国家标准 GB/T40589一2021 同步发电机励磁系统建模导则 Modelingguideforexcitatiosystemofsynchronousgenerator 2021-10-11发布 2022-05-01实施国家市场监督管理总局发布国家标涯花管理委员会国家标准
GB/T40589一2021 目次前言范围 2 规范性引用文件 3 术语和定义缩略语总则励磁设备要求励磁系统标么值励磁调节器环节特性辨识实测模型 10计算模型的选择与参数处理 22 现场试验与仿真校核 12模型参数仿真复核 22 附录A(规范性)限幅的表达 23 附录B(资料性)调节器输出限幅值获取方法 25 附录c(资料性)电压调差率的测量 2 附录D(资料性)低励限制模型 29 附录E(资料性过励限制模型 32 附录F(资料性发电机直轴暂态开路时间常数测试校核 33 附录G(资料性)发电机饱和系数的计算 34 参考文献 35
GB/T40589一2021 前言本文件按照GB/T1.1一2020<标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草请注意本文件的某些内容可能涉及专利本文件的发布机构不承担识别专利的责任本文件由电力企业联合会提出本文件由全国电网运行与控制标准化技术委员会(SAC/TC446)归口本文件起草单位:国家电网有限公司国家电力调度控制中心、电力科学研究院有限公司、南方电网电力调度控制中心、国家电网公司西南分部、国网浙江省电力有限公司、国网冀北电力有限公司,浙江浙能技术研究院有限公司、广东电网有限责任公司本文件主要起草人郭强、霍承祥、于钊、武朝强、张剑云、吴剑超、何飞朱艳卿、陈国平冷喜武、刘明松、李照庭、曹路、史扬、陈新琪、张俊峰、汤凡.吴跨宇、刘洪涛、苏为民、张彦凯、熊鸿韬,焦春雷余锐刘佳、李志强、高磊、濮钧、王斌、徐友平、张慕吏,徐坷、魏平,邵冲,孙华东、安宁、李新、刘育明李登峰、王宇强、锁军、李树茂、李诚帅、谢欢、翁洪杰.穆兴华、徐明宇,何晓伟、孙璐、李文锋、陶向宇宋新立、刘涛、张星、王峰、朱艺颖、王微微、于大海肖静、,陶向红、王虹富、常松,叶小晖,董毅峰
GB/T40589一2021 同步发电机励磁系统建模导则范围本文件描述了电力系统稳定分析计算用同步发电机励磁系统数学模型(以下简称“模型”)建立方法本文件适用于汽轮发电机、燃气轮发电机、水轮发电机、抽水蓄能发电/电动机、核电机组和光热机组励磁系统建模同步调相机参照使用规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;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/T7409(所有部分同步电机励磁系统 GB38755电力系统安全稳定导则大中型水轮发电机静止整流励磁系统技术条件 DL/T583 DL/T843大型汽轮发电机励磁系统技术条件术语和定义下列术语和定义适用于本文件 3.1 原始模型primarymodel 根据制造厂提供的资料推导出的模型结构及参数 3.2 实测模型measuredm0del 参照原始模型进行模型辨识和参数实测,得到的模型结构及参数 3.3 计算模型ealeulatingmodel 用于稳定计算的模型结构及参数 3.4 等同计算模型identicalcalceulating" model 与实测模型结构一致,通过仿真校核确认满足要求的计算模型结构及参数 3.5 近似计算模型siilarcalculatingmodel 与实测模型结构有一定差别,通过计算程序仿真,参数调整后基本满足要求的用于稳定计算的模型结构及参数 3.6 阶跃试验steptest 被控量的给定值阶跃变化的试验
GB/T40589一2021 3.7 阶跃量stepvalue 阶跃试验中,被控量的最终稳态值与初始值之差 3.8 超调量overshootvalue 阶跃试验中,被控量的最大值与最终稳态值之差相对于阶跃量的百分数 [来源.GB/T7409.1一2008.2.23.有修改 3.9 起始时间startingtime 阶跃信号加人时刻 3.10 上升时间upwardtime 阶跃试验中,从起始时间起到被控量的变化值初次达到90%阶跃量的时间 [来源;DL/T843一2010,3.10,有修改] 3.11 峰值时间peaktime 阶跃试验中,从起始时间到被控量的变化值达到最大值的时间 3.12 调节时间settingtime 阶跃试验中,从起始时间到被控量的变化值与阶跃量之差的绝对值到达并不再超出阶跃量的5% 见图1中C点)所需的最短时间十符号说明初始值 U U -最终稳态值起始时间: 上升时间 l -峰值时间; 调节时间图1阶跃响应特性示例曲线 [来源:GB/T7409.1一2008,2.23,有修改]
