考虑限制功能的励磁系统仿真模型优化研究

程前，陈厚合，孙闻，张俊峰，付聪

(1. 东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林132012；2. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州510080)

考虑限制功能的励磁系统仿真模型优化研究

程前1，陈厚合1，孙闻2，张俊峰2，付聪2

(1. 东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林132012；2. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州510080)

针对电力系统仿真计算模型与现场发电机励磁调节器模型不一致而导致仿真出现机端电压越限不合理的结果，提出一种考虑限制功能的改进型励磁系统仿真模型。介绍励磁系统顶值约束的模型结构及作用，通过机电-电磁混合仿真软件(dynamic simulation program, DSP)自定义模块对励磁系统进行改进，并在实时数字模拟器(real time digital simulator，RTDS)和PSD-BPA中搭建单机无穷大系统，对模型的准确性、有效性进行验证。最后，利用广东电网实际系统动态仿真进行比较，证明所提励磁模型可以有效抑制电压越限问题。

电力系统仿真；机端电压；励磁限制；自定义模块；实时数字模拟器

发电机是电力系统重要的无功电源，对系统的无功支撑分为两部分：一是机组作为电源，其电压和系统电压存在电压差时，瞬时输出无功功率；二是机端电压降低时，励磁系统为恒定机端电压运行方式，检测机端电压降低，增大励磁电流进行强励，对系统提供更多动态无功支撑[1]。合理调控无功电源是保证系统稳定及电压水平的重要措施[2-5]。励磁系统向发电机提供励磁功率，起着调节电压、保持发电机机端电压恒定的作用，控制并列运行发电机的无功功率分配。它对发电机动态运行有很大的影响，可以提高电力系统稳定极限[6-8]，因此在电力系统仿真中建立正确的励磁系统模型至关重要[9-11]。

发电机励磁控制必须满足相应的约束条件，其中机端电压约束是一个重要环节[12]。为维持发电机组的安全稳定运行，励磁调节器相关标准规定了其具备必要限制单元，而这些限制单元的功能是为了防止发电机超出设计的出力范围而损坏设备，现代发电机励磁有全面的保护系统，其中包括最低励磁限制、过励限制、电压/频率限制、端电压过高限制、无功功率控制及电压互感器断线保护等[13-15]。机端电压过高或过低都可能导致保护动作，从而影响控制效果甚至导致控制失效，影响系统运行安全，因此机端电压的保护限制是不可避免的问题。如何在保证系统稳定的前提下，将机端电压限制在指定范围内是值得深入研究的[16]。

现有电力系统仿真软件提供了多种发电机励磁系统数学模型，但没能包括实用中的所有励磁系统，并且随着电力技术的进步和新型控制装置的投入，标准模型库已不能满足要求。在实际电网计算仿真时因励磁系统模型不准确而造成发电机机端电压越限情况，本文针对电网母线长时间低电压的严重故障下存在的电压越限问题，建立一种能够考虑顶值约束的励磁系统模型，在可能越限的发电机励磁系统中加入励磁限制环节，研究考虑限制功能的励磁系统仿真模型在实际电网电压跌落期间的响应状况。

1 现有模型问题分析

在国内电网规划领域，目前普遍采用PSD-BPA潮流稳定计算软件作为电网量化计算的支撑工具。通过电网大量实验仿真发现，在负荷端持续低电压的情况下，发电机输出将不受限制的增长，甚至超过额定容量的几倍，机端电压也超过国标规定的1.1倍系统额定电压，大大降低仿真结果的可信度，甚至影响系统稳定与不稳定的关键性判断。

现以50%比例电动机模型的广东电网2013年丰大极限运行方式下使用PSD-BPA软件(版本4.2)北郊变电站三相短路单相断路器拒动故障为例进行分析计算，此时负荷端持续的低电压特性曲线如图1所示。

图1 220 kV鹿鸣变电站母线电压曲线

图1表明北郊-花都线路故障发生后，220 kV鹿鸣变电站母线电压存在明显的电压延迟恢复问题。电网扰动后，系统中某些母线发生电压跌落，母线附近发电机应迅速启动无功控制，补偿系统中的无功不足[17]。广州抽水蓄能电厂(以下简称“广蓄电厂”)1号发电机(机组容量334 MW)机组作为北郊变电附近的电源，其机端电压曲线和无功功率输出曲线如图2和图3所示。

