發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性分析

發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性分析

近年來，華北電網(wǎng)發(fā)展迅速，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）2001年5月，連接中國第一個(gè)大型電網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)了全國第一個(gè)大型電網(wǎng)的互聯(lián)。2003年，它也連接到中國和中國之間的電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。(2)首都地區(qū)負(fù)荷增長很快,受資源限制,必須通過由外部大量受電的方式來滿足北京地區(qū)用電增長的需要。華北東北聯(lián)網(wǎng)后計(jì)算表明,聯(lián)網(wǎng)后系統(tǒng)中長期動態(tài)穩(wěn)定問題變得突出,表現(xiàn)為系統(tǒng)阻尼特性變差,容易發(fā)生低頻振蕩或故障后多擺振蕩失步;另一方面,根據(jù)發(fā)達(dá)國家的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),電網(wǎng)存在因發(fā)生突發(fā)性災(zāi)害事故,出現(xiàn)連鎖反應(yīng),導(dǎo)致系統(tǒng)電壓崩潰或頻率崩潰的危險(xiǎn)性。為了詳細(xì)研究系統(tǒng)故障后的暫態(tài)和中長期電壓、頻率動態(tài)過程,要求考慮發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)等元部件動態(tài)特性的影響。因此,有必要從華北電網(wǎng)實(shí)際出發(fā),開展華北電網(wǎng)發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)參數(shù)測試,逐步建立華北電網(wǎng)勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫。1發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)(100MW及以上機(jī)組),在華北電網(wǎng)裝有數(shù)字調(diào)節(jié)器的發(fā)電機(jī)組數(shù)為79臺,占總臺數(shù)165臺的48%,容量是19259MW,占總?cè)萘?8104MW的50.5%。而京津唐電網(wǎng)裝有數(shù)字調(diào)節(jié)器的發(fā)電機(jī)組數(shù)為48臺,占總臺數(shù)74臺的64.9%,容量是11000MW,占總?cè)萘?7949MW的61.3%。從發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的勵磁方式來看,主要有常規(guī)勵磁(三機(jī)系統(tǒng))、自并勵、兩機(jī)它勵(俄羅斯機(jī)組)、無刷高起始勵磁系統(tǒng)4種。數(shù)字調(diào)節(jié)器的國內(nèi)制造廠家主要有:南瑞(27臺)、清華(20臺)、武漢洪山(10臺),合計(jì)57臺,占全部數(shù)字調(diào)節(jié)器的72.1%;而國外進(jìn)口產(chǎn)品有:羅一羅(10臺)、ABB(4臺)、奧地利伊林公司(4臺)、法國阿爾斯通(2臺)、日本三菱(2臺)、合計(jì)22臺,占全部數(shù)字調(diào)節(jié)器的27.8%。2發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)特性測試辨識針對華北電網(wǎng)直接接入500kV系統(tǒng)的具有典型勵磁系統(tǒng)特性的4臺主力發(fā)電機(jī)組(基本情況見表1),開展了發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)參數(shù)的測試辨識工作。2.1發(fā)電機(jī)及勵磁通過以下步驟,取得可以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)模型參數(shù):(1)進(jìn)行現(xiàn)場發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)小擾動試驗(yàn),包括發(fā)電機(jī)空載5%階躍試驗(yàn)和負(fù)載1%~4%階躍試驗(yàn),并比較電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS投入/退出對系統(tǒng)振蕩阻尼的影響,記錄發(fā)電機(jī)定子電壓、發(fā)電機(jī)有功功率、無功功率以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流暫態(tài)響應(yīng)曲線。(2)采用基于發(fā)電機(jī)和勵磁機(jī)簡單模型的SME勵磁系統(tǒng)數(shù)字仿真程序,對由制造廠提供的勵磁調(diào)節(jié)器AVR原始模型及參數(shù)進(jìn)行仿真校驗(yàn),初步確定發(fā)電機(jī)及勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)(以下稱為“原型參數(shù)”)。(3)采用基于發(fā)電機(jī)及勵磁系統(tǒng)詳細(xì)模型的RTDS(Real-timeDigitalSimulator)仿真機(jī),詳細(xì)校驗(yàn)發(fā)電機(jī)及勵磁系統(tǒng)原型參數(shù),并研究模型參數(shù)在±50%范圍內(nèi)變化對響應(yīng)結(jié)果的敏感度,確定現(xiàn)場測試關(guān)鍵參數(shù)。(4)用SME程序?qū)⒔?jīng)過校核的原型參數(shù)轉(zhuǎn)換為BPA格式的勵磁系統(tǒng)模型參數(shù),再次進(jìn)行RTDS仿真對比試驗(yàn)。(5)將上述得到的BPA格式的勵磁系統(tǒng)模型參數(shù),應(yīng)用到生產(chǎn)調(diào)度部門采用的實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)之中,研究采用勵磁系統(tǒng)詳細(xì)模型對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平的影響,并研究模型參數(shù)在±50%范圍內(nèi)變化時(shí),系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平受影響的程度。2.2仿真結(jié)果分析將計(jì)算分析結(jié)果歸納如下:(1)由于現(xiàn)場試驗(yàn)為發(fā)電機(jī)及其勵磁系統(tǒng)閉環(huán)擾動試驗(yàn),因此發(fā)電機(jī)、勵磁機(jī)參數(shù)準(zhǔn)確性對仿真擬合精度有一定影響。(2)用制造廠提供的數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器模型參數(shù)進(jìn)行SME仿真,結(jié)果基本與現(xiàn)場實(shí)測相符。