GB/T40589一2021 3.13 numberofoscillation 振荡次数在调节时间内被控量的振荡周期数 [来源:GB/T7409.1一2008,2.23,有修改] 3.14 频域测量法frequeneym -domainmeasuring 在输人端加人不同频率正弦信号或者噪声信号,测量输出端对于输人端的频率响应特性,采用幅频与相频特性进行曲线拟合来辨识模型及其参数的方法 3.15 measurime 时域测量法timedomain 在输人端加人阶跃等扰动信号,测量输出信号的时域响应特性,通过分析环节结构与参数,并将仿真的时域响应特性曲线与实测结果进行曲线拟合来辨识模型及其参数的方法缩略语下列缩略语适用于本文件 AVR:自动电压调节器(AutomaticVoltageRegulator OEL;过励限制器(OverExcitationLinmiter) PID;比例积分微分(ProportionIntegrationDiferentiation) Pss;电力系统稳定器(PowersystemStabilizer) SFC;静止变频器(StaticFrequencyConverter UEL;低励限制器(UnderExeitationLinmiter VFL;伏赫兹限制器(VoltageFrequencyLinmiter) 总则 5 5.1建模包含现场测试、参数辨识,仿真验证和复核人库工作 5.2参数实测与建模按分环节测试、整体验证的原则进行 5.3实测模型符合GB38755的规定,符合电网调度机构采用的电力系统稳定分析程序要求,并使用电网调度机构采用的电力系统稳定分析程序进行仿真验证和稳定性校核 5.4模型包括励磁功率和励磁控制两部分 5.5新投产发电机组励磁系统实测建模试验在机组正式商业运行前完成励磁系统发生设备改造、软件升级、参数修改等变化并影响励磁系统性能的,重新进行实测建模试验实测建模试验完成时间超过 5年的,进行复核试验,试验项目至少包括小扰动试验和大扰动试验,如测试结果与上次试验结果差异较大,则进行原因分析和技术评估,必要时重新开展实测建模试验励磁设备要求 6.1励磁调节器在设计、型式试验阶段应确认模型参数,励磁设备应通过技术鉴定 6.2励磁设备应提供励磁调节器及附加环节模型参数和励磁设备技术数据,励磁系统及部件原始模型应符合DL/T583,DL/T843的规定 6.3励磁调节器应具备供第三方进行模型参数测试所需要的接口 6.4励磁调节器的设置值应以十进制表示,时间常数以秒表示,放大倍数和限幅值以标么值表示,并说
GB/T40589一202 明标么值的基准值选取方法 6.5三相全控桥的整流器宜采用余弦移相 6.6励磁调节器应在定型生产前完成环节模型正确性检查,或者同类型调节器在其他机组励磁系统建模中已经验证其环节参数正确,否则应通过环节特性辨识方法确认PID和软反馈校正环节的模型参数每一型号的励磁调节器应进行一次完整的环节测试辨识 6.7 励磁调节器不应设置死区励磁系统标么值 7.1励磁系统多项关键参数采用标么值形式,标么值由实际值除以基准值得到 7.2发电机电压的基准值U为发电机额定电压;发电机电流的基准值I为发电机额定电流;发电机功率的基准值S为发电机额定视在功率;发电机转速(频率)的基准值nn(fn)为发电机额定转速(频率). 7.3发电机磁场电流的基准值Im为发电机空载特性气隙线上产生额定电压所需的磁场电流发电机磁场绕组电阻的基准值Rm为发电机额定工况下发电机励磁回路电阻,也可取为发电机额定磁场电压除以额定磁场电流的数值发电机磁场电压的基准值UB为磁场电流的基准值乘以磁场绕组电阻的基准值 7.4励磁机磁场电流的基准值1.为在励磁机空载特性曲线气隙线上产生一个标么值发电机磁场电压所要求的励磁机磁场电流值励磁机励磁电阻的基准值Ra为发电机额定工况下的励磁机励磁回路的电阻,也可取励磁机额定磁场电压除以励磁机额定磁场电流并计及回路阻值励磁机磁场电压的基准值U,m为励磁机磁场电流基准值乘以励磁机励磁绕组电阻基准值 7.5调节器的输人电压、电流和功率的基准值等于发电机电压、电流和功率的基准值当控制发电机磁场电压时,调节器输出电压基准值等于发电机磁场电压的基准值,调节器输出电流基准值等于发电机磁场电流的基准值当控制励磁机磁场电压时,调节器输出电压基准值等于励磁机磁场电压的基准值,调节器输出电流基准值等于励磁机磁场电流的基准值 8 励磁调节器环节特性辨识 8.1 -般规定励磁调节器线性环节和非线性环节的测试辨识宜在静态情况下进行线性环节测量可采用频域测量法或时域测量法,也可同时采用两种方法 8.2频域测量法 8.2.1利用频谱分析仪,测量待辨识环节输出对于输人的频率特性,信号可采用正弦扫频或噪声信号采用对比或拟合技术辨识模型的参数 8.2.2 -阶环节的模型参数,可利用已知频率特性的特征值直接计算一阶环节的模型参数,可采用参数拟合技术或采用模型频率特性和实测频率特性对比方法 8.2.3非- 确定 8.2.4测量频率范围应根据研究对象特点选择 8.3时域测量法 8.3.1输人扰动信号宜为阶跃信号,测量输出响应,采用对比输出响应特性曲线的方法辨识模型的