图2 广蓄电厂1号发电机故障下的机端电压曲线

图3 广蓄电厂1号发电机故障下的无功功率曲线

由图2和图3的仿真结果可见，广蓄电厂1号机组机端电压达到额定值的1.2倍，无功出力远超额定视在容量，机端电压和无功功率不受限制的增长，机组严重过载，与实际运行状态相差较大，仿真结果存在失真。根据国标SD 325—1989《电力系统电压和无功电力技术导则》和GB/T 7064—2002《透平型同步电机技术要求》，上述机端电压已超出了导则规定的“在系统发生事故后发电厂和变电所的母线电压允许偏差值为系统额定电压的±10%”的标准[18-19]。

励磁调节器的主要目的就是精确控制和调节同步发电机端电压，经过分析可知，由于仿真软件未能准确模拟实际发电机的外特性，其励磁系统模型不完善，引起机组仿真出现过激磁现象并无法通过调节励磁达到抑制机端电压越限的目的，导致仿真结果失真，因此在设计时应考虑电压限制和过电压保护功能。

2 励磁限制模型及原理

2.1 电压频率限制模型简介

发电机励磁顶值限制是电力系统重要的非线性环节[20]，励磁调节器作为励磁系统的控制中枢，随着现代控制理论的发展和计算机技术的应用，目前励磁调节器主要以数字式调节器为主。用于延时动作或反时限的电压频率限制(voltage frequency limit, VFL)模型如图4所示，该模型参考多个厂家设备经修改简化而得，具有一定代表意义。

图4 用于延时动作或反时限的VFL模型

模型主要分为两部分：一是电压输出环节，UVFL-REF为VFL动作参考值，σVFL-Grad为VFL特性斜率，fG为输入频率，Ut为输入机端电压，UREF1为自动电压调节器(automatic voltage regulator, AVR)参考电压,UREF为输出电压；二是反时限环节，TR为测量时间常数，TI,VFL为环节积分时间常数，Kexp-VFL为反时限特性指数系数，Kto-VFL为固定时限积分常数，为固定时间的倒数，Kinv-VFL为反时限特性积分常数，Kc-VFL为冷却积分时间常数。

模型输出采用比较门方式介入电压控制主环，其中SEN-VFL是VFL投入许可开关，1投入，0退出。例如，若系统扰动后发电机频率fG降低，频率变化量ΔfG<0，则许可开关SEN-VFL动作，VFL投入，UREF2经励磁限制后降低并小于UREF1。UREF输出UREF1和UREF2中较小的一个作为输出电压，即

2.2 考虑励磁限制的单机无穷大模型

为防止发电机过电压，危及机组的安全，励磁调节器设置了机端电压限制和过电压保护功能单元，当机端电压值达到或超过限制值时，通过修改给定值管理等方式，维持或适当减小当前励磁电流，以确保机端电压维持在限制值及以下。伏/赫(V/Hz)限制是发电机电压和频率的比值限制，起到防止发电机和主变压器发生激磁的作用。

已知发电机电压与绕组的匝数及所链的磁通成正比，即Ut=4.44fWφ(f为系统频率；φ为磁通；W为绕组匝数)，因匝数固定，可得

(1)

由式(1)可知，磁通φ与电压频率比U/f成正比，电压升高或频率下降都将造成φ的增大，引起机组过磁通，与发电机相连的变压器等设备磁通也会增大，造成绕组、铁心过热，涡流损耗增加，损坏设备绝缘。过激磁倍数

(2)

式中：UN为机组额定电压；φN为额定磁通；fN为系统额定频率；n取值一般约在1.0至1.5，代表机组过激磁的严重程度，V/Hz限制可抑制这一情况，防止机组电压升高或频率降低。发电机并网运行时，由于发电机频率为系统频率，所以实际V/Hz限制主要为机端电压限制。

