励磁系统参数实测及建模综合实验指导书.doc

励励磁磁系系统统参参数数实实测测与与仿仿真真建建模模 综综合合实实验验指指导导书书 徐徐俊俊华华 李李啸啸骢骢编编 广广西西大大学学电电气气工工程程学学院院 电电力力系系统统动动模模数数模模一一体体化化仿仿真真实实验验室室 目目 录录 第一章第一章 前言前言.1 第二章第二章 励磁系统参数实测试验励磁系统参数实测试验.2 2.1 设备参数 2 2.1.1 模拟水轮发电机组参数.2 2.1.2 励磁变压器参数.3 2.1.3 PT、CT 及转子分流器参数3 2.1.4 AVR 参数 .3 2.2 励磁系统参数实测试验 4 2.2.1 发电机空载特性试验.4 2.2.2 发电机空载时间常数 Tdo测试4 2.2.3 励磁系统开环放大倍数测试.5 2.2.4 小阶跃响应试验.5 2.2.5 大阶跃响应试验.5 第三章第三章 试验结果分析试验结果分析.6 3.1 确定发电机励磁回路基值及饱和系数 6 3.2 调节器最大内部电压 VAMAX和最小内部电压 VAMIN.7 3.3 换相电抗的整流器负载因子 KC（标幺值）.7 3.4 可控硅整流器的最大/最小触发角计算.7 3.5 最大输出电压 VRMAX和最小输出电压 VRMIN.7 3.6 发电机电压测量环节等值时间常数 8 第四章第四章 BPA 仿真建模及小干扰校核仿真建模及小干扰校核8 4.1 BPA 仿真建模8 4.2 励磁系统模型小干扰校核 9 参考文献参考文献.10 第一章 前言 发电机励磁控制对于电力系统的稳定性起着重要的作用，在研究分析电力系统稳 定性时需要掌握励磁控制系统的特性及参数，并建立准确可信的模型。以往计算常常 将电力系统暂态过程中励磁系统的作用简化维持暂态电动势不变，不计及励磁系统的 具体模型参数，即采用恒定的模型。许多研究报告已指出，对于快速励磁系统，采 q E 用恒定的模型将导致计算结果偏保守，对于常规三机励磁系统则偏冒进。早在上世 q E 纪 60 年代末 IEEE 就提出了励磁系统的数学模型，并先后作了三次更新，我国在 90 年代初提出了稳定计算用的励磁系统模型，并一直在进行改进。随着全国联网工程的 实施，互联电网的动态稳定性及电压稳定性问题越来越突出，电力系统四大元件（发 电机、励磁系统、调速系统及负荷）的模型和参数对系统计算结果的影响已变得不容 忽视。为了提高电力系统计算分析结果的准确度和可信度，近年来，我国电力系统正 积极推进四大元件的实测建模工作，特别是对于励磁控制系统，无论是暂态过程计算 还是小干扰稳定分析，其模型参数的准确性对计算结果影响尤为突出。专业工作者已 经越来越认识到，通过开展励磁系统参数测试，建立适合于电力系统稳定计算用的真 实可信的励磁系统数学模型，是一项迫切的基础工作，是提高系统运行稳定性，挖掘 稳定储备和改善系统动态特性的有效手段。2006 年国家电网公司颁发了“发电机励磁 系统建模导则” ，为实施发电机励磁系统建模和模型参数运用提供了指导性的技术原则 和基本方法。 本实验针对广西大学电力系统动态模拟实验室发电机励磁系统，展开励磁系统参 数实测及仿真建模工作，将实际电力系统中的实验项目引入课堂教学，使学生加深对 相关理论知识的理解并提高工程应用能力。 整个实验主要包含以下几方面的内容：首先进行励磁系统参数实测相关的实验； 其次对实验数据进行分析处理；接着根据数据处理结果，在 BPA 数字仿真平台中搭建 稳定计算用仿真模型；最后对建立的仿真模型进行小扰动校核，建立了可运用于电力 系统稳定综合计算分析的励磁系统数学模型。 第二章 励磁系统参数实测试验 2.1 设备参数 2.1.1 模拟水轮发电机组参数 动态模拟实验室的模拟水轮发电机组实物图如图 2-1 所示。 图 2-1 模拟水轮发电机组的实物图 该机组由武汉湖电华龙电机制造有限责任公司生产，主要由同轴相连的一台交流 励磁机、一台直流电动机以及一台凸极式发电机组成，并配以同轴飞轮片、测速齿盘 和测功角齿盘。其中直流电动机作为原动机，型号为 Z2-61，采用他励磁励方式，额定 有功功率为 10kW，额定电压为直流 220V，额定电流为 54.5A，额定频率为 50Hz，额 定转速为 1500r/min；交流励磁机用于模拟励磁机他励或者励磁机自励励磁方式，型号 ZTC-2，额定有功功率为 2kW，额定电压为交流 220V，额定电流为 3.6A，额定功率因 数为 0.8，额定励磁电流为 3.54A，额定频率为 50Hz，额定转速为 1500r/min；凸极式 发电机的型号为 MTF-4，参数如表 2-1 所示。 