(3)勵磁系統(tǒng)原型結(jié)構(gòu)與BPA格式模型結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的誤差,不能通過參數(shù)調(diào)整完全消除,即采用參數(shù)歸并的方法辨識勵磁系統(tǒng)模型將犧牲部分模型精度。(4)勵磁調(diào)節(jié)器PID環(huán)節(jié)采用串聯(lián)校正的性能將比采用并聯(lián)校正優(yōu)越,對于常規(guī)三機(jī)勵磁系統(tǒng)效果更明顯。適當(dāng)調(diào)整其微分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù),可以改變發(fā)電機(jī)定子電壓上升速度,抑制勵磁系統(tǒng)振蕩。(5)數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器AVR的無功補(bǔ)償環(huán)節(jié)補(bǔ)償度一般不超過發(fā)電機(jī)額定電壓的3%,對暫態(tài)仿真無實(shí)質(zhì)影響,在分析中不予考慮。(6)勵磁系統(tǒng)小擾動仿真校核不計(jì)及AVR低勵和過勵等限制環(huán)節(jié)的影響。2.3發(fā)電機(jī)負(fù)載擾動下無功功率振蕩阻尼的確定基于現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果,通過仿真分析,針對華北電網(wǎng)主要的4種發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)類型,總結(jié)歸納出以下結(jié)論:(1)對于常規(guī)三機(jī)和無刷高起始勵磁系統(tǒng),必須考慮勵磁機(jī)及整流器穩(wěn)態(tài)等效增益的影響,其數(shù)值上約等于(1+KD+KC),其中KD、KC分別為勵磁機(jī)去磁系數(shù)和整流器等值換向電抗。從而勵磁系統(tǒng)(包括勵磁調(diào)節(jié)器AVR、勵磁機(jī)及整流器)的整體開環(huán)放大倍數(shù)應(yīng)該等于AVR的開環(huán)放大倍數(shù)乘以(1+KD+KC)。(2)常規(guī)三機(jī)勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)為:發(fā)電機(jī)的Td0′、Xd、Xd′,勵磁機(jī)時(shí)間常數(shù)TE,勵磁調(diào)節(jié)器AVR的串聯(lián)校正微分時(shí)間常數(shù)T1、開環(huán)放大倍數(shù)KA,滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)TA。(3)自并勵勵磁系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)為:發(fā)電機(jī)的Td0′和Xd、Xd′,參數(shù),勵磁調(diào)節(jié)器AVR的串聯(lián)校正微分時(shí)間常數(shù)T1、開環(huán)放大倍數(shù)KA、滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)TA。(4)它勵兩機(jī)勵磁系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)為:發(fā)電機(jī)的Td0′和Xd、Xd′,參數(shù),勵磁調(diào)節(jié)器AVR的串聯(lián)校正微分時(shí)間常數(shù)T1、開環(huán)放大倍數(shù)KA、滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)TA。(5)無刷高起始勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)為:發(fā)電機(jī)的Td0′和Xd、Xd′,勵磁機(jī)時(shí)間常數(shù)TE,勵磁調(diào)節(jié)器的AVR的串聯(lián)校正微分時(shí)間常數(shù)T1、開環(huán)放大倍數(shù)KA、滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)TA。(6)除常規(guī)三機(jī)勵磁系統(tǒng)以外,阻尼系數(shù)D對發(fā)電機(jī)負(fù)載擾動下有功功率振蕩阻尼有不同程度的影響,如針對自并勵、它勵兩機(jī)和無刷高起始勵磁系統(tǒng),阻尼系數(shù)D取值為10時(shí)的發(fā)電機(jī)有功功率振蕩阻尼依次為D取0時(shí)的1.7、3.4、1.78倍。(7)可控整流器等值換相系數(shù)KC的基準(zhǔn)變化,對發(fā)電機(jī)空載和負(fù)載小擾動響應(yīng)影響不大。(8)發(fā)電機(jī)空載飽和特性的差異,基本不會對仿真結(jié)果產(chǎn)生影響。2.4不同激發(fā)因素下系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析基于2003年華北電力調(diào)度局年度運(yùn)行方式數(shù)據(jù),不考慮華北與東北聯(lián)網(wǎng)。分別研究以下兩種運(yùn)行方式及故障行為:(1)沙嶺子電廠8臺機(jī)組全開滿發(fā),在沙昌1號線沙嶺子側(cè)或昌平側(cè)發(fā)生三相永久故障,繼電保護(hù)裝置動作,切除沙昌1號線。(2)盤山電廠4臺機(jī)組全開滿發(fā),在盤安線盤山側(cè)發(fā)生三相永久故障,繼電保護(hù)裝置動作,切除盤安線、盤北線。研究以上兩個(gè)電廠發(fā)電機(jī)組采用詳細(xì)模型(BPA格式勵磁系統(tǒng)模型為:常規(guī)三機(jī)勵磁FC、自并勵FK、它勵兩機(jī)FG、無刷高起始FF)后,與發(fā)電機(jī)組采用Eq′簡單模型相比,電力送出能力發(fā)生哪些變化,發(fā)電機(jī)及勵磁系統(tǒng)參數(shù)變化,對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平有何影響。采用比較系統(tǒng)極限切除時(shí)間的方法,定量評價(jià)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平,即極限切除時(shí)間增大,表明系統(tǒng)承受能力強(qiáng),系統(tǒng)穩(wěn)定水平有所提高;反之極限切除時(shí)間減小,系統(tǒng)穩(wěn)定水平降低。計(jì)算結(jié)果歸納如下:(1)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量H(即動能相對于發(fā)電機(jī)容量的標(biāo)幺值)或阻尼系數(shù)D增大,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平提高,而發(fā)電機(jī)電抗參數(shù)(如Xd,Xd′等)采用實(shí)測值代替設(shè)計(jì)值,對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平影響不大。