GB/T40589一2021 参数 8.3.2采用阶跃响应试验法测量一阶惯性环节参数时,其输出达到稳态变化量的0.632倍所需时间即为该环节的时间常数;输出稳态变化量与输人阶跃量之比即为该环节的增益 8.3.3非一阶环节的参数可采用时域参数辨识,或采用相同输人信号下仿真待辨识模型响应和实测响应对比的方法来确定 8.4非线性环节测量测量非线性环节时,应了解并通过实际测量检验励磁调节器、PSS各环节是否存在死区、限幅、PSs 自动投退等逻辑控制、非线性环节、变参数、是否采用余弦移相等限幅环节应区分内限幅和外限幅,限幅表达应符合附录A的规定实测模型 9.1 -般要求确定励磁系统模型应根据励磁系统类型收集下列资料 9.1.1 励磁变压器额定容量、一次和二次额定电压及短路电抗 a b 直流励磁机空载特性曲线将负载特性曲线,额定电压、额定电流、励磁绕组时间常数、激励方式和励磁绕组电阻等交流励磁机额定容量、额定电压、额定电流、额定功率因数、额定磁场电压和电流、空载和负载特性曲线、电枢开路时励磁绕组时间常数T'、激励方式,励磁绕组电阻、同步电抗X、次暂态电抗x"和负序电抗X说副励磁机额定容量、额定电压、额定电流、额定功率因数、额定频率,外特性曲线,空载电压、发电机输出额定电流时的端电压和发电机输出强励电流时的端电压; 发电机空载特性曲线、,发电机T'等各时间常数,发电机各电抗值、机组转动惯量(包括发电机和原动机、发电机额定电压、额定电流、额定视在功率、额定功率因数、额定磁场电压、额定磁场电流、空载额定磁场电压、空载额定磁场电流和规定温度下的励磁绕组电阻值; 励磁系统功能说明、投产试验报告及各个环节的原始模型及整定参数 9.1.2实测模型应通过现场测试和参数辨识建立 9.1.3计算模型应根据实测模型建立计算模型应符合电力系统稳定分析程序使用要求计算模型应至少包括AVR,PSs,调差特性和强励限制模型和参数电压安全稳定计算和中长期稳定计算,应包括UEL,OEL和VFL限制模型和参数 9.2励磁系统组成 9.2.1发电机励磁系统由励磁功率部分、励磁控制部分组成,见图2 9.2.2励磁控制部分实现励磁稳定控制和限制功能,由电压电流测量与附加调差环节,PID或软反馈校正环节,功率控制环节、补偿励磁机时间常数的反馈环节、顶值限制环节、VFL环节,OEL 环节和 UEL环节等组成 9.2.3励磁系统按照励磁功率部件不同,分为以下三种类型: 直流励磁机励磁系统; a b 交流励磁机励磁系统; 静止励磁系统
GB/T40589一202 Uee 励磁控制部分发电机励磁功率部分 U 符号说明: 发电机电压给定值; Ue U. 发电机电压; 发电机电流图2励磁系统组成 9.3静止励磁系统功率部分模型 9.3.1一般规定静止励磁系统包括自并励静止励磁系统(见图3),恒电压源供电的静止励磁系统(见图4)和交流侧串联的复励静止励磁系统(见图5). S AVR 符号说明: 可控整流器 Gs 同步发电机; 电流互感器 TA Tv 电压互感器励磁变压器; AVR 自动电压调节器图3自并励静止励磁系统
GB/T40589一2021 GS AVR 符号说明: 励磁变压器 U -可控整流器 GS 同步发电机; TA -电流互感器; 电压互感器， TV AVR 自动电压调节器图4恒电压源供电的静止励磁系统 Gs VR 符号说明可控整流器; GS 同步发电机 TA 电流互感器; 电压互感器; TV E 并联变压器" T 串联变压器 AVR 自动电压调节器图5交流侧串联自复励静止励磁系统自并励静止励磁系统功率部分模型 9.3.2 模型采用三相全波可控整流和余弦移相方式的自并励励磁系统功率部分可建立图6所示的功率部分模型其中.U,UeM和U,U分别表示实际输出的限幅受到发电机机端电压变动的影响图6中各变量均采用标么值
GB/T40589一2021 ke uMK 符号说明: U 发电机机端电压 URM AVR的最大输出电压; 发电机励磁电流; K 换弧压降系数; U -AVR的输出电压 U 发电机励磁电压; AvR的最小输出电压 URMnN 图6自并励静止励磁系统功率部分模型换狐压降系数计算方法见式(1). 3UrUr=Im Ke一 rUmSrrN 式中 K -换弧压降系数,标么值(p.u.); -励磁变压器短路电压,标么值(p.u.); JgIK -励磁变压器二次额定线电压,单位为伏(V); JET -磁场电流基准值,单位为安(A) IB UB -磁场电压基准值,单位为伏(V) -励磁变压器额定容量,单位为伏安(VA ETN 调节器输出上限计算方法见式(2),下限计算方法见式(3) UU JMN=1.35UErcosa/Une U =1.35Ugcosaw/Um wMAx 式中 U -AVR的最小输出电压,标么值(p.u. u.; JRMIN U印励磁变压器二次额定线电压,单位为伏(V); 可控整流器的最大控制角,单位为度("); aMx UB -发电机磁场电压基准值,单位为伏(V); U8 -AVR的最大输出电压,标么值(p.u" u.; /RMAx 可控整流器的最小控制角,单位为度(" aMIN 调节器输出限幅值可通过发电机空载大扰动试验求得,见附录B 获得的磁场电压最大值需要按照同一时刻时的发电机电压、磁场电流和Ke进行修正 9.3.3恒电压源静止励磁系统功率部分模型恒电压源静止励磁系统功率部分模型见图7 K 按照式(1)计算,Ux和Um按照式(2)和式(3)计算电源来自励磁机电枢的交流励磁机可控整流励磁系统功率部分模型与本模型相同图7 中各变量均采用标么值
