同步發電機勵磁系統建模導則2021-10-11發布2022-05-01實施國家標準化管理委員會GB/T40589—2021 I 2規范性引用文件 3術語和定義 4縮略語 35總則 36勵磁設備要求 37勵磁系統標幺值 48勵磁調節器環節特性辨識 49實測模型 510計算模型的選擇與參數處理 11現場試驗與仿真校核 12模型參數仿真復核 附錄A(規范性)限幅的表達 附錄B(資料性)調節器輸出限幅值獲取方法 附錄C(資料性)電壓調差率的測量 附錄D(資料性)低勵限制模型 附錄E(資料性)過勵限制模型 附錄F(資料性)發電機直軸暫態開路時間常數測試校核 附錄G(資料性)發電機飽和系數的計算 參考文獻 I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國電力企業聯合會提出。本文件由全國電網運行與控制標準化技術委員會(SAC/TC446)歸口。本文件起草單位：國家電網有限公司國家電力調度控制中心、中國電力科學研究院有限公司、中國南方電網電力調度控制中心、國家電網公司西南分部、國網浙江省電力有限公司、國網冀北電力有限公司、浙江浙能技術研究院有限公司、廣東電網有限責任公司。1同步發電機勵磁系統建模導則1范圍本文件描述了電力系統穩定分析計算用同步發電機勵磁系統數學模型(以下簡稱“模型”)建立方法。本文件適用于汽輪發電機、燃氣輪發電機、水輪發電機、抽水蓄能發電/電動機、核電機組和光熱機組勵磁系統建模。同步調相機參照使用。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T7409(所有部分)同步電機勵磁系統GB38755電力系統安全穩定導則DL/T583大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統技術條件DL/T843大型汽輪發電機勵磁系統技術條件3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。原始模型primarymodel根據制造廠提供的資料推導出的模型結構及參數。參照原始模型進行模型辨識和參數實測，得到的模型結構及參數。計算模型calculatingmodel用于穩定計算的模型結構及參數。與實測模型結構一致，通過仿真校核確認滿足要求的計算模型結構及參數。與實測模型結構有一定差別，通過計算程序仿真、參數調整后基本滿足要求的用于穩定計算的模型結構及參數。階躍試驗steptest被控量的給定值階躍變化的試驗。2階躍試驗中，被控量的最大值與最終穩態值之差相對于階躍量的百分數。階躍信號加入時刻。上升時間upwardtime階躍試驗中，從起始時間起到被控量的變化值初次達到90%階躍量的時間。階躍試驗中，從起始時間到被控量的變化值達到最大值的時間。階躍試驗中，從起始時間到被控量的變化值與階躍量之差的絕對值到達并不再超出階躍量的5%(見圖1中C點)所需的最短時間。符號說明：U?——初始值；U?——最終穩態值；tug——上升時間；圖1階躍響應特性示例曲線3振蕩次數numberofoscillation在調節時間內被控量的振蕩周期數。在輸入端加入不同頻率正弦信號或者噪聲信號，測量輸出端對于輸入端的頻率響應特性，采用幅頻與相頻特性進行曲線擬合來辨識模型及其參數的方法。時域測量法time-domainmeasuring在輸入端加入階躍等擾動信號，測量輸出信號的時域響應特性，通過分析環節結構與參數，并將仿真的時域響應特性曲線與實測結果進行曲線擬合來辨識模型及其參數的方法。4縮略語下列縮略語適用于本文件。AVR:自動電壓調節器(AutomaticVoltageRegulator)OEL:過勵限制器(OverExcitationLimiter)PID:比例積分微分(ProportionIntegrationDifferentiation)PSS:電力系統穩定器(PowerSystemStabilizer)SFC:靜止變頻器(StaticFrequencyConverter)UEL:低勵限制器(UnderExcitationLimiter)VFL:伏赫茲限制器(VoltageFrequencyLimiter)5.1建模包含現場測試、參數辨識、仿真驗證和復核入庫工作。5.2參數實測與建模按分環節測試、整體驗證的原則進行。5.3實測模型符合GB38755的規定，符合電網調度機構采用的電力系統穩定分析程序要求，并使用電網調度機構采用的電力系統穩定分析程序進行仿真驗證和穩定性校核。5.4模型包括勵磁功率和勵磁控制兩部分。5.5新投產發電機組勵磁系統實測建模試驗在機組正式商業運行前完成。勵磁系統發生設備改造、軟件升級、參數修改等變化并影響勵磁系統性能的，重新進行實測建模試驗。