（电力系统及其自动化专业论文）发电机模型及励磁参数对电网暂态稳定的影响.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 摘要 随着电力系统规模的日益庞大和复杂，电网抵抗各种大干扰的能力越来越受到 重视。发电机模型是任何稳定计算中的核心问题，以往的稳定计算由于缺乏足够精 确的 数 据， 普遍 采 用e q 恒定的 经典 模型， 忽 略了 励磁系 统的 动态调 节过 程， 这 样 得出的结果并不符合实际。 本文为了精确模拟发电机及励磁系统的动态响应，在华北电网励磁系统参数测 试工作的基础上，对其中的十三台大型机组的励磁系统，分别采用现场实测得出的 详细模型及参数，以极限切除时间为衡量指标，分析采用详细模型后，系统暂态稳 定水平的变化规律及趋势，以及励磁系统各个关键参数的变化对系统暂态稳定水平 的影响，从而为电网的运行和优化提供更为准确的参考依据。 关键词:发电机模型，励磁系统，暂态稳定，极限切除时间 wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f m o d e r n c o m p l i c a t e d p o w e r s y s t e m , t r a n s i e n t s t a b i l i t y s i m u l a t i o n h a s b e e n b e l i e v e d a s a n i n d i s p e n s a b l e t o o l f o r p o w e r s y s t e m o p e r a t i o n . a n d t h e m o d e l o f s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r i s c o n s i d e r e d t h e m o s t i m p o r t a n t f a c t o r w h i c h i n f l u e n t t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s .i n t h e p a s t y e a r s , t h e乓 c o n s t a n t m o d e l , w h i c h i g n o r e t h e d y n a mi c r e g u l a t i n g p r o c e s s o f t h e e x c i t a t i o n s y s t e m , w a s w i d e l y u s e d b e c a u s e o f l a c k i n g a c c u r a t e d a t a s o t h a t t h e r e s u l t c o u l d n o t r e fl e c t t h e r e a l o p e r a t i o n c o n d i t i o n s . t h e r e a l m o d e l i d e n t i f i e d f r o m f i e l d d a t a h a s b e e n a d o p t e d i n t h i s p a p e r w h i c h c a n r e p r e s e n t a c c u r a t e l y t h e a c t u a l d y n a m i c r e s p o n s e s o f t h e g e n e r a t o r a n d i t s e x c i t a t i o n s y s t e m b a s e d o n t h e e x c i t a t i o n p a r a m e t e r s m e a s u r e m e n t o f n o rt h c h i n a e l e c t r i c p o w e r s y s t e m .t h e v a r i a t i o n r u l e o f t r a n s i e n t s t a b i li t y l e v e l i s a n a l y s e d c o m p a r i n g w i t h t h e气 c o n s t a n t m o d e l , t a k i n g t h e c c t a s a b a s i c i n d e x , a n d t h e a f f e c t o f t h e c h a n g e o f t h e k e y e x c i t a t i o n p a r a m e t e r s o n p o w e r s y s t e m t r a n s i e n t s t a b i l i t y i s r e s e a r c h e d , b o t h c a n s u p p o r t t h e o p e r a t i o n a n d o p t i m i z a t i o n o f t h e p o w e r s y s t e m b e t t e r . h u a n g t i n g z h e n g ( e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . l i u z o n g q i ke y wor d s : g e n e r a t o r m o d e l , e x c i t a t i o n s y s t e m , t r a n s i e n t s t a b i l i t y , c c t 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章绪论 夸 1 . 