基于BPA的勵磁系統建模與仿真

莫 瑤，張 璇

（1.紫坪鋪水力發電廠，四川 都江堰 611830；2.成都交大許繼電氣有限責任公司，四川 成都 610000）

0 引言

隨著電力建設的發展，我國電力系統目前已進入了大網絡、超高壓、大機組的階段[1]。如何獲得準確的仿真用勵磁系統模型和參數，在系統穩定性分析上顯得尤為重要。

電廠技術人員對于建模工作掌握往往不夠透徹，只能通過試驗單位出具的報告判斷建模的準確性，無法自己驗證，在網源協調工作中十分被動。所以迫切的需要一套能夠進行勵磁系統建模和仿真的方法。本文以紫坪鋪水力發電廠3號機組為例，進行勵磁系統建模與仿真工作，歸納總結了一套適用于水電廠勵磁建模與仿真的方法。

1 勵磁系統模型

勵磁系統是同步發電機的重要組成部分，勵磁系統的特性對電力系統及同步發電機的運行特性有著十分重要的影響。勵磁系統主要分為調節器單元、功率單元、滅磁單元3個部分，其中功率單元以靜止式可控硅為主；調節器隨著控制理論的發展，自20世紀50年代至今演變出以下幾種：單變量控制；PSS（電力系統穩定器）；線性最優勵磁控制。滅磁單元用于事故滅磁，正常情況下不參與控制。

1.1 調節器單元

勵磁調節器單元實現勵磁穩定控制和限制功能，包括功率控制、PID環節、軟反饋校正補償勵磁機時間常數的反饋、過勵限制（OEL）、頂值限制、低勵限制（UEL）等[2]。由于勵磁系統響應速度很快，通常不需要采用微分環節校正來提高其頻率特性的高頻段增益，因此采用PI調節即可，其構成方式有3種，如圖1所示。

圖1 自并勵勵磁系統PI調節的幾種構成

1.2 PSS電力系統穩定器

隨著電網規模的不斷增大，輸電距離的增加，電網的小干擾穩定性減弱，最為經濟的措施是投入電力系統穩定器。IEC對PSS的定義是：一種裝置，它借助于電壓調節器控制勵磁機的輸出，來阻尼同步電機的功率振蕩[3]。輸入變量可以是轉速、頻率或者功率（或者是多個變量的綜合）。這里所指的“勵磁機”為提供同步電機磁場電流的功率電源。IEEE提出過 PSS-1A、PSS-2A、PSS-2B、PSS-3B、PSS-4B 等PSS模型，目前在全世界范圍內有廣泛的應用。就國內水電機組勵磁系統而言，普遍采用IEEE PSS-2B模型。

1.3 功率單元

自并勵勵磁系統的功率單元就是指勵磁變壓器及晶閘管整流裝置。一般有一個比例環節和一個很小的延時組成，該延時可以計入AVR的延時Ta內，其整流輸出電壓VFD與控制電壓VK呈線性關系，且與發電機機端電壓無關。因為當發電機機端電壓下降時，同步電壓幅值也下降，使控制角減小，輸出電壓不變，因此，發電機空載運行時，即使手動也能穩定調節機端電壓。強勵或者強減時，已達限幅，α達到最大或者最小值，不能再改變。因此，勵磁輸出的限幅值與機端電壓成正比，同理，采用余弦移相的自并勵系統其換弧壓降Kc也只影響其幅值。

2 勵磁系統建模

此次建模與仿真工作皆以紫坪鋪水電廠3號機組為樣本，該發電機容量為190 MW，機端電壓13.8 kV，上網電壓等級為500 kV,勵磁系統采用EXC9000型全數字式靜態勵磁系統，是廣州電器科學研究院開發的第4代微機勵磁系統[4]。EXC9000型勵磁系統AVR與PSS傳遞函數見圖2、圖3，該勵磁系統所有測量值都是由DSP采樣計算的，時間常數相等，用TR表示。無功補償由KIR調整,有功補償由KIA調整。主控制環有二級超前－滯后環節，TA1、TA3為超前時間常數，TA2、TA4為滯后時間常數，穩態增益由KR調整。當TA1＝TA2＝0時，該環節不使用。整流橋的移相范圍是10°～150°，由額定陽極電壓可計算勵磁電壓的限幅值。