(2)在系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障期間,由于發(fā)電機(jī)定子電流的去磁效應(yīng),發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈顯著減小,而與勵磁系統(tǒng)的模型及參數(shù)關(guān)系不大。(3)沙電1號~4號機(jī)采用常規(guī)三機(jī)慢速勵磁系統(tǒng)模型后,發(fā)電機(jī)組升壓變高壓側(cè)發(fā)生三相短路故障,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平低于發(fā)電機(jī)采用Eq′恒定模型的情況;沙電5~8號機(jī)采用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)模型后,相對于發(fā)電機(jī)采用Eq′恒定模型,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平上升;盤電1~2號機(jī)采用它勵兩機(jī)勵磁系統(tǒng)后,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平高于發(fā)電機(jī)采用Eq′恒定模型的情況;盤電3~4號機(jī)采用無刷高起始勵磁系統(tǒng)后,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平高于發(fā)電機(jī)采用Eq′恒定模型的情況。(4)對常規(guī)三機(jī)勵磁系統(tǒng)而言,增大或減小三機(jī)勵磁系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)KA,對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈“反向調(diào)整”和正向增大過程均有影響,對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平影響不大;增大微分時(shí)間常數(shù)TC或減小積分時(shí)間常數(shù)TB,即增大暫態(tài)放大倍數(shù),導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈反向超調(diào)量增加,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平有所下降;減小勵磁機(jī)時(shí)間常數(shù)TE50%,即加快勵磁系統(tǒng)響應(yīng)速度,使系統(tǒng)穩(wěn)定水平有所提高;增大勵磁機(jī)去磁系數(shù)KD,相當(dāng)于增大了系統(tǒng)故障清除瞬間的反向擾動量,導(dǎo)致對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈反向超調(diào)量增加,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平下降;增大換相電抗KC,影響暫態(tài)過程中換流器工作點(diǎn),使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈暫態(tài)最大值有所降低,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平有所下降。(5)增大自并勵勵磁系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù),自并勵系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定變化不大;增大勵磁系統(tǒng)暫態(tài)放大倍數(shù),系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平下降。(6)對盤電1~2號它勵兩機(jī)勵磁系統(tǒng),發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓在故障清除后一直處于強(qiáng)勵狀態(tài),改變勵磁系統(tǒng)參數(shù),對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平?jīng)]有影響。(7)對于刷高起始勵磁系統(tǒng)而言,增大勵磁系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)KA,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平下降;增大勵磁系統(tǒng)暫態(tài)放大倍數(shù),系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平有所下降;勵磁機(jī)時(shí)間常數(shù)對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平的影響不確定,需根據(jù)具體情況專門研究;增大勵磁機(jī)去磁系數(shù)KD,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平有所下降。針對以上4種類型的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng),歸納出對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平影響比較大的的參數(shù)為:常規(guī)三機(jī)勵磁系統(tǒng):轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)D、勵磁調(diào)節(jié)器暫態(tài)放大倍數(shù)、勵磁機(jī)空載時(shí)間常數(shù)TE、勵磁機(jī)去磁系數(shù)KD;自并勵勵磁系統(tǒng):轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)D、勵磁調(diào)節(jié)器暫態(tài)放大倍數(shù);它勵兩機(jī)勵磁系統(tǒng):轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)D;無刷高起始勵磁系統(tǒng):轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)D、勵磁調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)和暫態(tài)放大倍數(shù)、勵磁機(jī)空載時(shí)間常數(shù)TE、勵磁機(jī)去磁系數(shù)KD。3發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)測試辨識方法從華北電網(wǎng)生產(chǎn)實(shí)際出發(fā),選擇直接接入500kV系統(tǒng)的具有典型勵磁系統(tǒng)特性的4臺主力發(fā)電機(jī)組,開展發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)參數(shù)測試辨識工作,從中總結(jié)出具有華北電網(wǎng)特色的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)測試辨識方法,其特點(diǎn)如下