1 论文课题的提出 电力系统安全稳定运行对国民经济和社会文明至关重要，随着电力系统规模的 不断扩大， 单机容量的提高， 电力系统正朝着大型联合电力系统的方向发展， 这是世 界电力系统发展的大势所趋， 也是我国电力工业发展的趋势。三峡电厂的建设以及 逐步投入运行，标志着全国性的跨大区联网已经成为现实。此外，由于电力系统市 场化的推广和实施，联络线的作用从紧急支援延伸到经济换电而接近稳定极限，因 此大区电网互联的安全、稳定、经济运行问题已经迫在眉睫，满足稳定约束下的系 统安全极限分析受到了广泛的重视。 发电机模型是任何稳定计算中最核心的问题，现代电网对电力系统暂态稳定仿 真的精确性和强壮性提出了越来越高的要求， 模型和参数的选择对电力系统仿真精 度和可信度的影响也越来越大【 1 1 2 1 。发电机模型根据计算精度的要求，对电势处 理的不同，则会有从 2阶到 6阶各种不同的模型仁 1 3 1 4 。在传统的暂态稳定 仿真计算中，实际运行系统由于缺少可信的模型参数，不得不沿用不计机组阻尼作 用 和 机 械 转 矩 变 化 的 e 9 恒 定 的2 阶 经 典 模 型 ， 或 者 套 用 不 准 确 的 模 型 参 数 进 行 计算， 造成计算结果粗糙， 直接影响稳定结论。 一般认为， 采用经典模型进行计算， 发电机组相对功角在第一或第二摆期间内 ( 1 - 2秒左右)的幅值偏于 “ 保守” 。然 而实际情况是目前较大机组均配备有快速励磁调节系统，其反应时间可达到0 . 5 秒 以内 ， 如果 假设e 、 恒定 来 进 行 暂态稳定 计算， 其计 算结 果的 精确 程度则 与 扰动类 型有密切关系。 例如， 当扰动为三相扰动时， 其计算结果是粗糙的， 而并非偏于“ 保 守” 5 6 ，因而采用更为精确的数学模型进行暂态稳定计算势在必行。 本 课 题 将 针 对 华 北 电 网 中 的 部 分 中 大 型 机 组( l 0 0 m w 以 上) 采 用 现 场 实 测 的 乓 r 变化的双轴 6 阶详细模型，研究该模型及其励磁系统参数对于华北电网暂态稳定水 平的影响，一方面，可以对华北电网的运行、调度与控制起指导作用，另一方面， 在不方便改变电网结构的情况下，可以通过对励磁系统的适当改造或者对励磁参数 的优化以达到提高电网暂态稳定水平的目的，这将是一个具有重要现实意义和可观 经济效益的课题。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 1 . 2 发电机模型及其励磁系统的国内外研究状况 我国已 进入大电网、大机组、高电压的新时期，电网的规划、设计、运行和管 理对电网分析计算的准确性提出了更高的要求，新的 电力系统安全稳定导则也 提出 了 用 详 细 模 型 取 代e q 恒定 模型 进 行 稳定 计 算 的 要 求， 需 要 计 及 励 磁系 统 对 系 统稳定性的影响，而正确的元件模型和符合实际的电网参数则是其基础。虽然我国 各电力系统在十几年前就己经开始进行建立励磁系统数学模型及其数据库的工作， 但如何通过试验调整， 优化励磁参数， 使励磁系统性能符合标准要求， 使励磁系统数 据库中的参数具有生命力、具有长久性， 在许多地方还没有引起足够的重视。近年 来国内电网对四大参数( 即发电机、励磁系统、原动机和调速系统以及综合负荷的 参数) 测试和动态建模的呼声很高，早在 1 9 9 0 年全国电网会议上，就被列为急需解 决的课题之一。 国外早在 7 0年代，美国和日 本学者就着手于电力元件模型适用性和参数准确 性的研究， 在诸多电力系统应用领域 ( 特别是稳定计算分析方面) 取得了显著成绩。 象欧美、日本等电力发达国家，他们在上个世纪末就已经完成了对发电机模型的动 态建模，建立起了适合于仿真计算的 6阶详细模型的动态参数库 7 1 仁 刚仁 9 1 ，并且 运用的效果很好，因此，近年来国外发达国家在这方面的研究己经比较少了。而国 内在这方面的研究相对要滞后不少，起步比较早的当属清华大学。到目前为止，清 华大学已相继完成四大参数的建模方法和相应的测试技术，形成一套从辨识方法、 分析软件、测试装置、现场试验、动态校核、暂态稳定计算和数据库等全套技术， 并已于1 9 9 1 年和 1 9 9 4 年分别通过了东北通辽电厂和山西大同电厂一台机组的全套 参数测试和现场暂态稳定校核【 1 川 i l l ，对整套技术的有效性和可信度作了考核。 近年来华北电力科学研究院和华北电力调度局通力合作，针对华北电网直接接 入5 0 0 k v系统的具有典型励磁系统特性的4 台主力发电机组( 沙岭子3 号和7 号机， 盘山 i 号和 3号机) ，开展了发电机励磁系统参数的测试辨识工作。