表 2-1 凸极式发电机参数 名称名称参数参数名称名称参数参数 额定容量 N S5 kVA额定电压 N U380 V (YY 接) 额定功率因数 N cos0.8定额电流 N I7.4 A 额定转速 N n1500 r/min额定频率 N f50 Hz 发电机转子电压 L U28 V空载励磁电流 L I0.6 A 直轴同步电抗 d x1.705 pu直轴暂态电抗 d x 0.26 pu 直轴次暂态电抗 d x 0.172 pu 交轴同步电抗 q x 1.097 pu 交轴次暂态电抗 q x 0.164 pu励磁绕组电阻 L R37.36 定子绕组开路时转子回路时间常数 d0 T1.05 s励磁绕组电抗 L X0.099 pu 定子绕组开路时直轴暂态时间常数 d0 T 零序电抗 0 X0.079 pu 定子绕组开路时交轴暂态时间常数 q0 T 负序电抗 2 X0.160 pu 定子绕组开路时直轴次暂态时间常数 d0 T 0.0039 s定子绕组电阻 a R0.109 定子绕组开路时交轴次暂态时间常数 q0 T 定子绕组漏抗 S X0.119 pu 2.1.2 励磁变压器参数 励磁变压器的基本参数如表 2-2 所示。 表 2-2 励磁变基本参数记录表 参数名称参数参数名称参数 额定容量（kVA）2.5联接组别dy-11 型接线 额定电压（V）380额定频率50 短路阻抗5%励磁变相数3 相 2.1.3 PT、CT 及转子分流器参数 PT 变比：800V/100V CT 变比：5A/5A 分流器变比：（励磁回路）5A/75mv 2.1.4 AVR 参数 励磁调节器制造厂家没有提供 AVR 模型。 2.2 励磁系统参数实测试验 2.2.1 发电机空载特性试验 一、实验目的 测量在发电机空载情况下励磁电流和机端电压的关系，同时确定发电机励磁电压、 励磁电流、励磁回路电阻的基准值，为励磁系统和发电机饱和系数的计算提供依据。 二、实验条件 1、发电机空载运行，维持额定转速，AVR 采用手动励磁调节方式（电压闭环） 。 2、采用自并励励磁方式。 3、要求发电机电压不低于 1.2 倍的额定电压。适当提高励磁调节器过励限制定值 和发变组过压保护定值。 三、实验方法 1、按现场“增励”按钮逐渐改变励磁电流，测量发电机 10%120%额定机端电压 范围（当发电机与主变压器相连时发电机电压不能超过 105%额定电压）的上升特性曲 线。 2、按现场“减励”按钮逐渐改变励磁电流，测量发电机 120%10%额定机端电压 范围的下降特性曲线。 四、安全注意事项 发电机电压不超过额定值的发电机电压不超过额定值的 120%，发电机电压在，发电机电压在 1.2 倍额定值停留记录时间不超倍额定值停留记录时间不超 过过 20 秒。秒。 2.2.2 发电机空载时间常数 Tdo测试 一、实验目的 测量定子开路转子时间常数。 0d T 二、实验条件 1、发电机空载运行，转速维持额定，AVR 采用自动励磁调节方式。 2、采用自并励励磁方式。 三、实验方法 在发电机空载额定电压条件下，采用突然封闭励磁调节器触发脉冲的方法，使发 电机灭磁，测录发电机电压下降的曲线，计算发电机转子时间常数。 2.2.3 励磁系统开环放大倍数测试 一、实验目的 确定励磁系统的开环放大倍数。 二、实验条件 1、发电机励磁方式为他励。 2、发电机维持额定转速，主调节器运行方式置“电压闭环” ，给定置 40%。 三、实验方法 1、按调“起励”按钮，发电机机端电压升至 40%额定电压。 2、主调节器比例系数置为原先设定值的 1/5，即积分、微分退出。 3、缓慢升高发电机电压，分别在发电机电压为 40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%、100%额定电压时记录 UF、Ur、U、UC、UL。其中 UF 为 PT 二次电压、Ur 为给定电压、U、UC 为 角控制电压、 为可控硅导通角、UL 为整流桥输出电压。 4、试验完毕将参数改回原值。 2.2.4 小阶跃响应试验 一、实验目的 测量励磁调节器的调节品质。 二、实验条件 1、发电机空载运行，转速维持额定，AVR 采用自动励磁调节方式。 2、采用自并励励磁方式。 