励磁系统参数测试报告

XXXX电厂 1号机组

励磁系统参数测试报告

XXXX电力技术工程有限公司

XXXX年 XX月

编制日期： XXXX年 XX 月 XX 日

编制人：审核人：批准人：

XXX

目录

1. 概述 ........................................................... 1 2. 发电机及励磁变参数 ............................................. 1 2.1. 发电机的一般参数 ............................................ 1 2.2. 主变参数 .................................................... 2 2.3. 励磁变参数 .................................................. 2 2.4. PT、CT及转子分流器变比 ..................................... 2 3. AVR模型和 PSS模型 .............................................. 4. 现场试验结果 ................................................... 3 4.1. 发电机空载特性 .............................................. 3 4.2. 发电机空载阶跃响应特性试验 .................................. 4 4.3. 发电机空载大阶跃试验 ........................................ 5 4.4. 发电机时间常数测试 .......................................... 6 4.5. 调差极性校核试验 ............................................ 6 5. 励磁系统参数计算 ............................................... 7 5.1. 发电机饱和系数和励磁系统机值计算 ............................ 7 5.2. 整流器换相压降系数 KC的计算 ................................ 8 5.3. 励磁系统的最大输出电压（ VRMAX）和最小输出电压（ VRMIN） ... 8 5.4. 励磁调节器内部最大 / 最小输出电压 ........................... 9 5.5. PID参数 .................................................... 9 6. 稳定计算用励磁系统数学模型及参数 ............................... 9 7. 发电机空载阶跃响应仿真结果 ..................................... 11 8. 结论 ........................................................... 11

2 1. 概述

XXXX年 XX月 XX日，XXXX电厂 1 号发电机组进行励磁系统模型和

参数测试 工作。试验包括发电机空载特性试验、发电机空载阶跃响应试验等。

XXXX1号燃气轮发电机组是自并励励磁系统，采用静止励磁方式， ABB励磁 UNITROL 5000型控制器。

本次试验的目的是：通过现场试验，确定 1 号发电机组励磁系统模型和参数。 使用的主要测试仪器： TK2000便携式电量分析仪。

2. 发电机及励磁变参数 2.1. 发电机的一般参数 型号 额定容量（ MVA ） 额定功率（ MW ） 功率因素 额定电压（ kV） 额定电流（ A） 转速（转／分） 励磁方式 满载励磁电压（ V） 满载励磁电流（ A） 空载励磁电压（ V） 空载励磁电流（ A） 强励倍数 强行励磁时间（秒） 定子电阻（指明何温度下） 转子电阻（指明何温度下） 直轴同步电抗 Xd （%） 交轴同步电抗 Xq （%） 直轴暂态电抗 Xd'（%） 交轴暂态电抗 Xq'（%） 直轴次暂态电抗 Xd'（'%） 交轴次暂态电抗 Xq'（'%） 定子漏抗 Χs（ %） 负序电抗（ %） 零序电抗（ %） 上海电气电站设备有限公司上海发电机 QFSN-630-2 700 630 0.90 20 20207 3000 自并励静止励磁系统 424 4317 139 1480 2 20 0.001223（15℃） 0.0923（15℃） 215.5% 210.0% 不饱和值 30.1%；饱和值 26.5% 不饱和值 44.8%；饱和值 39.5% 不饱和值 22.3%；饱和值 20.5% 不饱和值 21.8%；饱和值 20.1% 非饱和值 22.1%；饱和值 20.3% 非饱和值 10.1%；饱和值 9.59% 第 1 页

电枢绕组短路时间常数 Ta（秒） 第 2 页

8.61 直轴开路暂态时间常数 Td0'0.956 交轴开路暂态时间常数 Tq0'0.045 直轴开路次暂态时间常数 Td0\" 0.069 交轴开路次暂态时间常数 Tq0\" 直轴短路暂态时间常数 Td'（秒） 1.058 交轴短路暂态时间常数 Tq'（秒） 0.180 0.035 直轴短路次暂态时间常数 Td\" 0.035 交轴短路次暂态时间常数 Tq\" 发电机轴系转动惯量（整轴） 2 62474.04kgm 2.2. 主变参数

720 容量（ MVA） 525 一次侧电压（ kV ） 20 二次侧电压（ kV ） 接线方式 YN，d-11 14.86% 短路阻抗 Uk％ 2.3. 励磁变参数

6.3 容量（ MVA） 20 一次侧电压（ kV ） 880 二次侧电压（ kV ） Yd-11 接线方式 8.08% 短路阻抗 Uk％ 2.4.PT、CT及转子分流器变比

20kV/100V 发电机定子 PT 变比 25000 A /5 A 发电机定子 CT 变比 5000A/75mV 励磁电流分流器变比 23. AVR模型和 PSS模型

XXXX1号发电机组采用静止励磁方式， ABB励磁 UNITROL 5000 型

型励磁控 制器。该励磁调节器，是双通道励磁调节器，励磁调节器控制方式采用的是 PID+PSS控制。根据励磁调节器制造厂家提供的控制原理和逻辑， 励磁系统、 PSS 的方框图见图 1（厂家提供）。

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from under-excitation limiters

from over-excitation limiters

UP TB 1 KR TC1

UP UT

UEL

UT Generator voltage [p.u.] 1 1 sTR - Σ

HV

Gate

OEL

LV

Gate +

1 sTC 2 1 sTB 2 UP KR

1 sTC1 1 sTB1 KR KB 1 sTS + Uf

[p.u.]