通过对现场实 测以 及 各 种 仿 真 校 验 之 后 ， 建 立 起 了 适 合 暂 态 稳 定 仿 真 计 算 的 e q . 双 轴6 阶 发 电 机 详细模型，总结归纳出了部分励磁系统的关键参数，通过用 b p a 暂态稳定仿真程序 计算后，发现发电机的模型及其励磁系统参数对电网的暂态稳定水平不但有影响， 而且某些关键参数对系统的暂态稳定水平的影响还是相当显著的 1 2 1 0 由 此 可 见 ， 运 用e y 发 电 机 详 细 模 型 进 行 暂 态 稳 定 计 算 并 在 可 能 的 情 况 下 对 发 电机励磁系统参数进行适当优化将是提高系统暂态稳定水平的一个重要的研究方 向。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 圣 1 . 3 论文的工作介绍 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 以华北电网在某种特定运行方式下的一个潮流断面为基础，搜集建立 e 9 发电 机 详 细 模 型 所 需 要 的 具 体 数 据 ， 了 解 这 些 发 电 机 所 采 用 的 励 磁 系统的类型及其特点，建立起适合于b p a 仿真计算的发电机及其励磁系 统模型，完成仿真计算所必需的数据卡片的填写。 利用b p a 进行暂态稳定仿真计算，以电网中的某些主要线路在发电机出 口变压器高压侧母线发生某种类型大扰动的情况下保持系统暂态稳定 的 故 障 临 界 切 除 时 间 作 为 衡 量 指 标 ， 研 究 与 采 用 发 电 机 e q 恒 定 的 经 典 模 型相比，用详细模型计算得出的系统暂态稳定水平方面有何变化。 利用b p a 进行暂态稳定仿真计算，在相同的故障情况下，当励磁系统模 型的关键参数在士5 0 %范围内变化时， 从发电机的励磁电压和转子磁链 的变化情况进行分析，结合励磁电压和转子磁链的响应曲线，研究系统 暂态稳定水平受影响的程度。 对仿真的结果进行分析，归纳出各种类型励磁系统的关键参数，通过其 对系统暂态稳定水平的影响来指导电网的运行、调度与控制，同时为在 不改变电网结构的前提下如何提高系统的暂态稳定水平提供一种可行 参考方式和可行性建议。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章仿真和分析工具介绍 今些年来由中国电力科学研究院引进并推广应用的b p a程序是以 1 9 8 3 年版为 基础开发而成的，在程序中加入了我国电力系统分析计算所必需的重要功能，形成 了适合我国电力系统分析计算的b p a 程序 ( 中国版 1 . 0 ) 。 随着b p a 程序在国内外的 大量实践应用，使其得到了新的发展，经过进一步开发和完善，形成了新的b p a 程 序 ( 中国版 2 . 0 ) ，目前已经在国内生产、运行、规划、科研及大学等单位得到广泛 应用。 中国版b p a 程序可方便的进行大型电网的潮流计算，然后在潮流计算结果的基 础上进行暂态稳定计算和分析。 作为本课题研究、 使用的主要工具， 本章首先对b p a 程序的主要功能进行简要介绍。 2 . 1 b p a 潮流计算程序简介， ， 2 . 1 . 1湘流程序容f ( 1 ) 2 5 0 0 个节点，其中包括用于网络化简的6 0 0 个节点。 ( 2 ) 4 7 5 0 条支路，其中包括2 5 0 台带负荷调压 ( l t c )变压器，5 0 台移相器。 ( 3 ) 1 5 条两端直流线路和7 0 条多端直流线路。 6 0 个功率交换区域， 所有的区域共可包含 1 5 0 个分区，各区域之间可有 5 0 0条功率 交换联络线。 2 . 1 . 2湘流程序主要功能 ( 1 )计算方法 程序中可以使用的计算方法有:p -q 分解法、牛顿一拉夫逊法和改进的牛顿一 拉夫逊法。 采用 p -q 分解法和牛顿一拉夫逊法相结合， 可以提高潮流计算的收敛性能， 程 序通常先采用p - q分解法进行初始迭代，然后再转入牛顿一拉夫逊法求解潮流。 改进的牛顿一拉夫逊法适用于求解低压配电网、具有串补的网络和经网络化简 后的等值系统的潮流。采用该算法有助于克服由于网络r / x比值大而收敛性差的困 难。 ( 2 ) 自动电压控制 多种类型的发电机节点电压控制。除一般的p q , p v 及缓冲节点外，还具有发电 s 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章仿真和分析工具介绍 今些年来由中国电力科学研究院引进并推广应用的b p a程序是以 1 9 8 3 年版为 基础开发而成的，在程序中加入了我国电力系统分析计算所必需的重要功能，形成 了适合我国电力系统分析计算的b p a 程序 ( 中国版 1 . 0 ) 。 随着b p a 程序在国内外的 大量实践应用，使其得到了新的发展，经过进一步开发和完善，形成了新的b p a 程 序 ( 中国版 2 . 0 ) ，目前已经在国内生产、运行、规划、科研及大学等单位得到广泛 应用。 中国版b p a 程序可方便的进行大型电网的潮流计算，然后在潮流计算结果的基 础上进行暂态稳定计算和分析。 作为本课题研究、 使用的主要工具， 本章首先对b p a 程序的主要功能进行简要介绍。 2 . 1 b p a 潮流计算程序简介， ， 2 . 1 . 