GB/T40589一2021 UMAx-l人e UK 符号说明: U AVR的最大输出电压 JuAx I！发电机励磁电流; 换弧压降系数; U AVR的输出电压; 发电机励磁电压; U7 URM AVR的最小输出电压图7恒电压源静止励磁系统功率部分模型 9.3.4交流侧串联自复励静止励磁系统功率部分模型交流侧串联自复励静止励磁系统功率部分模型可采用恒电压源静止励磁系统功率部分模型近似模拟,计算换弧压降系数时应计及串联变压器的漏抗 9.4交流励磁机励磁系统功率部分模型 9.4.1概述交流励磁机励磁系统可分为交流励磁机不可控整流器励磁系统和交流励磁机可控整流器励磁系统交流励磁机不可控整流器励磁系统见图8和图10,交流励磁机可控整流器励磁系统见图9 AVR 符号说明: GS0 -副励磁机; 可控整流器 u GS1 主励磁机: . 不可控整流器 C3 同步发电机 TA 电流互感器 TV 电压互感器; AVR-自动电压调节器图8有副励磁机的交流励磁机不可控整流器励磁系统
GB/T40589一2021 TA GS GS AVR 百压符号说明 (GS 主励磁机; 主励磁机自励恒压励磁变压器 u 主励磁机自励恒压可控整流器心发电机励磁回路可控整流器; 同步发电机 o TA 电流互感器; rv 电压互感器; AVR 自动电压调节器图9交流励磁机静止可控整流器励磁系统 Gs1 AVR 符号说明: 可控整流器 u Gs 主励磁机; U 不可控整流器; Gs 同步发电机; N 电流互感器; 电压互感器; 主励磁机自励恒压励磁变压器 AvR 自动电压调节器图10有励磁变的交流励磁机不可控整流器励磁系统 9.4.2有副励磁机的交流励磁机不可控整流器励磁系统功率部分模型 9.4.2.1 模型框图采用三相全波整流的、有副励磁机的交流励磁机不可控整流器励磁系统功率部分模型如图11所示,该模型包括不可控整流器静止和旋转两种类型)和交流励磁机两部分 10
GB/T40589一2021 4 符号说明 U -AVR的输出电压; Ue -AVR的最大输出电压; UN -AVR的最小输出电压; 传递函数的频域变量; 主励磁机时间常数; U -励磁机输出的直流电压; " -发电机励磁电压; F跟 -整流器调节特性的函数; -规格化电流， -励磁机磁场电流换算为电压值; 主励磁机饱和系数; 主励磁机自励系数; -换弧压降系数; -发电机励磁电流; K -主励磁机去磁系数图11有副励磁机的交流励磁机不可控整流器励磁系统功率部分模型 9.4.2.2交流励磁机空载特性测量断开发电机转子灭磁开关,保持励磁机额定转速不变测量励磁机电枢交流电压和励磁机磁场电流从零到强励对应值将励磁机电枢交流电压乘以1.35倍转为直流电压后绘制励磁机空载特性曲线，也可测整流后的直流电压,此时直流侧负载以足够保证整流器导通为限 9.4.2.3交流励磁机负载特性测量结合发电机空载、短路或负载试验,测量发电机磁场电压和励磁机磁场电流之间的关系曲线 9.4.2.4交流励磁机空载时间常数测量交流励磁机空载时间常数TE在励磁机空载条件下用阶跃法测定,阶跃时交流励磁机磁场电压的波形应为理想阶跃波形也可在励磁机负载条件下用频率响应法确定对于无刷励磁系统,只能在励磁机负载条件下测试根据不同的试验条件可采取下列测试方法交流励磁机在空载条件下,采用励磁调节器手动定控制角方式使交流励磁机磁场电压正向或负向阶跃,测录交流励磁机电枢电压上升或下降曲线,当变化量达到0.632时所需的时间即为TE 交流励磁机在空载条件下,利用手动励磁装置在励磁机电压不超过额定电压、阶跃量不小于 50%条件下合上或拉开手动柜交流侧开关,测录交流励磁机电枢电压上升或下降曲线,当变化 1
GB/T40589一202 量达到0.632时所需的时间即为T ; 发电机空载,励磁调节器工作在自动方式,在励磁调节器电压相加点加人噪声信号,用频谱分析仪测量交流励磁机磁场电流和磁场电压之间的频率特性,或发电机磁场电压对励磁机磁场电压的频率特性,根据交流励磁机模型辨识得到TE" 9.4.2.5换弧压降系数换弧压降系数K 以发电机磁场电流基准值对整流方程进行标么化得到,计算方法见式(4) 3X"土XU Ke= 2US、式中: K -换弧压降系数,标么值(p.u.); X" -励磁机次暂态电抗,标么值(p.u.); X -励磁机负序电抗,标么值(p.u.); U -励磁机电枢额定线电压,单位为伏(V) Im -发电机磁场电流的基准值,单位为安(A); Un -发电机磁场电压的基准值,单位为伏(V); -励磁机额定容量,单位为伏安(V A S 整流器的换弧角小于60"时励磁系统输出值见式(5) 式中各变量均采用标么值 K U=UE一 5 式中 U 发电机励磁电压 U 励磁机输出直流电压; K 换弧压降系数发电机励磁电流励磁机励磁系统模型未包含副励磁机电抗引起换弧压降的影响励磁系统的换弧压降影响显著时,需要进行功率部分增益实测和调节器输出限制值实测,采取等效副励磁机电压等方法表示该影响 g.4.2.6交流励磁机饱和系数 sawws.Sw:ws,.S分别为发电机强励电压.75%发电机强励电压和发电机额定磁场电压下的励磁机饱和系数由图12励磁机空载饱和曲线和空载气隙线、按照式(6)确定SE(UE) 图12中的纵坐标为励磁机输出直流电压,横坐标为励磁机磁场电流，一般用标么值表示当式(5)条件满足时,以式(7 和式(8)确定UM和Up.nMx -B S(UE 6 B 式中 U -励磁机输出直流电压; SE(UE -励磁机输出直流电压为UE时对应的励磁机饱和系数; 励磁机空载饱和曲线上与励磁机输出电压U，对应的励磁机励磁电流 B 气隙上与励磁机输出电压UE对应的励磁机励磁电流 Ke UBMAx=UMA 8 12