實測建模試驗完成時間超過5年的，進行復核試驗，試驗項目至少包括小擾動試驗和大擾動試驗，如測試結果與上次試驗結果差異較大，則進行原因分析和技術評估，必要時重新開展實測建模試驗。6勵磁設備要求6.1勵磁調節器在設計、型式試驗階段應確認模型參數，勵磁設備應通過技術鑒定。6.2勵磁設備應提供勵磁調節器及附加環節模型參數和勵磁設備技術數據，勵磁系統及部件原始模型6.3勵磁調節器應具備供第三方進行模型參數測試所需要的接口。6.4勵磁調節器的設置值應以十進制表示，時間常數以秒表示，放大倍數和限幅值以標幺值表示，并說4明標幺值的基準值選取方法。6.5三相全控橋的整流器宜采用余弦移相。6.6勵磁調節器應在定型生產前完成環節模型正確性檢查，或者同類型調節器在其他機組勵磁系統建模中已經驗證其環節參數正確，否則應通過環節特性辨識方法確認PID和軟反饋校正環節的模型參數。每一型號的勵磁調節器應進行一次完整的環節測試辨識。6.7勵磁調節器不應設置死區。7勵磁系統標幺值7.1勵磁系統多項關鍵參數采用標幺值形式，標幺值由實際值除以基準值得到。7.2發電機電壓的基準值U;為發電機額定電壓；發電機電流的基準值I;為發電機額定電流；發電機功率的基準值SB為發電機額定視在功率；發電機轉速(頻率)的基準值ng(fg)為發電機額定轉速(頻7.3發電機磁場電流的基準值Im為發電機空載特性氣隙線上產生額定電壓所需的磁場電流。發電機磁場繞組電阻的基準值Rm為發電機額定工況下發電機勵磁回路電阻，也可取為發電機額定磁場電壓除以額定磁場電流的數值。發電機磁場電壓的基準值Um為磁場電流的基準值乘以磁場繞組電阻的基準值。7.4勵磁機磁場電流的基準值Im為在勵磁機空載特性曲線氣隙線上產生一個標幺值發電機磁場電壓所要求的勵磁機磁場電流值。勵磁機勵磁電阻的基準值Rem為發電機額定工況下的勵磁機勵磁回路的電阻，也可取勵磁機額定磁場電壓除以勵磁機額定磁場電流并計及回路阻值。勵磁機磁場電壓的基準值Ucm為勵磁機磁場電流基準值乘以勵磁機勵磁繞組電阻基準值。7.5調節器的輸入電壓、電流和功率的基準值等于發電機電壓、電流和功率的基準值。當控制發電機磁場電壓時，調節器輸出電壓基準值等于發電機磁場電壓的基準值，調節器輸出電流基準值等于發電機磁場電流的基準值。當控制勵磁機磁場電壓時，調節器輸出電壓基準值等于勵磁機磁場電壓的基準值，調節器輸出電流基準值等于勵磁機磁場電流的基準值。8勵磁調節器環節特性辨識8.1一般規定勵磁調節器線性環節和非線性環節的測試辨識宜在靜態情況下進行。線性環節測量可采用頻域測量法或時域測量法，也可同時采用兩種方法。8.2頻域測量法8.2.1利用頻譜分析儀，測量待辨識環節輸出對于輸入的頻率特性，信號可采用正弦掃頻或噪聲信號，采用對比或擬合技術辨識模型的參數。8.2.2一階環節的模型參數，可利用已知頻率特性的特征值直接計算。8.2.3非一階環節的模型參數，可采用參數擬合技術或采用模型頻率特性和實測頻率特性對比方法確定。8.2.4測量頻率范圍應根據研究對象特點選擇。8.3時域測量法8.3.1輸入擾動信號宜為階躍信號，測量輸出響應，采用對比輸出響應特性曲線的方法辨識模型的5參數。8.3.2采用階躍響應試驗法測量一階慣性環節參數時，其輸出達到穩態變化量的0.632倍所需時間即為該環節的時間常數；輸出穩態變化量與輸入階躍量之比即為該環節的增益。8.3.3非一階環節的參數可采用時域參數辨識，或采用相同輸入信號下仿真待辨識模型響應和實測響應對比的方法來確定。8.4非線性環節測量測量非線性環節時，應了解并通過實際測量檢驗勵磁調節器、PSS各環節是否存在死區、限幅、PSS自動投退等邏輯控制、非線性環節、變參數、是否采用余弦移相等。限幅環節應區分內限幅和外限幅，限幅表達應符合附錄A的規定。9實測模型9.1一般要求9.1.1確定勵磁系統模型應根據勵磁系統類型收集下列資料：a)勵磁變壓器額定容量、一次和二次額定電壓及短路電抗；b)直流勵磁機空載特性曲線、負載特性曲線、額定電壓、額定電流、勵磁繞組時間常數、激勵方式和勵磁繞組電阻等；c)交流勵磁機額定容量、額定電壓、額定電流、額定功率因數、額定磁場電壓和電流、空載和負載特性曲線、電樞開路時勵磁繞組時間常數T'a、激勵方式、勵磁繞組電阻、同步電抗Xa、次暫態電抗X”和負序電抗X?;電機輸出額定電流時的端電壓和發電機輸出強勵電流時的端電壓；e)發電機空載特性曲線、發電機T'a等各時間常數、發電機各電抗值、機組轉動慣量(包括發電機和原動機)、發電機額定電壓、額定電流、額定視在功率、額定功率因數、額定磁場電壓、額定磁場電流、空載額定磁場電壓、空載額定磁場電流和規定溫度下的勵磁繞組電阻值；f)勵磁系統功能說明、投產試驗報告及各個環節的原始模型及整定參數。9.1.2實測模型應通過現場測試和參數辨識建立。9.1.3計算模型應根據實測模型建立。計算模型應符合電力系統穩定分析程序使用要求。