1湘流程序容f ( 1 ) 2 5 0 0 个节点，其中包括用于网络化简的6 0 0 个节点。 ( 2 ) 4 7 5 0 条支路，其中包括2 5 0 台带负荷调压 ( l t c )变压器，5 0 台移相器。 ( 3 ) 1 5 条两端直流线路和7 0 条多端直流线路。 6 0 个功率交换区域， 所有的区域共可包含 1 5 0 个分区，各区域之间可有 5 0 0条功率 交换联络线。 2 . 1 . 2湘流程序主要功能 ( 1 )计算方法 程序中可以使用的计算方法有:p -q 分解法、牛顿一拉夫逊法和改进的牛顿一 拉夫逊法。 采用 p -q 分解法和牛顿一拉夫逊法相结合， 可以提高潮流计算的收敛性能， 程 序通常先采用p - q分解法进行初始迭代，然后再转入牛顿一拉夫逊法求解潮流。 改进的牛顿一拉夫逊法适用于求解低压配电网、具有串补的网络和经网络化简 后的等值系统的潮流。采用该算法有助于克服由于网络r / x比值大而收敛性差的困 难。 ( 2 ) 自动电压控制 多种类型的发电机节点电压控制。除一般的p q , p v 及缓冲节点外，还具有发电 s 华北电 力大学 北京) 硕士学位论文 机远方控制高压等级母线电压等多种控制节点类型。 ( 3 )负荷静特性模型 可以模拟由恒定功率、恒定电流和恒定阻抗构成的静态综合负荷模型，用来模 拟电压变化对负荷的影响。 互 2 . 1 . 3湘流程序致据编辑界面 潮流程序的数据编辑界面如图2 -1 所示。 在图中可以看出， b p a 潮流程序数据是以行为单位的， 每一行数据， 称为一个卡 片。因此，数据输入的过程，就是对各种卡片填充的过程。 b p a 潮流程序主要的数据卡片分为四类: ( 1 )区域控制数据卡，主要指定区域交换功率等。 ( 2 )节点数据卡，主要包括交流节点卡、直流节点卡等。 ( 3 ) 支路数据卡，主要包括变压器卡，线路卡等。 ( h ) 其他卡片，主要包括修改卡，删除卡等。 各个卡片格式的具体说明可参照 1 3 1 . 2 . 1 . 4湘流程序的计算结果抽出 潮流程序的输出主要由1 -3 级控制语句来实现， 具体的语法请参考 1 3 1 。 潮流 程序的计算结果输出界面如图2 -2 所示。 在该图中，潮流程序的计算结果输出是依次以各个标志性节点为单位的 输出列表中的最左边一列的 “ b u s l , b u s t , b u s a ”等就是这种标志性节点 如在 。相 邻标志性节点之间的数据， 就是线路的潮流计算结果。 例如: 在标志性节点“ b u s l 下面，有三行数据 “ b u s a , b u s b , g e n l , :线路 “ b u s l 一b u s a 、线路 ， b u s l 一b u s b , 这三行数据分别意味着三条线路， 线路 “ b u s l 一g e n l 。在每行数据 ，可以很清楚的看到这条线路的功率流动，线路上的功率损耗以及线路两端补偿 即中 的无功容量等相关信息。 华北电 力大学 北京) 硕士学位论文 机远方控制高压等级母线电压等多种控制节点类型。 ( 3 )负荷静特性模型 可以模拟由恒定功率、恒定电流和恒定阻抗构成的静态综合负荷模型，用来模 拟电压变化对负荷的影响。 互 2 . 1 . 3湘流程序致据编辑界面 潮流程序的数据编辑界面如图2 -1 所示。 在图中可以看出， b p a 潮流程序数据是以行为单位的， 每一行数据， 称为一个卡 片。因此，数据输入的过程，就是对各种卡片填充的过程。 b p a 潮流程序主要的数据卡片分为四类: ( 1 )区域控制数据卡，主要指定区域交换功率等。 ( 2 )节点数据卡，主要包括交流节点卡、直流节点卡等。 ( 3 ) 支路数据卡，主要包括变压器卡，线路卡等。 ( h ) 其他卡片，主要包括修改卡，删除卡等。 各个卡片格式的具体说明可参照 1 3 1 . 2 . 1 . 4湘流程序的计算结果抽出 潮流程序的输出主要由1 -3 级控制语句来实现， 具体的语法请参考 1 3 1 。 潮流 程序的计算结果输出界面如图2 -2 所示。 在该图中，潮流程序的计算结果输出是依次以各个标志性节点为单位的 输出列表中的最左边一列的 “ b u s l , b u s t , b u s a ”等就是这种标志性节点 如在 。相 邻标志性节点之间的数据， 就是线路的潮流计算结果。 例如: 在标志性节点“ b u s l 下面，有三行数据 “ b u s a , b u s b , g e n l , :线路 “ b u s l 一b u s a 、线路 ， b u s l 一b u s b , 这三行数据分别意味着三条线路， 线路 “ b u s l 一g e n l 。在每行数据 ，可以很清楚的看到这条线路的功率流动，线路上的功率损耗以及线路两端补偿 即中 的无功容量等相关信息。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 机远方控制高压等级母线电压等多种控制节点类型。 ( 3 ) 负荷静特性模型 可以模拟由恒定功率、恒定电流和恒定阻抗构成的静态综合负荷模型，用来模 拟电压变化对负荷的影响。 2 1 3 潮流程序数据编辑界面 潮流程序的数据编辑界面如图2 1 所示。 在图中可以看出，b p a 潮流程序数据是以行为单位的，每一行数据，称为一个卡 片。因此，数据输入的过程，就是对各种卡片填充的过程。 b p a 潮流程序主要的数据卡片分为四类： ( 1 ) 区域控制数据卡，主要指定区域交换功率等。 ( 2 ) 节点数据卡，主要包括交流节点卡、直流节点卡等。 ( 3 ) 支路数据卡，主要包括变压器卡，线路卡等。 ( 4 ) 其他卡片，主要包括修改卡，删除卡等。 各个卡片格式的具体说明可参照 1 3 。 2 1 4 潮流程序的计算结果输出 潮流程序的输出主要由l 一3 级控制语句来实现，具体的语法请参考 1 3 。潮流 程序的计算结果输出界面如图2 2 所示。 在该图中，潮流程序的计算结果输出是依次以各个标志性节点为单位的，如在 输出列表中的最左边一列的“b u s l ”、“b u s 2 ”、“b u s a ”等就是这种标志性节点。相 邻标志性节点之间的数据，就是线路的潮流计算结果。例如：在标志性节点“b u s l ” 下面，有三行数据“b u s a ”、“b u s b ”、“g e n l ”，这三行数据分别意味着三条线路， 即：线路“b u s l 一b u s a ”、线路“b u s l 一b u s b ”、线路“b u s l 一g e m ”。在每行数据 中，可以很清楚的看到这条线路的功率流动，线路上的功率损耗以及线路两端补偿 的无功容量等相关信息。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 图2 1 潮流程序数据编辑界面 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 图2 2 潮流程序计算结果输出界面 2 2b p a 稳定计算程序简介【1 4 2 2 1 稳定计算的算法 程序采用的基本解法是：所有微分方程线性化后用梯形积分法求解；网络方程 可用导纳阵三角分解后迭代求解，也可用牛顿法求解网络方程。 图2 3 是b p a 程序总框图，稳定程序分成求解和输出两部分，求解部分生成 两个求解文件，以保存求解过程中所有母线的输出信息和复故障计算信息。输出部 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 分利用求解文件、潮流库文件及稳定输出文件进行输出。这种结构允许用户运行求 解部分并保存求解文件，然后不用重新求解而能够任意地、有选择地进行输出。 b p a 稳定程序是与b p a 潮流程序结合起来运行的，图2 3 说明了潮流程序与稳定 程序之间的联系。 图2 3b p a 程序总框图 9 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 互 2 . 2 . 2德定计算的致据卡类型 b p a稳定计算程序的数据卡主要分为以下几类: ( 1) 故障设置卡，包括单相故障，多相故障，单重故障，多重故障，对称故 障，不对称故障等; ( 2 ) 发电机模型卡，包括发电机以及各种励磁系统、调速器、调频器等的模 型卡; ( 3 ) 支路数据卡，包括线路和变压器的零序分量数据卡等; ( 4 ) 负荷模型卡，指定稳定计算所用的负荷模型是静态负荷模型、动态负荷 模型还是综合负荷模型。 ( 5 ) 输出控制卡，根据用户需要指定计算结果的输出方式和内容; ( 6 ) 其它数据卡，包括各种补偿卡，继电器操作卡等。 2 . 2 . 3租定计算橄据.出 与潮流计算的输出控制是由控制语句来实现不同，稳定计算的输出是由输出控 制卡来控制的。用户可以根据自己的需要填写输出控制卡，选择单个或者多个发电 机、母线或者线路的输出内容。输出的内容不但有文本形式的，还有随时间变化的 各种曲线，既包括全系统的功角曲 线、电压和频率曲线，又包括单个或者多个发电 机、母线或者线路的各个参量在时域内的变化曲线，非常的直观。各种卡片的具体 格式可参照 1 4 a 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第三章发电机模型及其励磁系统分析 夸 3 . 1 发电机模型 芍 3 . 1 . 1 经典模型 长期以来， 由于缺少实测的模型参数， 电网暂态稳定分析普遍采用发电机暂态 电 势e y 道 定 的 经 典 模 型 假 设 机 组 暂 态 电 势e ， 在 扰 动 期 间 保 持 恒 定， 只 考 虑 饱 和 效应，不计及阻尼绕组的作用和机械转矩的变化，近似计及励磁调节的作用，这就 是 所谓的e y 恒定 模型， 其 数学 模型为 _ d m 1， 一 一=似 _ d t d s d t 一 。 一 w o 一 m 。 一 d (m 一 仇 ) ( 1 ) 式中兀为发电 机组的 惯性时间常数， m , 和m 。 分别为 机械力 矩和电 磁力 矩: w 和u )o 为发电机的角速度和同步转轴角速度; s 为发电机电势向量与同步转轴之间的夹角; d为阻尼系数。 运用经典模型进行计算，所需的参数较少，方程式比较简单，数据量较小，利 用计算机计算时速度较快，节省内存，在缺少足够精确的实测模型参数，没有出现 大区联网，电网稳定问题不是很突出的时候一直被采用，并且也基本能满足要求， 但是在己经逐渐实现全国联网的今天，这个模型所计算出来的结果已经不足以表征 越来越庞大而复杂的大电网在实际运行中的稳定情况，迫切需要新的更为精确的数 学模型来模拟实际运行中的发电机工况。 互 3 . 1 . 2 详细模型 当对电力系统暂态计算的精度要求较高且相关数据较准确时， 需要采用详细的 次暂态模型。