无刷高起始励磁系统模型参数的选择及优化

２６　华北电力技术　ＮＯＲＴＨ　ＣＨＩＮＡ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　无刷高起始励磁系统模型参数的选择及优化　苏为民　（华北电力科学研究院有限责任公司，北京１０００４５）　

摘　要：综合总结了发电机励磁系统现场调试、参数测试及实验室检测的经验，比较了各种不同类型励磁调　节器的特性差异，提出了目前有代表意义的典型无刷高起始励磁系统模型参数选择及优化的依据，并对励磁　机磁场电流值进行了计算校核，对现场技术人员具有实用化的指导意义。　关键词：无刷高起始励磁系统；ＡＶＲ；调节性能　中图分类号：ＴＭ７１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—９１７ｌ（２０１４）１１－００２６－０６　

Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｏｄｅｌ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ－ｈｉｇｈ－－ｉｎｉｔｉａｌ　Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｕ　Ｗｅｉｍｉｎ　（Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ—ｈｉｇｈ—ｉｎｉｔｉａｌ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｆｉｅｌｄ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｔｅｓｔ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｒｅｇｕｌａｔｏｒ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｔｏ　ｆｉｅｌｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｅｒｓｏｎｎｅ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ—ｈｉｇｈ—ｉｎｉｔｉａｌ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ＡＶＲ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ），ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　

０　引言　无刷高起始的概念早期由美国西屋公司提　出，随着自并励励磁系统技术的不断完善自上　世纪９０年代后期逐渐淡出。近年来由于核电　机组的相继投产及中小型燃汽轮机的使用，使　得无刷励磁系统又得以发挥其潜能；然而怎样　选择自动电压调节器（ＡＶＲ）模型，怎样合理整　定ＡＶＲ各环节的调节参数一度成为现场技术　人员比较为难的事情。本文根据作者２７０余台　次现场调试及参数测试的经验，综合实验室３０　套次ＡＶＲ涉网性能检查的情况分析比较了各　种ＡＶＲ性能，力图为读者提供一些实用化的　依据。　

１　国内市场流行的ＡＶＲ种类及特点　１．１　电压控制主环模型　（１）串联校正型ＰＩＤ如图１。　

图１　串联校正型　这种ＡＶＲ以ＡＢＢ的ＵＮＩＴＲＯＬ系列为主，国　内南瑞继保、广科所、上海成套所等厂家也采用　这种结构。该模型的主要特性是参数选择及调　整比较容易，励磁系统动态响应特性比较好，辅　助限制及控制环节也容易配合。　（２）并联校正型ＰＩＤ如图２。　

图２并联校正型　华北电力技术　ＮＯＲＴＨ　ＣＨＩＮＡ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　Ｐ０ＷＥＲ　２７　这种ＡＶＲ以南瑞电控为主，美国ＧＥ、奥地利　尹林、英国罗一罗及德国西门子公司的电压控制环　节其实也是这种结构。单从电压控制能力分析，　该模型的特性是控制精度高，缺点是由于比例、　积分和微分纠结在一起，参数选择及调整比较困　难。对自并励励磁系统而言，若电压环采用ＰＩ控　制、辅助限制环节也采用ＰＩ控制，而两种环节综　合起来是等效串联衔接，则必须采用相关资料中　介绍的“错开原理”选择参数，才能保证励磁系统　的稳定调节能力。　（３）混合型ＰＩＤ如图３。　一　图３混合型　这种ＡＶＲ以四方吉思为主，日本三菱、法国　阿尔斯通实际也采用过这种结构。该模型综合　了Ａ、Ｂ模型的优点，但为交流励磁机励磁系统配　套时多采用软负反馈结构，调节性能比采用硬负　反馈结构的ＡＶＲ性能略差一些。　１．２磁场电气量控制环节　电压模型Ａ用于自并励系统时，一般不用设　计磁场电气量控制环节，仅通过ＰＩＤ调整就能满　足性能要求，用于无刷高起始励磁系统时，其后　串联了以励磁机磁场电流作为硬负反馈的高起　始环节，可以取得比较好的控制效果。　电压模型Ｂ用于自并励系统时，国外设备常　和磁场电气量控制环节串联使用；如ＧＥ用磁场　电压控制器串联接在电压环之后，西门子公司也　用磁场电压反馈作为提高暂态性能的手段，而伊　林公司的新模型则引入磁场电流形成电流控制　器串联接在电压环之后。但是ＧＥ公司及西门子　公司的设备未见到用于交流励磁机励磁系统中　的报道。伊林公司的新模型虽然可用于无刷系　统，但是其性能还有待于新的检测及研究结果。　电压模型ｃ即可用于自并励系统，也可配合　软负反馈用于交流励磁机励磁系统，但是一般情　况下不需要再串联额外的调节器。　２　交流励磁机励磁系统改善性能的模式　众所周知，相比自并励系统，交流励磁机励　磁系统性能差的原因主要是因为有中间环　节——交流励磁机，因为交流励磁机的空载时间　常数　。使得励磁系统整体响应性能变坏。为解　决此问题行业内人士做出了不懈的努力。　２．１　改善模式Ａ　早期国内电厂以ＷＫＫＬ型ＡＶＲ为代表，承　继西屋公司理念，采用励磁机磁场电流作为硬负　反馈，以期解决高起始问题，曾为发展我国无刷　励磁系统做出了重要贡献。该模式的特点是高　起始环节增益较大（Ｋ　。＝４５）但励磁机磁场电　流反馈系数一般较小（＜０．１　ｐｕ）。由于高起始　环节与电压控制环串联衔接，这样处理的结果是　整个励磁系统的暂态增益可高达Ｋ．＝３　０００～　５　０００　ｐｕ，缺点是不容易和ＡＶＲ中其它辅助限制　环节实现理想搭配。　２．２　改善模式Ｂ　曾经一段时期国内某些厂家采用了一种过　渡结构，即励磁机磁场电流硬负反馈系数与高起　始环节增益相关的结构，如高起始增益Ｋ　＝５，则　电流反馈环节系数Ｋ，＝１／Ｋ，＝１／５＝０．２　ｐｕ。这　样处理的优点是不改变ＡＶＲ整体增益，可以部　分补偿励磁机的时间常数，显然就高起始效果而　言，模式Ｂ不如模式Ａ。　２．３　改善模式Ｃ　２０１１年ＡＢＢ公司率先在国内推出Ｕｎｉ—　ｔｒｏ１６０８０型ＡＶＲ，随后国内公司南瑞继保和上海　成套所也及时跟进研发了类似的ＡＶＲ。改善模　式Ｃ的特点是电压控制主环仅采用ＰＩ调节，摒弃　了传统的ＰＩＤ调节。采用高起始环节串接在电　压环后，但是采用励磁机磁场电流全反馈系数　（Ｋ＝１）的设计策略，取得了良好的效果，该ＡＶＲ　模型典型的前向传递函数为：　

