大型同步發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)的PSASP建模及仿真

萬 黎，周鯤鵬，何 俊

(國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077)

0 引言

大型發(fā)電機組勵磁控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定性都有顯著的影響。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算中采用不同的勵磁系統(tǒng)模型和參數(shù)，其計算結果會產(chǎn)生較大的差異。因此需要能正確反映實際運行設備運行狀態(tài)的數(shù)學模型和參數(shù)，使得計算結果真實可靠。通過對并網(wǎng)發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)模型和參數(shù)進行測試，為系統(tǒng)穩(wěn)定分析及電網(wǎng)日常生產(chǎn)調度提供準確的計算數(shù)據(jù)，是保證電網(wǎng)安全運行和提高勞動生產(chǎn)率的有效措施，具有重要的社會意義和經(jīng)濟效益[1-6]。

本文通過對大型發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)的模型的研究，以PSASP為仿真工具，建立了大型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)模型，并通過仿真分析驗證了模型的準確性。

1 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)概述

發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)由勵磁功率部分、勵磁控制部分、發(fā)電機組電壓測量和無功電流補償部分以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）組成，如圖1所示。

圖1 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)組成Fig.1 Component of Synchronous Generator Excitation System

勵磁系統(tǒng)按照勵磁功率部件不同，分為直流勵磁機勵磁系統(tǒng)、交流勵磁機勵磁系統(tǒng)、靜止勵磁系統(tǒng)三大類，常見的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)可細分如表1所示。

表1 常見同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)分類Tab.1 Classification of Common Synchronous Generator Excitation System

由于直流勵磁機受換向器（整流子）的限制，容量難以做大，新投產(chǎn)的100 MW及以上的發(fā)電機組已不再使用。目前新投運大型發(fā)電機組均為靜止自并勵勵磁系統(tǒng)或有副勵磁機的交流勵磁系統(tǒng)（簡稱三機勵磁），如圖2、圖3所示。

圖2 靜止自并勵勵磁系統(tǒng)Fig.2 Static Shunt Self-excitation System

圖3 有副勵磁機的交流勵磁系統(tǒng)（三機勵磁）Fig.3 AC Excitation System with auxiliary exciter（Three Machine Excitation System）

2 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)PSASP模型

2.1 PSASP中的勵磁系統(tǒng)模型

在PSASP的程序中考慮了14種勵磁調節(jié)器的模型，即1型～14型，各模型根據(jù)勵磁機類型和整流是否可控、有無副勵磁機等特性可按表2進行分類。

根據(jù)表2中所列選型依據(jù)，對自并勵勵磁系統(tǒng)，選擇12型模型；對三機無刷勵磁系統(tǒng)，選擇3型模型；對三機有刷勵磁系統(tǒng)，選擇4型模型。

2.2 PSASP中的PID模型

PID環(huán)節(jié)是勵磁控制器中的核心部分，其參數(shù)決定了發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的特性。一般PID環(huán)節(jié)可分為串聯(lián)PID和并聯(lián)PID兩種。

對于串聯(lián)型PID校正，Kv為積分校正選擇因子，一般使用兩級超前滯后環(huán)節(jié)構成串聯(lián)校正，此時置Kv=1。

表2 PSASP中的勵磁調節(jié)器模型Tab.2 Types of Exciter in PSASP

串聯(lián)PID傳遞函數(shù)框圖見圖4。

圖4 串聯(lián)PID傳遞函數(shù)框圖Fig.4 Diagram of Transfer Function for Series PID

因TB1＞TC1，記β=TB1TC1=T2T1＞1，一般β=5～10，故

串聯(lián)PID傳遞函數(shù)為為滯后環(huán)節(jié)，又稱積分環(huán)節(jié)。

因TB2＜TC2，記γ=TB2TC2=T4T3＜1，一般γ=0.1～0.2，故為超前環(huán)節(jié)，又稱微分環(huán)節(jié)。

串聯(lián)PID穩(wěn)態(tài)增益為KS=K，串聯(lián)PID動態(tài)增益為KD=KSβ，串聯(lián)PID暫態(tài)增益為KT=KDγ=KS(βγ)。顯然有KD＜KS，KD＜KT。對于并聯(lián)型PID校正，常規(guī)的并聯(lián)PID校正傳遞函數(shù)為

PSASP中常用的串聯(lián)PID校正傳遞函數(shù)為

上述條件不滿足時，無法等價轉化，需使用新的并聯(lián)PID校正環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)框圖見圖5。

圖5 并聯(lián)PID傳遞函數(shù)框圖Fig.5 Diagram of Transfer Function for Parallel PID

3 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)建模

本文分別以湖北省一個自并勵發(fā)電機組和一個三機勵磁發(fā)電機組為例，對大型發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)進行建模仿真。

3.1 自并勵發(fā)電機勵磁系統(tǒng)建模

湖北省某發(fā)電廠（下文簡稱A電廠）3號機組為東方電機有限公司生產(chǎn)的容量650 MW汽輪發(fā)電機組，采用自并勵勵磁方式，勵磁調節(jié)器采用BB瑞士公司生產(chǎn)的UNITROL5000型勵磁調節(jié)器，配置有采用功率信號和角速度信號的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。勵磁調節(jié)器PID傳遞函數(shù)及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的模型框圖見圖6。