UT setpoint [p.u.] QT

Generator Reactive Power [p.u.] Generator Active Power [p.u.] Rotor angular frequency deviation[p.u.]

+

UP TB1 KR TC1

UP UT

KC

If [p.u.] 1 sTR

KIR

PT

1 sTR

KIA

Δω

PSS

1 sTR

图 1A 调节器 PID模型

图 1B 调节器 PSS模型

4. 现场试验结果 4.1. 发电机空载特性

XXXX1号发电机组是自并励励磁系统。试验中发电机不带主变，带

励磁变， 空载特性试验发电机电压升至额定电压的 1.2 倍。

表 1 为该机空载特性数据，其中 UAVG为机端电压的平均值， UFD 为励磁电压，

IFD

为励磁电流。

表 2 实测 1 号燃气轮发电机空载特性 UAVG（V） 20075 20007 18054 17974 16046 15869 14093 13872 11929 10043 UFD（ V） 132 129 108 109 92 92 80 78 67 80 IFD（ A） 1509 1506 1242 1238 1055 1042 906 2 760 674 第 4 页

5022 40 337 第 5 页

11945 13975 15090 18057 19871 21937 23111

66 79 86 109 128 167 200 253 758 906 9 1252 1474 1927 22 27 23933 根据表 1的空载特性数据可以得到如图 2 所示的空载特性曲线：

图 2 发电机空载特性曲线

4.2. 发电机空载阶跃响应特性试验

用励磁调节器将发电机电压升到空载额定值的 95%，进行 5%阶跃响应试验， 图 3 为 5%阶跃响应录波图。

XXXX1号发电机组 5%阶跃响应试验发电机电压的振荡次数为 0.5

次，超调量 MP=8.5%，上升时间 TUP=0.25 秒，顶值时间 TP=0.65s，调节时间 TS=1.2s。空载阶 跃响应各项性能指标满足国标和行标要求。

电力行标 DL/T 843-2010中 5.10.2项要求：自并励系统电压给定阶跃响应应 满足一下要求：阶跃量为发电机额定电压的 5%，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 0.5 秒，调节时间不大于 5s。

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4.3. 发电机空载大阶跃试验

励磁方式为他励方式， 用自动励磁调节器调整调整发电机电压为

20100V（机 端 100%额定时可控硅整流器阳极电压为 868V），进行 30%

阶跃试验，记录发电 机的定子电压 VAB、励磁电压 UFD（滤波

10ms）、励磁电流 IFD 的响应曲线。见

图4

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4.4. 发电机时间常数测试

发电机空载运行，励磁系统采用他励方式，采用封脉冲方式，由机端电压

20100V 阶跃至 90 度（机端电压约 0V），见图 5。测试时间常数为 9.4s。仿真使 用实际测试值。

4.5. 调差极性校核试验

发电机并网带初负荷运行， 励磁调节器自动运行， 机端电压给定值保持不变， 磁场绕组温度达到稳定。 迅速调整调差系数 5%、2%、

0%、-2%、-5%，记录无功、 机端电压、转子电压、转子电流，测试结

果如图 6 所示。

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由图中波形可知，调节器规定的调差极性与国标的调差极性相反。

此款励磁调节器中的调差系数，设置为 5%，相当于国标定义的 -5％

5. 励磁系统参数计算

5.1. 发电机饱和系数和励磁系统机值计算 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：

（1） 发电机励磁电流的基准值 IFDB： 选取发电机空载特性曲线气隙线（图 2）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： IFDB=1290 A

（2） 发电机励磁回路电阻的基准值 RFDB： 选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，即

RFDB=UFDN/I FDN

UFDN=424V

IFDN=4317A

RFDB= UFDN/I FDN=424/4317=0.098Ω

（3） 发电机励磁电压的基准值 UFDB：

UFDB= RFDB× IFDB=0.098×1290 =126.7V

（4） 根据发电机空载特性可计算模型需要的饱和系数 SG： 从发电机空载曲线上得到：气隙线上对应于额定定子电压的励磁电流

IFDB=1290 A，空载曲线上对应于额定定子电压的励磁电流 IFD0=1510A，

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额定定子 电压时发电机的饱和系数：

第 10

SG1.0= (FD0-FDB)/ FDB=0.1705

I

I

I

气隙线上对应于 1.2 倍额定定子电压的励磁电流 IFDB1.2=1540A，空载曲线上 对应于额定定子电压的励磁电流 IFD01.2=2910A，额定定子电压时发电机的饱和系 数：

SG1.2= （FD01.2-FDB1.2）/ FDB1.2=0.86

I

I

I

PSASP电力系统稳定计算程序中，发电机饱和系数： n=5.21。

5.2. 整流器换相压降系数 KC的计算

a=1、 b=0.1705、

计算中用的 UETN、UK、SET分别为励磁变的二次电压、短路阻抗、额定容量， UFDB 、 IFDB为发电机励磁电压、励磁电流的基准值。

换相电抗的整流器负载因子 KC（标幺值）为：

FDB ETN 1290 (868)

