综合实验指导书
徐俊华 李啸骢编
广西大学电气工程学院
电力系统动模—数模一体化仿真实验室
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 | 参数 | 名称 | 参数 |
| 额定容量 | 5 kVA | 额定电压 | 380 V (YY接) |
| 额定功率因数 | 0.8 | 定额电流 | 7.4 A |
| 额定转速 | 1500 r/min | 额定频率 | 50 Hz |
| 发电机转子电压 | 28 V | 空载励磁电流 | 0.6 A |
| 直轴同步电抗 | 1.705 pu | 直轴暂态电抗 | 0.26 pu |
| 直轴次暂态电抗 | 0.172 pu | 交轴同步电抗 | 1.097 pu |
| 交轴次暂态电抗 | 0.1 pu | 励磁绕组电阻 | 37.36 Ω |
| 定子绕组开路时转子回路时间常数 | 1.05 s | 励磁绕组电抗 | 0.099 pu |
| 定子绕组开路时直轴暂态时间常数 | 零序电抗 | 0.079 pu | |
| 定子绕组开路时交轴暂态时间常数 | 负序电抗 | 0.160 pu | |
| 定子绕组开路时直轴次暂态时间常数 | 0.0039 s | 定子绕组电阻 | 0.109 Ω |
| 定子绕组开路时交轴次暂态时间常数 | 定子绕组漏抗 | 0.119 pu |
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 |
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120%，发电机电压在1.2倍额定值停留记录时间不超过20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。
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、ΔU、UC、α、UL。其中UF为PT二次电压、Ur为给定电压、ΔU、UC为α角控制电压、α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、是否满足要求。
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
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
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
（3-1）
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）
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：
（3-3）
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α角，计算公式为：
（3-4）
式中，为励磁变压器二次侧电压。
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：
（3-5）
（3-6）
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（标幺值） | ||
| 电压调节器最小输出电压 VRMIN（标幺值） | ||
| 换相电抗的整流器负载因子 KC （标幺值） |
BPA稳定程序是与BPA潮流程序结合起来运行的，图4-2为BPA程序总框图，说明了潮流程序与稳定程序间的联系。
图4-2 BPA程序总框图
4.2 励磁系统模型小干扰校核
在中国版BPA暂态稳定程序中，对搭建的仿真模型进行发电机空载5%阶跃仿真。将仿真结果与实测结果根据表4-2列出的项目进行比较，校验相关控制指标偏差是否在允许范围内。
表4-2 发电机空载5%阶跃响应试验实测结果及仿真结果比较
| 实测结果 | 仿真结果 | 偏差 | 允许偏差 | |
| Mp(超调量) | ±2.5% | |||
| Tup(上升时间) | ±0.1s | |||
| Tp(峰值时间) | ±0.1s | |||
| Ts(调整时间) | ±2s | |||
| N(振荡次数) | ≯1次 |
参考文献
[1]竺士章．发电机励磁系统试验[M]．北京：中国电力出版社，2005
[2]杨德先，陆继明．电力系统综合实验—原理与指导[M]．北京：机械工业出版社，2010
[3]GB/T 7409.3－2007．同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求[S]
[4]杨冠城．电力系统自动装置原理，第三版[M]．北京：中国电力出版社，2005
[5]Q/GDW 143-2006．电力系统稳定器整定试验导则[S]
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