三机励磁系统模型参数辨识与分析

穆兴华,徐明宇,齐 超,崔佳鹏,姜 鹏,关万琳

(1.黑龙江省电力科学研究院, 哈尔滨 150030；2.大唐黑龙江发电有限公司哈尔滨第一热电厂安全监察部， 哈尔滨 150078)

三机励磁系统模型参数辨识与分析

穆兴华1,徐明宇1,齐 超2,崔佳鹏1,姜 鹏1,关万琳1

(1.黑龙江省电力科学研究院, 哈尔滨 150030；2.大唐黑龙江发电有限公司哈尔滨第一热电厂安全监察部， 哈尔滨 150078)

介绍了三机励磁系统建模的方法,以黑龙江某电厂200 MW机组的 三机励磁系统为研究对象,通过现场小扰动试验结果与仿真结果的对比分析,验证了模型建立方法的可行性,同时也为电网的稳定运行和分析提供了准确的计算数据。

三机励磁系统;空载特性;负载特性;参数辨识;建模

随着电网安全稳定运行重要性的日益突出,通过对电力系统稳定计算与分析来评估电力系统最优运行工况,已经成为提高电网稳定性的一个重要手段。而不同的励磁系统模型和参数会对计算结果产生较大的影响,因此,建立准确的数学模型和采用能正确反映实际运行设备运行状态的励磁系统参数就显得比较关键。三机励磁系统具有励磁电压稳定,不受电网影响的优点,但相比自并励励磁系统响应仍然较慢,而且维护和建模比较复杂[1-4]。本文针对三机励磁系统的特点,以黑龙江某电厂200 MW汽轮发电机组为例,介绍了对三机励磁系统参数的辨识方法及试验研究和理论分析。

1 三机励磁系统试验分析

1.1 发电机空载特性试验及饱和系数计算

为了掌握发电机电压、额定励磁电压及励磁电流等数据,从而确定发电机励磁回路的计算基准值及发电机饱和系数,对发电机空载时机端电压与励磁电流的关系进行了测量,试验时对励磁电流逐步调整,逐渐增加发电机机端电压,先升高到105%额定电压后再降到最低,测得的曲线和其数据如图1、表1所示。

图1 发电机空载特性曲线与气隙线

在图1所示的气隙线上,励磁电流的基准值取自发电机额定电压下励磁电流的数值,发电机励磁绕组电阻的基准值为额定励磁电压与额定励磁电流之比,可由发电机的空载特性曲线、气隙线上对应于额定定子电压的励磁电流确定发电机的饱和系数。

表1 发电机空载特性试验数据

1.2 交流励磁机空载特性、负载特性试验

对交流励磁机进行空载特性和负载特性测试,其试验数据如表2、表3,其中UFD为发电机励磁电压,ULD为励磁机电压,IFD为发电机励磁电流,ILD为励磁机励磁电流。

表3 励磁机负载特性数据

表2 励磁机空载特性试验记录

交流励磁机空载、负载特性曲线如图2所示。

图2 交流励磁机空载、负载特性

根据交流励磁机空载特性延长线,通过励磁机1.8倍和0.75倍输出最大电压所对应的励磁机励磁电流和气隙线电流可以计算励磁机饱和系数。

1.3 换弧压降系数与去磁系数的计算

不可控三相全波整流桥的数学模型如图3所示,其换相压降系数Kc的计算表达式为

式中,SN、X2e、UN、RFDB、X″de分别为交流励磁机的额定视在功率、负序电抗、额定电压、电阻基值和次暂态电抗。

图3 不可控三相全波整流桥数学模型

1.4 发电机励磁系统5%小扰动阶跃试验

验证励磁控制系统PID参数的重要手段之一是发电机空载5%小扰动阶跃试验,在发电机空载运行的条件下,用励磁调节器升压到发电机额定电压的95%,进行5%阶跃响应试验,这样可以得到扰动信号的响应特性。调整励磁调节器PID参数,能够使发电机电压阶跃响应的超调量、振荡次数和调节时间等性能指标满足电力行业标准DL/T843-2010《大型汽轮发电机励磁系统技术条件》的要求[5],试验结果如图4所示。