发电机励磁系统调节器中一般都设有限制环节，以实时数字模拟仿真系统(real time digital simulator，RTDS)为仿真平台，搭建考虑励磁限制的单机无穷大系统，模拟实际调节器装置限制效果，具体仿真结果分析见第三章单机模型仿真验证。V/Hz限制在单机无穷大系统主环中的具体位置如图5所示[21]。

PID为励磁系统比例-积分-微分，proportion-intergration-differentiation的缩写。Uref为电压给定值；UFD为励磁电压；Umax为励磁限制顶值电压；IFD为励磁电流；Ut为机端电压；P为有功功率；Q为无功功率；ω为发电机转速；XC为调差系数。图5 考虑励磁限制的单机无穷大模型结构

从图5的模型可以看出，励磁限制不仅影响机端电压的给定值Uref，同样影响到调差系数XC的作用效果。对于负调差来讲，随着发电机无功出力的增加，机端电压往往会大于给定值Uref，为了限制机端过电压，防止损害设备绝缘，励磁限制就起到了关键作用。

3 单机模型仿真验证

本文建立一种考虑励磁顶值约束的改进型励磁系统模型。后续研究借助中国南方电网科学研究院自主研发的交直流混联电网机电-电磁混合仿真软件(dynamic simulation program, DSP)进行算例模型改进的说明。DSP的设计与研发主要基于BPA卡片， 其仿真引擎可用特定的文本格式来定义各种电气元件和控制模型，具有高度的可扩展性，允许用户遵循指定规则来定义自身特定的全新模块。自定义建模流程如图6所示。

图6 自定义模型编译过程

为验证改进型励磁系统模型的正确性，利用DSP搭建与实时数字模拟器(real time digital simulator，RTDS)相同的单机无穷大系统，设置相同的故障进行仿真曲线对比。RTDS仿真系统中采用实际的励磁调节器装置(型号为NES6000)实现闭环连续控制而DSP采用自定义搭建的改进型励磁系统模型。2种仿真平台同时设置主变压器高压侧50 Ω三相接地短路故障，监测机端电压和机组无功功率输出，验证励磁调节器的限制功能和动作特性。目前机组的电压限制动作值一般取1.06～1.1(标幺值)，RTDS连接的实际励磁调节器限制启动值厂家默认为1.1(标幺值)，因此设定机端电压限制动作值为1.1(标幺值)。单机无穷大模型的励磁系统具体参数分别为K=480，KPI=1，KA=1，KF=0，KC=0，TR=0.02 s ，T1=1 s，T2=10 s，T3=1 s，T4=1s，TA=0.01 s，TF=100 s，UAMAX=50，UAMIN=-50，URMAX=10，URMIN=-10。K为调节器增益(标幺值)；KPI为比例积分或纯积分调节器选择因子；KA为调节器增益(标幺值)；KF为调节器稳定回路增益(标幺值)；KC为换相电抗的整流器负载因子；TR为调节器输入滤波器时间常数；T1、T2、T3、T4为不同电压调节器的时间常数；TA为调节器放大器时间常数；TF为调节器稳定回路时间常数；UAMAX为调节器最大内部电压(标幺值)；UAMIN为调节器最小内部电压(标幺值)；URMAX为电压调节器最大输出(标幺值)；URMIN为电压调节器最小输出(标幺值)。

另外，在BPA搭建同样电网结构与参数的单机无穷大系统模型，模型采用旋转励磁系统模型旋转励磁系统，设置相同的短路故障作为此次仿真的对照组。单机无穷大系统仿真结果对比如图7、图8所示。

图7 BPA与DSP(改进励磁模型前)机端电压仿真结果对比

图8 RTDS与DSP(改进励磁模型后)机端电压仿真结果对比

图7、图8的仿真结果表明，实际励磁调节装置一般都设有励磁限制，在DSP改进后的励磁模型中加入这一环节，能够有效地模拟励磁调节器实际运行状态。BPA作为仿真对照，由于其发电机励磁系统模型暂未考虑励磁限制，导致仿真结果与实际励磁调节器结果存在一定误差。