計算模型應至少包括AVR、PSS、調差特性和強勵限制模型和參數。電壓安全穩定計算和中長期穩定計算，應包括UEL、OEL和VFL限制模型和參數。9.2勵磁系統組成9.2.1發電機勵磁系統由勵磁功率部分、勵磁控制部分組成，見圖2。9.2.2勵磁控制部分實現勵磁穩定控制和限制功能，由電壓電流測量與附加調差環節、PID或軟反饋校正環節、功率控制環節、補償勵磁機時間常數的反饋環節、頂值限制環節、VFL環節、OEL環節和UEL環節等組成。9.2.3勵磁系統按照勵磁功率部件不同，分為以下三種類型：a)直流勵磁機勵磁系統；b)交流勵磁機勵磁系統；c)靜止勵磁系統。6勵磁控制部分勵磁功率部分發電機上UrEF——發電機電壓給定值；圖2勵磁系統組成9.3靜止勵磁系統功率部分模型靜止勵磁系統包括自并勵靜止勵磁系統(見圖3)、恒電壓源供電的靜止勵磁系統(見圖4)和交流側串聯的復勵靜止勵磁系統(見圖5)。U符號說明：GS——同步發電機；TA——電流互感器；TV——電壓互感器；T——勵磁變壓器；AVR——自動電壓調節器。圖3自并勵靜止勵磁系統7TGSTVAVR符號說明：T——勵磁變壓器；U——可控整流器；GS——同步發電機；TA——電流互感器；TV——電壓互感器；AVR——自動電壓調節器。圖4恒電壓源供電的靜止勵磁系統//GSTVTPAVR符號說明：U——可控整流器；GS——同步發電機；TA——電流互感器；TV——電壓互感器；TP——并聯變壓器；TS——串聯變壓器；AVR——自動電壓調節器。圖5交流側串聯自復勵靜止勵磁系統9.3.2自并勵靜止勵磁系統功率部分模型模型采用三相全波可控整流和余弦移相方式的自并勵勵磁系統功率部分可建立圖6所示的功率部分別表示實際輸出的限幅受到發電機機端電壓變動的影響。圖6中各變量均采用標幺值。8GB/T40589—2021符號說明：U?——發電機機端電壓；URMAx——AVR的最大輸出電壓；I?——發電機勵磁電流；UR——AVR的輸出電壓；U;——發電機勵磁電壓；URMN——AVR的最小輸出電壓。圖6自并勵靜止勵磁系統功率部分模型換弧壓降系數計算方法見式(1)。Kc——換弧壓降系數，標幺值(p.u.);Uerk——勵磁變壓器短路電壓，標幺值(p.u.);Uer——勵磁變壓器二次額定線電壓，單位為伏(V);Ig——磁場電流基準值，單位為安(A);Ug——磁場電壓基準值，單位為伏(V);Sern——勵磁變壓器額定容量，單位為伏安(VA)。調節器輸出上限計算方法見式(2),下限計算方法見式(3)。URMN=1.35UercosαwAx/UmUrMAx=1.35Uercosαwy/UmUrMN——AVR的最小輸出電壓，標幺值(p.u.);))Uer——勵磁變壓器二次額定線電壓，單位為伏(V);awx——可控整流器的最大控制角，單位為度(°);Um——發電機磁場電壓基準值，單位為伏(V);UrMAx——AVR的最大輸出電壓，標幺值(p.u.);aniN——可控整流器的最小控制角，單位為度(°)調節器輸出限幅值可通過發電機空載大擾動試驗求得，見附錄B。獲得的磁場電壓最大值需要按照同一時刻時的發電機電壓、磁場電流和Kc進行修正。9.3.3恒電壓源靜止勵磁系統功率部分模型恒電壓源靜止勵磁系統功率部分模型見圖7。Kc按照式(1)計算，URMAx和URMN按照式(2)和式(3)計算。電源來自勵磁機電樞的交流勵磁機可控整流勵磁系統功率部分模型與本模型相同。圖7中各變量均采用標幺值。9符號說明：UrMAx—-AVR的最大輸出電壓；I?——發電機勵磁電流；Kc——換弧壓降系數；UR—-AVR的輸出電壓；U?——發電機勵磁電壓；圖7恒電壓源靜止勵磁系統功率部分模型9.3.4交流側串聯自復勵靜止勵磁系統功率部分模型交流側串聯自復勵靜止勵磁系統功率部分模型可采用恒電壓源靜止勵磁系統功率部分模型近似模擬，計算換弧壓降系數時應計及串聯變壓器的漏抗。9.4交流勵磁機勵磁系統功率部分模型交流勵磁機勵磁系統可分為交流勵磁機不可控整流器勵磁系統和交流勵磁機可控整流器勵磁系統。交流勵磁機不可控整流器勵磁系統見圖8和圖10,交流勵磁機可控整流器勵磁系統見圖9。AVR-符號說明：GS0——副勵磁機；U?——可控整流器；GS1——主勵磁機；U?——不可控整流器；GS——同步發電機；TA——電流互感器；TV——電壓互感器；AVR——自動電壓調節器。圖8有副勵磁機的交流勵磁機不可控整流器勵磁系統GS1U?TA白勵恒爪符號說明：T——主勵磁機自勵恒壓勵磁變壓器；U?——主勵磁機自勵恒壓可控整流器；GS——同步發電機；TA——電流互感器；TV——電壓互感器；AVR——自動電壓調節器。圖9交流勵磁機靜止可控整流器勵磁系統l!gTVTGSlU?——可控整流器；GS1——主勵磁機；U?