FDB C 0.0808 0.094 π126.7 6300000 FDB ET

3 I

U

2

K

ETN

uk

U

S

5.3. 励磁系统的最大输出电压（ 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 VRMAX 和最小输出电压

VRMIN 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。计算公式为： UFD=1.35×UP COSα-IFD×KC （其中， UP为可控硅阳

极电压，C

K

3U

2

ETN

u 0.0808 0.009 为有名值) 6300000

3 868

k

2

k

由图 4 大阶跃试验结果可知，上阶跃时：

最大励磁电压为 971V，对应励磁电流为 3080A，可得 αmin=31.5 下阶跃时：

最小励磁电压为 -999V，对应励磁电流为 5A，可得 α min=148 最大输出电压为：

VRMAX=1.35 UB COSαmin=1.35× 868×COS31.5° =999.4V 标幺值为： VRMAX /UFDB=7. P.U.

最小输出电压为：

VRMAX=1.35 UB COSαmax=1.35×868×COS 148°= -993.7V

第 11

标幺值为： VRMAX /UFDB=-7.84 P.U.

5.4. 励磁调节器内部最大 / 最小输出电压

VAMAX和 VAMIN 指 AVR的 PID 放大器总输出的内部限幅值，取 VAMAX=10， VAMIN=-10。

5.5. PID参数

根据厂家提供的原始参数设置为：

PLF=9.82; 1916 CEILING FACTOR A VP=50; 1918 P GAIN A VR VO=500; 1917 DC GAIN A VR VOO=50; 1919 HF GAIN A VR TA1=1; 1920 TA1 TB1=0.025; 1923 TB1

转换成 PID传递函数参数得：

K = VO/PLF= 50.92 T1 = TB1 =0.025 KV = 1

T2 = TB1*VP/VOO =0.0025 T3 = TA1=1 T4 = TA1*VO/VP =10

功率回路增益 K a

3 2 U

ETN 1.35 868 9.25

a

π EFDB 126.7

6. 稳定计算用励磁系统数学模型及参数

XXXX1号发电机为自并励励磁系统， 用中国版 BPA暂态稳定程序

中， 励磁模 型应选 FV型作为计算用励磁系统模型（综稳程序的选

12 型）。这是自并励励磁 系统模型，其模型框图见图 7，参数见表 2。

第 12

图 7 FV 型励磁系统模型框图 表 2 FV 型励磁系统模型参数表

参数名称 调差系数 XC（标幺值） 计算参数 -0.5 仿真参数 -0.5 0.02 10 -10 0.025 0.0025 1 10 50.92 调节器输入滤波器时间常数 Tr（秒） 0.02 调节器最大内部电压 VAMAX （标幺值） 10 调节器最小内部电压 VAMIN （标幺值） -10 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） 调节器 PID 增益 K（标幺值） 积分选择因子 KV（标幺值） 软负反馈放大倍数 Kf（标幺值） 软负反馈时间常数 Tf（秒） 0.025 0.0025 1 10 50.92 0 0 9.25 0 1 电压调节器放大器增益 Ka（标幺值） 9.25 0 1 第 13

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） 7. 发电机空载阶跃响应仿真结果

7. -7.84 0.094 7. -7.84 0.094 在 BPA稳定程序中， 选用 FV 型励磁系统卡， 采用表 2 中的“仿真参数”，进 行发电机空载 5%阶跃仿真。仿真结果如图 8 所示，结果见表 3。

仿真结果与实测结果接近（偏差在允许范围内，见表 3），表 2 中的“仿真

参数”可以作为“使用参数”用于电力系统稳定计算。

图 8 发电机空载 5%阶跃仿真曲线

表 3 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 （实测 -仿真） 0.4% 0.02s 0.01s 0s 0次 允许偏差 超调量 MP 7.2% 6.8% 0.23s 0.55s 1.2s 0.5 次 ±5% ±0.1s ±0.2s ±2s ≤1 次 上升时间 TUP 0.25s 顶值时间 TP 0.65s 调节时间 TS 1.2s 振荡次数 N 0.5 次 8. 结论

8.1 在 XXXX1号发电机组励磁系统模型参数测试工作中， 完成了励磁

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调节器模型

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参数辨识、发电机空载特性测量、发电机空载阶跃响应等试验。

8.2 在测试结果基础上，归并计算出发电机转子电压、转子电流、转子

电阻标么 值，计算出发电机饱和系数 SG，换相电抗的整流器负载因子

KC，励磁系统最大 输出电压 VRMAX和最小输出电压 VRMIN 等参数。 8.3 通过将仿真结果与实际空载阶跃响应结果比对，验证了励磁控制系

统模型参 数的准确性。

8.4 本报告最终给出了 XXXX1号发电机组电力系统稳定计算用励磁系

统的模型 和参数，为系统稳定分析及电网日常生产调度提供准确的计算依据。 可供电力系 统稳定分析计算使用。

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