大型同步發電機組勵磁系統的PSASP建模及仿真

萬 黎，周鯤鵬，何 俊

(國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077)

0 引言

大型發電機組勵磁控制系統對電力系統的靜態穩定、動態穩定和暫態穩定性都有顯著的影響。在電力系統穩定計算中采用不同的勵磁系統模型和參數，其計算結果會產生較大的差異。因此需要能正確反映實際運行設備運行狀態的數學模型和參數，使得計算結果真實可靠。通過對并網發電機組勵磁系統模型和參數進行測試，為系統穩定分析及電網日常生產調度提供準確的計算數據，是保證電網安全運行和提高勞動生產率的有效措施，具有重要的社會意義和經濟效益[1-6]。

本文通過對大型發電機組勵磁系統的模型的研究，以PSASP為仿真工具，建立了大型同步發電機勵磁系統模型，并通過仿真分析驗證了模型的準確性。

1 同步發電機勵磁系統概述

發電機組勵磁系統由勵磁功率部分、勵磁控制部分、發電機組電壓測量和無功電流補償部分以及電力系統穩定器（PSS）組成，如圖1所示。

圖1 同步發電機勵磁系統組成Fig.1 Component of Synchronous Generator Excitation System

勵磁系統按照勵磁功率部件不同，分為直流勵磁機勵磁系統、交流勵磁機勵磁系統、靜止勵磁系統三大類，常見的發電機勵磁系統可細分如表1所示。

表1 常見同步發電機勵磁系統分類Tab.1 Classification of Common Synchronous Generator Excitation System

由于直流勵磁機受換向器（整流子）的限制，容量難以做大，新投產的100 MW及以上的發電機組已不再使用。目前新投運大型發電機組均為靜止自并勵勵磁系統或有副勵磁機的交流勵磁系統（簡稱三機勵磁），如圖2、圖3所示。

圖2 靜止自并勵勵磁系統Fig.2 Static Shunt Self-excitation System

圖3 有副勵磁機的交流勵磁系統（三機勵磁）Fig.3 AC Excitation System with auxiliary exciter（Three Machine Excitation System）

2 同步發電機勵磁系統PSASP模型

2.1 PSASP中的勵磁系統模型

在PSASP的程序中考慮了14種勵磁調節器的模型，即1型～14型，各模型根據勵磁機類型和整流是否可控、有無副勵磁機等特性可按表2進行分類。

根據表2中所列選型依據，對自并勵勵磁系統，選擇12型模型；對三機無刷勵磁系統，選擇3型模型；對三機有刷勵磁系統，選擇4型模型。

2.2 PSASP中的PID模型

PID環節是勵磁控制器中的核心部分，其參數決定了發電機勵磁系統的特性。一般PID環節可分為串聯PID和并聯PID兩種。

對于串聯型PID校正，Kv為積分校正選擇因子，一般使用兩級超前滯后環節構成串聯校正，此時置Kv=1。

表2 PSASP中的勵磁調節器模型Tab.2 Types of Exciter in PSASP

串聯PID傳遞函數框圖見圖4。

圖4 串聯PID傳遞函數框圖Fig.4 Diagram of Transfer Function for Series PID

因TB1＞TC1，記β=TB1TC1=T2T1＞1，一般β=5～10，故

串聯PID傳遞函數為為滯后環節，又稱積分環節。

因TB2＜TC2，記γ=TB2TC2=T4T3＜1，一般γ=0.1～0.2，故為超前環節，又稱微分環節。

串聯PID穩態增益為KS=K，串聯PID動態增益為KD=KSβ，串聯PID暫態增益為KT=KDγ=KS(βγ)。顯然有KD＜KS，KD＜KT。對于并聯型PID校正，常規的并聯PID校正傳遞函數為

PSASP中常用的串聯PID校正傳遞函數為

上述條件不滿足時，無法等價轉化，需使用新的并聯PID校正環節，傳遞函數框圖見圖5。

圖5 并聯PID傳遞函數框圖Fig.5 Diagram of Transfer Function for Parallel PID

3 同步發電機勵磁系統建模

本文分別以湖北省一個自并勵發電機組和一個三機勵磁發電機組為例，對大型發電機組勵磁系統進行建模仿真。

3.1 自并勵發電機勵磁系統建模

湖北省某發電廠（下文簡稱A電廠）3號機組為東方電機有限公司生產的容量650 MW汽輪發電機組，采用自并勵勵磁方式，勵磁調節器采用BB瑞士公司生產的UNITROL5000型勵磁調節器，配置有采用功率信號和角速度信號的電力系統穩定器。勵磁調節器PID傳遞函數及電力系統穩定器（PSS）的模型框圖見圖6。