——不可控整流器；GS——同步發電機；TA——電流互感器；TV——電壓互感器；T——主勵磁機自勵恒壓勵磁變壓器；AVR——自動電壓調節器。圖10有勵磁變的交流勵磁機不可控整流器勵磁系統9.4.2有副勵磁機的交流勵磁機不可控整流器勵磁系統功率部分模型采用三相全波整流的、有副勵磁機的交流勵磁機不可控整流器勵磁系統功率部分模型如圖11所示，該模型包括不可控整流器(靜止和旋轉兩種類型)和交流勵磁機兩部分。符號說明：UR——AVR的輸出電壓；UrMN——AVR的最小輸出電壓；s——傳遞函數的頻域變量；TE——主勵磁機時間常數；Ue——勵磁機輸出的直流電壓；U——發電機勵磁電壓；Fex——整流器調節特性的函數；Ix——規格化電流；UrE——勵磁機磁場電流換算為電壓值；Sg——主勵磁機飽和系數；K:——主勵磁機自勵系數；Kc——換弧壓降系數；I?——發電機勵磁電流；Kp——主勵磁機去磁系數。圖11有副勵磁機的交流勵磁機不可控整流器勵磁系統功率部分模型9.4.2.2交流勵磁機空載特性測量斷開發電機轉子滅磁開關，保持勵磁機額定轉速不變。測量勵磁機電樞交流電壓和勵磁機磁場電流從零到強勵對應值。將勵磁機電樞交流電壓乘以1.35倍轉為直流電壓后繪制勵磁機空載特性曲線，也可測整流后的直流電壓，此時直流側負載以足夠保證整流器導通為限。9.4.2.3交流勵磁機負載特性測量結合發電機空載、短路或負載試驗，測量發電機磁場電壓和勵磁機磁場電流之間的關系曲線。9.4.2.4交流勵磁機空載時間常數測量交流勵磁機空載時間常數T:在勵磁機空載條件下用階躍法測定，階躍時交流勵磁機磁場電壓的波形應為理想階躍波形。也可在勵磁機負載條件下用頻率響應法確定。對于無刷勵磁系統，只能在勵磁機負載條件下測試。根據不同的試驗條件可采取下列測試方法：——交流勵磁機在空載條件下，采用勵磁調節器手動定控制角方式使交流勵磁機磁場電壓正向或負向階躍，測錄交流勵磁機電樞電壓上升或下降曲線，當變化量達到0.632時所需的時間即為T:;——交流勵磁機在空載條件下，利用手動勵磁裝置在勵磁機電壓不超過額定電壓、階躍量不小于50%條件下合上或拉開手動柜交流側開關，測錄交流勵磁機電樞電壓上升或下降曲線，當變化GB/T40589—2021量達到0.632時所需的時間即為T:;——發電機空載，勵磁調節器工作在自動方式，在勵磁調節器電壓相加點加入噪聲信號，用頻譜分析儀測量交流勵磁機磁場電流和磁場電壓之間的頻率特性，或發電機磁場電壓對勵磁機磁場電壓的頻率特性，根據交流勵磁機模型辨識得到TE。換弧壓降系數Kc以發電機磁場電流基準值對整流方程進行標幺化得到，計算方法見式(4)。Kc——換弧壓降系數，標幺值(p.u.);X1。——勵磁機次暫態電抗，標幺值(p.u.);X?——勵磁機負序電抗，標幺值(p.u.);Uv。——勵磁機電樞額定線電壓，單位為伏(V);……………Ig——發電機磁場電流的基準值，單位為安(A);UB——發電機磁場電壓的基準值，單位為伏(V);Sv——勵磁機額定容量，單位為伏安(V·A)。整流器的換弧角小于60°時勵磁系統輸出值見式(5)。式中各變量均采用標幺值。U;——發電機勵磁電壓；Ug——勵磁機輸出直流電壓；Kc——換弧壓降系數；I?——發電機勵磁電流。勵磁機勵磁系統模型未包含副勵磁機電抗引起換弧壓降的影響。勵磁系統的換弧壓降影響顯著時，需要進行功率部分增益實測和調節器輸出限制值實測，采取等效副勵磁機電壓等方法表示該影響。9.4.2.6交流勵磁機飽和系數分別為發電機強勵電壓、75%發電機強勵電壓和發電機額定磁場電壓下的勵磁機飽和系數。由圖12勵磁機空載飽和曲線和空載氣隙線、按照式(6)確定Se(UE)。圖12中的縱坐標為勵磁機輸出直流電壓，橫坐標為勵磁機磁場電流，一般用標幺值表示。當式(5)條件滿足時，以式(7)Ug——勵磁機輸出直流電壓；SE(UE)——勵磁機輸出直流電壓為Ue時對應的勵磁機飽和系數；C——勵磁機空載飽和曲線上與勵磁機輸出電壓U:對應的勵磁機勵磁電流；B——氣隙上與勵磁機輸出電壓Ur對應的勵磁機勵磁電流。UEmAx——發電機強勵電壓對應的勵磁機輸出直流電壓；UmAx——發電機強勵勵磁電壓；Kc——換弧壓降系數。…………(8)Um?sMAx——75%發電機強勵電壓對應的勵磁機輸出直流電壓；Kc——換弧壓降系數。標引序號和符號說明：1——勵磁機空載飽和曲線對應的氣隙線；2——勵磁機空載飽和曲線；3——勵磁機恒定電阻飽和曲線；A——恒定電阻飽和曲線上與勵磁機輸出電壓Ug對應的勵磁機勵磁電流；C——勵磁機空載飽和曲線上與勵磁機輸出電壓U:對應的勵磁機勵磁電流；B——氣隙上與勵磁機輸出電壓Ug對應的勵磁機勵磁電流。圖12求取飽和系數的勵磁機空載和負載特性9.4.2.7三相全波不可控整流器調節特性三相全波不可控整流器模型見圖13。圖中各變量均采用標幺值。