勵磁調節器動態性能仿真測試系統

徐景彪,李 翔

（1.吉林省電力科學研究院,吉林 長春 130021;2.徐州發電廠培訓中心,江蘇 徐州 221006）

傳統的發電機勵磁調節器的動態測試方法只能在動態模擬實驗室和現場機組啟動時進行。動態模擬測試投資巨大,無法滿足現場的需要?，F場機組啟動測試發電機必須承受多次啟停的沖擊,電網也受到沖擊和擾動,消耗大量的燃油和時間。因此需要一種對發電機進行測試、易于運輸、投資小的測試設備代替傳統的測試方法,當發電機大修期間或新設備投運時,完成對勵磁調節器的各項試驗和調整,使發電機組安全、可靠、迅速并網。

隨著電子計算機技術和仿真技術的發展,一種基于計算機仿真平臺的測試系統（勵磁調節器動態測試系統）可代替實際發電機組或動態模擬實驗室中的模擬發電機組,做勵磁調節器的開環和閉環試驗。

1 系統工作原理及功能

勵磁調節器動態測試系統是用計算機系統替代了發電機和勵磁機,受勵磁調節器的控制與調節,對調節器進行動態特性和技術指標測試。圖1為典型的三機系統（虛框部分為測試系統）。

1.1 工作原理

通過隔離濾波和A/D接口,實時檢測勵磁調節器的可控整流橋直流輸出U11（或觸發脈沖）,并將其轉換成數字量。

針對不同的發電機、勵磁機,計算機根據給定的數學模型和設置的機組參數進行實時數字仿真,得到勵磁機、發電機及單機—無窮大系統在調節器控制作用下的動態過程。

圖1 典型的三機測試系統接線

通過A/D接口和功率放大,將仿真計算得到的發電機機端電壓、電流等數字量轉換成模擬量實時傳送到勵磁調節器,形成一個閉環系統。測試系統結構如圖2所示。

圖2 測試系統結構

由計算機完成發電機組及電力系統的仿真計算（測試系統的核心）。采用發電機的3階或5階微分方程來描述發電機的動態特性;用1個或2個貫性環節來模擬勵磁機,求解微分方程,就可得到被測系統的實時狀態。選擇適當的數值算法,可以比較真實地仿真發電機和勵磁機的動態過程,從而完成以前無法實現的試驗項目（如三相短路試驗）及勵磁調節器只有在發電機啟機才能做的動態試驗,既節省了時間又節省了大量燃料。

1.2 功能

1.2.1 靜態性能測試

根據需要手動或自動對測試系統輸出的電壓、電流幅值、相位、頻率進行各種方式的人為改變（此時系統為開環）,相當于1臺智能化調壓器、變頻器、移相器和變流器?？蓪崿F的測試有開環特性、頻率特性、欠勵特性及各種限制特性。

1.2.2 動態性能測試

動態性能測試是閉環測試。測試過程中勵磁調節器的輸出（可以是直流電壓也可以是可控硅控制角度）實時被測試系統檢測。系統的輸出模擬發電機組在勵磁調節器作用下的動態過程,包括切負荷、階躍、短路、零起升壓和靜穩測試。

2 試驗項目和測試結果

某火電廠6號機組檢修期間,使用該測試系統對勵磁調節器進行測試。機組的勵磁方式是2機1變。勵磁調節系統由2臺相同的勵磁調節器組成,正常時2臺勵磁調節器并列運行,互為備用,也可單臺獨立運行。調節器投運已有8年,接近于設計使用壽命。機組運行中曾在零起升壓時發生過過壓現象。

2.1 試驗項目

測試共進行了零起升壓試驗、靜態特性試驗、±10%階躍試驗、甩負荷試驗、短路試驗、欠勵限制試驗6個試驗項目。不同工況試驗曲線如圖3～圖7所示。

圖3 1號調節器零起升壓試驗曲線

2.2 測試結果

2.2.1 零起升壓試驗

圖3、圖4為2臺調節器分別對應給定電位為3.5 V、3.08 V和2.5 V下的零起升壓曲線,由此可以計算出所對應的升壓時間和超調量。調節器的積分環節是在機端電壓建立到0.68（標幺值）時投入的,且1號調節器的升壓時間比2號調節器升壓時間長0.5 s。

2.2.2 靜態特性試驗

圖5為2臺調節器的靜態輸入、輸出特性曲線。由靜態特性試驗可計算出開環平均放大倍數K：

式中 Us0——機端電壓基值,取100 V;