圖6 湖北省A電廠3號機組勵磁調節器數學模型Fig.6 Diagram of Transfer Function for Series PID of No3 Generator,Power Station A,Hubei

根據廠家提供的資料，勵磁調節器中參數設置如表3所示。

表3 勵磁系統參數表Tab.3 Parameters of Excitation System

圖7 12型勵磁系統模型框圖Fig.7 Diagram of Excitation System Type 12

則比例環節增益Kp=500，轉換成PID傳遞函數的參數后，等效為串聯PID得到表達式：

湖北省A電廠3號機組為自并勵勵磁系統，在PSASP程序中選12型作為計算用勵磁系統模型。這是自并勵勵磁系統模型，其框圖見圖7，參數見表4。

表4 12型勵磁系統模型參數表Tab.4 Parameters of Excitation System Type 12

采用表4中的“仿真參數”，進行發電機空載5%階躍仿真計算。仿真計算條件為：調整單機無窮大系統潮流，使發電機空載，發電機端電壓與現場試驗施加階躍前的機端電壓一致，階躍擾動幅度及間隔時間與現場試驗相同。仿真曲線如圖8所示，響應特性指標比較結果見表5（取上階躍段分析）。

由表5可知，仿真結果與實測結果接近（偏差均在允許范圍內），故表4中的“仿真參數”可以作為“實用參數”用于電力系統穩定計算。

圖8 湖北省A電廠3號機組空載電壓5%階躍仿真曲線Fig.8 5%No-load Voltage Step Simulation of No3 Generator,Power Station A,Hubei

表5 發電機空載5%階躍響應試驗實測結果及仿真結果比較Tab.5 Comparison between Test Result and Simulation Result on 5%No-load Voltage Step Response

3.2 三機勵磁發電機組勵磁系統建模

湖北省某發電廠（下文簡稱B電廠）3號機組采用上海電機股份有限公司1 000 MW機組，采用三機勵磁方式，勵磁系統采用上海ABB工程有限公司生產的UNITROL5000系列微機勵磁調節器，勵磁調節器PID傳遞函數及電力系統穩定器（PSS）的模型框圖見圖9。

圖9 湖北省B電廠3號機勵磁調節器PID數學模型Fig.9 Diagram of Transfer Function for Series PID of No3 Generator,Power Station B,Hubei

根據廠家提供的資料，勵磁調節器中參數設置 如表6所示。

表6 勵磁系統參數表Tab.6 Parameters of Excitation System

則比例環節增益Kp=400，轉換成PID傳遞函數的參數后，并等效為串聯PID得到表達式為

湖北省B電廠3號機組為交流勵磁機勵磁系統，在PSASP程序中選3型作為計算用勵磁系統模型。這是副勵磁機向調節器供電的不可控整流交流勵磁機勵磁系統。適用于無刷勵磁系統，其框圖見圖10，參數見表7。

圖10 3型勵磁系統模型框圖Fig.10 Diagram of Excitation System Type 3

表7 3型勵磁系統模型參數表Tab.7 Parameters of Excitation System Type 3

4 仿真與實測結果校核

在PSASP程序中，選用3型勵磁系統，采用表7中的“仿真參數”，進行發電機空載5%階躍仿真計算。仿真計算條件為：調整單機無窮大系統潮流，使發電機空載，發電機端電壓與現場試驗施加階躍前的機端電壓一致，階躍擾動幅度及間隔時間與現場試驗相同。仿真曲線如圖11所示，響應特性指標比較結果見表8（取上階躍段分析）。

由表8可知，仿真結果與實測結果接近（偏差均在允許范圍內），故表3中的“仿真參數”可以作為“實用參數”用于電力系統穩定計算。

圖11 湖北省B電廠3號機組空載電壓5%階躍仿真曲線Fig.11 5%No-load Voltage Step Simulation of No3 Generator,Power Station B,Hubei

表8 發電機空載5%階躍響應試驗實測結果及仿真結果比較Tab.8 Comparison between Test Result and Simulation Result on 5%No-load Voltage Step Response

5 結論

本文建立了自并勵勵磁發電機組和三機勵磁發電機組的勵磁系統模型，以PSASP為仿真工具進行了建模和仿真，仿真結果表明PSASP建模具有足夠的精度，滿足電力系統計算需求。

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