大坝电厂#4机励磁系统数学模型参数测试

大坝电厂#4机励磁系统数学模型参数测试贺 文1 濮 钧2（1、宁夏电力调度中心，银川市 750001；2、中国电力科学研究院，北京市 100085）摘 要：通过对大坝电厂#4机组励磁系统参数实测，建立了电力系统稳定计算用励磁系统的数学模型，并确定了模型参数，现场运行实践和稳定对比计算表明，所建模型及其参数能满足系统稳定运行的要求，具有一定的参考价值。

关键词：电力系统 励磁系统模型 稳定计算1 引 言发电机励磁控制系统对电力系统的静态稳定、动态稳定和暂态稳定性都有显著的影响。

在电力系统稳定计算中采用不同的励磁系统模型和参数，其计算结果会产生较大的差异。

因此需要能正确反映实际运行设备状态的数学模型和参数，使得计算结果真实可靠。

以前大部分电网采用E′q 恒定的发电机模型或与实际相差甚远的励磁系统模型和参数进行计算，随着我国电力系统全国联网和西电东送工程的实施，对电力系统稳定计算提出了更高的要求。

新的稳定导则要求发电机采用精确模型，也要求在计算中采用实际的励磁系统模型和参数。

通过对电网典型主力机组的发电机、励磁和调速系统模型和参数进行调查和测试，为系统稳定分析及电网日常生产调度提供准确的计算数据，是保证电网安全运行和提高劳动生产率的有效措施，具有重要的社会意义和经济效益。

宁夏电力调度中心、中国电力科学研究院系统所励磁室与大坝电厂，于2004年7月共同进行了大坝电厂#4机励磁系统模型参数的测试试验。

试验分发电机空载和负载试验两个部分，其中空载试验包括励磁机空载时间常数的测量、励磁机空载特性和负载特性测量、发电机空载特性测量，完成了发电机空载阶跃响应等。

试验的目的是：通过现场试验，确定 #4机组励磁系统模型和参数，根据试验结果，建立了电力系统稳定计算用的励磁系统数学模型。

2 大坝电厂#4机发电机及其励磁系统介绍大坝电厂#4机为上海电机厂生产的300MW双水内冷发电机，是发变组单元接线，励磁方式为交流励磁机静止不可控整流器励磁系统，励磁调节器为南京南瑞自控公司生产的SAVR-2000型数字式励磁调节器。

该励磁调节器，是双通道励磁调节器，励磁调节器控制方式采用的是PID+PSS 控制。

根据励磁系统的组成、励磁调节器制造厂家提供的控制原理和逻辑，可以形成大坝电厂#4机励磁系统原理方框图如图1。

图1、大坝电厂#4机励磁调节器PID+PSS 模型主调节通道，即电压调节通道有测量单元，比例、积分、微分并联校正单元，PID 的公式可以归并为：SKi S K K D P ++ PSS 调节通道有测量单元，隔直单元，两个超前滞后校正单元，比例放大单元，限幅单元。

3 励磁系统原始模型与稳定计算用励磁系统模型励磁系统原始模型是指能完全表示励磁系统硬件结构及软件编程的数学表达式及其逻辑关系的功能方框图。

励磁系统原始模型参数是指与励磁系统原始模型功能方框图相对应的各个系数的实际值（统一以标幺值表示或统一以有名值表示）。

电力系统稳定计算用励磁系统数学模型是指在电力系统稳定计算分析程序中使用的励磁系统的数学表达式及其逻辑关系的功能方框图，它应能正确反映实际励磁系统的物理过程。

电力系统稳定计算用励磁系统模型参数是指与稳定计算用励磁系统模型功能方框图相对应的各个系数的实际值（统一以标幺值表示）。

理论上，电力系统稳定计算程序中使用的励磁系统模型应与励磁系统原始模 型完全一致，实际上，在大多数情况下是不可能的。

这主要是因为电力系统中实 际使用的励磁系统（主要是其控制器）种类繁多且不断发生变化，使编制电力系 统稳定计算分析程序时来不及、也不可能将电力系统中实际使用的每一种励磁系统的模型都包括在电力系统稳定计算分析程序内。