UL0——勵磁電壓基值,為17.5 V;

ΔUL——勵磁電壓變化值（1號調節器為51.38 V,2號調節器為54.07 V）;

ΔUs——機端電壓變化值（1號調節器為56.0 V,2號調節器為60.0 V）。

經計算1號調節器平均放大倍數K1=5.24,2號調節器K2=5.15。

2.2.3 ±10%階躍試驗

圖6為2臺調節器±10%階躍特性曲線。由階躍試驗可以計算出相關技術指標。

1號調節器+10%階躍超調量為17.7%, -10%階躍超調量為21%,±10%階躍調整時間7 s,擺動1次、無振蕩。

2號調節器+10%階躍超調量為14.2%, -10%階躍超調量為20%,±10%階躍調整時間9 s,擺動1次、無振蕩。

2.2.4 甩負荷試驗

零有功時甩67 Mvar無功（如圖7所示）。計算得調壓精度為0.3%,調整時間4 s,無振蕩。

2.2.5 短路試驗

計算機仿真單機—無窮大系統線路發生三相短路故障,機端電壓為0.95（標幺值）,短路時機端電壓降50%,短路持續時間0.2 s。通過此項試驗可以檢驗出調節器的強勵和強減特性。由短路試驗計算出勵磁強勵電壓動作時間小于0.1 s,頂值電壓倍數為1.97;阻尼振蕩3次,調節時間5 s。說明調節器勵磁電壓的強勵和強減調節速度很快,動態調節特性良好。

2.2.6 欠勵限制試驗

2臺調節器的欠勵限制設定值為P=0 MW,Q =-40 Mva。但在進相超出定值后P=0 MW、Q= -80 Mvar時,2臺調節器的欠勵限制均沒有動作。

3 測試結果

a.由零起升壓曲線和實際運行情況可以看出,當調節器給定值Ug＞3.2 V時,發電機零起升壓將出現超調,給定值越大超調量越大。

b.通過對測試結果的比較可以看出,2臺勵磁調節器調節特性基本一致。

c.由零起升壓試驗和靜態特性試驗可以看出,特性曲線越平緩說明放大倍數越均勻、穩定。2臺調節器的積分環節投入點所對應的機端電壓值為Us1=6.8 kV（一次）和Us2=68 V（二次）,平均放大倍數分別為K1=5.24、K2=5.15。說明發電機端電壓運行在6.8 kV以下時調節器只有比例環節起作用,機端電壓僅按比例調節,機端電壓與給定值之間存在靜態差值ΔU,理論計算值分別為ΔU1=Us1/K1=1.30 kV,ΔU2=Us2/K2=1.32 kV。

當機端電壓高于6.8 kV時調節器的積分環節投入,發電機機端電壓按指數關系迅速上升消除此靜差。由圖5可知,2號調節器各點的放大倍數大小不均,離散性很大。特別是在臨近拐點68 V （一次6.8 kV）附近,瞬時放大倍數可能很小,所對應的靜差值很大。由此可以推斷,當2號調節器初始給定電位Ug若高于3.5 V,在積分環節投入（6.8 kV）時,因調節器的放大倍數大小不均（或此時增加給定電位時操作過快）,其對應的靜差值ΔU會很大。ΔU越大則調整時出現的超調量就越大,將引起機端過壓。建議今后發電機零起升壓時,初始給定電位設置值不要超過3.0 V,待機端電壓升至8.0 kV時稍做停頓,使積分環節投入,消除靜差后再緩慢增加至額定值。

d.在欠勵限制試驗中,超出設定值（P=0 MW,Q=-40Mvar）時調節器限制沒有動作。說明由于長時間運行,欠勵單元的元件參數已發生改變,使工作點偏離了原設定值（該定值在起機后需重新設定）。

4 結束語

勵磁調節器動態測試系統可現場完成勵磁調節器規定的試驗項目（零起升壓、靜態特性、± 10%階躍、甩負荷、短路、欠勵限制等）。通過對測試結果的分析可知,2臺運了8年的勵磁調節器目前的調節特性和動態品質良好,主要技術指標滿足部頒標準（DL/T 843《大型汽輪發電機交流勵磁機勵磁系統技術條件》要求。存在的問題是要對勵磁調節器的“欠勵限制”定值重新進行調整,并在零起升壓時注意方式和方法。

勵磁調節器動態測試系統為脫離發電機進行勵磁調節器的測試和調整提供了有效手段,可在機組大修、事故分析、基建調試中發揮巨大作用。