甘肃刘家峡水电厂#5机 励磁系统模型和参数测试 及PSS试验结果及分析

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1 甘肃刘家峡水电厂#5机 励磁系统模型和参数测试 及PSS试验结果及分析
沈利平、付廷勤、王茂元

2 摘要 通过对刘家峡水电厂#5机组的励磁系统进行参数实测，给出了该机组励磁系统的参数测试项目及结果，确定了电力系统稳定计算用数学模型和参数，进行了电力系统稳定器（PSS）的参数选择和现场试验，确定了PSS的运行参数。

3 摘要 现场进行实践表明，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。

4 关键词 电力系统 励磁系统模型 电力系统稳定器(PSS) 自动电压调节器(AVR)反调

5 大纲 1 引言 2 发电机励磁系统简介 3 励磁系统模型参数测试 4 PSS试验 5 励磁系统稳定计算 6.结论

6 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。
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。

7 1 引言 新的稳定导则要求： 发电机采用精确模型； 在计算中采用实际的励磁系统模型和参数。

8 1 引言 通过对电网典型主力机组的发电机、励磁和调速系统模型及参数进行测试，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。

9 1 引言 根据西北电力调度（交易）中心的要求，2005年11月刘家峡水电厂委托中国电科院进行了刘家峡水电厂#5机励磁系统模型参数的确认及电力系统稳定器（PSS）参数整定试验。

10 1 引言 试验分为： 发电机空载试验； 发电机负载试验。

11 1 引言 发电机空载试验包括： 发电机空载特性； 发电机空载阶跃响应； 励磁系统离线频率特性测量等。

12 1 引言 发电机负载试验包括 励磁系统无补偿频率特性测试； PSS参数优化调整及投入效果检查试验； 有/无PSS负载阶跃响应试验；
反调试验等。

13 1 引言 通过现场试验： 确定#5机组电力系统稳定计算用励磁系统模型参数； 整定PSS的运行参数。

14 2 发电机励磁系统简介 刘家峡水电厂#5发电机（328.5MW），采用自并励静止励磁方式，属快速励磁系统。
励磁调节器采用PID+PSS控制方式 调节器主通道（电压调节）采用PID调节 PSS采用发电机电功率信号和转子角速度信号作为输入

15 2 发电机励磁系统简介 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#5机励磁系统原理方框图如图。

16 2 发电机励磁系统简介 白

17 2 发电机励磁系统简介 主调节通道，即电压调节通道有测量单元，比例、积分单元。
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。其中，Pe为发电机电功率，Δω为发电机转子角速度。 其中，PID参数：Ka = 15.0，Ta = 11.81

18 3 励磁系统模型参数测试 3.1发电机空载特性曲线； 3.2发电机空载5%阶跃响应试验； 3.3励磁系统离线频率特性测量试验；
3.4由于励磁调节器条件不具备，发电机空载时间常数试验、静态放大倍数试验未做，仿真中使用相应的设计值代替。

19 3.1发电机空载特性曲线 测试发电机空载额定励磁电压、励磁电流和机端电压等数据，为励磁系统标幺制计算和发电机时间常数的确定提供依据。

20 发电机空载特性曲线

21 发电机励磁回路的计算 （1） 发电机励磁电流的基准值IFDB：
选取发电机空载气隙线上与额定机端电压相对应的励磁电流，作为发电机励磁电流的基准值：IFDB=847A

22 发电机励磁回路的计算 （2）发电机励磁回路电阻的基准值RFDB：
选取发电机铭牌额定励磁电压与额定励磁电流之比，作为发电机励磁绕组电阻的基准值，即RFDB=UFDN/ IFDN UFDN= 387V IFDN =1464A RFDB=UFDN/IFDN=387/1464 =0.2643Ω

23 发电机励磁回路的计算 （3）发电机励磁电压的基准值UFDB ： UFDB=RFDB*IFDB=0.2643×847＝ V

24 发电机励磁回路的计算 （4）根据发电机空载特性可计算模型需要的饱和系数SG1.0、SG1.2：
对应发电机额定电压的空载气隙线电流为847A，实际电流为966A，则：SG1.0=( )/ 847=0.1405 对应发电机1.2倍额定电压的空载气隙线电流为983.5A，实际电流为1435A，则：SG1.2=( )/ 983.5=0.4591

25 3.2发电机空载5%阶跃响应试验 用励磁调节器升压到发电机空载额定值的90% ，进行5%阶跃响应试验, 用电量记录分析仪记录发电机电压、转子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、振荡次数等性能指标满足要求。

