三機勵磁系統模型參數辨識與分析

穆興華,徐明宇,齊 超,崔佳鵬,姜 鵬,關萬琳

(1.黑龍江省電力科學研究院, 哈爾濱 150030；2.大唐黑龍江發電有限公司哈爾濱第一熱電廠安全監察部， 哈爾濱 150078)

三機勵磁系統模型參數辨識與分析

穆興華1,徐明宇1,齊 超2,崔佳鵬1,姜 鵬1,關萬琳1

(1.黑龍江省電力科學研究院, 哈爾濱 150030；2.大唐黑龍江發電有限公司哈爾濱第一熱電廠安全監察部， 哈爾濱 150078)

介紹了三機勵磁系統建模的方法,以黑龍江某電廠200 MW機組的 三機勵磁系統為研究對象,通過現場小擾動試驗結果與仿真結果的對比分析,驗證了模型建立方法的可行性,同時也為電網的穩定運行和分析提供了準確的計算數據。

三機勵磁系統;空載特性;負載特性;參數辨識;建模

隨著電網安全穩定運行重要性的日益突出,通過對電力系統穩定計算與分析來評估電力系統最優運行工況,已經成為提高電網穩定性的一個重要手段。而不同的勵磁系統模型和參數會對計算結果產生較大的影響,因此,建立準確的數學模型和采用能正確反映實際運行設備運行狀態的勵磁系統參數就顯得比較關鍵。三機勵磁系統具有勵磁電壓穩定,不受電網影響的優點,但相比自并勵勵磁系統響應仍然較慢,而且維護和建模比較復雜[1-4]。本文針對三機勵磁系統的特點,以黑龍江某電廠200 MW汽輪發電機組為例,介紹了對三機勵磁系統參數的辨識方法及試驗研究和理論分析。

1 三機勵磁系統試驗分析

1.1 發電機空載特性試驗及飽和系數計算

為了掌握發電機電壓、額定勵磁電壓及勵磁電流等數據,從而確定發電機勵磁回路的計算基準值及發電機飽和系數,對發電機空載時機端電壓與勵磁電流的關系進行了測量,試驗時對勵磁電流逐步調整,逐漸增加發電機機端電壓,先升高到105%額定電壓后再降到最低,測得的曲線和其數據如圖1、表1所示。

圖1 發電機空載特性曲線與氣隙線

在圖1所示的氣隙線上,勵磁電流的基準值取自發電機額定電壓下勵磁電流的數值,發電機勵磁繞組電阻的基準值為額定勵磁電壓與額定勵磁電流之比,可由發電機的空載特性曲線、氣隙線上對應于額定定子電壓的勵磁電流確定發電機的飽和系數。

表1 發電機空載特性試驗數據

1.2 交流勵磁機空載特性、負載特性試驗

對交流勵磁機進行空載特性和負載特性測試,其試驗數據如表2、表3,其中UFD為發電機勵磁電壓,ULD為勵磁機電壓,IFD為發電機勵磁電流,ILD為勵磁機勵磁電流。

表3 勵磁機負載特性數據

表2 勵磁機空載特性試驗記錄

交流勵磁機空載、負載特性曲線如圖2所示。

圖2 交流勵磁機空載、負載特性

根據交流勵磁機空載特性延長線,通過勵磁機1.8倍和0.75倍輸出最大電壓所對應的勵磁機勵磁電流和氣隙線電流可以計算勵磁機飽和系數。

1.3 換弧壓降系數與去磁系數的計算

不可控三相全波整流橋的數學模型如圖3所示,其換相壓降系數Kc的計算表達式為

式中,SN、X2e、UN、RFDB、X″de分別為交流勵磁機的額定視在功率、負序電抗、額定電壓、電阻基值和次暫態電抗。

圖3 不可控三相全波整流橋數學模型

1.4 發電機勵磁系統5%小擾動階躍試驗

驗證勵磁控制系統PID參數的重要手段之一是發電機空載5%小擾動階躍試驗,在發電機空載運行的條件下,用勵磁調節器升壓到發電機額定電壓的95%,進行5%階躍響應試驗,這樣可以得到擾動信號的響應特性。調整勵磁調節器PID參數,能夠使發電機電壓階躍響應的超調量、振蕩次數和調節時間等性能指標滿足電力行業標準DL/T843-2010《大型汽輪發電機勵磁系統技術條件》的要求[5],試驗結果如圖4所示。