它计及阻尼绕组d , q , s 和励磁绕组f 的暂态过程而忽略了定子绕组 的暂态过程， 为6 阶模型。 模型中考虑发电机转子d 轴阻尼绕组d 及励磁绕组f的次 暂 态 和 暂 态 电 磁 过 程 ， 分 别 以 可和 可电 势 变 化 表 示 ; 确考 虑 到 阻 尼 绕 组 q 和 x 的 次 暂 态 和 暂 态 电 磁 过 程 ， 分 别 以 e ,“ 和 e d 电 势 变 化 表 示 。 其 中 9 轴 阻 尼 绕 组 9 的 电 磁 暂态过程只在隐极机时才需考虑， 以描述隐极转子暂态过程阻尼强的物理性质。故 该模型比较适合于描述实心转子和汽轮机，其数学模型为 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第三章发电机模型及其励磁系统分析 夸 3 . 1 发电机模型 芍 3 . 1 . 1 经典模型 长期以来， 由于缺少实测的模型参数， 电网暂态稳定分析普遍采用发电机暂态 电 势e y 道 定 的 经 典 模 型 假 设 机 组 暂 态 电 势e ， 在 扰 动 期 间 保 持 恒 定， 只 考 虑 饱 和 效应，不计及阻尼绕组的作用和机械转矩的变化，近似计及励磁调节的作用，这就 是 所谓的e y 恒定 模型， 其 数学 模型为 _ d m 1， 一 一=似 _ d t d s d t 一 。 一 w o 一 m 。 一 d (m 一 仇 ) ( 1 ) 式中兀为发电 机组的 惯性时间常数， m , 和m 。 分别为 机械力 矩和电 磁力 矩: w 和u )o 为发电机的角速度和同步转轴角速度; s 为发电机电势向量与同步转轴之间的夹角; d为阻尼系数。 运用经典模型进行计算，所需的参数较少，方程式比较简单，数据量较小，利 用计算机计算时速度较快，节省内存，在缺少足够精确的实测模型参数，没有出现 大区联网，电网稳定问题不是很突出的时候一直被采用，并且也基本能满足要求， 但是在己经逐渐实现全国联网的今天，这个模型所计算出来的结果已经不足以表征 越来越庞大而复杂的大电网在实际运行中的稳定情况，迫切需要新的更为精确的数 学模型来模拟实际运行中的发电机工况。 互 3 . 1 . 2 详细模型 当对电力系统暂态计算的精度要求较高且相关数据较准确时， 需要采用详细的 次暂态模型。它计及阻尼绕组d , q , s 和励磁绕组f 的暂态过程而忽略了定子绕组 的暂态过程， 为6 阶模型。 模型中考虑发电机转子d 轴阻尼绕组d 及励磁绕组f的次 暂 态 和 暂 态 电 磁 过 程 ， 分 别 以 可和 可电 势 变 化 表 示 ; 确考 虑 到 阻 尼 绕 组 q 和 x 的 次 暂 态 和 暂 态 电 磁 过 程 ， 分 别 以 e ,“ 和 e d 电 势 变 化 表 示 。 其 中 9 轴 阻 尼 绕 组 9 的 电 磁 暂态过程只在隐极机时才需考虑， 以描述隐极转子暂态过程阻尼强的物理性质。故 该模型比较适合于描述实心转子和汽轮机，其数学模型为 华北电力大学 ( 北京)硕士学 位论文 _ d o ) 1 =m _ dt m 。 一 d 恤一 . o ) =g ) 一甄 一 e ld 一 、 一 )、 一 、 一、 “ 一 ( 、 r一 ”) 二 一 二 + (x ; 一 、 )“ i d + e , + t d l ( 2 ) - = - e d ,l一 x gl一 x qj lq + e dl + t9i da d 式中e d 、 励磁电压; 气和凡分 别 为 发电 机d 轴 和r 轴的 暂 态电 势 和 次 暂 态电 势 ; e fd 为 x , 、 x d、 x 4 、 t d .、t a n x ; 和x 4 分别为 发电 机d 轴和r 轴的同 步电 抗、 暂 ，. 态电抗和次暂态电抗; 态时间常数。 即r护 子 、 兀 。 和兀 。 分别为发电 机d 轴和r 轴的 暂态和次 暂 肠 3 . 2 励磁系统模型 互 3 . 2 . 1 励磁系统的分类 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它直接影响发电机的运行特性。它的 主要任务是根据发电机运行状态，向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流， 以满足发电机各种运行方式下的需要。 励磁系统由励磁电源和控制装置 ( 如自 动电压调节器、稳定器等)组成。按励 磁电源的不同，可将其分为两大类: ( 1 ) 直流励磁机励磁系统; ( 2 )交流励磁机励磁系统。 在直流励磁机励磁系统中，励磁电源是一个与同步发电机共轴的直流励磁机， 电压调节器控制直流励磁机的磁场电压。由于同轴高速励磁机受到机械强度和换向 困难等限制，功率极限在 3 0 0 -5 0 0 k w，不能用于大型机组。直流励磁机有较大的 时间常数，电压响应速度慢，不适应现代电力系统发展的要求，正逐步被交流励磁 系统所代替。 交流励磁机励磁系统根据励磁方式的不同又可以分为多种，从华北电网的实际 运行情况来看，其中的大型机组主要采用如下四种励磁系统: 华北电力大学 ( 北京)硕士学 位论文 _ d o ) 1 =m _ dt m 。 