圖2 EXC9000型勵磁系統傳遞函數

2.1 發電機空載特性試驗

對紫坪鋪電廠3號機進行發電機空載特性試驗，用零起升壓模式手動調整勵磁系統勵磁電流，令發電機電壓增加至120%的額定電壓，然后逐漸降至最低，進行發電機空載特性試驗，得到相應數據，以備繪制空載特性曲線。

圖3 EXC9000型勵磁系統PSS傳遞函數

2.2 發電機空載電壓給定階躍試驗

對勵磁系統進行10%階躍試驗。根據試驗結果調整參數，直到其調節品質滿足“發電機電壓超調量不應大于階躍量的50%，振蕩次數不超過3次。調節時間不超過10 s。”[5]的要求，最終在Kp=280、TA3=1、TA4=6.86的情況下，發電機10%空載階躍響應試驗曲線見圖4，并計算得出表1所列數據。

圖4 3號發電機空載10%階躍響應試驗

表1 紫坪鋪電廠3號發電機10%階躍

3 參數計算

3.1 發電機飽和系數

對空載特性試驗得到的數據進行分析，得到發電機的飽和與不飽和曲線如圖5所示。發電機定子電壓隨著轉子電流的增加不是線性增加的，這主要是由磁路飽和導致的。由此，可進行勵磁系統基值和發電機飽和系數計算。

圖5 3號機空載特性曲線

（1）勵磁系統基值和發電機飽和系數計算

Ifb對應發電機空載不飽和曲線上100%額定電壓時的勵磁電流；Ifj對應發電機空載不飽和曲線上120%額定電壓時的勵磁電流；If0對應發電機空載飽和曲線上100%額定電壓時的勵磁電流;Ifk對應發電機空載飽和曲線上120%額定電壓對應的勵磁電流，通過發電機的飽和與不飽和曲線，可以得出Ifb=640 A；Ifj=775 A；If=799 A；Ifk=1 343 A。

（2）按照式（1）計算可得BPA勵磁系統的飽和系數 SG1.0、SG1.2。

由SG1.0、SG1.2可以擬合發電機的飽和特性，使模型更接近發電機的真實情況。

3.2 發電機勵磁電壓基準值計算

選取發電機銘牌額定勵磁電壓與額定勵磁電流之比為勵磁回路電阻的基準值，可知Rfb=0.293 5 Ω。由此可知發電機勵磁電壓的基準值Ufb=187.8 V

3.3 整流器換相壓降系數Kc計算

勵磁變壓器供電的三相整流橋換壓降系數KC可以用下面公式（2）計算：

3.4 勵磁系統最大輸出電壓和最小輸出電壓

勵磁系統最大輸出電壓和最小輸出電壓按公式（3）計算得出，αmin和αmax是可控整流器的最小控制角和最大控制角。

4 勵磁系統建模研究

4.1 BPA中勵磁系統模型及PSS模型

BPA穩定程序中提供了FV型模型[6]及其改進型最接近此次建模的勵磁系統，可以作為建模目標模型，用于模擬自并勵靜止可控硅勵磁系統。對比與EXC9000 AVR模型，FV模型中串聯校正與綜合放大環節也是對應于勵磁調節器和可控硅整流功率單元，包括串聯PID環節、超前滯后校正環節、綜合放大環節（圖6）。

圖6 BPA自并勵勵磁系統FV模型

SI型PSS模型如圖7所示，對比IEEE PSS-2B模型，EXC9000型微機勵磁調節器中PSS模型在角速度輸入環節缺少一階慣性環節，此差異可忽略。因為系統擾動由功率信號反映，轉速信號僅僅起抵消原動機擾動作用，因此PSS相位補償不需要計算此環節。所以僅對比BPA中SI型PSS與IEEE PSS-2B模型的異同即可。

