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| 标准编号 | GB/T 7409.2-2020 (GB/T7409.2-2020) | | 中文名称 | 同步电机励磁系统 第2部分：电力系统研究用模型 | | 英文名称 | Excitation systems for synchronous machines - Part 2: Models for power system studies | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | K21 | | 国际标准分类 | 29.160.20 | | 字数估计 | 46,499 | | 发布日期 | 2020-06-02 | | 实施日期 | 2020-12-01 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 7409.2-2020: 同步电机励磁系统 第2部分：电力系统研究用模型
中华人民共和国国家标准
代替GB/T 7409.2-2008
同步电机励磁系统
第2部分:电力系统研究用模型
2020-06-02发布
2020-12-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 发 布
1 范围
GB/T 7409的本部分规定了励磁系统模拟简图、励磁功率单元和控制功能的数学模型,及其相关
参数和变量的术语定义。
本部分适用于电力系统研究和分析中所使用的汽(燃气)轮发电机、水轮发电机、抽水蓄能发电/电
动机和核电机组的励磁系统模型。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 7409.1 同步电机励磁系统 定义
3 术语和定义
GB/T 7409.1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
4 励磁功率单元分类---图示法及稳定性研究的数学模型
4.1 直流励磁机励磁功率单元
近年来,虽然新机组已很少采用直流励磁机,但还有部分同步电机装有这类励磁机。图2就是一种
采用它励绕组的直流励磁机励磁功率单元简图,图3表示该励磁功率单元的模型。模型中用交、直流励
磁机自励磁场的常数KE 来描述有自励分量励磁机的特性。注意:采用它励励磁机时KE=1。
4.2 交流励磁机励磁功率单元
交流励磁机励磁功率单元利用交流励磁机带静止或旋转二极管整流器,给同步电机提供磁场电流。
采用它励方式时交流励磁机磁场电流的电源可为副励磁机,采用自励方式时该电源可为取自于机
端的电势源或复合静止电源。
图4和图5分别表示交流励磁机采用永磁式副励磁机作电源的励磁功率单元简图;图6和图7表
示交流励磁机采用机端励磁变压器作为电源的励磁功率单元简图。
图4和图6中整流器的输出经电刷和滑环给同步发电机的磁场绕组。励磁机的旋转磁场绕组到励
磁控制设备也是通过滑环和电刷进行电联接的;图5和图7中整流器和交流励磁机的电枢与同步电机
同轴旋转,旋转整流器的输出不需用滑环或电刷,而直接与同步电机的磁场绕组联接。
4.3 电势源静止励磁功率单元
电势源静止励磁功率单元有三种连接方式,包括电源采用自励恒压且与同步电机同轴的辅助发电机、或
取自与主发电机电压无关的辅助母线、或取自同步电机的输出端,励磁功率单元结构如图11所示。前两者分
别称作旋转源它励静止励磁系统和静止源它励励磁系统,其数学模型可以表示为图12;后者称作自并励静止
励磁功率单元,自并励静止励磁系统的性能和模型应考虑受机端电压变化的影响,数学模型可以表示为图13。
4.4 复合源静止励磁功率单元
复合源静止励磁功率单元同时采用电流源和电压源(取自同步电机)两种整流变压器供电。设计的
形式有电流源和电压源在直流侧并联、直流侧串联、交流侧并联和交流侧串联等多种形式。复合源静止
励磁功率单元使用甚少,这里仅说明交流侧串联的复合源静止励磁功率单元。
图14给出了两个电源在整流器交流侧串联、电压相加的原理图。带有气隙的电抗器将电流源转换
为电压源,也有采用带气隙的电流源变压器直接将电流源转换为电压源。图15给出相应的模型。
5 控制功能的数学模型
5.1 电压测量和负载电流补偿环节模型
仿真模拟的发电机端电压测量环节是所有电压调节器共有的。考虑电流补偿时,通常有基于矢量
合成电压测量和基于标量迭加的电压、电流测量两种方式:
a) 基于矢量合成的电压测量和负载电流补偿环节;
b) 基于标量相乘迭加的电压、电流测量与负载电流补偿环节。
在大部分工程应用中,不考虑有功电流的电抗压降和无功电流电阻压降时,可将图16所示模型简
化为如图17所示。
图17 基于标量相乘迭加的电压、电流测量与电流补偿模型
通常,负载电流的补偿采用下面的某一种形式:
