ABB UNITROL6800励磁系统建模研究

江伟

(国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福建　福州　350007)

【摘　要】　本文针对ABB UNITROL6800励磁系统机电暂态稳定仿真详细建模问题提出了一种计及可控硅余弦移相环节影响的发电机励磁系统详细数学模型。与以往观点不同的是，本文提出UNITROL6800自并励励磁系统开环增益与机端电压大小成正比，并推导出6800系列开环增益的理论计算公式。通过现场实际机组励磁实验验证了本文提出的该型励磁系统仿真模型的正确性。

【关键词】　UNITROL6800;励磁建模;余弦移相;开环稳态增益

0　引言

发电机励磁控制系统对电力系统的暂态稳定性、动态稳定等都有显著的影响。在电力系统稳定仿真计算中采用不同的励磁系统模型和参数，其计算结果会产生较大的差异。因此需要能正确反映实际机组励磁系统动态响应特性的数学模型和参数，使得计算结果真实可信。

ABB UNITROL6000励磁系统是ABB公司最新研发的新一代微机型励磁系统，其中6800型专门用于自并励励磁系统。与以往5000系列励磁系统不同，6800励磁系统控制器模型中功率放大及移相触发环节等效增益的计算方法发生了一定的变化，本文提出了该型励磁系统移相环节增益的理论计算公式并通过现场实际机组励磁实验验证了该增益计算式的正确性。本文的工作希望对从事稳定仿真、励磁系统建模工作的技术人员有一定的借鉴意义。

1　厂家提供的ABB UNITROL6800励磁系统数学模型

根据ABB厂家提供的励磁说明书，PSS 2B电力系统稳定器模型见图1，用于自并励机组的ABB UNITROL6800励磁系统控制器基本数学模型见图2，厂家提供的励磁调节器内部参数设置见表1。

相较于UNITROL 5000系列，ABB 6800励磁系统将PSS输出信号与主环的叠加点由机端电压参考值比较环节移到了辅环限制器比较门之后。此改动的目的是防止限制器动作时屏蔽PSS信号，在限制器动作期间仍能发挥PSS阻尼低频振荡的作用。

图2励磁系统数学模型中TB21、TB22、TC21、TC22不是调节器内部实际整定参数，而是需要根据实际整定参数值求取的换算参数。换算关系如下:

(1)励磁系统数学模型中PID比例增益KR1为

(2)由AVR内部设置的Ta和Tb确定励磁系统数学模型中的第一超前时间常数TC21和第二超前时间常数TC11为

(3)计算励磁系统数学模型中第一滞后时间常数TB1和第二滞后时间常数TB2为

2　计及移相环节后的发电机励磁系统详细数学模型

2.1　触发角生成机制

对三相全控桥励磁系统来说，理清触发角生成机制对确定移相环节理论增益至关重要。目前ABB公司关于UNITROL 6000系列调节器可控硅触发角计算公式并未公开，但是从顶值系数生成公式可以逆向推导出可控硅控制角计算公式。目前可以确定的是UNITROL 6000系列延用了国际通用的余弦移相触发原理[2，3]。从ABB公司UNITROL 6800技术文件[4]截图中得到关于顶值系数Ceiling Factor的定义，见图3。

根据研究，UNITROL 6800系列可控硅触发角生成服从

其中

式中:VA为AVR的PID控制输出，p.u.;UsynNorminal为励磁变二次侧电压额定值，V;UfNorminal为发电机额定励磁电压，V;IfNorminal为发电机额定励磁电流，A;IfAGL为厂家设定的空载额定气隙磁场电流值，A。

按式(6)可求出AVR的PID输出上、下限VAmax、VAmin为

比较式(8)与ABB公司提供的Ceiling Factor计算公式，二者一致，可初步证明本文推断的ABB UNITROL6800励磁系统可控硅触发角计算公式(6)的合理性。下一节将进一步通过开环总增益试验证明上述公式的正确性。

2.2　可控硅移相环节比例增益的理论推导

根据励磁系统可控硅触发角生成式(6)，可以推导出采用三相全控桥的ABB UNITROL6800励磁系统励磁电压输出计算式[2]为

式中:UAC为可控硅阳极交流线电压有效值。

一般发电机励磁绕组电阻基准值取为额定励磁电压与额定励磁电流的比值，即

因此有

取励磁电压基准值UfB=IfB RfB，励磁电压标幺化后为

式中:IfB为发电机空载特性气隙线上与额定机端电压对应的气隙磁场电流。

考虑到自并励系统励磁变二次侧电压标幺值与机端电压标幺值近似相等，因此式

(12)等效为

定义额定电压下可控硅移相触发及功率放大环节标幺化增益KS为

2.3　计及可控硅移相环节后的发电机励磁系统数学模型

在图1基础上，计及三相全控桥移相触发功率放大环节增益式(13)后的励磁系统详细数学模型见图4。

图4中:KS为额定电压下可控硅移相触发及功率放大环节标幺化增益;TS为可控硅移相触发环节时间常数，对于自并励六脉冲励磁系统一般为3.3ms;VRmax为额定电压下励磁电压正顶值，VRmax=为额定电压下励磁电压负顶值，为可控硅换弧压降系数，