从上述算例可以得到如下结论：

a) 根据仿真结果可以看到，在没有改进励磁系统模型的情况下，DSP仿真结果与BPA仿真结果基本吻合，且均存在机组仿真结果失真现象；

b) DSP具有自定义修改与建模功能，利用其自定义模块对现仿真励磁模型进行改进优化；

c) 改进后的励磁模型，DSP和相同电网模型的RTDS(发电机励磁由实际励磁调节装置屏柜提供)仿真曲线吻合情况良好，验证了改进型励磁模型能准确地模拟发电机励磁系统的动态仿真过程。

4 多机系统仿真分析

为进一步验证自定义励磁系统模型的正确性，本节仍选用广东电网2013年丰大极限方式算例进行仿真验证。

故障设置具体发生情况：0.1 s时500 kV北郊-花都线路北郊变电站侧发生三相短路故障，中断路器单相拒动，0.45 s时同串另一回线路跳闸。算例中负荷采用50%感应电动机+50%恒阻抗模型，为提高发电机对电网电压的敏感度，机组采用10%负调差[22]，即设置相关机组的调差系数XC=-0.1。

由图2、图3也可知道，系统故障后仿真结果说明广蓄电厂1号机组存在机端电压越限问题。将广东电网实际系统的BPA数据转换成DSP数据，励磁系统为FV自并励静止励磁系统模型，在DSP中自定义机组使用改进的励磁模型。1号机组励磁系统加入励磁限制环节之后，利用DSP仿真平台对新模型算例进行仿真验证，并将仿真结果与原无励磁限制的情况进行动态仿真对比分析。图9与图10为仿真结果对比曲线。

图9 广蓄电厂1号发电机机端电压曲线(改进励磁模型后)

图10 广蓄电厂1号机无功功率曲线(改进励磁模型后)

将改进励磁系统模型仿真结果与原仿真结果进行对比，可以得到在没有改进励磁系统模型的情况下机组机端电压存在明显的越限情况，发电机过载严重；改进励磁系统模型后，机组无功功率和机端电压得到有效控制，仿真结果可信度高，进一步说明本文提出的励磁系统改进模型是正确的。

5 结束语

针对现有电力系统分析软件在电网严重故障下可能引起发电机机端电压越限等问题进行研究，分析其出现机组仿真结果失真的原因，然后对仿真采用的自动励磁调节器模型进行改进，利用DSP自定义模块建立一种考虑限制功能的改进型励磁仿真模型，以改善机组在长时间低电压故障下的仿真特性。通过与实际励磁调节器屏柜相联合的RTDS仿真结果进行对比，验证了模型的准确性。在实际生产数据中应用该模型进行计算并与改进前的计算结果进行对比分析，结果表明本文提出的方法可以有效抑制严重故障下存在的机组电压越限问题。

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(编辑 王夏慧)

Optimization on Simulation Model for Excitation System Considering Limit Function

CHENG Qian1, CHEN Houhe1, SUN Wen2, ZHANG Junfeng2, FU Cong2

(1.School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, Jilin 132012, China; 2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

In allusion to the problem of unreasonable out-of-limit of terminal voltage in simulation caused by inconsistence of simulation calculation model for power system and field generator excitation regulator model, a kind of improved simulation model for the excitation system considering limit function is presented. This paper introduces model structure and role of top value restriction of the excitation system, and improvement for the system by using dynamic simulation program (DSP) customer module. In real time digital simulator (RTDS) and PSD-BPA, a single-machine infinite-bus system is established for verifying correctness and effectiveness of the model. Finally, by dynamic simulation and comparison for the actual system of Guangdong power grid, it proves that the proposed excitation model can effectively restrict voltage out-of-limit.

power system simulation; terminal voltage; excitation limit; customer module; real time digital simulator

2016-06-06

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.012

TM743

A

1007-290X(2016)12-0062-06

程前(1990)，男，江苏徐州人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统安全性与稳定性分析。

陈厚合(1978)，男，江苏徐州人。副教授，工学博士，研究方向为电力系统安全性与稳定性分析。

孙闻(1983)，男，安徽涡阳人。高级工程师，工学博士，从事电力系统稳定性分析与控制研究。