速空載運(yùn)行，勵(lì)磁變壓器接6.3 kV臨時(shí)電源，采用手動(dòng)勵(lì)磁方式調(diào)整發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓由0升到105%額定，記錄勵(lì)磁電壓和電流、發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，如圖2所示，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖2 發(fā)電機(jī)空載特性曲線

表3 發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 發(fā)電機(jī)定子開(kāi)路時(shí)勵(lì)磁繞組d軸時(shí)間常數(shù)測(cè)試

圖3 發(fā)電機(jī)空載不飽和時(shí)間常數(shù)試驗(yàn)錄波

3.3 發(fā)電機(jī)空載階躍5%響應(yīng)試驗(yàn)

圖4為發(fā)電機(jī)自并勵(lì)空載運(yùn)行機(jī)端電壓在額定電壓條件下±5%階躍試驗(yàn)波形圖，其技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 自并勵(lì)空載機(jī)端電壓小擾動(dòng)階躍技術(shù)指標(biāo)

圖4 發(fā)電機(jī)自并勵(lì)空載運(yùn)行機(jī)端電壓±5%階躍

3.4 發(fā)電機(jī)空載階躍20%響應(yīng)試驗(yàn)

在發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器運(yùn)行于自動(dòng)控制方式，在40%額定機(jī)端電壓條件下，進(jìn)行機(jī)端電壓20%階躍，記錄發(fā)電機(jī)電壓、發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電壓和電流的響應(yīng)波形如圖5所示。

圖5 發(fā)電機(jī)自并勵(lì)空載運(yùn)行機(jī)端電壓20%階躍

3.5 調(diào)差極性測(cè)量

試驗(yàn)中，維持發(fā)電機(jī)有功不變，保持電壓給定值不變，改變調(diào)差值，記錄對(duì)應(yīng)的無(wú)功功率和機(jī)端電壓值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可見(jiàn)，隨著調(diào)差值減小，發(fā)電機(jī)電壓也隨之減小，最終整定調(diào)差值為0.07，即調(diào)差系數(shù)為-7%。

表5 調(diào)差極性試驗(yàn)記錄

4 勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

4.1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路參數(shù)和飽和系數(shù)計(jì)算

4.1.1 勵(lì)磁系統(tǒng)基準(zhǔn)值

(1) 根據(jù)發(fā)電機(jī)空載特性曲線，發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流基準(zhǔn)值IfB=1 726 A。

(3) 發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電壓基準(zhǔn)值UfB=IfB×RfB=1 726×0.074=127.7 V。

(4) 發(fā)電機(jī)電壓基準(zhǔn)值UB=發(fā)電機(jī)額定電壓UGN=27 kV。

(5) 發(fā)電機(jī)電流基準(zhǔn)值IB=發(fā)電機(jī)額定電流IGN=23 778 A。

(6) 發(fā)電機(jī)功率基準(zhǔn)值SB=發(fā)電機(jī)額定視在功率SGN=1 112 MVA。

4.1.2 發(fā)電機(jī)飽和系數(shù)計(jì)算

實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)空載特性曲線如圖2所示。

對(duì)應(yīng)于M/MG卡發(fā)電機(jī)模型，其飽和特性參數(shù)如下:

式中：a、b、n為PSASP電力系統(tǒng)分析程序進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)的飽和系數(shù)，If0和IfB為發(fā)電機(jī)額定電壓下發(fā)電機(jī)空載特性曲線上對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流和發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)基準(zhǔn)電流，單位為安(A)，IfK和IfJ為發(fā)電機(jī)1.2倍額定電壓下發(fā)電機(jī)空載特性曲線和發(fā)電機(jī)空載氣隙曲線上對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流，單位為安(A)。

對(duì)應(yīng)于M/MF卡發(fā)電機(jī)模型，發(fā)電機(jī)飽和特性參數(shù)如下：

SG1.0=(If0-IfB)/IfB=(1 998-1 726)/1 726=0.157 6
SG1.2=(IfK-IfJ)/IfJ=(3 581-2 071)/2 071=0.729 1

式中：SG1.0和SG1.2為PSD電力系統(tǒng)分析程序中發(fā)電機(jī)的飽和系數(shù)。

4.2 整流橋換相壓降系數(shù)KC的計(jì)算

式中：UETK為勵(lì)磁變壓器短路電壓，標(biāo)幺值(pu)；SETN為勵(lì)磁變壓器額定容量，單位為伏安(VA)；UET為勵(lì)磁變壓器二次額定線電壓，單位為伏(V)；IfB和UfB為磁場(chǎng)電流和磁場(chǎng)電壓基準(zhǔn)值，單位分別為安(A)和伏(V)。

4.3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算

4.3.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出電壓的最大值和最小值

(1)URMAX和URMIN理論值計(jì)算：

URMAX=1.35UETcosαMIN/UfB=1.35×956×cos10°/127.7=9.95 V
URMIN=1.35UETcosαMAX/UfB=1.35×956×cos150°/127.7=-8.75 V

