发电机组静止励磁系统励磁电流基值分析*

陆海清，熊鸿韬，周一飞，卢嘉华，房乐

(1. 国网浙江省电力公司电力科学研究院， 杭州 310014； 2. 国网嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000)

0 引 言

发电机励磁系统建模通过简化，得到可应用于电力系统仿真分析计算用的数学模型，用于分析系统的暂态稳定、小干扰稳定、电压稳定等[1]，其准确性直接影响电网的运行安全。励磁电流基值直接影响模型中的放大倍数(P)[2]，因此它的整定是建模中最重要的工作之一。

励磁电流基值采用发电机空载气隙线上产生额定电压所需的励磁电流[3-6]，以实现发电机各绕组间互感可逆。为保证该参数的准确性，采用静止励磁方式的机组普遍通过实测空载特性，经线性拟合得到空载气隙线[7-8]，最终确定励磁电流基值。因此，空载特性的实测工作对基值的整定至关重要。

结合一例发电机空载特性测量结果，分析了励磁电流测量位置、测量方式，提出通过高频采样获取励磁电流暂态过程，并经过滤波来解决稳定性问题。最后，在某630 MW采用静止励磁方式的机组进行实测，及仿真验证。

1 事件回顾

某电厂1号机采用某公司制造的QFSN-630-2型汽轮发电机，采用静止励磁方式，采用某继保公司生产的PCS-9410型励磁调节器。在进行发电机空载特性试验时，以6.4 kHz的采样频率在分流器上测量励磁电流，并经过0.2 s滤波，获得的空载特性曲线如图1所示。

从图1可以看出，采用该方法测量到的空载特性的稳定性较差。部分区间内的偏差较小，如在50%UN时，实测值与设计值偏差为21 A，偏差率为3.4%。但也部分区间内的偏差较大，如在60%UN～80%UN，95%UN～110%UN区间内，实测值远比设计值大，尤其是在100%UN时，实测值与设计值的偏差到达227 A，偏差率为16.1%。

图1 发电机空载特性曲线实测值与设计值对比Fig.1 Comparison of measured value and design value of generator no-load characteristic curve

表1 实测值与设计值励磁电流偏差Tab.1 Deviation between measured value and design value of the excitation current

机端电压为50 Hz的正弦波，根据采样定理，采样频率只要大于100 Hz就能获得所有信息，试验时的采样频率为6.4 kHz并经过0.2 s滤波，基本可反映真实的机端电压。而励磁电流通过交流电整流获得，存在短暂的换向过程，该过程测量较为困难[9]，为引起实测曲线与设计曲线偏差的根本原因。

2 测量位置分析

对励磁电流的电流测量主要有以下三种方法：励磁变低压侧电流互感器法、直流侧分流器法及直流侧霍尔元件法。

励磁变低压侧电流互感器法：该方法干扰小，稳定性高，控制精度高，大部分励磁系统均采用此值作为手动方式运行、过励限制等辅环控制的依据。但受整流桥的影响，交流侧电流畸变严重，测量准确性受电流互感器性能影响较大。同时，交流侧电流与励磁电流(直流电流)之间存在一定的转化关系，需根据发电机空载额定励磁电流设计值进行调整，因此，励磁变低压侧测量到的电流不能完全反映实际励磁电流。

直流侧分流器法：其实质为一高精度标准电阻，当励磁电流流过该电阻时，通过测量两端电压就可得到实际的励磁电流。分流器串的阻值很小，一般十几微欧，产生的电压也是毫安级，因此该方法受外界干扰的影响较大，一般需要采用双绞线等屏蔽措施。

直流侧霍尔元件法：该方法通过装设在直流侧的霍尔元件测量励磁电流，因其直接夹在母排上，受外界干扰小。但霍尔元件的测量范围有限，不能适应励磁电流变化较大的大容量静止励磁机组。一般用于小容量机组或者三机励磁方式中。