圖6 湖北省A電廠3號機組勵磁調節(jié)器數(shù)學模型Fig.6 Diagram of Transfer Function for Series PID of No3 Generator,Power Station A,Hubei

根據(jù)廠家提供的資料，勵磁調節(jié)器中參數(shù)設置如表3所示。

表3 勵磁系統(tǒng)參數(shù)表Tab.3 Parameters of Excitation System

圖7 12型勵磁系統(tǒng)模型框圖Fig.7 Diagram of Excitation System Type 12

則比例環(huán)節(jié)增益Kp=500，轉換成PID傳遞函數(shù)的參數(shù)后，等效為串聯(lián)PID得到表達式：

湖北省A電廠3號機組為自并勵勵磁系統(tǒng)，在PSASP程序中選12型作為計算用勵磁系統(tǒng)模型。這是自并勵勵磁系統(tǒng)模型，其框圖見圖7，參數(shù)見表4。

表4 12型勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)表Tab.4 Parameters of Excitation System Type 12

采用表4中的“仿真參數(shù)”，進行發(fā)電機空載5%階躍仿真計算。仿真計算條件為：調整單機無窮大系統(tǒng)潮流，使發(fā)電機空載，發(fā)電機端電壓與現(xiàn)場試驗施加階躍前的機端電壓一致，階躍擾動幅度及間隔時間與現(xiàn)場試驗相同。仿真曲線如圖8所示，響應特性指標比較結果見表5（取上階躍段分析）。

由表5可知，仿真結果與實測結果接近（偏差均在允許范圍內），故表4中的“仿真參數(shù)”可以作為“實用參數(shù)”用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算。

圖8 湖北省A電廠3號機組空載電壓5%階躍仿真曲線Fig.8 5%No-load Voltage Step Simulation of No3 Generator,Power Station A,Hubei

表5 發(fā)電機空載5%階躍響應試驗實測結果及仿真結果比較Tab.5 Comparison between Test Result and Simulation Result on 5%No-load Voltage Step Response

3.2 三機勵磁發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)建模

湖北省某發(fā)電廠（下文簡稱B電廠）3號機組采用上海電機股份有限公司1 000 MW機組，采用三機勵磁方式，勵磁系統(tǒng)采用上海ABB工程有限公司生產(chǎn)的UNITROL5000系列微機勵磁調節(jié)器，勵磁調節(jié)器PID傳遞函數(shù)及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的模型框圖見圖9。

圖9 湖北省B電廠3號機勵磁調節(jié)器PID數(shù)學模型Fig.9 Diagram of Transfer Function for Series PID of No3 Generator,Power Station B,Hubei

根據(jù)廠家提供的資料，勵磁調節(jié)器中參數(shù)設置 如表6所示。

表6 勵磁系統(tǒng)參數(shù)表Tab.6 Parameters of Excitation System

則比例環(huán)節(jié)增益Kp=400，轉換成PID傳遞函數(shù)的參數(shù)后，并等效為串聯(lián)PID得到表達式為

湖北省B電廠3號機組為交流勵磁機勵磁系統(tǒng)，在PSASP程序中選3型作為計算用勵磁系統(tǒng)模型。這是副勵磁機向調節(jié)器供電的不可控整流交流勵磁機勵磁系統(tǒng)。適用于無刷勵磁系統(tǒng)，其框圖見圖10，參數(shù)見表7。

圖10 3型勵磁系統(tǒng)模型框圖Fig.10 Diagram of Excitation System Type 3

表7 3型勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)表Tab.7 Parameters of Excitation System Type 3

4 仿真與實測結果校核

在PSASP程序中，選用3型勵磁系統(tǒng)，采用表7中的“仿真參數(shù)”，進行發(fā)電機空載5%階躍仿真計算。仿真計算條件為：調整單機無窮大系統(tǒng)潮流，使發(fā)電機空載，發(fā)電機端電壓與現(xiàn)場試驗施加階躍前的機端電壓一致，階躍擾動幅度及間隔時間與現(xiàn)場試驗相同。仿真曲線如圖11所示，響應特性指標比較結果見表8（取上階躍段分析）。

由表8可知，仿真結果與實測結果接近（偏差均在允許范圍內），故表3中的“仿真參數(shù)”可以作為“實用參數(shù)”用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算。

圖11 湖北省B電廠3號機組空載電壓5%階躍仿真曲線Fig.11 5%No-load Voltage Step Simulation of No3 Generator,Power Station B,Hubei

表8 發(fā)電機空載5%階躍響應試驗實測結果及仿真結果比較Tab.8 Comparison between Test Result and Simulation Result on 5%No-load Voltage Step Response

5 結論

本文建立了自并勵勵磁發(fā)電機組和三機勵磁發(fā)電機組的勵磁系統(tǒng)模型，以PSASP為仿真工具進行了建模和仿真，仿真結果表明PSASP建模具有足夠的精度，滿足電力系統(tǒng)計算需求。

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