当出现电力系统稳定计算程序中使用的励磁系统模型与励磁系统原始模型不一致时，应采取如下处理办法：首先，在所使用的电力系统稳定计算程序中寻找与励磁系统原始模型最接近的励磁系统模型；第二步，通过各种等值方法，将原始模型的参数转换成稳定计算程序中选用的模型的参数；第三，通过仿真计算，校核等值结果，误差应满足要求；第四，如果等值结果不能满足要求，则可以通过程序的用户自定义功能（如果有的话）或要求程序提供商增加新的励磁系统数学模型。

当然，对新的励磁系统数学模型也应通过仿真计算的校核。

4 励磁系统模型参数辨识4.1 发电机电压测量时间常数辨识由于大坝电厂#4机的SAVR-2000励磁调节器没有D/A 输出通道，该调节器无法将测量到的发电机电压数字信号，转换成模拟信号输出，因此，发电机测量时间常数无法通过试验验证。

根据制造厂介绍，SAVR-2000励磁调节器的CPU 采样处理周期为20毫秒，信号测量过程是每20ms 进行一次发电机电压的测量，没有采取其他软硬件滤波措施，因此，该调节器的发电机电压和有功功率测量环节是延时时间为20ms 的时延环节。

其传递函数TSe −，T=0.02s。

在稳定计算程序中，一般测量环节用一阶惯性环节表示。

对于时延环节TSe −，如果T 较小，可近似等效为时间常数为T 的一阶惯性环节TS＋11。

综上所述，大坝电厂#4机励磁调节器的发电机电压测量环节为延时时间为20ms 的时延环节。

其传递函数TSe−，也可近似地用传递函数为TrS＋11的一阶惯性环节表示,Tr=0.02s。

4.2 励磁机空载时间常数试验（阶跃法）用备用手动励磁装置调整励磁机励磁电流至励磁机额定电压500V，拉开备用手动励磁装置交流侧开关1ZKK，维持备用手动励磁装置调压器位置不变，合上1ZKK 开关，用WFLC 电量记录分析仪测录交流励磁机输出电压上升和下降的曲线，整流柜负载电流对交流励磁机转子的电枢反应较小，在这种情况下，可近似地认为交流励磁机是一阶惯性环节。

在突然合上工频手动时（工频手动输出电压恒定），励磁机定子整流输出电压可用下面的公式表示：U fd (t)＝U ＋（U ∞－U）)1(Tte−−U ∞为励磁机定子整流输出电压稳态值，U 是励磁机定子整流输出电压起始值。

在励磁机定子整流输出电压曲线上，从起始值开始，到稳态值与起始值差值的63.2%处的时间，就是励磁机时间空载时间常数。

励磁机时间常数实测值：上升1.749秒，下降1.658秒，平均值为：1.7秒，设计值为1.86秒，由于连接电缆电阻增大了励磁回路总电阻，从而降低了励磁机时间常数 4.3 励磁机空载特性和负载特性试验励磁机空载特性测量具体试验步骤为：断开发电机转子回路灭磁开关，励磁机保持额定转速不变，用工频手动升降励磁，用WFLC 电量分析仪（或者通过其它的仪器）记录主励磁机励磁电流Iffd 和主励磁电压。

励磁机负载特性测量具体步骤为：发电机并网，有功功率维持240MW 以上，无功功率维持110MVAR 以上运行2小时，使发电机转子温升达到稳定状态， 然后保持有功功率240MW 以上，调整无功功率从110MVAR 增加到180MVAR，记录主励磁机励磁电流Iffd 和主励磁电压。