式中：αMAX和αMIN分別為可控整流器的最大控制角和最小控制角，單位為度(°)。

(2) 發(fā)電機(jī)空載大擾動(dòng)試驗(yàn)校核。在發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器運(yùn)行于自動(dòng)控制方式，在40%額定機(jī)端電壓條件下，進(jìn)行機(jī)端電壓20%階躍，記錄發(fā)電機(jī)電壓、發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電壓和電流的響應(yīng)波形。[3]其波形如圖5所示。

由波形數(shù)據(jù)可得，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出限幅值分別為：

URMAX=(Uf1+KCIf1)/Ut1=(545.45/127.7+0.101 6×2 424.4/1 726)/0.461 42=9.57 V
URMIN=(Uf2+KCIf2)/Ut2=(671.8/127.7+0.101 6×330.15/1 726)/0.594 18=8.82 V

式中：Uf1和Uf2為試驗(yàn)中最大和最小發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電壓，標(biāo)幺值(pu)；Ut1和Ut2分別對(duì)應(yīng)于Uf1和Uf2試驗(yàn)中的發(fā)電機(jī)電壓，標(biāo)幺值(pu)；If1和If2分別對(duì)應(yīng)于Uf1和Uf2試驗(yàn)中的發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流，標(biāo)幺值(pu)。

由URMAX=1.35UETcosαMIN/UfB得，可控整流器的最小控制角αMIN=18.75°。

由URMIN=1.35UETcosαMAX/UfB得，可控整流器的最大控制角αMAX=150.77°。

實(shí)際錄波結(jié)果相對(duì)于理論計(jì)算結(jié)果比較接近，以實(shí)際錄波結(jié)果為最終值。

4.3.2 發(fā)電機(jī)電壓測(cè)量環(huán)節(jié)等值時(shí)間常數(shù)

調(diào)節(jié)器輸入濾波器時(shí)間常數(shù)TR=0.02 s。

4.3.3 調(diào)節(jié)器最大內(nèi)部電壓VAMAX和最小內(nèi)部電壓VAMIN

調(diào)節(jié)器最大內(nèi)部電壓VAMAX=10 pu。

調(diào)節(jié)器最小內(nèi)部電壓VAMIN=-10 pu。

4.4 PID原始模型參數(shù)

ABB UN6800型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 調(diào)節(jié)器參數(shù)

PID參數(shù)計(jì)算：

(1)KR=VO=500；

(2)TC1=1.0 s；

(3)TC2=0.1 s；

(4)由VP=KR×TC1/TB1得，TB1=KR×TC1/VP=500×1.0/50=10 s；

(5)由VOO=KR×TC1×TC2/(TB1×TB2)=VP×TC2/TB2得，TB2=VP×TC2/VOO=50×0.1/50=0.1 s。

式中：KR為穩(wěn)態(tài)增益；TB1為電壓調(diào)節(jié)器第一滯后時(shí)間常數(shù)；TB2為電壓調(diào)節(jié)器第二滯后時(shí)間常數(shù)。

4.5 功率控制環(huán)節(jié)放大倍數(shù)

式中：Uac為整流橋交流側(cè)線電壓，單位為伏(V)；UB為調(diào)節(jié)器輸出電壓基準(zhǔn)值，單位為伏(V)。

5 供仿真計(jì)算使用的勵(lì)磁系統(tǒng)模型及參數(shù)

利用電力系統(tǒng)分析軟件(BPA)構(gòu)建單機(jī)空載系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)采用M/MG卡，其中發(fā)電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1(其中發(fā)電機(jī)直軸開(kāi)路時(shí)間常數(shù)采用實(shí)測(cè)值)。對(duì)比制造廠提供的勵(lì)磁系統(tǒng)模型，在BPA模型庫(kù)中選取勵(lì)磁系統(tǒng)模型FV/F+卡，其模型如圖6所示，由上述實(shí)測(cè)參數(shù)填寫(xiě)FV/F+卡如表7所示。

圖6 FV型自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)模型

表7 BPA勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)(FV/F+卡)

6 勵(lì)磁系統(tǒng)空載階躍仿真

利用BPA模型進(jìn)行發(fā)電機(jī)自并勵(lì)空載機(jī)端電壓5%階躍響應(yīng)仿真，驗(yàn)證該模型在暫穩(wěn)計(jì)算中能否近似反映勵(lì)磁系統(tǒng)的響應(yīng)，仿真波形如圖7所示，品質(zhì)參數(shù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表8。

圖7 機(jī)端電壓±5%階躍BPA仿真(機(jī)端電壓(標(biāo)幺值))

表8 機(jī)端電壓±5%階躍響應(yīng)品質(zhì)參數(shù)

7 結(jié)論

本項(xiàng)目基于1 000 MW汽輪機(jī)組發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行了發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的模型辨識(shí)工作，得出了勵(lì)磁系統(tǒng)模型參數(shù)，并通過(guò)BPA軟件仿真驗(yàn)證了所辨識(shí)參數(shù)的準(zhǔn)確性。

項(xiàng)目給出了1 000 MW汽輪機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)BPA模型參數(shù)表，BPA軟件仿真結(jié)果表明，給出的BPA模型參數(shù)可應(yīng)用于電力系統(tǒng)仿真計(jì)算。