GB/T40589—2021Fxk符號說明：圖13不可控三相全波整流橋模型采用式(4)計算Kc時，FEx采用式(9)形式。式中各變量均采用標幺值。式中：I、——規格化電流；Kc——換弧壓降系數；I:——勵磁機負載電流即發電機磁場電流；Ug——勵磁機輸出的直流電壓；FEx——整流器調節特性的函數。9.4.2.8去磁系數在勵磁機空載和負載特性曲線的未飽和區域按照式(10)計算去磁系數。式中各變量均采用標幺值。式中：Kp——去磁系數；Ieg——某一發電機勵磁電壓下，勵磁機負載曲線上與之對應的勵磁機勵磁電流Ien——某一發電機勵磁電壓下，勵磁機空載曲線上與之對應的勵磁機勵磁電流Kc——不可控整流器的換弧壓降系數。當缺少實測的勵磁機空載、負載特性時可采用制造廠的出廠試驗數據或設計特性，或通過計算得到。9.4.2.9自勵系數自勵系數K:是勵磁機勵磁的他勵安匝數與總勵磁安匝數之比。當勵磁機僅采用他勵時Kg=1。9.4.2.10發電機勵磁側電量與勵磁機勵磁側電量的靜態關系發電機勵磁側電量與勵磁機勵磁側電量的靜態關系見式(11)。式中各變量均采用標幺值。GB/T40589—2021Ut——勵磁機磁場電壓；Iet——勵磁機磁場電流；U;——發電機磁場電壓；Kc——換弧壓降系數；SE——勵磁機空載飽和系數；Kp——勵磁機去磁系數。9.4.2.11勵磁機的限幅值勵磁機輸出的直流電壓下限值為零。9.4.2.12調節器輸出限幅值副勵磁機電壓隨負荷的增大而降低，強勵時副勵磁機電壓下降系數Kp對永磁機可取85%~90%,對自勵恒壓副勵磁機可取90%～95%。調節器輸出限幅值可以通過發電機大擾動試驗求得，見附錄B。調節器最大輸出電壓和最小輸出電壓，按照式(12)、式(13)計算。Kp——強勵時副勵磁機電壓下降系數；U——發電機額定負載下的副勵磁機電樞線電壓值，單位為伏(V)awin——可控整流器最小控制角，單位為度(°);Um——勵磁機磁場電壓基準值，單位為伏(V)。式中：URMN——調節器輸出最大限幅值；αmAx——可控整流器最大控制角，單位為度(°)。9.4.3交流勵磁機可控整流器勵磁系統功率部分模型交流勵磁機可控整流器勵磁系統中的交流勵磁機均為自并勵恒壓交流勵磁機，其功率部分模型見圖7。模型中設定交流勵磁機電壓調節器可以維持電樞電壓恒定。交流勵磁機的換弧壓降系數Kc由按照式(15)和式(16)計算。調節器輸出限幅值可以通過發電機大擾動試Kc——換弧壓降系數，標幺值(p.u.);X"。——主勵磁機直軸次暫態電抗，標幺值(p.u.)X?e——主勵磁機負序電抗，標幺值(p.u.);Ux——主勵磁機額定電壓，單位為伏(V);Im——發電機磁場電流的基準值，單位為安(A);Um——發電機磁場電壓的基準值，單位為伏(V);SN。——勵磁機額定容量，單位為伏安(VA)。U——發電機額定負載下的副勵磁機電樞線電壓值，單位為伏(V)avi——可控整流器最小控制角，單位為度(°);Um——發電機磁場電壓的基準值，單位為伏(V)。URMN——調節器輸出最大限幅值；an?x——可控整流器最大控制角，單位為度(°)。)采用三相全波整流的、有勵磁變的交流勵磁機不可控整流器勵磁系統功率部分模型見圖14,該模型包括不可控整流器和交流勵磁機模型，其中不可控整流器包括靜止和旋轉兩種類型。符號說明：UR——AVR的輸出電壓；U?——機端電壓；UgmAx——AVR的最大輸出電壓；UrMN——AVR的最小輸出電壓；UFEmx——勵磁機勵磁電壓最大滯；Kp——主勵磁機去磁系數；I?——發電機勵磁電流；Kg——主勵磁機自勵系數；Sr(UE)——勵磁機輸出直流電壓為Ug時對應的勵磁機飽和系數；——主勵磁機時間常數；——勵磁機輸出的直流電壓；——發電機勵磁電壓；——整流器調節特性的函數；UrE——勵磁機磁場電流換算為電壓值；Se——主勵磁機飽和系數；Ix——規格化電流；Kc——換弧壓降系數。有勵磁變的交流勵磁機不可控整流器勵磁系統功率部分模型與有副勵磁機的交流勵磁機不可控整流器勵磁系統功率部分模型的區別：調節器輸出限制值與發電機電壓有關；URMAx和URMN用式(12)、式(13)計算；U為機端變二次側額定線電壓，且Kep=1。調節器輸出限幅值可以通過發電機大擾動試其他參數的計算與有副勵磁機的交流勵磁機不可控整流器勵磁系統功率部分模型參數計算相同。9.5直流勵磁機模型直流勵磁機勵磁系統見圖15,直流勵磁機模型見圖16。符號說明：G——直流勵磁機；GS——發電機；TA——電流互感器；TV——電壓互感器；U——可控整流器；AVR——自動電壓調節器。圖15直流勵磁機勵磁系統lK?-S?.Ky符號說明：UR——AVR的輸出電壓；T:——直流勵磁機時間常數；U;——發電機勵磁電壓；K:——主勵磁機自勵系數；Sg——主勵磁機飽和系數；Kp——主勵磁機去磁系數；I?——發電機勵磁電流。