三、实验方法 调整发电机电压为 95%额定电压，进行5%额定电压阶跃扰动试验，记录发电机 机端电压、转子电压、转子电流波形。 四、实验目标 发电机空载 5%阶跃响应：超调量不大于阶跃量的 30%，振荡次数不大于 3 次，上 升时间不大于 0.6s，调节时间不大于 5s。 2.2.5 大阶跃响应试验 一、实验目的 确定励磁功率单元的模型参数。可测得最大、最小输出电压，校核调节器的、 min 是否满足要求。 max 二、实验条件 1、发电机空载运行，转速维持额定，AVR 采用自动励磁调节方式。 2、采用自并励励磁方式。 三、实验方法 1、自动励磁调节器调整发电机电压为 60%额定电压，操作调节器进行+20%阶跃 试验（60%80%） ，同时启动录波。 2、自动励磁调节器调整发电机电压为 80%额定电压，操作调节器进行-20%阶跃试 验（80%60%） ，同时启动录波。 第三章 试验结果分析 3.1 确定发电机励磁回路基值及饱和系数 由发电机空载特性可确定发电机励磁回路的计算基准值及模型参数。发电机空载 特性曲线见图 3-1。 图 3-1 发电机空载特性曲线 1、发电机励磁电流的基准值 fDB I 选取发电机空载特性曲线气隙线上与发电机额定电压相对应的发电机励磁电流为 发电机励磁电流的基准值。 2、发电机励磁回路电阻的基准值 fDB R 取发电机铭牌额定励磁电压与额定励磁电流之比为发电机励磁绕组电阻的基准值。 3、发电机励磁电压的基准值 fDB U （3-1） fDBfDBfDB IRU= 4、根据发电机空载特性可计算模型需要的饱和系数 SG 按照电力系统分析程序规定的发电机饱和系数定义进行求取。BPA 电力系统分析 程序的发电机饱和系数按照式（3-2）计算。 （3-2） fJfJfKG1.2 fBfBf0G1.0 )/II-(IS )/II-(IS 3.2 调节器最大内部电压 VAMAX和最小内部电压 VAMIN VAMAX和 VAMIN指 AVR 的 PID 放大器总输出的内部限幅值。 3.3 换相电抗的整流器负载因子 KC（标幺值） 由励磁变压器供电的三相全波可控整流桥换相压降系数的计算公式如下： C K （3-3） k N N FDB c X S U R K 2 13 其中，、分别为励磁变压器的额定视在功率、二次侧额定电压和短路 N S N U k X 电抗。 3.4 可控硅整流器的最大/最小触发角计算 在空载大阶跃试验的波形中，对励磁电压随机端电压的平稳上升/下降段分别取两 点计算 角，计算公式为： （3-4） cfABf KIEU-)/180cos(35 . 1 0 式中，为励磁变压器二次侧电压。 AB E 3.5 最大输出电压 VRMAX和最小输出电压 VRMIN 对自并励励磁系统，电压调节器最大输出电压和最小输出电压也就是励 maxR V minR V 磁系统的最大、最小输出电压，是发电机端电压等于额定值时的最大、最小输出电压。 根据可控硅最小控制角、最大控制角，得到标幺值形式的和为： maxR V minR V （3-5） fDBABR UEV/cos35 . 1 minmax = （3-6） fDBABR UEV/cos35 . 1 maxmin = 3.6 发电机电压测量环节等值时间常数 发电机电压测量环节等值时间常数为 TR=0.01s。 第四章 BPA 仿真建模及小干扰校核 4.1 BPA 仿真建模 1、确定计算用模型及模型参数 在中国版 BPA 暂态稳定程序中，根据励磁方式及 AVR 模型，选定合适的模型作 为计算用励磁系统模型。如选择 FV 型作为计算用励磁系统模型，其传递函数图如图 4-1 所示，参数见表 4-1。 图 4-1 FV 型或 12 型传递函数框图 表 4-1 FV 型励磁系统模型参数表 参数名称原始参数实用参数 调差系数 Xc 调节器输入滤波器时间常数 TR （秒） 调节器最大内部电压 VAMAX（标幺值） 调节器最小内部电压 VAMIN（标幺值） 电压调节器超前时间常数 T1 （秒） 电压调节器滞后时间常数 T2 （秒） 电压调节器超前时间常数 T3 （秒） 电压调节器滞后时间常数 T4 （秒） 电压调节器放大器增益 KA （标幺值） 调节器 PID 增益 K （标幺值） 积分选择因子 Kv （标幺值） 电压调节器放大器时间常数 TA （秒） 软负反馈放大倍数 KF (标幺值) 软负反馈时间常数 TF 电压调节器最大输出电压 VRMAX