一 d 恤一 . o ) =g ) 一甄 一 e ld 一 、 一 )、 一 、 一、 “ 一 ( 、 r一 ”) 二 一 二 + (x ; 一 、 )“ i d + e , + t d l ( 2 ) - = - e d ,l一 x gl一 x qj lq + e dl + t9i da d 式中e d 、 励磁电压; 气和凡分 别 为 发电 机d 轴 和r 轴的 暂 态电 势 和 次 暂 态电 势 ; e fd 为 x , 、 x d、 x 4 、 t d .、t a n x ; 和x 4 分别为 发电 机d 轴和r 轴的同 步电 抗、 暂 ，. 态电抗和次暂态电抗; 态时间常数。 即r护 子 、 兀 。 和兀 。 分别为发电 机d 轴和r 轴的 暂态和次 暂 肠 3 . 2 励磁系统模型 互 3 . 2 . 1 励磁系统的分类 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它直接影响发电机的运行特性。它的 主要任务是根据发电机运行状态，向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流， 以满足发电机各种运行方式下的需要。 励磁系统由励磁电源和控制装置 ( 如自 动电压调节器、稳定器等)组成。按励 磁电源的不同，可将其分为两大类: ( 1 ) 直流励磁机励磁系统; ( 2 )交流励磁机励磁系统。 在直流励磁机励磁系统中，励磁电源是一个与同步发电机共轴的直流励磁机， 电压调节器控制直流励磁机的磁场电压。由于同轴高速励磁机受到机械强度和换向 困难等限制，功率极限在 3 0 0 -5 0 0 k w，不能用于大型机组。直流励磁机有较大的 时间常数，电压响应速度慢，不适应现代电力系统发展的要求，正逐步被交流励磁 系统所代替。 交流励磁机励磁系统根据励磁方式的不同又可以分为多种，从华北电网的实际 运行情况来看，其中的大型机组主要采用如下四种励磁系统: 华北电力大学 ( 北京)硕士学 位论文 _ d o ) 1 =m _ dt m 。 一 d 恤一 . o ) =g ) 一甄 一 e ld 一 、 一 )、 一 、 一、 “ 一 ( 、 r一 ”) 二 一 二 + (x ; 一 、 )“ i d + e , + t d l ( 2 ) - = - e d ,l一 x gl一 x qj lq + e dl + t9i da d 式中e d 、 励磁电压; 气和凡分 别 为 发电 机d 轴 和r 轴的 暂 态电 势 和 次 暂 态电 势 ; e fd 为 x , 、 x d、 x 4 、 t d .、t a n x ; 和x 4 分别为 发电 机d 轴和r 轴的同 步电 抗、 暂 ，. 态电抗和次暂态电抗; 态时间常数。 即r护 子 、 兀 。 和兀 。 分别为发电 机d 轴和r 轴的 暂态和次 暂 肠 3 . 2 励磁系统模型 互 3 . 2 . 1 励磁系统的分类 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它直接影响发电机的运行特性。它的 主要任务是根据发电机运行状态，向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流， 以满足发电机各种运行方式下的需要。 励磁系统由励磁电源和控制装置 ( 如自 动电压调节器、稳定器等)组成。按励 磁电源的不同，可将其分为两大类: ( 1 ) 直流励磁机励磁系统; ( 2 )交流励磁机励磁系统。 在直流励磁机励磁系统中，励磁电源是一个与同步发电机共轴的直流励磁机， 电压调节器控制直流励磁机的磁场电压。由于同轴高速励磁机受到机械强度和换向 困难等限制，功率极限在 3 0 0 -5 0 0 k w，不能用于大型机组。直流励磁机有较大的 时间常数，电压响应速度慢，不适应现代电力系统发展的要求，正逐步被交流励磁 系统所代替。 交流励磁机励磁系统根据励磁方式的不同又可以分为多种，从华北电网的实际 运行情况来看，其中的大型机组主要采用如下四种励磁系统: 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 ( l ) 常规三机励磁系统: ( 2 ) 无刷高 起始励磁系统; .) 两机它励励磁系统; ( 4 ) 自 并励励磁系统。 因此本论文主要研究的就是以上这四种励磁系统对电网暂态稳定的影响。 互 3 . 2 . 2 本论文研究的助礁系统的棋型及其特性 ( 1 )常规三机励磁系统 交流励磁机励磁系统中最常见的结构是由副励磁机、交流励磁机和二极管整流 器组成的三机励磁系统。电压调节器的功率电源由副励磁机供给。调节器的输出控 制交流励磁机的磁场电流。由于交流励磁机的容量不受限制，故可适应大型发电机 励磁的要求。目前，这种励磁方式在国内外己有较成熟的运行经验，是我国大中 型汽轮发电机的主要励磁方式，但是该种励磁系统具有投资、占空间、运行操作和 维护工作量均比较大的缺点，励磁电压响应速度也比较慢，属于慢速励磁系统。其 传递函数图如图3 - - 1 所示。 k ( i i s t , ) xi . t s t ,it stai s t, 图3 -l 常规三机励磁系统 ( 无刷高起始励磁系统) 图中k为调节器增益;k ， 为积分调节选择因子;不、兀、 器时间常数;k a 和t a 为调压器增益及其放大器的时间常数; t , 和t , 均为电压调节 k ， 和t , 为第二级调节 器增益及其时间常数;k : 和t a 为 励磁机的自 励磁系数及其时间常数;凡为换向电 抗后励磁电压;e f 。 为励磁机输出电 压;k 。 为去磁因子;k . 