励磁调节器动态性能仿真测试系统

徐景彪,李 翔

（1.吉林省电力科学研究院,吉林 长春 130021;2.徐州发电厂培训中心,江苏 徐州 221006）

传统的发电机励磁调节器的动态测试方法只能在动态模拟实验室和现场机组启动时进行。动态模拟测试投资巨大,无法满足现场的需要。现场机组启动测试发电机必须承受多次启停的冲击,电网也受到冲击和扰动,消耗大量的燃油和时间。因此需要一种对发电机进行测试、易于运输、投资小的测试设备代替传统的测试方法,当发电机大修期间或新设备投运时,完成对励磁调节器的各项试验和调整,使发电机组安全、可靠、迅速并网。

随着电子计算机技术和仿真技术的发展,一种基于计算机仿真平台的测试系统（励磁调节器动态测试系统）可代替实际发电机组或动态模拟实验室中的模拟发电机组,做励磁调节器的开环和闭环试验。

1 系统工作原理及功能

励磁调节器动态测试系统是用计算机系统替代了发电机和励磁机,受励磁调节器的控制与调节,对调节器进行动态特性和技术指标测试。图1为典型的三机系统（虚框部分为测试系统）。

1.1 工作原理

通过隔离滤波和A/D接口,实时检测励磁调节器的可控整流桥直流输出U11（或触发脉冲）,并将其转换成数字量。

针对不同的发电机、励磁机,计算机根据给定的数学模型和设置的机组参数进行实时数字仿真,得到励磁机、发电机及单机—无穷大系统在调节器控制作用下的动态过程。

图1 典型的三机测试系统接线

通过A/D接口和功率放大,将仿真计算得到的发电机机端电压、电流等数字量转换成模拟量实时传送到励磁调节器,形成一个闭环系统。测试系统结构如图2所示。

图2 测试系统结构

由计算机完成发电机组及电力系统的仿真计算（测试系统的核心）。采用发电机的3阶或5阶微分方程来描述发电机的动态特性;用1个或2个贯性环节来模拟励磁机,求解微分方程,就可得到被测系统的实时状态。选择适当的数值算法,可以比较真实地仿真发电机和励磁机的动态过程,从而完成以前无法实现的试验项目（如三相短路试验）及励磁调节器只有在发电机启机才能做的动态试验,既节省了时间又节省了大量燃料。

1.2 功能

1.2.1 静态性能测试

根据需要手动或自动对测试系统输出的电压、电流幅值、相位、频率进行各种方式的人为改变（此时系统为开环）,相当于1台智能化调压器、变频器、移相器和变流器。可实现的测试有开环特性、频率特性、欠励特性及各种限制特性。

1.2.2 动态性能测试

动态性能测试是闭环测试。测试过程中励磁调节器的输出（可以是直流电压也可以是可控硅控制角度）实时被测试系统检测。系统的输出模拟发电机组在励磁调节器作用下的动态过程,包括切负荷、阶跃、短路、零起升压和静稳测试。

2 试验项目和测试结果

某火电厂6号机组检修期间,使用该测试系统对励磁调节器进行测试。机组的励磁方式是2机1变。励磁调节系统由2台相同的励磁调节器组成,正常时2台励磁调节器并列运行,互为备用,也可单台独立运行。调节器投运已有8年,接近于设计使用寿命。机组运行中曾在零起升压时发生过过压现象。

2.1 试验项目

测试共进行了零起升压试验、静态特性试验、±10%阶跃试验、甩负荷试验、短路试验、欠励限制试验6个试验项目。不同工况试验曲线如图3～图7所示。

图3 1号调节器零起升压试验曲线

2.2 测试结果

2.2.1 零起升压试验

图3、图4为2台调节器分别对应给定电位为3.5 V、3.08 V和2.5 V下的零起升压曲线,由此可以计算出所对应的升压时间和超调量。调节器的积分环节是在机端电压建立到0.68（标幺值）时投入的,且1号调节器的升压时间比2号调节器升压时间长0.5 s。

2.2.2 静态特性试验

图5为2台调节器的静态输入、输出特性曲线。由静态特性试验可计算出开环平均放大倍数K：

式中 Us0——机端电压基值,取100 V;

UL0——励磁电压基值,为17.5 V;

