大型發電機勵磁系統仿真儀的開發與測試

祖友軍，祝春暉，陳俊華，饒春平（.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 58000；.武漢科創源科技有限公司，湖北 武漢 430073）

大型發電機勵磁系統仿真儀的開發與測試

祖友軍1，祝春暉2，陳俊華1，饒春平1
（1.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000；2.武漢科創源科技有限公司，湖北 武漢 430073）

勵磁系統作為重要的發電機控制系統，其動態調節特性的優劣對機組的運行安全及發電效益有很大的影響。為解決機組靜態時可獲知勵磁系統動態調節特性問題，研制出大型發電機勵磁系統便攜式仿真儀；經在某核電站測試，該仿真儀基本滿足該電站勵磁系統所有試驗程序要求，能比較真實地模擬發電機的運行工況，來進行勵磁系統的靜態調試、開機前的閉環動態仿真試驗，以驗證勵磁系統的性能。

勵磁系統；仿真儀；短路試驗；空載試驗；閉環仿真試驗

0 概述

勵磁系統是發電機的重要組成部分，負責發電機的電壓調節和并網后無功功率的分配。勵磁系統對發電機和電力系統的靜態和動態穩定都有著重要的影響。勵磁系統的調試是一項非常重要的工作，以往調試順序是開機前做勵磁系統靜態試驗，開機后做動態試驗，因而無法在開機前開展動態試驗來提前排查勵磁系統的各種隱患。

為此，研制出了大型發電機勵磁系統便攜式仿真測試儀。勵磁系統仿真儀通過采集勵磁系統整流輸出的勵磁電壓，經過勵磁機和發電機的數學模型，實時計算發電機的三相電壓、電流和勵磁電流，并輸出至勵磁系統檢測。勵磁調節器通過給定值與反饋的機端電壓量、勵磁電流量來計算可控硅控制角度，并結合臨時勵磁變壓器及可控硅整流橋，從而實現勵磁系統的閉環仿真。

1 勵磁系統仿真儀的實現

1.1 交流勵磁機的數學模型

仿真儀需要考慮到各種勵磁系統的仿真要求，由于三機勵磁系統和兩機勵磁系統中都有交流勵磁機的存在，仿真儀需要建立交流勵磁機的數學模型。該模型考慮了以下因素：交流勵磁機的D軸阻尼效應、勵磁機的電樞反應、自勵系數和勵磁機的飽和效應、整流器換相電抗引起的電壓降、勵磁機同步電抗引起的電壓降。勵磁機模型框圖如圖1所示。

在圖1中，Ufe為勵磁機輸入的勵磁電壓，TE為勵磁機時間常數，KE為勵磁機自勵系數，SE為勵磁機飽和系數，KEF為勵磁機暫態系數，TEF為勵磁機暫態時間常數，Eq為勵磁機空載電勢，Ufg為發電機勵磁電壓，Ifg為發電機勵磁電流，Tdx′為發電機轉子時間常數，K1為交流勵磁機去磁系數，K2為交流勵磁機電抗壓降系數，K4為換相電抗壓降系數，K5為整流系數，K6為交流勵磁機發電機電壓換算系數。K1-K6均由已知的交流勵磁機參數求出。以上交流勵磁機模型可以準確地反應勵磁機的動態過程。

1.2 發電機的數學模型

選取勵磁系統仿真儀中發電機的數學模型時，既要考慮勵磁系統的動態過程，又要考慮到便攜式仿真儀技術實現的難度。現選取實用的發電機3階模型作為勵磁系統仿真儀的發電機模型，其發電機模型如下式。

式中：

ud，uq——發電機d，q軸電壓；

id，iq——發電機d，q軸電流；

xd，xq——發電機d，q軸電抗；

Xd′，Xq′——發電機d，q軸暫態電抗；

Td0′，Tq0′——發電機d，q軸暫態時間常數；

Ed′，Eq′——發電機d，q軸暫態電勢；

Ef——發電機勵磁電勢；

ω——轉子轉速；

δ——功角；

TJ——慣性時間常數；

Tm——機械轉矩。

由以上基本模型具體細化成發電機空載試驗模型，發電機短路升流試驗模型，發電機并網帶負荷模型。

1.3 勵磁系統仿真儀的硬件設計

某核電站2號發電機勵磁系統為2機1變自并勵無刷勵磁系統，勵磁裝置為法國ALSTOM公司P320型微機勵磁調節器，采用“雙自動+獨立手動通道、雙橋”配置。

勵磁系統仿真儀硬件按照P320微機勵磁調節器所需要的電氣信號來設計。勵磁系統使用2路發電機PT電壓、2路發電機CT電流、2路交流勵磁CT電流、3組開關量信號、1路4-20 mA勵磁電流信號。發電機交流信號輸出采樣16位高精度DA輸出正弦信號后，進入功率放大單元，輸出三相交流電壓（AC 0-150 V）、三相交流電流（AC 0-5 A）、三相交流勵磁電流（AC 0-2 A）信號給勵磁系統檢測。所有的輸出交流電壓、電流信號都經過V/I，I/I轉換，經AD采樣后在觸摸屏上顯示。

勵磁系統仿真儀采集勵磁系統輸出的直流勵磁電壓作為仿真儀的輸入信號，直流信號采樣通過外置SPI串行輸出AD轉換器來采集。為了實現勵磁電壓與CPU部分的隔離，外置SPI串行輸出AD轉換器采用單獨的隔離電源供電，AD轉換器輸出的串行SPI信號通過數字隔離器輸出至CPU，解決了線性光耦采樣可能出現的失真問題。勵磁系統仿真儀硬件原理如圖2。