GB/T40589一2021 式中 U 发电机强励电压对应的励磁机输出直流电压; MAx U 发电机强励励磁电压; MAx K，换弧压降系数 K 8 U即Mx=U机了3Mx1+ 式中: U -75%发电机强励电压对应的励磁机输出直流电压; JD.75MAx U -75%发电机强励电压; n.,75MAx K 换弧压降系数励磁机励磁电流/A 标引序号和符号说明 -励磁机空载饱和曲线对应的气隙线 -励磁机空载饱和曲线 -励磁机恒定电阻饱和曲线恒定电阻饱和曲线上与励磁机输出电压U对应的励磁机励磁电流励磁机空载饱和曲线上与励磁机输出电压U对应的励磁机励磁电流; -气隙上与励磁机输出电压U对应的励磁机励磁电流图12求取饱和系数的励磁机空载和负载特性 9.4.2.7三相全波不可控整流器调节特性三相全波不可控整流器模型见图13 图中各变量均采用标么值 13
GB/T40589一2021 符号说明 U -励磁机输出的直流电压; U 计及换狐电抗压降后整流桥输出电压,即发电机磁场电压 -励磁机负载电流即发电机磁场电流; Fx 整流器调节特性的函数; 规格化电流图13不可控三相全波整流桥模型采用式(4)计算K 时,F采用式(9)形式式中各变量均采用标么值 Kel U J0GB/T40589一2021 11 U=1,=U(+ 1十SE)十K 厅式中励磁机磁场电压; . 励磁机磁场电流发电机磁场电压; un Ke 换弧压降系数; 励磁机空载饱和系数; ss KD 励磁机去磁系数 9,4.2.11 励磁机的限幅值励磁机输出的直流电压下限值为零 9.4.2.12调节器输出限幅值副励磁机电压随负荷的增大而降低,强励时副励磁机电压下降系数K即对永磁机可取85% 90%,对自励恒压副励磁机可取90%95% 调节器输出限幅值可以通过发电机大扰动试验求得,见附录B 调节器最大输出电压和最小输出电压,按照式(12),式(13)计算 1.35K郎U.cosas U8 12 'RMAx U 式中 Ue -调节器输出最大限幅值; RMAx 强励时副励磁机电压下降系数; Km U -发电机额定负载下的副励磁机电枢线电压值,单位为伏(V); 可控整流器最小控制角,单位为度("); aMIN 励磁机磁场电压基准值,单位为伏(V) UeB3 1.35KU.cosaM U RMN UeB 式中: Ue -调节器输出最大限幅值; 'RMIN -可控整流器最大控制角,单位为度(") aMAXx g.4.3交流励磁机可控整流器励磁系统功率部分模型交流励磁机可控整流器励磁系统中的交流励磁机均为自并励恒压交流励磁机,其功率部分模型见模型中设定交流励磁机电压调节器可以维持电枢电压恒定交流励磁机的换弧压降系数K 由图7 式(14)计算 UeM和Ue按照式(15)和式(16)计算调节器输出限幅值可以通过发电机大扰动试验求得,见附录B 3(x"十X.)UI用 Ke= (14 2rU TwS 式中: K -换弧压降系数,标么值(p.u.): x” -主励磁机直轴次暂态电抗,标么值(p.u. 主励磁机负序电抗,标么值(p.u.》. X U、主励磁机额定电压,单位为伏(V); Im -发电机磁场电流的基准值,单位为安(A); Um 发电机磁场电压的基准值,单位为伏(V); 15
GB/T40589一202 励磁机额定容量,单位为伏安(VA 1.35UeAccosa (15 URMAx一 Um 式中 U 调节器输出最大限幅值; RMAx 强励时副励磁机电压下降系数; K即p U -发电机额定负载下的副励磁机电枢线电压值,单位为伏(V); -可控整流器最小控制角,单位为度(') aMN Um -发电机磁场电压的基准值,单位为伏(V 1.35U.accosaMa URMIN 16 U 式中 UMN -调节器输出最大限幅值; 可控整流器最大控制角,单位为度(") ax 9.4.4有励磁变的交流励磁机不可控整流器励磁系统功率部分模型采用三相全波整流的、有励磁变的交流励磁机不可控整流器励磁系统功率部分模型见图14,该模型包括不可控整流器和交流励磁机模型,其中不可控整流器包括静止和旋转两种类型 -K, Uex KS( 而 K 符号说明: AVR的输出电压; UR 机端电压; Ueum -AVR的最大输出电压 URMnN -AVR的最小输出电压; -励磁机励磁电压最大滞; Urmm Kn 主励磁机去磁系数; 发电机励磁电流; 主励磁机自励系数 Sr(UE -励磁机输出直流电压为U时对应的励磁机饱和系数; 主励磁机时间常数; T C 励磁机输出的直流电压; 发电机励磁电压; F以 -整流器调节特性的函数 t -励磁机磁场电流换算为电压值主励磁机饱和系数 ss 规格化电流; Ke 换弧压降系数图14有励磁变的交流励磁机不可控整流器励磁系统功率部分模型 16
GB/T40589一2021 有励磁变的交流励磁机不可控整流器励磁系统功率部分模型与有副励磁机的交流励磁机不可控整流器励磁系统功率部分模型的区别:调节器输出限制值与发电机电压有关;UeM和Uwn用式(12) 式(13)计算;U.为机端变二次侧额定线电压,且K即=1 调节器输出限幅值可以通过发电机大扰动试验求得,见附录B 其他参数的计算与有副励磁机的交流励磁机不可控整流器励磁系统功率部分模型参数计算相同 g.5直流励磁机模型 9.5.1概述直流励磁机励磁系统见图15,直流励磁机模型见图16 GS AVR 符号说明: 直流励磁机 GS -发电机 TA 电流互感器 Tv 电压互感器 U 可控整流器; AVR -自动电压调节器图15直流励磁机励磁系统符号说明: U AVR的输出电压直流励磁机时间常数; T 发电机励磁电压 U K 主励磁机自励系数主励磁机饱和系数 Sr K 主励磁机去磁系数 -发电机励磁电流图16直流励磁机模型 9.5.2直流励磁机空载和负载特性曲线测量空载特性;断开发电机转子灭磁开关保持励磁机额定转速不变测量励磁机电压和励磁机总励 17
