發電機組勵磁回路電阻基準值選取研究

袁 晨，袁訓奎

（1.國網山東平陰縣供電公司，山東 濟南 250400；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

發電機組勵磁系統模型和參數測試可為電力系統穩定分析及電網日常生產調度提供準確的模型和參數，是保證電網安全運行的有效措施。

為規范發電機組勵磁系統參數測試及建模工作，國家能源局發布了DL／T 1167—2012《同步發電機勵磁系統建模導則》（以下簡稱導則），對同步發電機勵磁系統數學模型的建立方法進行了規范。導則規定：發電機磁場電流的基準值為發電機空載特性氣隙線上產生額定電壓所需要的磁場電流；發電機磁場繞組電阻的基準值為發電機額定工況下發電機勵磁回路電阻，也可取為發電機額定勵磁電壓除以額定磁場電流的數值；發電機磁場電壓的基準值為磁場電流的基準值乘以磁場繞組電阻的基準值［1-2］。根據導則，可對大部分機組勵磁系統進行模型參數的確認，但在執行過程中仍存在不合理現象。因此，有必要對發電機組勵磁回路電阻基準值選取進行研究，保證電力系統穩定分析的準確性。

1 勵磁系統參數測試建模及存在問題

某電廠3 號機組勵磁系統采用自并勵勵磁系統，發電機原始參數為：定子額定電壓為15.75 kV，轉子額定電壓為267.5 V，轉子額定電流為1 449.5 A，空載轉子額定電壓為69.7 V，空載轉子額定電流為481.2 A。發電機空載特性試驗數據如表1 所示。表1中Uab、Ubc、Uca為發電機定子各線電壓值，If為發電機轉子電流值，Uf為發電機轉子電壓值。

表1 發電機空載特性試驗數據

根據發電機的空載特性數據，計算可得勵磁電流基準值為454.7 A，發電機電壓基準值為15 750 V，繪制的發電機空載特性擬合曲線如圖1 所示。圖1中，點A、點B 分別為發電機電壓取標幺值對應氣隙線與特性曲線上的勵磁電流值。

圖1 發電機空載特性擬合曲線

根據導則，發電機勵磁電流基準值IfB選取為發電機空載特性擬合曲線氣隙線上與發電機額定電壓相對應的發電機勵磁電流 （圖1 中A 點橫坐標），IfB為454.7 A；發電機勵磁回路電阻基準值RfB選取發電機額定勵磁電壓與額定勵磁電流之比作為發電機勵磁回路的電阻基準值，RfB=UfN／IfN＝267.5／1 449.5=0.184 5 （Ω）；發電機勵磁電壓基準值UfB為勵磁電流基準值IfB與發電機勵磁回路電阻基準值RfB乘積，UfB=IBRfB=454.7×0.184 5=83.9 （V）。

本機組勵磁調節器主調節通道（即電壓調節通道）采用串聯PID（Proportion Intergral Derivative）控制方式，PID 的傳遞函數為f（S）=KRKG（1+TA1S）／（1＋TA2S），KR為PID 比例放大倍數，KG為功率單元放大倍數，TA1、TA2均為PID 時間常數。

根據廠家提供的數據，控制角度為0 時，發電機輸出電壓為490 V，發電機磁場電壓基準值為83.9 V，經折算得PID 參數為：KR＝22，TA1＝1，TA2＝4，KG＝1.35×490÷83.9＝7.884 4。

由此可得PID 調節表達式為f（S）＝22×7.884 4×（1＋S）／（1＋4S）＝173.5×（1＋S）／（1＋4S）。

在此基礎上，根據導則、機組原始參數和現場試驗數據，可求得電壓調節器最大輸出電壓Vrmax、電壓調節器最小輸出電壓Vrmin和換相電抗的整流器負載因子KC。

使用電力系統分析綜合程序PSASP 進行仿真，可以選用程序包中的12 型勵磁系統模型。根據調節器出廠參數及經計算所得參數，可得電力系統分析綜合程序PSASP 12 型勵磁系統模型的參數，如表2中仿真參數值1 所示。表2 中仿真數值2 與仿真數值3 分別為下文3.1、3.2 中采取改進措施后的仿真參數值；表2 中T1、T2、T3、T4均為PSASP 時間常數，KA為PSASP 中放大倍數，KV為模型選擇參數。