圖16直流勵磁機模型9.5.2直流勵磁機空載和負載特性曲線測量空載特性：斷開發電機轉子滅磁開關。保持勵磁機額定轉速不變。測量勵磁機電壓和勵磁機總勵磁安-匝、他勵安-匝數從零到強勵的對應值。負載特性：合上發電機轉子滅磁開關。測量發電機磁場電壓和勵磁機總勵磁安-匝、他勵安-匝數的對應關系。9.5.3直流勵磁機飽和系數SE直流勵磁機模型飽和系數S:是Ur的函數，由圖12勵磁機空載和負載特性曲線按照式(6)確定飽和系數SE。按照實際勵磁機的他勵安匝數與總安匝數之比計算自勵系數KE。9.5.5勵磁機時間常數穩定計算用的直流勵磁機時間常數T:等于直流勵磁機空載時其勵磁回路的時間常數。按照式(10)計算去磁系數Kp,其中令Kc=0。9.6勵磁控制部分模型9.6.1電壓電流測量與附加調差電壓測量與附加調差單元的模型如圖17所示。grgrKRj—符號說明：U,——發電機端電壓矢量；i,——發電機端電流矢量；Rc——對應于全電流的有功電流補償率；j——表示復數的虛部部分；Xc——對應于全電流的無功電流補償率；Kg——電壓測量環節增益(在計算程序中宜選定為1.0p.u.);TR——電壓測量環節的等效時間常數；UrEF——電壓給定值；UeRR——電壓偏差信號。圖17電壓測量與調差單元模型數字式調節器的電壓測量存在隨機的純滯后時間，可以進行多次階躍試驗獲得平均純滯后時間，TR等于該平均純滯后時間。電壓調差率的測量見附錄C。9.6.2PID和軟反饋校正PID校正環節包括串聯型和并聯型，見圖18和圖19。軟反饋校正環節見圖20,以發電機磁場電壓、調節器輸出或勵磁機磁場電流為其輸入信號。勵磁系統模型以UrF表示勵磁機磁場電流，在非限幅區域，調節器輸出電壓的靜態標幺值與Ur靜態標幺值相同。符號說明：GB/T40589—2021T?、T?、T?、T?——時間常數。+工+K?符號說明：Kp——比例增益；Kp——微分增益；Tp——微分時間常數；+Up——微分環節上限幅值；—Up——微分環節下限幅值；K?——積分增益；+U?——積分環節上限幅值；-U?——積分環節下限幅值。圖19并聯型PID校正環節符號說明：K,——軟反饋增益；Tp——時間常數。補償勵磁機時間常數的反饋單元可等效為一個比例環節。反饋單元輸入信號為發電機磁場電壓或勵磁機磁場電流。測量該環節輸入輸出數據，將輸入輸出按照計算基準值折算后，獲得比例反饋系數。9.6.4功率控制三相全控整流橋功率控制環節包括移相和可控整流橋兩部分。移相環節的輸入是調節器的控制電壓U,如采用余弦移相，U。為±1時對應可控整流器控制角為0°和180°,則功率控制環節的放大倍數K;計算見式(17)。………式中：U——換弧壓降前的直流電壓，標幺值(p.u.);U.——控制電壓，標幺值(p.u.);Ua——整流橋交流側線電壓，單位為伏(V);Ug——調節器輸出電壓基準值，單位為伏(V)。功率控制環節的延時特性作一階慣性環節處理，其時間常數取下述兩個時間之大者：調節器對控制角調整的平均延時和相鄰觸發脈沖的時間間隔。當延時不大于10ms時可以不予計及。三相全波整流電路采用非余弦移相，或功率控制采用定頻調寬方式時，環節增益應采用額定工況處線性化處理的方法確定，調節器輸出限幅值應按實際可控特性計算，并且經過發電機空載大擾動試驗校核。9.6.5頂值限制頂值限制包括頂值電壓限制和頂值電流瞬時限制。頂值限制對暫態穩定計算結果有影響，應構建符合實際的頂值限制模型，設置符合實際的限制值。頂值限制值可通過大擾動試驗或靜態試驗獲取。UEL應構建符合實際的模型，設置符合實際的限制值。UEL通用模型見附錄D。OEL應構建符合實際的模型，設置符合實際的限制值。OEL通用模型見附錄E。VFL應構建符合實際的模型，設置符合實際的限制值。VFL模型應符合GB/T7409(所有部分)的規定。PSS應選擇與實際一致的模型。PSS模型主要有兩種：單輸入信號PSS模型(見圖21)和加速功率型PSS模型(圖22)。l+sT?sTwzT4ssinUsn——PSS輸入信號；——PSS信號測量環節時間常數；——PSS隔直環節時間常數；A?、A?——PSS濾波器參數；T?、T?、T?、T?、Ts、Ts——PSS時間常數；Ks——PSS增益；Uss——PSS輸出信號。圖21單輸入信號PSS模型1+sTwgKgaPWkTs7eKsesTgSTKs?2+符號說明：——發電機轉速或頻率；P——發電機有功功率；——傳遞函數的頻域變量；Twi、Twz、Tws、Twi——PSS隔直環節時間常數；Uss——PSS輸出；Ussmx、Ussmit——PSS輸出限幅值。圖22加速功率型PSS模型按照規定的基準值將實際的增益折算為標幺化的增益。對PSS輸出信號，當PSS輸出加入到AVR電壓相加點上時PSS輸出信號的基準值應與發電機電壓的基準值相同；當PSS輸出加入到AVR電壓相加點后的某環節的輸出點時，PSS輸出信號的基準值與該輸出點信號的基準值相同，以保證計算模型的正確性。