由图4分析可得:上阶跃的超调量是22.247%,到达峰值的时间是Tp=0.660 s,上升时间Tup=0.282 s,调节时间Ts=1.218 s,振荡次数为1次,其各项指标符合发电机空载5%阶跃响应性能指标的要求。

图4 发电机空载5%阶跃试验波形

1.5 发电机励磁系统大扰动阶跃试验

为了校核励磁调节器的输出限幅值,需要进行发电机励磁系统大阶跃试验。厂家提供的可控硅最小控制角、最大控制角分别为30°和140°。进行30%阶跃响应试验,使调节器输出达到限制。30%上、下阶跃响应录波如图5所示。

图5 发电机空载30%上、下阶跃试验波形

从图5中可以看到,在上阶跃中,调节器输出电压ULD达到最高值为123.901 V,下阶跃为最小值-107.640 V,计算得可控硅控制角的最小值αmin=34.4°和最大值αmax=135.8°,与实际值基本吻合。

图6 3型励磁系统模型

2 励磁系统仿真模型及主要参数

2.1 稳定计算用励磁系统数学模型

根据励磁系统厂家提供的传递函数框图,在“电力系统分析综合程序”中,选用3型作为计算用发电机励磁系统模型,其模型框图如图6所示。

表4 3型模型参数

2.2 励磁系统模型参数

利用以上实测数据,通过计算可以得到励磁系统稳定计算用的实用参数,如表4所示,其中VaMAX、VaMIN、K、Kv、Ka、KB、VrMAX、VrMIN、Ke、Kf、Kc、KD、KL1、KH1、VL1R为标幺值。

3 仿真校核

为了验证励磁系统模型参数的正确性,采用表4中励磁系统稳定计算用的实用参数,在“电力系统分析综合程序”中进行空载5%阶跃仿真,如图7所示。

图7 发电机空载5%阶跃仿真

对比仿真结果与试验结果如表5所示。

表5 5%阶跃响应试验与仿真各项指标对比

从表5可以看到,各项指标接近,仿真与试验结果的差别符合小扰动特性校核标准[6]。因此,表4的实用参数可以作为电力系统稳定计算用励磁模型参数。

4 结 语

针对黑龙江地区典型的三机励磁系统,通过对现场试验数据的计算分析,得出了励磁系统稳定计算用的实用参数,并在“电力系统分析综合程序”中进行了小扰动仿真,其结果与实测空载阶跃响应结果的各项指标接近,从而验证了试验方法的可行性和三机励磁系统模型参数的准确性,同时也表明该模型可以用来作为电力系统稳定分析中的模型使用。

[1] 竺士章.发电机励磁系统试验[M].北京:中国电力出版社,2005. ZHU Shizhang. Experiment of generation excitation system [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2005.

[2] 沈善德.电力系统辨识[M].北京:清华大学出版社,2000. SHEN Shande. Power System Identification [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2000.

[3] 李基成.现代同步发电机励磁系统设计与应用[M].北京:中国电力出版社,2002. LI Jicheng. Design and application of modern synchronous generation excitation system [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2002.

[4] 刘取.电力系统稳定性及发电机励磁控制[M].北京:中国电力出版社,2007. LIU Qu. Power system stability and generation excitation contr-ol [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2007.

[5] DL/T 843-2010 大型汽轮发电机励磁系统技术条件[S].

[6] Q/GDW 142-2012 同步发电机励磁系统建模导则[S].

(责任编辑 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。

穆兴华(1982—),男,硕士,工程师,现从事继电保护、励磁系统及智能电网相关领域分析研究工作。

TM712

A

2095-6843(2015)06-0520-04