GB/T40589一202 磁安-匝,他励安-匝数从零到强励的对应值负载特性:合上发电机转子灭磁开关测量发电机磁场电压和励磁机总励磁安-匝、他励安-匝数的对应关系 g.5.3直流励磁机饱和系数s 直流励磁机模型饱和系数S是U的函数,由图12励磁机空载和负载特性曲线按照式(6)确定饱和系数S 9.5.4 自励系数按照实际励磁机的他励安匝数与总安匝数之比计算自励系数K g.5.5励磁机时间常数稳定计算用的直流励磁机时间常数T等于直流励磁机空载时其励磁回路的时间常数 9.5.6去磁系数按照式(10)计算去磁系数Kn,其中令Kc=0. 9.6励磁控制部分模型 9.6.1电压电流测量与附加调差电压测量与附加调差单元的模型如图17所示 Ren U'ae0 i+(R+jxi 符号说明 U. 发电机端电压矢量发电机端电流矢量; R 对应于全电流的有功电流补偿率表示复数的虚部部分 x 对应于全电流的无功电流补偿率 KR -电压测量环节增益在计算程序中宜选定为1.0p,u.); T 电压测量环节的等效时间常数; URE 电压给定值; UeRR 电压偏差信号图17电压测量与调差单元模型数字式调节器的电压测量存在随机的纯滞后时间,可以进行多次阶跃试验获得平均纯滞后时间， Tk等于该平均纯滞后时间电压调差率的测量见附录C 9.6.2PID和软反馈校正 PID校正环节包括串联型和并联型,见图18和图19 软反馈校正环节见图20,以发电机磁场电压,调节器输出或励磁机磁场电流为其输人信号励磁系统模型以U表示励磁机磁场电流,在非限幅区域,调节器输出电压的静态标么值与U距静态标么值相同 18
GB/T40589一2021 K(1+NT 1+N7 1+NT K+xTr 符号说明 K、K -增益; -时间常数 T1、T、T、T 图18串联型PID校正环节 A 1+sD 符号说明: R 比例增益; Kn 微分增益; r 微分时间常数 +Up 微分环节上限幅值 -Un微分环节下限幅值; K 积分增益; 十U 积分环节上限幅值 -U 积分环节下限幅值图19并联型PID校正环节 s人 +sT 符号说明 K -软反馈增益; T -时间常数图20软反馈校正环节 9.6.3补偿励磁机时间常数的反馈补偿励磁机时间常数的反馈单元可等效为一个比例环节反馈单元输人信号为发电机磁场电压或励磁机磁场电流测量该环节输人输出数据,将输人输出按照计算基准值折算后,获得比例反馈系数 9.6.4功率控制三相全控整流桥功率控制环节包括移相和可控整流桥两部分移相环节的输人是调节器的控制电压U.,如采用余弦移相,U 为士1时对应可控整流器控制角为0"和180°,则功率控制环节的放大倍数 K郎计算见式(17) U 1.35U K自一 (17 U U 19
GB/T40589一2021 式中 U 换弧压降前的直流电压,标么值(p.u.); 控制电压,标么值(p.u.); U U 整流桥交流侧线电压,单位为伏(V) U 调节器输出电压基准值,单位为伏(V) 功率控制环节的延时特性作一阶惯性环节处理,其时间常数取下述两个时间之大者;调节器对控制角调整的平均延时和相邻触发脉冲的时间间隔当延时不大于10ms时可以不予计及三相全波整流电路采用非余弦移相,或功率控制采用定频调宽方式时,环节增益应采用额定工况处线性化处理的方法确定,调节器输出限幅值应按实际可控特性计算,并且经过发电机空载大扰动试验校核 9.6.5顶值限制顶值限制包括顶值电压限制和顶值电流瞬时限制顶值限制对暂态稳定计算结果有影响,应构建符合实际的顶值限制模型,设置符合实际的限制值顶值限制值可通过大扰动试验或静态试验获取 9.6.6UEL UEL应构建符合实际的模型,设置符合实际的限制值 UEL通用模型见附录D. 9.6.7OEL OEL应构建符合实际的模型,设置符合实际的限制值 OEL通用模型见附录E 9.6.8VFL VFL应构建符合实际的模型,设置符合实际的限制值 VFL模型应符合GB/T7409(所有部分) 的规定 9.6.9Pss PSS应选择与实际一致的模型 PSS模型主要有两种;单输人信号PsS模型(见图21)和加速功率型PSS模型图22) Usnsx m Us 1+sT" l+s7 2 I+ 1t L+w Ix +小十 +n L+xZ LtT Usm 符号说明 Usn PsS输人信号; ！ -Pss信号测量环节时间常数; Tw、Tw -PSS隔直环节时间常数; -Pss滤波器参数" A1,A T、T、T、T、T、T， -PSS时间常数; K -Pss增益 U、Un -PSS输出限幅值; Pss输出信号 Us 图21单输入信号PSS模型 20
