励磁系统参数整定研究

电力18讯：    摘  要：提出一种励磁系统参数整定方法：首先进行励磁系统大信号特性仿真试验，用大信号特性技术指标描述励磁系统目标响应，对选定的辨识参数进行辨识；然后进行励磁系统小信号特性仿真试验，按照时间乘绝对误差的积分（ITAE）准则对选定的优化参数进行优化，以提高励磁系统小信号调节特性。以IEEE AC1、AC2和ST1型标准励磁系统为例，用辨识与优化的方法对励磁系统参数进行整定并给出整定参数，以供电力系统仿真计算使用。仿真结果表明，用辨识与优化的方法设置励磁系统参数是有效、可行的。
    关键词：励磁系统；参数整定；辨识与优化；动态特性；仿真

1  引言
    发电机励磁系统的性能对电力系统稳定性有很大的影响，而励磁系统性能的好坏取决于其参数的设置：适当的参数设置能够提高系统稳定性，增加系统阻尼；不适当的参数设置可能会起到相反的作用。在GB/T 7409.3-1997《大、中型同步发电机励磁系统技术要求》中，对于标志励磁系统动态性能的技术指标（主要包括大信号特性和小信号特性）有明确的要求。在电力系统仿真计算中，励磁系统的参数整定主要存在以下几个问题：
   （1）在电力系统规划、设计阶段，待建机组励磁系统的模型与参数均未知，需要设计出性能符合国家标准的励磁系统模型及参数。
   （2）在电力系统日常运行计算中，有时难以得到实际励磁系统的模型与参数，需要采用其性能符合国家标准的励磁系统模型与参数。
　 （3）不同的电力系统分析计算软件，采用的励磁系统模型和参数很不一致，需要对其参数进行优化调整，使其动态性能符合国家标准。
    文献[1]对实际励磁系统的数学模型与参数进行了测定与试验。文献[2]对励磁系统参数进行了优化，但其方法仅仅是在几组参数中选取效果较好的一组参数，并不是一种严格意义上的优化方法。实际上，在电力系统仿真计算中，励磁系统采用的数学模型多种多样，而目前还没有一种能对各种励磁系统仿真计算模型（特别是IEEE和IEC标准励磁系统模型）进行参数整定的通用方法。
    为解决上述问题，本文提出一种励磁系统参数整定方法：首先以大信号特性技术指标为目标，用Gause-Newton法对励磁系统参数进行辨识，确定符合标准的励磁系统参数；接着按照时间乘绝对误差的积分（ITAE）准则，用Gause-Newton法对励磁系统参数进行优化，以提高励磁系统的小信号调节性能。针对我国励磁系统概况，本文以IEEE AC1、AC2和ST1型标准励磁系统为例，对励磁系统参数进行了辨识与优化，并对每种励磁系统模型给出了一套动态性能符合国家标准的参数，以供仿真计算或研究使用。仿真结果表明，本文提出的励磁系统参数整定的方法是有效、可行的。
2  励磁系统动态性能指标
2.1    大信号特性
    所谓大信号特性[3]是指信号响应足够大，使得系统的非线性不容忽略。大信号特性用来衡量励磁系统对系统暂态稳定性的影响，要求在发电机额定负载运行的条件下进行测试。大信号特性主要的技术指标分为2种： ① 对于常规响应励磁系统，技术指标为顶值电压倍数和励磁电压响应比； ② 对于高起始响应励磁系统，技术指标为顶值电压倍数和励磁电压响应时间。
2.2 小信号特性
    所谓小信号特性[3]是指信号响应足够小，使得系统的非线性可以忽略不计。小信号特性用来衡量励磁系统对系统增量（如负荷增量、电压增量等）的调节性能，要求在发电机空载运行的条件下进行测试。小信号特性主要的技术指标为：上升时间、调整时间、超调量和振荡次数。其国家标准指标为[4]：超调量≤50%，调整时间≤10s，振荡次数≤3次。
2.3  我国的励磁系统概况
    目前，国内发电机励磁调节器主要有3种类型[5]：电压源静止励磁控制系统、它励静止二极管整流器励磁系统（简称三机系统）和无刷励磁系统。至于直流励磁系统，目前基本无机组使用。静止励磁系统励磁电压响应时间快，但发电机出口短路时强励能力显著下降。三机励磁系统分为常规响应和高起始响应（HIR）三机励磁系统。常规响应三机系统电压响应时间较慢，约为0.2~0.5 s；HIR三机系统电压响应时间较快，一般不大于0.1 s。无刷励磁系统本质还是三机励磁系统，只是励磁机和发电机转子结构与三机系统不同，取消了发电机转子滑环。无刷励磁系统也分为常规响应和HIR两种。大型水轮发电机组和装在坑口电站的大型汽轮发电机组一般采用电压源静止励磁控制系统；三机系统一般被大型汽轮发电机组选用，水轮发电机组一般不选用；容量大于600 MW的汽轮发电机组、核电机组和燃气轮发电机组几乎全部选用无刷励磁系统。参考GB/T 7409.2-1997《同步电机励磁系统研究用模型》，根据IEEE同步发电机励磁系统定义标准[6]，3种励磁系统的数学模型<