26 空载5%电压阶跃试验

27 空载5%电压阶跃试验 计算可得各性能指标 超调量是1.88% 到达峰值的时间Tp=0.552s 上升时间Tr=0.301s
振荡次数为0.5次

28 3.3励磁系统离线频率特性测量试验 测量励磁系统在发电机空载时的频率特性。

29 励磁系统空载频率特性测量

30 发电机空载时间常数试验 励磁调节器条件不具备，试验未做，仿真中使用相应的设计值代替

31 静态放大倍数试验 励磁调节器条件不具备，试验未做，仿真中使用相应的设计值代替

32 励磁系统参数计算 1) 调节器最大内部电压VAMAX和最小内部电压VAMIN指AVR的PID环节总输入的内部限幅值

33 励磁系统参数计算 2) 换相电抗的整流器负载因子KC （标幺值）

34 励磁系统参数计算 3) PID参数 Ka = 15.0，Ta = 11.81 4) 可控硅单元放大倍数
K=1.35U/UFDB=895×1.35/223.9V=5.396 （U为励磁变二次侧线电压）

35 励磁系统参数计算 5) 励磁电压限制 EFDMAX=1147/UFDB=1147/223.9=5.12
由于条件不具备，未做强励试验，此处使用强励励磁电压设计值: 1147V （在励磁电流1747A条件下）。

36 4 PSS试验 4.1 在线无补偿励磁系统频率特性测量 4.2在线有补偿励磁系统频率特性仿真 4.3 PSS增益调整试验
4.5反调试验

37 4.1 在线无补偿励磁系统频率特性测量 发电机并网运行，有功功率接近于额定值（P=291.5MW , Q=20Mvar ）。
励磁调节器单柜自动运行，PSS退出，测量励磁系统无补偿相频特性。

38 4.2在线有补偿励磁系统频率特性仿真 根据在线无补偿测试结果，对PSS相频特性进行计算，并与励磁系统在线无补偿相频特性相加，检查相频特性相位滞后角Φe＋Φpss变化。相位角Φe＋Φpss应接近于-90度，偏差不超过30度，不满足要求时，修改超前/滞后(LEAD/LAG)环节时间常数。

39 在线有补偿相频特性仿真

40 4.2在线有补偿励磁系统频率特性仿真 PSS参数设定值为：
T1=0.2s，T2=0.2s，T3=0.02s，T4=0.02s， M=7.2s,T=6，G=3。

41 4.3 PSS增益调整试验 理论上讲，在正确的相位补偿下，PSS的增益越大，其提供的正阻尼越强，但实际上，电力系统是一个高阶的复杂系统，增加PSS的增益虽然可以增加某些机电振荡的阻尼，但如果PSS增益过大，也可能引起PSS调节环振荡，使系统出现不稳定现象，此时，机组的励磁电压和无功功率可能出现明显摆动甚至是等幅或增幅摆动。

42 4.3 PSS增益调整试验 图6为刘家峡水电厂#5机PSS增益为G=14时的录波图，其中，UFD为发电机转子电压， UAB为发电机机端电压，可以看出励磁调节器输出电压出现微弱的电磁环振荡，可近似地将此时的PSS增益作为PSS临界增益。 PSS的增益一般取临界增益的1/3到1/5，据此实际运行的增益取G=3。

43 G＝14录波图

44 4.4 PSS阻尼效果校核试验 发电机并网运行，先将PSS切除，进行2％的电压阶跃试验，同时启动电量记录分析仪录波，记录有功功率的摆动幅值和次数。将PSS投入，同样工况下重复以上试验，录波观察，有功功率的摆动幅值和次数减少，对于本机振荡有明显的抑制作用。

45 无PSS±2%阶跃响应试验

46 G＝3有PSS时±2%阶跃响应试验

47 G＝4有PSS时±2%阶跃响应试验

48 4.5 反调试验 PSS的原理是通过励磁系统的作用抑制有功功率的低频振荡，可以说PSS是通过无功功率的波动来抑制有功功率的波动，所以，在正常情况下，投入PSS后较不投PSS时励磁系统的波动要大，只要无功功率的波动在合适的范围内，就可认为正常。

49 4.5 反调试验 另外，用电功率作为输入信号的PSS在原动机功率发生变化时，由于PSS自己不能区分系统波动和原动机功率波动，仍然作用于励磁系统，造成无功功率波动，这种现象就叫“反调”，如果反调的影响太大，就需要在执行增减有功功率操作时闭锁PSS的输出。

50 反调现象

51 4.5 反调试验 5号机组励磁系统中PSS采用发电机电功率信号和转子角速度信号的符合IEEE PSS-2A型模型，反调现象得到有效的解决。试验情况见录波图如下。

52 4.5 反调试验

53 4.5 反调试验 当#5机以最快运行速度减少有功出力50MW时，发电机电压及无功功率基本没有变化，反调的影响在正常范围内。

54 5励磁系统稳定计算 5.1 稳定计算用励磁系统模型及仿真结果 5.2 PSS运行参数

55 5.1 稳定计算用励磁系统模型及仿真结果 刘家峡水电厂#5发电机为自并励励磁系统
稳定计算由中国电科院采用12型（电力系统分析综合程序）励磁模型作为计算用励磁系统模型进行计算