---当机组间未经阻抗直接并联时,采用电流补偿,造成一个人为的阻抗匹配,以使机组能合理地
分担无功功率,XC 应为正值;
---当单一机组通过大的阻抗联到系统,或两台及多台机组通过各自变压器联到系统时可能要求
调节发电机端外某点的电压。比如,可以补偿变压器的部分阻抗,在这些情况下,RC 和XC 取
负值。
多数负载电流的补偿忽略RC 分量,而只要求XC 值,在此条件下,负载电流的影响可视为无功分量
的影响,起该作用的部件称作无功电流补偿器。
不使用补偿器,而仅仅用于端电压整流后的滤波时,仍适用于图16和图17。另外,滤波环节可能
是复杂的,为了模拟,可以简化为一阶惯性环节,在许多情况下此时间常数很小,可忽略不计。
加入负载补偿器影响滤波后的端电压信号与参考信号比较,参考信号表示端电压的理想整定值,选
择等效电压调节器的参考信号UREF,以满足初始运行条件。常见的其他形式变压器高压侧电压控制有
PSVR,其具体模型框图参见附录A。
5.2 比例-微分-积分(PID)校正环节模型
励磁控制的PID校正环节实现励磁调节和稳定控制功能。PID校正环节一般分为:串联型PID校
正环节和并联型PID校正环节,具体如下:
a) 串联型PID校正环节
串联型PID校正环节模型见图18。KV 设置为1时校正环节由两级超前滞后环节组成。KV
设置为零时校正环节带纯积分环节,实现无差调节。
b) 并联型PID校正环节
并联型PID校正环节模型见图19。
5.3 励磁反馈环节模型
励磁反馈环节一般包括软反馈环节和励磁机时间常数补偿环节:
a) 软反馈环节
软反馈环节模型见图20。软反馈环节输入信号在静止励磁系统中为调节器输出Ur,在励磁机
励磁系统中可以是与励磁机磁场电流信号成比例的Uie,或者发电机磁场电压Uf,软反馈环节
输出信号加到图24中电压相加点Uess1或者PID校正环节的输出Uess2或Uess3。
b) 励磁机时间常数补偿环节
励磁机时间常数补偿环节也称硬反馈环节,用以减少励磁机等效时间常数。励磁机时间常数
补偿环节的输入信号为发电机磁场电压或励磁机磁场电流信号,反馈到PID校正环节的输
出,见图21。
5.4 限幅环节
要注意区分内限幅和外限幅两种限幅环节。内限幅和外限幅的表达见附录B。
5.5 电力系统稳定器模型
电力系统稳定器输入信号一般有发电机有功功率、机端电压的频率、发电机转速或它们的组合。电
力系统稳定器可以用于发电机和电动机工况,但是参数需要分别整定。
迭加到电压相加点的电力系统稳定器输出量的基准值同发电机电压的基准值。电力系统稳定器输
入量的基准值同发电机基准值。
电力系统稳定器模型主要有单输入信号电力系统稳定器模型、合成加速功率型电力系统稳定器模
型和其他电力系统稳定器模型:
a) 单输入信号电力系统稳定器模型---PSS1型
PSS1型单输入信号电力系统稳定器模型由信号测量环节、两级隔直环节、轴系扭振滤波器、三
级超前滞后环节、增益调整环节和输出限幅环节组成,见图22。输入信号可以是发电机有功
功率、机端电压的频率或发电机转速。
b) 合成加速功率型电力系统稳定器模型---PSS2型
PSS2型合成加速功率型电力系统稳定器模型见图23。PSS2型模型采用发电机转速(或频
率)和有功功率作为输入信号USI1和USI2,经过运算产生机械功率变化量信号,该信号减去有
功功率变化量信号即为加速功率变化量信号,以此作为电力系统稳定器校正信号输入到超前
滞后环节、增益调整环节和限幅环节。
图23 加速功率型电力系统稳定器模型---PSS2型
c) 其他电力系统稳定器模型,比如多频段PSS模型(参见附录C)。
5.6 电压控制主环通用结构
电压控制主环通常由几种校正环节组合而成,其通用结构模型见图24,图中虚线描述了励磁反
馈环节和电力系统稳定器可选择的介入位置。励磁系统稳定计算模型可按照实际模型或按照等效
方式设置KA、KB、TA、TB、KFF和PID1、PID2对应的参数,选择励磁反馈环节和电力系统稳定器介入
点。KH 设置为0时励磁反馈校正环节为软反馈校正,KF、TF 设置为零时该环节为励磁机时间常数补
偿环节。
图24 电压控制主环通用结构模型
5.7 辅助限制环节模型
本部分提供的励磁辅助限制器模型对应部分在中国电网运行的、符合标准要求的发电机励磁调节
器辅助限制功能。
辅助限制环节主要包括V/Hz限制、过励限制(OEL)、定子电流限制(SCL)和欠励限制(UEL):
a) V/Hz限制环节
V/Hz限制环节实现防止同步电机或与其相连变压器过磁通功能。V/Hz限制环节根据反时
限实现方式不同可分为:解析函数类型和多点折线查表类型。
1) 采用解析函数类型实现反时限功能的V/Hz模型见图25,设置Kinv实现不同的反时限动作
时间整定,设置Kcool实现反时限动作返回时间整定,模型采用低通比较门(LV)方式介入电