2 勵磁系統仿真儀試驗結果與發電機試驗結果比較

勵磁系統仿真儀中勵磁機和發電機所有需要設置的參數都是由勵磁機和發電機廠家提供的。以下是勵磁系統仿真儀仿真結果與真實發電機試驗數據的對比。

2.1 短路試驗和空載試驗數據比較

勵磁系統仿真儀與2號發電機短路試驗和空載試驗數據比較如表1所示。由表1可知，短路試驗數據和空載試驗數據比較準確，勵磁系統仿真儀可以較為準確地反映發電機的空載、短路試驗過程。

2.2 機端電壓階躍響應錄波

空載條件下機端電壓95 %時，±5 %階躍響應錄波如圖3，4所示。圖中UAB為發電機線電壓，ULD為勵磁機勵磁電壓，ILD為勵磁機勵磁電流。從圖3與圖4的發電機空載階躍波形比較來看，勵磁系統仿真儀空載±5 %階躍的超調、調節時間與2號發電機試驗數據比較接近。

2.3 滅磁試驗

滅磁試驗在空載及100 %機端電壓下進行，錄波如圖5，6所示。圖中U為發電機線電壓，Uex為勵磁機勵磁電壓，Iex為勵磁機勵磁電流。

圖2 勵磁系統仿真儀硬件原理

表1 仿真儀與2號發電機短路試驗和空載試驗數據

圖3 仿真儀空載±5 %階躍響應錄波

對比圖5和圖6，勵磁系統仿真儀的滅磁時間常數（電壓從額定降至0.386 p.u.的時間）和設置的發電機（11 s）基本一致，和發電機實際滅磁錄波曲線也基本一致。由于勵磁裝置的錄波時間較短，所以沒有錄到小于20 %以后的仿真試驗波形。P=861 MW，發電機無功功率Q=150 Mvar下進行。階躍響應錄波如圖7，8所示，其中U為發電機線電壓，Uex為勵磁機勵磁電壓，Iex為勵磁機勵磁電流，P為發電機有功，Q為發電機無功。

圖4 2號發電機空載±5 %階躍響應錄波

圖5 仿真儀滅磁試驗錄波

從圖7，8階躍錄波波形來看，兩者的主要差別在于階躍響應的穩定時間上，造成這種現象的主要原因是發電機并網模型采用相對簡單的實用3階模型，而發電機真正并網以后的動態過程模型復雜，對于便攜式的仿真儀來說要實現比較困難。

圖7 勵磁系統仿真儀并網±2 %階躍響應錄波

圖8 2號發電機并網±2 %階躍響應錄波

圖6 2號發電機滅磁試驗錄波

2.4 并網±2 %階躍試驗

并網±2 %階躍試驗在發電機有功功率

2.5 甩負荷試驗

甩負荷試驗在發電機有功功率P=575 MW，發電機無功功率Q=300 Mvar下進行。錄波圖如圖9，10所示，其中U為發電機線電壓，Uex為勵磁機勵磁電壓，Iex為勵磁機勵磁電流，P為發電機有功，Q為發電機無功。

從圖9，10甩負荷的錄波波形來看，兩者的主要差別在于甩負荷的超調量以及上升時間上。出現這種差別的原因主要是發電機模型采用相對簡單的實用3階模型。

圖9 50 %甩負荷仿真儀錄波

圖10 50 %甩負荷2號發電機錄波

3 結束語

通過發電機勵磁系統仿真儀在該核電站2號發電機組上的動態試驗結果來看，在有準確的勵磁機和發電機參數的情況下，勵磁系統仿真儀能夠與勵磁系統形成閉環，實現發電機與勵磁系統的閉環仿真，可以較準確地進行發電機短路試驗和空載試驗。考慮到此仿真儀為便攜式仿真儀，采用復雜的發電機高階模型實現難度比較大，而采用了實用3階模型；同時實際發電機在并網以后的動態過程比較復雜，因此仿真儀模擬發電機并網動態過程，與實際發電機在響應時間上差別較大。綜合考慮，要消除響應時間差別大的問題，需要對現有并網帶負荷模型做進一步的優化。

總體而言，作為一種新型的勵磁系統調試工具，勵磁系統仿真儀通過參數的選擇可以滿足2機1變無刷勵磁系統、3機勵磁系統、自并勵磁系統的仿真要求，填補了國內勵磁系統現場動態調試的空白。無論對新投運的勵磁系統還是投運后勵磁系統的檢修，勵磁系統仿真儀給勵磁系統的靜態調試、開機前的閉環動態仿真試驗、勵磁系統開機前的隱患排除、勵磁系統專業人員的試驗培訓都提供了很大的方便，對勵磁系統的調試有非常重要的意義。該發電機勵磁系統仿真儀經進一步優化后具有實際推廣價值。

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6 陸繼明，毛承雄，范 澍，等.同步發電機微機勵磁控制［M］.北京：中國電力出版社，2005.

2015-06-25；

2015-09-07。

祖友軍（1973-），男，高級工程師，主要從事繼電保護及勵磁專業工作，email：zuyoujun@cgnpc.com.cn。

祝春暉（1984-），男，工程師，主要從事嵌入式系統研究與開發工作。

陳俊華（1982-），男，工程師，主要從事繼電保護及勵磁專業工作 。

饒春平（1984-），男，工程師，主要從事繼電保護及勵磁專業工作。