56 励磁模型其传递函数框图

57 励磁控制系统空载阶跃响应应用修正值仿真结果

58 发电机空载5%阶跃响应仿真结果 电压上升 时间 峰值 超调量 振荡 次数 试验结果 0.301s 0.552s 1.88% 0.5 仿真结果
3.82%

59 仿真结果 现场发电机空载阶跃响应试验实测结果与仿真结果接近，满足仿真计算的要求。
由于励磁调节器条件不具备，发电机空载时间常数试验、静态放大倍数试验未做，仿真中使用相应的设计值代替。

60 12型励磁系统模型参数表 参数名称 原始值 修正值 调节器输入滤波器时间常数 Tr （秒） 0.01
调节器最大内部电压 VAMAX（标幺值） 10.0 调节器最小内部电压 VAMIN（标幺值） -10.0

61 12型励磁系统模型参数表 电压调节器超前时间常数 T1 （秒） 11.81 电压调节器滞后时间常数 T2 （秒）
0.01 电压调节器滞后时间常数 T4 （秒）

62 12型励磁系统模型参数表 电压调节器增益 KA （标幺值） 5.396 电压调节器增益 K （标幺值） 15 11
电压调节器增益 Kv （标幺值） 电压调节器滞后时间常数 TA （秒） 0.01

63 12型励磁系统模型参数表 电压调节器最大输出电压 VRMAX（标幺值） 5.21 电压调节器最小输出电压 VRMIN（标幺值） -4.63
换相电抗的整流器负载因子 KC （标幺值） 0.078 励磁控制系统稳定器增益 KF （标幺值） 0.0

64 12型励磁系统模型参数表 励磁控制系统时间常数 TF （ 秒） 1.0 无功功率调差系数XC 0.0 额定电压时发电机饱和系数SG1.0
0.1405 1.2倍额定电压时发电机饱和系数SG1.2 0.459 EFDMAX 5.12

65 5.2 PSS运行参数 经过现场测试，刘家峡水电厂5号机组PSS实际设置值为：
T1=0.2s，T2=0.2s，T3=0.02s，T4=0.02s， M=7.2s,T=6，G=3。 PSS输出限幅值是：±5%， PSS自动投入值：30%Pn=98.55MW， PSS自动退出值：25%Pn=82.125MW

66 6.结论 6.1 在刘家峡水电厂#5机励磁系统模型参数测试工作中，完成了发电机空载特性、发电机空载阶跃响应、励磁系统离线频率特性测量等试验。

67 6.结论 6.2 在测试结果基础上，计算出发电机饱和系数SG，换相电抗的整流器负载因子KC，电压调节器最大输出电压VRMAX和最小输出电压VRMIN等参数。建立了励磁控制系统空载阶跃响应仿真模型，并且通过将仿真结果与实际空载阶跃响应结果比对，验证了励磁控制系统模型参数的准确性。

68 6.结论 6.3 对刘家峡水电厂#5机励磁系统的模型参数测试、仿真建立的励磁系统模型和参数以及PSS模型和参数，可供电力系统稳定分析计算使用。

69 6.结论 6.4 刘家峡水电厂#5机励磁系统PSS投运试验，进行了励磁系统无补偿频率特性测试、PSS参数优化调整及投入效果检查试验、有/无PSS负载阶跃响应试验、反调试验等。试验结果表明，对于0.1～2.0Hz的低频振荡，PSS具有较好的抑制作用。

70 参考文献 [1] 李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京：中国电力出版社，2002
[2]甘肃刘家峡水电厂#5机励磁系统模型和参数测试及PSS试验报告[R].北京：中国电力科学研究院 [3]Q/ZDJ 电力系统稳定器整定试验导则[S].

71 作者简介 沈利平(1968-)，男，副总工程师，高级工程师，长期从事水电厂电气技术工作 地址：甘肃省永靖县刘家峡水电厂 邮编：731600
电话： 传真：

72 作者简介 付廷勤(1969-)，男，生产技术部部长，高级工程师，长期从事水电厂运行及生产管理工作 地址：甘肃省永靖县刘家峡水电厂
邮编：731600 电话： 传真：

73 作者简介 王茂元(1962-)，男，专责工程师，高级工程师，长期从事水电厂电气技术工作 地址：甘肃省永靖县刘家峡水电厂 邮编：731600
电话： 传真：

74 致谢 中国电力科学研究院 二滩水力发电厂

75 致谢 中国水力发电工程学会电力系统自动化专委会2006年会

76 谢谢 各位领导、专家！