需要獲得PSS信號的測量時間常數。數字式調節器的PSS信號測量存在隨機的純滯后時間，可以進行多次階躍試驗獲得平均純滯后時間，測量環節的時間常數等于該平均純滯后時間。10計算模型的選擇與參數處理10.1等同計算模型選擇及參數處理10.1.1等同計算模型宜采用電力系統穩定分析程序中已有的勵磁系統模型，無適用模型時可采用自定義模型。10.1.2實測模型的控制部分、電壓測量、頂值限制和PSS環節結構與標準模型一致時，直接采用標準模型；不一致時，可通過等值變換獲得穩定計算用環節模型。10.1.3PSS輸出信號相加點、用作勵磁穩定器的軟反饋和用作減少勵磁機時間常數的反饋相加點與實測模型一致。10.1.4當并聯型PID轉換為串聯型PID且不出現非負實數根時，認為并聯型PID與串聯型PID有一致的結構，可將并聯型PID轉換為串聯型PID。10.1.5當實測模型中有多個限幅時，可采用穩定計算用模型的限幅替代。10.1.6當實測模型中存在多個串聯的小時間常數慣性環節時，宜合并為一個時間常數不小于10ms的一階慣性環節。10.1.7穩定計算用模型中多余的環節應設置相應參數使其不起作用。10.1.8當發電機空載和負載下調節器參數或限制值不同、且對試驗結果產生顯著影響時，應在建模報告中提供空載和負載下的參數。10.2近似計算模型的選擇及參數處理方法10.2.1如果電力系統穩定分析程序中無法得到與實測模型等同的計算模型，應選擇與實測模型有相同的勵磁系統類型且最為接近的模型作為近似計算模型。10.2.2通過計算校核確定近似計算模型參數。11現場試驗與仿真校核11.1現場進行發電機空載電壓給定階躍試驗，階躍量不應使調節器進入限幅區域，一般為1%～5%。用SFC直接拖動的調相機，需要將調相機拖到額定轉速附近后在墮轉條件下進行空載電壓給定階躍11.2通過資料或試驗獲得發電機空載特性曲線、T'a等發電機參數。T'的現場實測校核方法見附錄F。11.3在電力系統穩定分析程序中設置發電機參數，電抗參數應采用不飽和值，發電機飽和系數應按程序規定定義求取，常用算法見附錄G。建立勵磁系統模型，進行發電機空載電壓給定階躍仿真計算。11.4計算實測和仿真中的發電機空載電壓給定階躍響應的上升時間tup、峰值時間tp、超調量Mp、調整時間t、和振蕩次數N;仿真與實測的偏差允許值應符合表1。表1仿真與實測的偏差允許值品質參數參數范圍偏差允許值(=實測值一仿真值)±0.5實測值Mp0～10%±0.5實測值全部士2sN全部12模型參數仿真復核12.1實測勵磁模型參數經仿真復核后，方可用于電網調度機構仿真計算。12.2實測報告復核內容應包括：a)核查勵磁建模試驗報告內容的完整性；b)核查現場試驗及試驗結果的準確性；c)進行發電機空載電壓小階躍試驗仿真；d)進行發電機負載電壓小階躍試驗仿真。12.3模型參數實際電網復核工作應包括：a)實測模型參數放入實際電網中，進行無擾動校核；b)實測模型參數放入實際電網中，進行小擾動校核；c)實測模型參數放入實際電網中，根據需要，進行大擾動校核。GB/T40589—2021(規范性)限幅的表達A.1內限幅積分環節內限幅應符合圖A.1u<0,則dy/dt=u;若y≤B,u<0,dt=u。符號說明：u——輸入信號；A——限幅上限值；B——限幅下限值；y——輸出信號。的規定，其邏輯關系為：若y≥A,u>0,則dy/dt置0;若y≥A,則dy/dt置0;若y≤B,u>0,則dy/dt=u;若B<y<A,則dy/圖A.1積分環節內限幅則dy/dt為0;如y=B,且f<0,則dy/dt為0;其他B<y<A。符號說明：u——輸入信號；A——限幅上限值；T——一階慣性環節的時間常數；B——限幅下限值；y——輸出信號。圖A.2一階慣性環節內限幅A.2外限幅積分環節外限幅應符合圖A.3的規定，其邏輯關系為：如A≥y≥B,則x=y;如y>A,則x=A;GB/T40589—2021符號說明：u——輸入信號；y——積分后輸出信號；A——限幅上限值；B——限幅下限值；x——輸出信號。一階慣性環節外限幅應符合圖A.4的規定，其邏輯關系為：如B≤y≤A,則x=y;如y>A,則符號說明：u——輸入信號；T——一階慣性環節的時間常數；y——積分后輸出信號；A——限幅上限值；B——限幅下限值；x——輸出信號。(資料性)調節器輸出限幅值獲取方法B.1試驗方法調節器輸出限幅值可通過發電機空載大擾動試驗來獲得。在發電機空載運行時，進行大階躍試驗，階躍量的大小應使擾動達到可控整流器最小和最大控制角，并保證發電機安全。計算模型中采用實測值。B.2試驗數據處理方法UrmAx——調節器最大輸出限幅值；Un——試驗中最大發電機磁場電壓，單位為伏(V);Kc——換弧壓降系數；In——對應于Un試驗中發電機磁場電流，單位為安(A);U?