大型同步發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的PSASP建模及仿真

萬(wàn) 黎，周鯤鵬，何 俊

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077)

0 引言

大型發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)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(jì)算中采用不同的勵(lì)磁系統(tǒng)模型和參數(shù)，其計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大的差異。因此需要能正確反映實(shí)際運(yùn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)，使得計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠。通過(guò)對(duì)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)模型和參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，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)算數(shù)據(jù)，是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的有效措施，具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益[1-6]。

本文通過(guò)對(duì)大型發(fā)電機(jī)組勵(lì)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(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)模型，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

1 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)概述

發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁功率部分、勵(lì)磁控制部分、發(fā)電機(jī)組電壓測(cè)量和無(wú)功電流補(bǔ)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(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)組成Fig.1 Component of Synchronous Generator Excitation System

勵(lì)磁系統(tǒng)按照勵(lì)磁功率部件不同，分為直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、靜止勵(lì)磁系統(tǒng)三大類(lèi)，常見(jiàn)的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)可細(xì)分如表1所示。

表1 常見(jiàn)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)分類(lèi)Tab.1 Classification of Common Synchronous Generator Excitation System

由于直流勵(lì)磁機(jī)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(jī)組已不再使用。目前新投運(yùn)大型發(fā)電機(jī)組均為靜止自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)或有副勵(lì)磁機(jī)的交流勵(lì)磁系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)三機(jī)勵(lì)磁），如圖2、圖3所示。

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

圖3 有副勵(lì)磁機(jī)的交流勵(lì)磁系統(tǒng)（三機(jī)勵(lì)磁）Fig.3 AC Excitation System with auxiliary exciter（Three Machine Excitation System）

2 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)PSASP模型

2.1 PSASP中的勵(lì)磁系統(tǒng)模型

在PSASP的程序中考慮了14種勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的模型，即1型～14型，各模型根據(jù)勵(lì)磁機(jī)類(lèi)型和整流是否可控、有無(wú)副勵(lì)磁機(jī)等特性可按表2進(jìn)行分類(lèi)。

根據(jù)表2中所列選型依據(jù)，對(duì)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，選擇12型模型；對(duì)三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)，選擇3型模型；對(duì)三機(jī)有刷勵(lì)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(lì)磁控制器中的核心部分，其參數(shù)決定了發(fā)電機(jī)勵(lì)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(duì)于串聯(lián)型PID校正，Kv為積分校正選擇因子，一般使用兩級(jí)超前滯后環(huán)節(jié)構(gòu)成串聯(lián)校正，此時(shí)置Kv=1。

表2 PSASP中的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模型Tab.2 Types of Exciter in PSASP

串聯(lián)PID傳遞函數(shù)框圖見(jiàn)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(chēng)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(chēng)微分環(huán)節(jié)。

串聯(lián)PID穩(wěn)態(tài)增益為KS=K，串聯(lián)PID動(dòng)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(duì)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(shí)，無(wú)法等價(jià)轉(zhuǎn)化，需使用新的并聯(lián)PID校正環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)框圖見(jiàn)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(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)建模

本文分別以湖北省一個(gè)自并勵(lì)發(fā)電機(jī)組和一個(gè)三機(jī)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組為例，對(duì)大型發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。

3.1 自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)建模

湖北省某發(fā)電廠（下文簡(jiǎn)稱(chēng)A電廠）3號(hào)機(jī)組為東方電機(jī)有限公司生產(chǎn)的容量650 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用BB瑞士公司生產(chǎn)的UNITROL5000型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，配置有采用功率信號(hào)和角速度信號(hào)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。勵(lì)磁調(diào)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(jiàn)圖6。

圖6 湖北省A電廠3號(hào)機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器數(shù)學(xué)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(lì)磁調(diào)節(jié)器中參數(shù)設(shè)置如表3所示。

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

圖7 12型勵(lì)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(zhuǎn)換成PID傳遞函數(shù)的參數(shù)后，等效為串聯(lián)PID得到表達(dá)式：

湖北省A電廠3號(hào)機(jī)組為自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，在PSASP程序中選12型作為計(jì)算用勵(lì)磁系統(tǒng)模型。這是自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)模型，其框圖見(jiàn)圖7，參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 12型勵(lì)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(jìn)行發(fā)電機(jī)空載5%階躍仿真計(jì)算。仿真計(jì)算條件為：調(diào)整單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)潮流，使發(fā)電機(jī)空載，發(fā)電機(jī)端電壓與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)施加階躍前的機(jī)端電壓一致，階躍擾動(dòng)幅度及間隔時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相同。仿真曲線如圖8所示，響應(yīng)特性指標(biāo)比較結(jié)果見(jiàn)表5（取上階躍段分析）。

由表5可知，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果接近（偏差均在允許范圍內(nèi)），故表4中的“仿真參數(shù)”可以作為“實(shí)用參數(shù)”用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算。

圖8 湖北省A電廠3號(hào)機(jī)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(jī)空載5%階躍響應(yīng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果及仿真結(jié)果比較Tab.5 Comparison between Test Result and Simulation Result on 5%No-load Voltage Step Response

3.2 三機(jī)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)建模

湖北省某發(fā)電廠（下文簡(jiǎn)稱(chēng)B電廠）3號(hào)機(jī)組采用上海電機(jī)股份有限公司1 000 MW機(jī)組，采用三機(jī)勵(lì)磁方式，勵(lì)磁系統(tǒng)采用上海ABB工程有限公司生產(chǎn)的UNITROL5000系列微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，勵(lì)磁調(diào)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(jiàn)圖9。

圖9 湖北省B電廠3號(hào)機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器PID數(shù)學(xué)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(lì)磁調(diào)節(jié)器中參數(shù)設(shè)置 如表6所示。

表6 勵(lì)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(zhuǎn)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(dá)式為

湖北省B電廠3號(hào)機(jī)組為交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，在PSASP程序中選3型作為計(jì)算用勵(lì)磁系統(tǒng)模型。這是副勵(lì)磁機(jī)向調(diào)節(jié)器供電的不可控整流交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。適用于無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)，其框圖見(jiàn)圖10，參數(shù)見(jiàn)表7。

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

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

4 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果校核

在PSASP程序中，選用3型勵(lì)磁系統(tǒng)，采用表7中的“仿真參數(shù)”，進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載5%階躍仿真計(jì)算。仿真計(jì)算條件為：調(diào)整單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)潮流，使發(fā)電機(jī)空載，發(fā)電機(jī)端電壓與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)施加階躍前的機(jī)端電壓一致，階躍擾動(dòng)幅度及間隔時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相同。仿真曲線如圖11所示，響應(yīng)特性指標(biāo)比較結(jié)果見(jiàn)表8（取上階躍段分析）。

由表8可知，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果接近（偏差均在允許范圍內(nèi)），故表3中的“仿真參數(shù)”可以作為“實(shí)用參數(shù)”用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算。

圖11 湖北省B電廠3號(hào)機(jī)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(jī)空載5%階躍響應(yīng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果及仿真結(jié)果比較Tab.8 Comparison between Test Result and Simulation Result on 5%No-load Voltage Step Response

5 結(jié)論

本文建立了自并勵(lì)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組和三機(jī)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)模型，以PSASP為仿真工具進(jìn)行了建模和仿真，仿真結(jié)果表明PSASP建模具有足夠的精度，滿足電力系統(tǒng)計(jì)算需求。

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