圖7 BPASI型PSS模型

BPA中SI型PSS與IEEE PSS-2B模型相比，有關ω信號的處理過程完全相同；由于BPA中PSS的功率信號輸入為正，IEEE中PSS的功率信號輸入為負，因此需要在功率信號加入積分環節進行等效，等效后的功率輸入環節相同；在濾波函數環節，BPA中SI型PSS將濾波函數分成一個超前滯后環節和一個4階濾波函數，因為IEEE PSS-2B模型中濾波函數典型值為N=1、M=5，因此在T10=T12時，兩者等效。

4.2 搭建單機無窮大系統

單機-無窮大系統接線如圖8所示，其中無窮大系統電壓假設恒定不變，Xe為輸電線路電抗。

圖8 單機-無窮大系統

根據上述情況，可以在BPA程序中建立潮流文件，以實現單機-無窮大系統的建模，并完成對應的BPA潮流程序各參數設置。

4.3 發電機空載電壓給定階躍仿真

在BPA潮流文件中，將3號發電機的實際出力修改為0 MW，模擬發電機空載狀態。對應FV卡的格式，填入EXC9000系統出廠參數、3號發電機空載電壓給定10%階躍試驗時確定的勵磁系統參數、計算所得參數。在LS卡片中修改關鍵節點值與關鍵節點時間，仿真3號發電機空載電壓給定10%階躍試驗，仿真結果見圖9。發電機空載10%階躍響應仿真結果與試驗對比結果,見表2。發電機空載10%階躍響應仿真結果與試驗對比結果,符合國標要求。此組參數可供穩定計算用。

圖9 空載10%階躍響應仿真結果

表2 發電機空載10%階躍響應仿真結果與試驗結果

4.4 PSS阻尼效果校核試驗

在BPA潮流文件中，將3號發電機的實際出力修改為190 MW，模擬發電機額定狀態。采用FV型自并勵靜止勵磁系統模型和SI型PSS在單機—無限大母線系統0.1～2 Hz范圍的振蕩模式內進行了仿真。PSS對“地區振蕩模式”和“區域間振蕩模式”都有阻尼作用。其中，振蕩頻率為1.5 Hz時PSS的阻尼作用見圖10。

圖10 振蕩頻率為1.5 Hz時有無PSS，4%階躍仿真

將仿真中能夠取得理想效果的PSS參數寫入EXC9000勵磁調節器中。在PSS投入和退出兩種工況下進行負載階躍響應試驗，比較有功功率的振蕩情況，檢驗PSS阻尼功率振蕩的作用。試驗結果表明PSS能夠提供良好的阻尼。

5 結語

隨著國內大電網互聯日益緊密，電網穩定性問題的凸顯，建模、仿真成果的準確性對于電力系統分析工作來說也越來越重要，電廠技術人員參與其中的程度也逐漸加強。建模仿真工作必須由小及大，由點到面，各電廠機組的建模仿真工作是開展大電網建模仿真工作的基礎。本文以紫坪鋪水力發電廠3號機組為例，進行勵磁系統建模與仿真工作，通過模型對比、特性測試、參數計算、建立模型、驗證模型等步驟，最終確定了一套適用于水電廠的勵磁建模與仿真方案，可供電廠技術人員進行類似工作時參考。

[1]衛鵬，徐珂，周前，等.基于BPA的勵磁系統建模[J].電網與清潔能源,2013,29（8）.

[2]袁訓奎，劉世富，劉衛東.基于現場試驗及程序仿真的發電機勵磁系統模型參數確認[J].大電機技術，2009（5）.

[3]IEC34-16-1[S].

[4]EXC9000靜態勵磁系統用戶手冊[Z].

[5]DLT 583-2006大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件[S].

[6]印永華，卜廣全.PSD-BPA暫態穩定程序用戶手冊[Z].中國電力科學研究院，2005.