——對應于Un試驗中發電機電壓，單位為伏(V)。式中：URMN——調節器最小輸出限幅值；U?——試驗中最小發電機磁場電壓，單位為伏(V);I?——對應于U?的試驗中發電機磁場電流，單位為安(A);U?對應于U?的試驗中發電機電壓，單位為伏(V)。B.2.2交流勵磁機可控整流器勵磁系統中的URM?x和URMN按照式(B.3)和式(B.4)計算。B.2.3有副勵磁機的交流勵磁機不可控整流器勵磁系統中的算，有勵磁變的交流勵磁機不可控整流器勵磁系統中的URMAx和URMN按照式(B.7)和式(B.8)計算。UR——試驗中調節器最大輸出值，單位為伏(V);Kp——強勵時副勵磁機電壓下降系數，對永磁機可取85%～90%,對自勵恒壓副勵磁機可取Uem——勵磁機勵磁電壓基準值，單位為伏(V)。式中：Ug——試驗中調節器最小輸出值，單位為伏(V)。式中：U?——試驗中與UR相對應的發電機端電壓，標幺值(p.u.)。GB/T40589—2021URMN=UR/(UmU?)U?——試驗中與UR相對應的發電機端電壓，標幺值(p.u.)。GB/T40589—2021(資料性)電壓調差率的測量C.1電壓調差極性的測量在發電機有功功率保持不變、滯相運行的情況下，保持電壓給定值不變，當采用發電機變壓器組單元接線時，從負到正調整被試驗機組的無功電流補償系數；當采用擴大單元接線時，無功電流補償系數在大于零的一定范圍內調整。若試驗機組的機端電壓逐漸變低，無功功率逐漸變小，則極性與GB/T7409(所有部分)規定一致；若試驗機組的機端電壓逐漸變高，無功功率逐漸變大，則相反。C.2電壓調差率的測量C.2.1方法一，在功率因數等于零的情況下，保持電壓給定值不變，甩掉50%～100%的額定無功功率，測量甩負荷前后的發電機電壓，然后按照式(C.1)計算電壓調差率：D——電壓調差率；U?——甩負荷后的發電機機端電壓，單位為伏(V);U?——甩負荷前的發電機機端電壓，單位為伏(V);Um——發電機額定電壓，單位為伏(V);I、——發電機額定電流，單位為安(A);I、——甩負荷前的發電機無功電流，單位為安(A)。C.2.2方法二，此方法可用于被試驗機組有相鄰機組或無功補償設備的情況。在發電機發出無功功率的情況下(有功功率保持不變),保持電壓給定值不變，調整相鄰機組或無功補償設備的無功功率，測量調整前后被試驗機組的機端電壓和無功電流，然后按照式(C.2)計算電壓調差率：…………(C.2)Ia——相鄰機組或無功補償設備調整無功后的目標發電機無功電流，單位為安(A);Ia?——相鄰機組或無功補償設備調整無功前的目標發電機無功電流，單位為安(A)。注：工程上也可用相對應的無功功率Qa、Qa和額定視在功率SN分別近似代替電流Iq、Ia和Iv。C.2.3方法三，發電機并網運行，保持機端電壓給定值不變。通過逐步更改無功電流補償系數，以1%為步長修改，記錄每一個無功電流補償系數設定值下的發電機穩定運行時的有功功率、無功功率、機端電壓值。通過式(C.3)計算設定值修改后的電壓調差率：式中：D;——第i次修改調差系數后的電壓調差率；X?——發電機直軸同步電抗的飽和值，標幺值(p.u.);K——勵磁系統靜態增益，標幺值(p.u.);U?——無功電流補償系數為0的機端電壓，單位為伏(V);……(C.3)U;——第i次修改調差系數后的發電機機端電壓，單位為伏(V);Un——發電機額定電壓，單位為伏(V);Iv——發電機額定電流，單位為安(A);Q;——第i次修改調差系數后的發電機無功功率，單位為乏(var)。GB/T40589—2021(資料性)低勵限制模型D.1折線型低勵限制折線型由多段直線組成，也可是一段直線。每一段直線用式(D.1)表示，折線型低勵限制曲線的一段直線見圖D.1。Q=KP+C………(D.1)式中：Q——發電機低勵限制無功值，標幺值(p.u.);K——折線型低勵限制曲線中一段直線的斜率；P—-發電機運行點對應的有功，標幺值(p.u.);C——折線型低勵限制曲線的一段直線在P-Q坐標系中的截距。符號說明：(P?,Q?)——發電機運行點1;(P?,Q?)——發電機運行點2。圖D.1折線型低勵限制中的一段直線一般給定斜率K和截距C,或由二點法確定K和C,見式(D.2)。式中各變量均采用標幺值。式中：K——折線型低勵限制曲線中一段直線的斜率；Q?——發電機運行點1對應的無功功率；Q?——發電機運行點2對應的無功功率；P?——發電機運行點1對應的有功功率；P?——發電機運行點2對應的有功功率；C——折線型低勵限制曲線的一段直線在P-Q坐標系中的截距。D.2圓周型低勵限制圓周型動作線的圓心在Q軸上，見圖D.2。給定r、Q?時圓弧用式(D.3)表示。式中各變量均采用標幺值。P2+(Qo-Q)2=r2→Q=Qo-√r2-P2……(D.3