为换向电 抗的整流器 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 ( l ) 常规三机励磁系统: ( 2 ) 无刷高 起始励磁系统; .) 两机它励励磁系统; ( 4 ) 自 并励励磁系统。 因此本论文主要研究的就是以上这四种励磁系统对电网暂态稳定的影响。 互 3 . 2 . 2 本论文研究的助礁系统的棋型及其特性 ( 1 )常规三机励磁系统 交流励磁机励磁系统中最常见的结构是由副励磁机、交流励磁机和二极管整流 器组成的三机励磁系统。电压调节器的功率电源由副励磁机供给。调节器的输出控 制交流励磁机的磁场电流。由于交流励磁机的容量不受限制，故可适应大型发电机 励磁的要求。目前，这种励磁方式在国内外己有较成熟的运行经验，是我国大中 型汽轮发电机的主要励磁方式，但是该种励磁系统具有投资、占空间、运行操作和 维护工作量均比较大的缺点，励磁电压响应速度也比较慢，属于慢速励磁系统。其 传递函数图如图3 - - 1 所示。 k ( i i s t , ) xi . t s t ,it stai s t, 图3 -l 常规三机励磁系统 ( 无刷高起始励磁系统) 图中k为调节器增益;k ， 为积分调节选择因子;不、兀、 器时间常数;k a 和t a 为调压器增益及其放大器的时间常数; t , 和t , 均为电压调节 k ， 和t , 为第二级调节 器增益及其时间常数;k : 和t a 为 励磁机的自 励磁系数及其时间常数;凡为换向电 抗后励磁电压;e f 。 为励磁机输出电 压;k 。 为去磁因子;k . 为换向电 抗的整流器 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 负载因 子; k ; 和双为 调压 器稳定回 路增益及其时间 常数: k 。 为 励磁机电 流反 馈增 益:k * ， 为励磁机励磁电 流限 制增益。 ( 2 )无刷高起始励磁系统 随着单机容量的不断增大，国外几十万千瓦的机组己 广泛采用无刷励磁方式。 该方式用同轴旋转的交流励磁机作为励磁电源，结构与常规三机励磁系统非常相 似，所不同之处在于励磁机旋转电枢输出交流电与装在同轴上的整流器直接连接， 整流后的直流电不经过滑环和碳刷，直接与发电机的励磁绕组相连。经特殊设计的 高起始无刷励磁有较快的电压响应速度，属于快速励磁系统。此外，无刷高起始励 磁系统还具有结构紧凑，可靠性高，运行维护简单等优点，不过也存在一些不足， 如二极管必须承受强大的离心力以及快速灭磁等问题。其传递函数图与常规三机励 磁系统一样，如图3 -1 所示。 ( 3 )两机它励励磁系统 同步发电 机用同轴旋转的交流发电机作为励磁电源，经过静止的可控硅整流， 向主发电机供给励磁电流，这种励磁方式由于取消了副励磁机，因而称之为两机它 励励磁系统。该励磁系统直接通过可控桥调节发电机的励磁，它不包括励磁机的时 滞，调节器和可控硅反应速度快，几乎是瞬间响应，属于快速励磁系统。两机它励 x p+ s r , a x , k t 7 ; 从女 喻 3 -2两机它励励磁系统 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 励磁系统占地面积较小，可靠性比较高，只是对可控硅的维护相对要麻烦一些。其 传递函数图如图 3 - - 2所示，图中各参数的涵义参照常规三机励磁系统各参数的涵 义。 ( 4 ) 自并励励磁系统 取消了主、副励磁机，励磁电源取 自发电机端并联的励磁变压器，经静止可控 硅整流器向发电机提供励磁电流，通过调节导通角维持发电机端电压恒定，这就是 自并励励磁系统。这种励磁系统接线最简单，且工作可靠，响应速度快，造价低， 因而在国内外己经广泛应用于大型机组上，不过在电力系统中大量采用后，会严重 影响电力系统的阻尼特性，对低频振荡呈现负阻尼特性，使得系统中低频振荡持续 不断，并且必须经常对碳刷系统进行维护 1 5 。其递函数图如图 3 -3所示，图中 各参数的涵义参照常规三机励磁系统各参数的涵义。 k ( i + 5 瓦 ) k + s t , 从分 汁磁 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第四章发电机模型对电网暂态稳定的影响分析 4 1 华北电网概况 华北电网由京津唐电网、山西电网、山东电网、河北南部电网、内蒙古西部电 网组成，并与东北电网和华中电网实现了大区互联，如图4 一l 所示，电源结构比较 单一，基本以燃煤火电为主。根据华北地区资源分布的特点，由于华北平原地区缺水 山西和内蒙古西部地区煤炭资源丰富，而华北东部沿海的京滓冀地区经济较为发达 因此华北地区电源呈现“西电东送”的格局，大量的电力由山西和内蒙古西部的能 源基地送往京津冀地区的负荷中心。 4 一l 华北电网示意图 截止2 0 0 4 年底，华北电网统调装机容量为7 4 4 7 万千瓦，其中京滓唐电网装机 容量2 0 2 4 万千瓦，占2 7 1 8 。据不完全统计( 1 0 0 m w 及以上机组) ，在华北电网装 有数字调节器的发电机组数为7 9 台，占总台数1 6 5 台的4 8 ，容量是1 9 2 5 9 m w ，占 总容量3 8 1 0 4 m w 的5 0 5 。而京津唐电网装有数字调节器的发电机组数为4 8 台， 占总台数7 4 台的6 , t 9 ，容量是1 1 0 0