3　UNITROL6800励磁系统试验与仿真对比

3.1　开环稳态增益验证试验测试结果

在某厂1000MW火力发电机组启动试验期间对其UNITROL 6800励磁系统进行了他励及自并励两种工况下开环稳态增益测试试验，以验证该型励磁系统可控硅移相环节增益计算式(12)。

机组电气设计参数详见表2，励磁变参数见表3。空载特性试验测得气隙磁场电流IfB= 1586.1A，厂家设置气隙磁场电流参数IfAGL=1705.3A。励磁系统模型参数见图4。

采用阶跃法测试励磁系统开环稳态增益K=KR1 KS。试验方法为设置KR1=50，TC21= TB21=TC11=TB11=1，将励磁调节器中超前滞后环节退出，使其成纯比例方式。发电机在他励及自并励空载工况，分别进行95%额定机端电压下的2%、3%、4%的小阶跃试验，用高速电量记录分析仪记录励磁电压阶跃前后变化量。当励磁电压未进入限制区时，忽略可控硅移相触发环节时间常数TS，认为阶跃瞬间机端电压及可控硅阳极电压来不及变化，在PID纯比例方式下，励磁系统及移相环节开环稳态增益约等于阶跃前后励磁电压变化量与阶跃量的比值。即励磁系统及移相环节开环稳态增益标幺值为

其中，移相触发环节实测增益标幺值为

根据式(14)，移相环节理论增益标幺值为

式中:为可控硅阳极电压标幺值，基准值为阳极电压额定值970V。

根据式(16)计算的实测增益应该与式(17)算得的理论增益基本一致。实际试验结果见图5、表4、图6、表5。他励空载工况下，该型励磁调节器在励磁变压器二次侧电压有效值为303.1V情况下，移相环节增益在0.34p.u.左右;自并励空载工况下，在励磁变压器二次侧电压值为907V情况下，移相环节增益在1.0p.u.左右，与理论增益基本一致。试验证明该型励磁系统可控硅移相环节增益与机端电压成正比，试验结果与标幺化增益计算式(12)基本一致。

3.2　仿真模型及实测对比

根据表4及表5实测数据，在BPA中建立图4所示的励磁系统模型，参数见表6。在95%额定机端电压下进行+5%空载阶跃仿真与自并励空载实测波形对比，见图7及表7。

通过以上比较可见，BPA模型仿真结果各项指标与实测结果接近，偏差在允许范围内。该仿真模型能较好地模拟励磁控制系统的动态特性。

4　结语

本文针对ABB UNITROL6800励磁系统机电暂态稳定仿真详细建模问题提出了一种计及可控硅余弦移相环节影响的发电机励磁系统详细数学模型。与以往观点不同的是，本文认为UNITROL 6800自并励励磁系统开环稳态增益与机端电压大小成正比，并通过实际机组励磁试验给予了验证。在电力系统机电暂态仿真建模过程中应考虑UNITROL 6800励磁系统开环稳态增益受机端电压影响的这一重要特性。

通过试验还表明UNITROL6800励磁调节器开环稳态增益除与阳极电压UAC和气隙磁场电流IfAGL设置有关。本文1000MW机组算例中，因为ABB厂家预设IfAGL与机组实际的空载额定气隙磁场电流数值不一致，导致实际励磁系统开环稳态增益要比ABB厂家预设增益KR1=500增大约8%，即约540倍，实际励磁建模过程中应对此予以考虑。

参考文献:

[1]竺士章.发电机励磁系统试验[M].北京:中国电力出版社，2005.

[2]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京:中国电力出版社，2009.

[3]包黎昕，张步涵，段献忠，等.电压稳定裕度指标分析方法综述[J].电力系统自动化，1999，23 (8):52-55.

[4]刘取.电力系统稳定性及发电机励磁控制[M].北京:中国电力出版社，2007.

作者简介:

江伟(1974—　)，男，博士，高工，主要从事励磁、调速系统建模仿真及电力系统安全性与稳定性方面的研究工作。E-mail:jiangwei_8848@sina.com