为提高励磁电流基值测量的准确度，结合现场实测条件，建议采用直流侧分流器法测量励磁电流，并通过滤波，用于励磁电流基值的计算。

3 测量方式分析

3.1 励磁电流特性分析

励磁电流不是理想的直流电流，当晶闸管换向过程中，励磁电流会发生突变，这对励磁电流的平均值影响较大。某630 MW静止励磁机组励磁电流原始波形(采样频率为51.2 kHz)如图2所示。

图2 励磁电压和励磁电流波形Fig.2 Waveform of excitation voltage and current

静止励磁方式采用三相全控六脉动整流，每次换向过程中存在短暂的短路现象，因此，励磁电流原始波形中包含了大量的谐波，其中主要为N×6×50 Hz(N=1,2,…)次谐波，其他次谐波相对较少，如图3所示。

图3 励磁电流原始波形频率分析Fig.3 Frequency analysis of original waveform of excitation current

换向过程时间虽然很短，但暂态电流幅值较大，考虑换向过程后的励磁电流平均值比原平均值小344.9 A，为原平均值的80.4%。因此，换向过程暂态电流值的测量是励磁电流测量的关键与难点，如果不能较准确的获得该暂态电流，就可能出现励磁电流实测值远大于设计值的情况，如表2所示。

表2 励磁电流平均值Tab.2 Average value of excitation current

3.2 采样频率影响分析

三相全控整流换向重叠角简化计算方法可表示为[10]：

式中γ为换向重叠角；α为触发角；Id为输出电流；xs为交流回路电感；U2为交流电力额定电流。

根据整流桥特性，输出直流电压与触发角α的近似关系可表示为：

Ud=1.35U2cosα

(2)

已知某630 MW静止励磁机组励磁变漏抗Xs=8.54%，二次侧额定电压U2=950 V，空载额定时，励磁电压Ud=139 V，励磁电流Id=1 413 A。

根据式(1)、式(2)，计算得到空载额定时的触发角与换向重叠角分别为：

换向过程持续时间约为6/360×20 ms=0.33 ms。根据采样定理，若该段时间内的换向电流为正弦波，采样频率只需大于2/0.33 ms=6 kHz时，就能完成获得波形所有信息。

但换向过程的励磁电流波形更加复杂，需更高的频率才能获得相近的励磁电流波形。对某静止励磁机组的励磁电流波形进行傅里叶变换得到的频率特性如图4所示。

由图4可知，当频率大于15 kHz，各次谐波的幅值明显减小，为获得较为准确的励磁电流波形，采样频率应至少大于2×15 kHz=30 kHz。如果采样频率只有6.4 kHz，将失去一部分有用信息，从而影响励磁电流测量结果，降低空载特性的稳定性。

图4 静止励磁机组励磁电流波形频谱分析Fig.4 Analysis of excitation current waveform in static excitation unit

综合考虑换向过程分析及励磁电流的频率分析结果，在工程上，励磁电流采样频率可考虑为51.2 kHz。

3.3 滤波时间常数影响分析

对采用采样频率为51.2 kHz的励磁电流波形，分别按照0.01 s、0.02 s、0.04 s、0.06 s、0.08 s、0.1 s、0.2 s、0.4 s等时间常数进行滤波，得到不同时间常数滤波后波形的最大、最小值与平均值之比，以及标准差情况如图5所示。

图5 最大值、最小值与平均值之比及标准差情况Fig.5 The maximum, minimum and average ratios and standard deviation

随着滤波时间常数的增大，其滤波后波形的最大值、最小值与平均之比均趋向稳定，趋于1，标准差趋向于稳定，趋于2。当滤波时间大于0.2 s后，最大值、最小值与平均值之比，标准差均已趋于稳定。因此，对于采用静止励磁方式的机组，滤波时间建议采用0.2 s～0.3 s，以获得较为稳定的发电机空载特性曲线。