由圖4分析可得:上階躍的超調量是22.247%,到達峰值的時間是Tp=0.660 s,上升時間Tup=0.282 s,調節時間Ts=1.218 s,振蕩次數為1次,其各項指標符合發電機空載5%階躍響應性能指標的要求。

圖4 發電機空載5%階躍試驗波形

1.5 發電機勵磁系統大擾動階躍試驗

為了校核勵磁調節器的輸出限幅值,需要進行發電機勵磁系統大階躍試驗。廠家提供的可控硅最小控制角、最大控制角分別為30°和140°。進行30%階躍響應試驗,使調節器輸出達到限制。30%上、下階躍響應錄波如圖5所示。

圖5 發電機空載30%上、下階躍試驗波形

從圖5中可以看到,在上階躍中,調節器輸出電壓ULD達到最高值為123.901 V,下階躍為最小值-107.640 V,計算得可控硅控制角的最小值αmin=34.4°和最大值αmax=135.8°,與實際值基本吻合。

圖6 3型勵磁系統模型

2 勵磁系統仿真模型及主要參數

2.1 穩定計算用勵磁系統數學模型

根據勵磁系統廠家提供的傳遞函數框圖,在“電力系統分析綜合程序”中,選用3型作為計算用發電機勵磁系統模型,其模型框圖如圖6所示。

表4 3型模型參數

2.2 勵磁系統模型參數

利用以上實測數據,通過計算可以得到勵磁系統穩定計算用的實用參數,如表4所示,其中VaMAX、VaMIN、K、Kv、Ka、KB、VrMAX、VrMIN、Ke、Kf、Kc、KD、KL1、KH1、VL1R為標幺值。

3 仿真校核

為了驗證勵磁系統模型參數的正確性,采用表4中勵磁系統穩定計算用的實用參數,在“電力系統分析綜合程序”中進行空載5%階躍仿真,如圖7所示。

圖7 發電機空載5%階躍仿真

對比仿真結果與試驗結果如表5所示。

表5 5%階躍響應試驗與仿真各項指標對比

從表5可以看到,各項指標接近,仿真與試驗結果的差別符合小擾動特性校核標準[6]。因此,表4的實用參數可以作為電力系統穩定計算用勵磁模型參數。

4 結 語

針對黑龍江地區典型的三機勵磁系統,通過對現場試驗數據的計算分析,得出了勵磁系統穩定計算用的實用參數,并在“電力系統分析綜合程序”中進行了小擾動仿真,其結果與實測空載階躍響應結果的各項指標接近,從而驗證了試驗方法的可行性和三機勵磁系統模型參數的準確性,同時也表明該模型可以用來作為電力系統穩定分析中的模型使用。

[1] 竺士章.發電機勵磁系統試驗[M].北京:中國電力出版社,2005. ZHU Shizhang. Experiment of generation excitation system [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2005.

[2] 沈善德.電力系統辨識[M].北京:清華大學出版社,2000. SHEN Shande. Power System Identification [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2000.

[3] 李基成.現代同步發電機勵磁系統設計與應用[M].北京:中國電力出版社,2002. LI Jicheng. Design and application of modern synchronous generation excitation system [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2002.

[4] 劉取.電力系統穩定性及發電機勵磁控制[M].北京:中國電力出版社,2007. LIU Qu. Power system stability and generation excitation contr-ol [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2007.

[5] DL/T 843-2010 大型汽輪發電機勵磁系統技術條件[S].

[6] Q/GDW 142-2012 同步發電機勵磁系統建模導則[S].

(責任編輯 郭金光)

Model parameter identification and analysis of exciter’s excitation system

MU Xinghua1, XU Mingyu1, QI Chao2,CUI Jiapeng1, JIANG peng1, GUAN Wanlin1

(1.Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China；2.Harbin No1 Thermal Power Plant Safety Supervision Department，Datang Heilongjiang Electric Power Gereration Co.,Ltd.Harbin 150078，China)

This paper introduced the modeling method of exciter’s excitation system, taking exciter’s excitation system of 200 MW unit of a certain power plant in Heilongjiang as a research object, verified the feasibility of model establishment method through comparative analysis of the small disturbance test results and the simulation results, which provided the accurate calculation data for the stable operation and analysis of the power grid.

exciter’s excitation system; no-load characteristic; load characteristic; parameter identificati-on; modeling

2015-08-11。

穆興華(1982—),男,碩士,工程師,現從事繼電保護、勵磁系統及智能電網相關領域分析研究工作。

TM712

A

2095-6843(2015)06-0520-04