GB/T40589一2021 1+sT MAM Tm 1+sT 1+s) 1+s I Iy FNw 符号说明: 发电机转速或频率; 发电机有功功率; 传递函数的频域变量 Twi、Tw、Tw、Twn -Pss隔直环节时间常数; K、Ks、Ks -PSS增益 M,N、T、T -PsS陷波器参数 T、,T、T、T、T ,T、T、T -PSS时间常数 -Pss输出; Us U,Usn -PSS输出限幅值图22加速功率型ss模型按照规定的基准值将实际的增益折算为标么化的增益对Pss输出信号,当Pss输出加人到 AVR电压相加点上时PSS输出信号的基准值应与发电机电压的基准值相同;当PSS输出加人到AVR 电压相加点后的某环节的输出点时,Pss输出信号的基准值与该输出点信号的基准值相同,以保证计算模型的正确性需要获得PSs信号的测量时间常数数字式调节器的PSs信号测量存在随机的纯滞后时间,可以进行多次阶跃试验获得平均纯滞后时间,测量环节的时间常数等于该平均纯滞后时间 10计算模型的选择与参数处理 0.1等同计算模型选择及参数处理 10.1.1等同计算模型宜采用电力系统稳定分析程序中已有的励磁系统模型,无适用模型时可采用自定义模型 10.1.2实测模型的控制部分、电压测量,顶值限制和PSS环节结构与标准模型一致时,直接采用标准模型;不一致时,可通过等值变换获得稳定计算用环节模型 10.1.3PSS输出信号相加点、用作励磁稳定器的软反馈和用作减少励磁机时间常数的反馈相加点与实测模型一致 10.1.4当并联型PID转换为串联型PID且不出现非负实数根时,认为并联型PID与串联型PID有一致的结构,可将并联型PID转换为串联型PID. 0.1.5当实测模型中有多个限幅时,可采用稳定计算用模型的限幅替代 0.1.6当实测模型中存在多个串联的小时间常数惯性环节时,宜合并为一个时间常数不小于10 ms 的一阶惯性环节 0.1.7稳定计算用模型中多余的环节应设置相应参数使其不起作用 10.1.8当发电机空载和负载下调节器参数或限制值不同、且对试验结果产生显著影响时,应在建模报告中提供空载和负载下的参数 21
GB/T40589一202 0.2近似计算模型的选择及参数处理方法 10.2.1如果电力系统稳定分析程序中无法得到与实测模型等同的计算模型,应选择与实测模型有相同的励磁系统类型且最为接近的模型作为近似计算模型 10.2.2通过计算校核确定近似计算模型参数 1 现场试验与仿真校核 11.1现场进行发电机空载电压给定阶跃试验,阶跃量不应使调节器进人限幅区域，一般为1%5% 用SFC直接拖动的调相机,需要将调相机拖到额定转速附近后在堕转条件下进行空载电压给定阶跃试验 11.2通过资料或试验获得发电机空载特性曲线、T'等发电机参数 T'的现场实测校核方法见附录F 11.3在电力系统稳定分析程序中设置发电机参数,电抗参数应采用不饱和值,发电机饱和系数应按程序规定定义求取,常用算法见附录G 建立励磁系统模型,进行发电机空载电压给定阶跃仿真计算计算实测和仿真中的发电机空载电压给定阶跃响应的上升时间w、峰值时间/、超调量M,调 11.4 整时间，和振荡次数N;仿真与实测的偏差允许值应符合表！表1仿真与实测的偏差允许值品质参数参数范围偏差允许值(一实测值一仿真值 <0.,2s 士0.5实测值 tum 士0.1s >0.2s 0s~0.5s 士0.1s t >0,.5s 士0,2s -10% 士5% 0 M >10% 士0.5实测值全部士2s N 全部 12 模型参数仿真复核 12.1实测励磁模型参数经仿真复核后,方可用于电网调度机构仿真计算 12.2实测报告复核内容应包括: 核查励磁建模试验报告内容的完整性 a 核查现场试验及试验结果的准确性; b 进行发电机空载电压小阶跃试验仿真 c 进行发电机负载电压小阶跃试验仿真 d 12.3模型参数实际电网复核工作应包括: 实测模型参数放人实际电网中,进行无扰动校核 b 实测模型参数放人实际电网中,进行小扰动校核实测模型参数放人实际电网中,根据需要,进行大扰动校核 c 22
GB/T40589一2021 附录 A 规范性限幅的表达 A.1内限幅积分环节内限幅应符合图A.1的规定,其逻辑关系为;若y>A,u>0,则dy/d置0;若y>A. <0,则dy/d=u;若y0,则dy/d/=u;若B0. 则dy/d为0;如y=B,且f<0,则dy/d为0;其他By>B,则r=y;如y>A,则r=A; 如yGB/T40589一2021 一[ 符号说明输人信号; 积分后输出信号 -限幅上限值; -限幅下限值; 输出信号图A.3积分环节外限幅 -阶惯性环节外限幅应符合图A.4的规定,其逻辑关系为:如BA,则 x=A;如yGB/T40589一2021 录附 B 资料性) 调节器输出限幅值获取方法 B.1试验方法调节器输出限幅值可通过发电机空载大扰动试验来获得在发电机空载运行时,进行大阶跃试验阶跃量的大小应使扰动达到可控整流器最小和最大控制角,并保证发电机安全计算模型中采用实测值 B.2试验数据处理方法 B.2.1 自并励励磁系统中的UM和Uew按照式(B.1)和式(B.2)计算 Uex=(U十KeI/U B.1) 式中: U -调节器最大输出限幅值; JRMAx Ua 试验中最大发电机磁场电压,单位为伏(V); K 换弧压降系数 In -对应于U试验中发电机磁场电流单位为安(A); U 对应于U试验中发电机电压,单位为伏(V). (B.2 JRwMnN=(Ug十Kele)/U 式中: Ue -调节器最小输出限幅值; 'RMIN Ue 试验中最小发电机磁场电压,单位为伏(V):; 1 -对应于U的试验中发电机磁场电流,单位为安(A) 对应于U.