试验结果见图2。

图2 、励磁机空载特性、负载特性曲线4.4 发电机空载特性试验维持发电机额定转速不变，进行升压和降压试验，记录发电机电压和转子电压、电流等，试验结果见图3，IFD、UFD是发电机励磁电流、励磁电压。

4.5 发电机空载时间常数试验（阶跃法）解开发电机灭磁电阻, 通过发电机DM4型灭磁开关的常闭触头，用100mm2铜排(载流量700A)短接发电机转子回路，用备用手动调整励磁机励磁电流至发电机额定电压30%（PT二次电压30V），发电机转子电流小于500A，拉开DM4型灭磁开关，用WFLC电量记录分析仪测录交流励磁机输出电压上升和下降的曲线。

发电机时间常数实测值：8.49秒，由于连接电缆电阻增大了励磁回路总电阻，从而降低了发电机时间常数，计算中发电机时间常数应采用实测值。

图3、发电机空载特性曲线4.6 发电机空载阶跃响应试验用励磁调节器A柜升压到发电机空载额定值的90% ，进行10%阶跃响应试验, 用WFLC电量记录分析仪记录发电机电压、转子电压和电流、调节器输出电压和电流即发电机空载阶跃响应曲线，调整励磁调节器PID参数应该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要求。

试验结果见图4，图中横坐标为时间，纵坐标为发电机电压PT二次电压值。

10%阶跃响应试验的各项指标为：超调量是17.3%，到达峰值的时间是Tp=1.14s，上升时间Tr=520ms。

空载阶跃响应性能指标能满足行标要求。

（根据电力行业标准DL/T843－2003“大型汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术条件”第5.10条，发电机空载阶跃响应性能指标要求：发电机端电压超调量不超过阶跃量的30%，振荡次数不超过3次，调整时间不超过10秒，电压上升时间不超过0.8秒。

）图4、发电机10%空载阶跃响应4.7 发电机空载20%阶跃响应试验完成持续时间0.3秒的空载20%电压阶跃响应试验，在做阶跃试验时，记录发电机的定子电压、励磁电压和励磁电流的响应曲线，测定最大励磁电压。

励磁机励磁电压在4ms 时间内达到的顶值电压是151.1V，是额定励磁电压73V 的2.1倍。

空载时最小导通角为：°==29120*35.1142arccos(min α发电机励磁顶值电压是703V，是额定励磁电压433V 的1.624倍。

发电机励磁电压从初始值67V 上升到峰值703V 的时间是397ms，速度是160.2V / 0.1s，在直线上升阶段，发电机励磁电压从128V 上升到639V 的时间是262ms，速度是190V / 0.1s。

4.8 发电机负载20%阶跃响应试验分别完成持续时间0.2、0.3、0.4秒的负载20%电压阶跃响应试验，在做阶跃试验时，记录发电机的定子电压、励磁电压和励磁电流的响应曲线，测定最大励磁电压。

励磁机励磁电压在3ms 时间内达到的顶值电压是132V，是额定励磁电压73V 的1.8倍，永磁机电压是115V。

负载时最小导通角为：°==7.31115*35.1132arccos(min α持续时间0.2秒的20%电压阶跃响应试验中，发电机励磁顶值电压是629V，是额定励磁电压433V的1.45倍。

发电机励磁电压从初始值310V上升到峰值629V的时间是221ms，速度是144.2V/ 0.1s。

持续时间0.3秒的20%电压阶跃响应试验中，发电机励磁顶值电压是757V，是额定励磁电压433V的1.75倍。

发电机励磁电压从初始值310V上升到峰值757V的时间是320ms，速度是139.4V/ 0.1s。

在持续时间0.4秒的20%电压阶跃响应试验中，发电机励磁顶值电压是872V，是额定励磁电压433V的2.01倍。

发电机励磁电压从初始值310V上升到峰值872V的时间是417ms，速度是134.8V/ 0.1s。