采用表2 中仿真參數值1 進行發電機空載階躍仿真，仿真曲線與實測曲線的比對結果如表3 中仿真結果1 與仿真偏差1 所示。表3 中仿真結果2 與仿真偏差2、仿真結果3 與仿真偏差3 分別為下文3.1、3.2 中采取改進措施后的仿真結果與仿真偏差。

由表3 可知，仿真結果1 中部分指標與實測結果偏差較大，超出偏差允許范圍，因此表2 中的仿真參數1 值不能作為實用值用于電力系統穩定計算。

2 原因分析

2.1 不合理現象

發電機勵磁電壓基準值83.9 V 大于現場實測的機組空載轉子額定電壓74.9 V。查看其他機組勵磁系統建模試驗數據，也存在這種現象。表4 給出了部分發電機組勵磁電壓基準值和空載額定轉子電壓值。

表2 PSASP12 型勵磁系統模型仿真參數表

表3 發電機空載5%上階躍仿真與試驗結果對比表

2.2 分析原因

計算發電機勵磁電壓基準值時采用的發電機勵磁回路電阻基準值為發電機額定勵磁電壓除以額定磁場電流的數值，考慮額定工況下磁場繞組溫度較高，此數據較發電機空載額定時勵磁回路的阻值大。

表4 部分發電機組勵磁電壓基準值和空載額定轉子電壓值對比表 V

計算發電機勵磁回路電阻基準值時如采用發電機額定勵磁電壓除以額定磁場電流的數值，對于個別勵磁調節器主控制回路放大倍數采用PID 控制環節放大倍數和勵磁系統功率單元放大倍數乘積的機組，可造成勵磁調節器主控制回路總放大倍數的計算值偏低，進而導致部分指標與實際值差別較大，不滿足導則要求，無法確認勵磁系統模型和參數。

3 改進措施

3.1 以空載額定時勵磁回路電阻實測值作為發電機勵磁回路電阻基準值

根據空載特性試驗數據，空載額定時轉子電壓為74.9 V，轉子電流為492.9 A，勵磁回路電阻為74.9／492.9=0.152（Ω），勵磁電壓基準值為0.152×454.7=69.1（V），主控制回路放大倍數為22×1.35×490／69.1=210.6。在此基礎上，根據導則和機組原始參數和現場試驗數據，可求得電壓調節器最大輸出電壓Vrmax、電壓調節器最小輸出電壓Vrmin和換相電抗的整流器負載因子KC。由此可得電力系統分析綜合程序PSASP 12 型勵磁系統模型的仿真參數，見表2 中仿真參數值2。

采用表2 中仿真參數值2 進行發電機空載階躍仿真，仿真曲線與實測曲線的對比結果如表3 仿真結果2 和仿真偏差2 所示。

由表3 仿真結果2 和仿真偏差2 可知，仿真結果與實測結果基本吻合，偏差在允許范圍內。

3.2 根據發電機額定工況下勵磁回路電壓基準值求取空載額定時勵磁回路電壓基準值

根據本文勵磁系統參數測試建模及存在問題，發電機額定工況下勵磁回路電壓基準值等于83.9 V。由于發電機額定工況下和空載額定時轉子繞組溫度不同，額定工況下轉子繞組溫度一般選取為75 ℃，空載額定時轉子繞組溫度一般選取為25 ℃，并考慮溫度因素對電阻值的影響［3-8］，可得空載額定時勵磁回路電壓基準值為83.9×（234.5＋25）／（234.5＋75）＝70.3（V），計算控制回路放大倍數為22×1.35×490／70.3＝207.0。在此基礎上，根據導則和機組原始參數和現場試驗數據，可求得電壓調節器最大輸出電壓Vrmax、電壓調節器最小輸出電壓Vrmin和換相電抗的整流器負載因子KC。由此可得電力系統分析綜合程序PSASP 12 型勵磁系統模型的仿真參數，見表2 中仿真參數值3。

采用表2 中仿真參數值3 進行發電機空載階躍仿真，仿真曲線與實測曲線的對比結果如表3 仿真結果3 和仿真偏差3 所示。

由表3 仿真結果3 和仿真偏差3 可知，仿真結果與實測結果基本吻合，偏差在允許范圍內。

4 結語

根據上述分析可知，在進行勵磁系統參數測試建模時，如根據導則計算出的勵磁電壓基準值大于現場實測值或原始數據，對于部分機組，應對勵磁回路電阻基準值進行修正；導則中宜增加相關內容，在出現上述情況時，允許對勵磁回路電阻基準值進行修正，否則仿真結果可能與實測值存在加大的偏差，導致無法建立勵磁系統模型參數。