的试验中发电机电压,单位为伏(V U B,2.2交流励磁机可控整流器励磁系统中的U和U按照式(B.3)和式(B.4)计算 URAx=Un十Kcln (B.3 Ueu=U十KeI (B.4 B.2.3有副励磁机的交流励磁机不可控整流器励磁系统中的Uw.x这和Uew按照式(B.5)和式(B6)计算,有励磁变的交流励磁机不可控整流器励磁系统中的UaM和Uem按照式(B.7)和式(B.8)计算 Ue=UKp/U， B.5 式中: Ua1 试验中调节器最大输出值,单位为伏(V); K即强励时副励磁机电压下降系数,对永磁机可取85%一90%,对自励恒压副励磁机可取 90%95% U. 励磁机励磁电压基准值,单位为伏(V). B.6 URu=UeK/U,m 式中试验中调节器最小输出值,单位为伏(V). 心 B.7 UeMx=U/U.U 式中: Um 试验中与U相对应的发电机端电压,标么值(p.u.) 25
GB/T40589一202 B.8 UeM=Ue/(UmUe 式中 U 试验中与Ue相对应的发电机端电压,标么值(p.u.. 心 26
GB/T40589一2021 附录资料性) 电压调差率的测量电压调差极性的测量在发电机有功功率保持不变、滞相运行的情况下,保持电压给定值不变,当采用发电机变压器组单元接线时,从负到正调整被试验机组的无功电流补偿系数;当采用扩大单元接线时,无功电流补偿系数在大于零的一定范围内调整若试验机组的机端电压逐渐变低,无功功率逐渐变小,则极性与 GB/T7409(所有部分)规定一致;若试验机组的机端电压逐渐变高,无功功率逐渐变大,则相反电压调差率的测量 c.2.1方法一,在功率因数等于零的情况下,保持电压给定值不变,甩掉50%一100%的额定无功功率测量甩负荷前后的发电机电压,然后按照式(c.1)计算电压副差率 U-U AxI00% D= C.1 "X U 式中: D 电压调差率; U -甩负荷后的发电机机端电压,单位为伏(V); U -甩负荷前的发电机机端电压,单位为伏(V); 发电机额定电压,单位为伏(V); ！发电机额定电流,单位为安(A); -甩负荷前的发电机无功电流,单位为安(A) ！ C.2.2方法二,此方法可用于被试验机组有相邻机组或无功补偿设备的情况在发电机发出无功功率的情况下有功功率保持不变),保持电压给定值不变,调整相邻机组或无功补偿设备的无功功率,测量调整前后被试验机组的机端电压和无功电流.然后按照式(C.2)计算电压调差率 -U D C.2 ×100% 式中相邻机组或无功补偿设备调整无功后的目标发电机无功电流,单位为安(A); Io I0 -相邻机组或无功补偿设备调整无功前的目标发电机无功电流,单位为安(A). 注:工程上也可用相对应的无功功率Q,Qa和额定视在功率S分别近似代替电流lo、Ia和I C.2.3方法三,发电机并网运行,保持机端电压给定值不变通过逐步更改无功电流补偿系数,以1% 为步长修改,记录每一个无功电流补偿系数设定值下的发电机稳定运行时的有功功率、无功功率、机端电压值通过式(C.3)计算设定值修改后的电压调差率 Uo一UUIN ×100% C.3 D Q UN 式中: 第i次修改调差系数后的电压调差率 D. 发电机直轴同步电抗的饱和值,标么值(p.u.) X K -励磁系统静态增益,标么值(p. u.; 无功电流补偿系数为0的机端电压,单位为伏(V U 27

同步发电机励磁系统建模导则GB/T40589-2021

同步发电机是电力系统中一种重要的发电设备，其励磁系统的建模对于电力系统的运行稳定性和可靠性具有至关重要的作用。为了规范同步发电机励磁系统建模的技术和方法，国家推出了最新的同步发电机励磁系统建模导则GB/T40589-2021。

该标准详细规定了同步发电机励磁系统建模的基础原理、步骤、方法和应遵循的规范，为相关企业提供了重要的技术支持和指导。下面，我们将针对该标准的主要内容进行介绍。

GB/T40589-2021标准主要内容

首先，该标准详细定义了同步发电机励磁系统建模的基本术语和定义。其次，标准规定了同步发电机励磁系统建模的基础理论和方法，包括机电特性、电液特性和调节特性等方面，并对每一种特性的关键参数以及建模方法进行了详细介绍。

此外，该标准还规定了同步发电机励磁系统建模的计算方法、边界条件以及建模结果的评估方法，并提出了相应的技术指标和标准要求。另外，标准还涉及到了与同步发电机励磁系统建模相关的测试、验证和数据采集等方面的内容。

同步发电机励磁系统建模技术的重要性

同步发电机励磁系统建模技术在电力系统中具有重要意义。首先，通过建立精确的模型，可以有效地分析系统在不同工况下的动态特性和稳定性，为系统设计和运行提供科学依据。

此外，励磁系统建模也可以帮助我们更好地预测和评估系统的故障和事故，提高系统的可靠性和安全性。同时，建模技术还可以帮助我们优化系统方案，提高系统的经济性和运行效率。

结语

GB/T40589-2021《同步发电机励磁系统建模导则》是我国电力行业的一项重要标准，为相关企业提供了重要的技术支持和指导。通过本文的介绍，相信读者已经对该标准有了更深入的了解，并认识到了同步发电机励磁系统建模技术在实际应用中的重要性。