ΔUL——励磁电压变化值（1号调节器为51.38 V,2号调节器为54.07 V）;

ΔUs——机端电压变化值（1号调节器为56.0 V,2号调节器为60.0 V）。

经计算1号调节器平均放大倍数K1=5.24,2号调节器K2=5.15。

2.2.3 ±10%阶跃试验

图6为2台调节器±10%阶跃特性曲线。由阶跃试验可以计算出相关技术指标。

1号调节器+10%阶跃超调量为17.7%, -10%阶跃超调量为21%,±10%阶跃调整时间7 s,摆动1次、无振荡。

2号调节器+10%阶跃超调量为14.2%, -10%阶跃超调量为20%,±10%阶跃调整时间9 s,摆动1次、无振荡。

2.2.4 甩负荷试验

零有功时甩67 Mvar无功（如图7所示）。计算得调压精度为0.3%,调整时间4 s,无振荡。

2.2.5 短路试验

计算机仿真单机—无穷大系统线路发生三相短路故障,机端电压为0.95（标幺值）,短路时机端电压降50%,短路持续时间0.2 s。通过此项试验可以检验出调节器的强励和强减特性。由短路试验计算出励磁强励电压动作时间小于0.1 s,顶值电压倍数为1.97;阻尼振荡3次,调节时间5 s。说明调节器励磁电压的强励和强减调节速度很快,动态调节特性良好。

2.2.6 欠励限制试验

2台调节器的欠励限制设定值为P=0 MW,Q =-40 Mva。但在进相超出定值后P=0 MW、Q= -80 Mvar时,2台调节器的欠励限制均没有动作。

3 测试结果

a.由零起升压曲线和实际运行情况可以看出,当调节器给定值Ug＞3.2 V时,发电机零起升压将出现超调,给定值越大超调量越大。

b.通过对测试结果的比较可以看出,2台励磁调节器调节特性基本一致。

c.由零起升压试验和静态特性试验可以看出,特性曲线越平缓说明放大倍数越均匀、稳定。2台调节器的积分环节投入点所对应的机端电压值为Us1=6.8 kV（一次）和Us2=68 V（二次）,平均放大倍数分别为K1=5.24、K2=5.15。说明发电机端电压运行在6.8 kV以下时调节器只有比例环节起作用,机端电压仅按比例调节,机端电压与给定值之间存在静态差值ΔU,理论计算值分别为ΔU1=Us1/K1=1.30 kV,ΔU2=Us2/K2=1.32 kV。

当机端电压高于6.8 kV时调节器的积分环节投入,发电机机端电压按指数关系迅速上升消除此静差。由图5可知,2号调节器各点的放大倍数大小不均,离散性很大。特别是在临近拐点68 V （一次6.8 kV）附近,瞬时放大倍数可能很小,所对应的静差值很大。由此可以推断,当2号调节器初始给定电位Ug若高于3.5 V,在积分环节投入（6.8 kV）时,因调节器的放大倍数大小不均（或此时增加给定电位时操作过快）,其对应的静差值ΔU会很大。ΔU越大则调整时出现的超调量就越大,将引起机端过压。建议今后发电机零起升压时,初始给定电位设置值不要超过3.0 V,待机端电压升至8.0 kV时稍做停顿,使积分环节投入,消除静差后再缓慢增加至额定值。

d.在欠励限制试验中,超出设定值（P=0 MW,Q=-40Mvar）时调节器限制没有动作。说明由于长时间运行,欠励单元的元件参数已发生改变,使工作点偏离了原设定值（该定值在起机后需重新设定）。

4 结束语

励磁调节器动态测试系统可现场完成励磁调节器规定的试验项目（零起升压、静态特性、± 10%阶跃、甩负荷、短路、欠励限制等）。通过对测试结果的分析可知,2台运了8年的励磁调节器目前的调节特性和动态品质良好,主要技术指标满足部颁标准（DL/T 843《大型汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术条件》要求。存在的问题是要对励磁调节器的“欠励限制”定值重新进行调整,并在零起升压时注意方式和方法。

励磁调节器动态测试系统为脱离发电机进行励磁调节器的测试和调整提供了有效手段,可在机组大修、事故分析、基建调试中发挥巨大作用。