3.4 测量结果

采用51.2 kHz采样频率并经过0.2 s滤波的方式实测某630 MW静止励磁机组的空载特性，实测曲线与设计曲线对比如图6所示。

图6 发电机空载特性曲线实测值与设计值对比Fig.6 Comparison of measured value and design value of generator no-load characteristic curve

由图6可知，该方式测量到的空载特性曲线稳定性较好，在典型电压值50%UN、100%UN，实测值与设计值的偏差率分别为0.2%、0.1%，偏差率较小，已能满足工程化应用需要，如表3所示。

表3 实测值与设计值励磁电流偏差Tab.3 Deviation between measured value and design value of the excitation current

4 仿真验证

某630 MW机组励磁系统采用串联PID，模型如图7所示。

图7 励磁系统模型Fig.7 Model of excitation system

图中Ut为机端电压(pu)；Uref为电压给定值(pu)；KP为放大倍数；T1～T4为超前滞后时间常数(s)；Ka为整流桥放大倍数；Ta为整流桥时间常数(s)；Uf为励磁电压(pu)。

经现场整定，KP=56.25，T1=1.2 s，T2=10 s，T3=T4=0.03 s，Ta=0.003 3 s。

励磁系统的实际放大倍数P=KP×Ka，KP为软件内部定值，Ka为整流桥放大倍数，需根据励磁系统基值计算得到，直接受实测空载特性影响。

该机组采用51.2 kHz采样频率，并经过0.2 s滤波后实测得到的发电机空载特性曲线如图8所示。

图中IfB为空载气隙线上电压为1.0 pu是对应的励磁电流基值(A)；If0为发电机空载额定励磁电流(A)；IfJ为空载气隙线上电压为1.2 pu时对应的励磁电流(A)；IfK为机端电压为1.2 pu时对应的励磁电路(A)。

图8 实测发电机空载特性曲线Fig.8 Measured generator no-load characteristic curve

根据实测结果，获得IfB=1 234 A，If0=1 414 A，IfJ=1 485 A，Ifk=2 596 A。励磁电压、电阻基值可由负载额定励磁电压、励磁电流获得[3]，即：

RfB=Ufn/Ifn=457/4452=0.103 Ω

(4)

UfB=IfB×RfB=1234×0.103=127.1 V

(5)

式中Ufn、Ifn为额定励磁电压、额定励磁电流。

整流桥放大倍数Ka可根据励磁变二次侧电压及励磁电压基值计算得到：

Ka=1.35×Uppt2/UfB=1.35×901/127.1=9.57

(6)

式中Uppt2为励磁变二次侧电压，经实测获得。

因此，励磁系统实际放大倍数为：

P=KP×Ka=56.25×9.57=538.3

(7)

利用主流电力系统分析计算软件(BPA)，通过发电机空载阶跃试验来校核实测数据，验证参数的准确性。图9、表4为5%空载给定阶跃响应的仿真结果和现场实测结果。

图9 仿真与实测阶跃响应对比Fig.9 Comparison of simulation and measured step response

表4 空载阶跃响应参数表Tab.4 No-load step response parameter table

由图9、表4可以看出，通过51.2 kHz采样频率、0.2 s滤波得到的励磁电流能够满足励磁系统建模，其模型参数应用到BPA仿真软件中得到的空载阶跃结果与实测结果偏差满足标准要求，因此，该方法能够满足工程化应用。

5 结束语

经分析，静止励磁方式机组由于换向过程的影响，励磁电流中包含大量的N×300 Hz次谐波。如果采样频率较低，将失去大部分的有用信息，从而影响励磁电流测量。

随滤波时间常数增加，励磁电流平均值将趋于稳定，对于采用静止励磁方式的机组，滤波时间建议取0.2 s ～0.3 s，以获得较为稳定的发电机空载特性曲线。

提出的励磁电流测量方法能够有效解决发电机空载特性测量稳定性差的问题，为发电机励磁系统建模工作提供了可靠的依据。同时，也能为发电机纵轴同步电抗、短路比等重要参数的实测、评估提供依据。