ＲＩ［（１＋ｓＴｃｌ１）／（１＋ｓＴ…）］ＫｃＲ川Ｒ＝　５００［（１＋２ｓ）／（１＋１４．２８５ｓ）］　２０　由表达式易计算出励磁系统暂态增益Ｋ　＝　１　４００　ｐｕ。降低暂态增益后，除仍能满足高起始　的要求，也使得ＡＶＲ辅助限制环节与电压控制　主环的协调问题变得容易起来。由于改善模式ｃ　具有其它两种模式不可比拟的优势，本文重点对　这种结构的ＡＶＲ进行讨论。　

３　典型无刷高起始励磁系统参数选择　分析　

３．１　实验室仿真的依据　按国标定义，无刷高起始励磁系统要求发电　机磁场电压在阶跃响应试验中０．１　ｓ内达到输出　２８　华北电力技术　ＮＯＲＴＨ　ＣＨＩＮＡ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　顶值，理论研究表明，只要励磁机磁场电流在　０．１　ｓ内达到输出顶值，就能满足标准要求。实　际系统中发电机磁场电压及电流是不能测量的，　然而在试验室中可以解决。图４中ＡＶＲ是实际　检测的ＡＶＲ各电气量波形，ＲＤＴＳ是各电气量仿　真波形，两种波形曲线基本重合，反映了仿真结　果的真实性。　

图４　ＲＴＤＳ仿真无刷高起始励磁系统进行２％　阶跃响应试验与实际ＡＶＲ比较　

由图４可见，发电机磁场电压　波形与励磁　机磁场电流，　波形形态完全一样，以励磁机磁场　电压变化为起点的时间迟后也完全一样，在　０．１２　Ｓ内达到输出顶值，接近标准要求，因此可　以用，　的仿真结果取代　。图４中磁场电流，　的变化规律与机端电压一致，最能反映ＡＶＲ控　制规律是励磁机磁场电压ｕ　波形。而研究无刷　高起始励磁系统的最终调节特性应以发电机机　端电压Ｕ．为主，因为　．最终影响电网电压的　稳定。图５～７均为发电机空载２％阶跃响应　试验。　

图５检查直流增益（Ｋ　＝Ｋ　）改变后　对无刷高起始励磁系统性能的影响　

图６检查积分时间常数　改变后对无刷高起　始励磁系统性能的影响　

０　。　翥杀　

图７检查微分时间常数Ｔ　（分母Ｔ　：０．Ｉ）　改变后对无刷高起始励磁系统性能的影响　

３．２无刷高起始励磁系统实际ＡＶＲ控制参数敏　感度分析　结论１：直流增益有整定的最大极限值（图５）。　结论２：积分时间常数的选择有整定的最小　极限值（图６）。　结论３：当采用励磁机磁场电流全反馈模式　后，企图通过增加电压控制主环ＰＩＤ调节的微分　增益来改善整体调节性能是无效的（图７）。　由图８可见，即使励磁机时间常数增加为　６　Ｓ，通过加大高起始环节增益，仍进行空载２％阶　跃响应试验，可显著改善特性。　

图８　人为加大励磁机时间常数，检查调整高起　始环节增益的控制效果