压控制主环,输出信号UVFL接入图33中UVFL2。反时限特性计算公式见附录D的D.1。
图25 采用解析函数实现反时限功能的V/Hz模型
2) 采用多点折线形式的V/Hz功能模型见图26,F1(x)是由电压与机组频率比值x对时间
T 的多段折线函数,用于整定反时限动作特性。模型采用低通比较门(LV)方式介入电压
控制主环,输出信号UVFL接入图33中UVFL2。
图26 采用多点折线形式的反时限V/Hz模型
b) 过励限制环节
过励限制环节实现将励磁系统输出电流限制在允许值之内,限制作用可能是瞬时的或延时
的。过励限制环节通常由反时限计时模型、反时限动作模型和最大励磁电流限制动作模型
组成。
1) OEL反时限计时模型见图27,设置Kinv实现不同的反时限动作时间整定,设置Kcool实现
反时限动作返回散热时间整定,反时限特性计算公式见D.2。
图27 OEL反时限计时模型
2) OEL反时限动作模型见图28,KV 设置为1时动作校正环节由两级超前滞后环节组成,
KV 设置为0时动作校正环节带纯积分环节,实现无差调节。模型采用LV方式介入电
压控制主环,输出信号UOEL接入图33中UOEL3或UOEL4;采用迭加方式介入时,需设置
UOEL_MAX为0,输出信号UOEL接入图33中UOEL2。
图28 OEL反时限动作模型
3) OEL的最大励磁电流限制模型见图29,模型采用LV方式介入电压控制主环时,输出信
号UOEL接入图33中UOEL3或UOEL4;当以迭加方式介入时,输出信号接入图33中UOEL2
或UOEL5。
c) 定子电流限制环节
定子电流限制环节实现在同步电机定子电流超出允许值后限制发电机输出定子电流无功分量
至合适范围。限制作用是延时的,其通常是由反时限计时模型和反时限动作模型组成:
1) 定子电流限制反时限计时模型见图30。模型中热积累启动值Itth与过流倍数计算基准值
Itn为不同参数,Qzone1和Qzone2分别用于设置迟相和进相工况下的SCL动作死区,其反时限
特性计算公式参见式(D.3)。
2) 定子电流反时限动作模型见图31,模型采用LV方式介入电压控制主环时,输出信号
USCLind接入图33中USCLind1或USCLind2,USCLcap接入图33中USCLcap1或USCLcap2。
d) 欠励限制环节
欠励限制用于防止同步发电机超越静态稳定极限,或不超越由定子端部铁芯发热而要求的圆
柱转子型电机的热容量。欠励限制模型通常由PID控制环节、限制查表曲线环节和电压修正
环节组成,部分调节器设计有根据功角大小调整增益的变增益环节。
欠励限制模型见图32,图中限制查表环节F2(x)是以有功功率测量值为输入查找无功给定
Qref,具体实现可参见附录E。欠励限制采用迭加方式介入电压控制主环时,需设置UUEL_MIN为
0,输出UUEL接入图33中UUEL2;采用HV方式介入时,输出UUEL接入图33中UUEL3或UUEL4,
当接入UUEL4位置时,由于UUEL4位于电压控制主环之后,在主辅环控制切换时应具有积分初始
化功能。具体实现可参见附录F。
图32 UEL模型
5.8 辅助限制环节介入电压控制主环的方式
辅助限制环节介入电压控制主环的方式可采用迭加方式或者比较门方式。迭加方式,限制动作后
电压调节仍起作用。比较门方式,限制动作后电压调节被阻断。
6 励磁系统模型
6.1 概述
本部分提供的励磁系统模型对应多数在中国电网运行的、符合标准要求的发电机励磁系统,也包含
了多数在中国应用于电力系统稳定性研究的励磁系统模型。当有需要时,按照5.7增添辅助限制环节。
当所提供的模型不能满足应用时应建立新的、符合实际的励磁系统模型。
本部分所提供的励磁系统模型各个环节并非需要全部使用。当部分环节不使用时,可以设置参数
使其不起作用。
6.2 交流励磁机励磁系统模型
这类励磁系统由交流励磁机和静止整流器或者旋转整流器产生发电机磁场所需要的直流电流。模
型考虑了发电机磁场电流对交流励磁机的去磁作用和整流器的换相压降作用。根据交流励磁机励磁方
式的不同,其仿真模型可分为:
a) EX1型交流励磁机励磁系统模型
图34所示EX1型模型用来表示副励磁机向励磁调节器供电的不可控整流器交流励磁机励磁
系统。
EX1型模型有各辅助限制介入位置、励磁系统输出电压最大值限制、串联型PID校正和软反
馈校正。按照反馈信号的来源分为A、B两型,A型适用于无刷励磁系统,B型适用于有刷或
无刷励磁系统。
b) EX2型交流励磁机励磁系统模型
图35所示的EX2型模型用来表示发电机机端变压器向励磁系统供电的不可控整流器交流励
磁机励磁系统。按照反馈信号的来源分为A、B两型,A型适用于无刷励磁系统,B型适用于
有刷或无刷励......
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