基于发电机异步自励磁试验及...试验的同步电机参数辨识方法_康海燕.pdf

基于发电机异步自励磁试验及机组轴系扭振暂态试验的同步电机参数辨识方法2023.3基于发电机异步自励磁试验及机组轴系扭振暂态试验的同步电机参数辨识方法康海燕1，田继伟2，王绍德1，任树东1，朱芸1，徐珂1(1.华北电力设计院有限公司，北京 100120;2.内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司，呼和浩特 010206)摘要采用阻塞滤波器方案治理次同步谐振的研究，对同步发电机电气参数在计算异步自励磁和机网复合共振时的准确性提出了更高要求。本文提出了一种基于发电机异步自励磁试验及机组轴系扭振暂态试验的同步电机参数修订辨识方法，该方法在厂家设计参数基础上，保持部分较为可靠的 d、q 轴参数不变，调整部分潜在误差较大且对次同步谐振/振荡较为敏感的 d、q 轴参数，并采用调整后参数由电磁暂态仿真程序进行与现场试验相同条件下的上述两种仿真试验，将仿真结果与现场试验的结果进行比对，经过多次迭代，直至轴系扭振各模态的振荡特性、以及异步自励磁的激发特性与相同条件下的现场试验结果基本吻合时，认为仿真试验使用的参数为修订辨识的同步电机参数。实际工程的现场试验结果验证了本方法用于次同步谐振/振荡问题分析的可行性与准确度。关键词同步发电机;次同步谐振/振荡;异步自励磁;机网复合共振 中图分类号TM341 文献标志码A 文章编号1000-3983(2023)03-0036-07Electrical Parameters Measurement and Identification Method of Synchronous Machine basedon Asynchronous Self-excitation Test and Torsional Vibration of Unit Shafting Transient TestKANG Haiyan1，TIAN Jiwei2，WANG Shaode1，EN Shudong1，ZHU Yun1，XU Ke1(1 North China Power Engineering Co，Ltd，Beijing 100120，China;2 Tuoketuo Power Plant，Datang International Power Generation Co，Ltd，Hohhot 010206，China)Abstract:The research on using blocking filter to mitigate subsynchronous resonance(SS)putsforward higher requirements for the accuracy of synchronous generator electrical parameters in studyingon asynchronous self-excitation and torsional interaction problems This paper presents an electricalparameter measurement and identification method based on asynchronous self-excitation test andtorsional vibration of unit shafting transient test，which has the advantages of simple test operation andclear identification targetBased on the design parameters of the manufacturer，the relevantoperational parameters of d-axis and q-axis are continuously adjusted，so that the simulation curve ofunit rotation speed difference basically consistent with the non-synchronizing parallel test recordingcurve under each torsional vibration modal frequency，and the simulation curve of generator statorcurrent basically consistent with the asynchronous self-excitation test recording curve under eachasynchronous self-excitation modal frequency，thus a set of electrical parameters can be identifiedThe field test results verify the feasibility and accuracy of this method in studying SS/SSO problemKey words:synchronous generator;SS/SSO;asynchronous self-excitation;torsional interaction0前言串联电容补偿是提高远距离输电线路输电能力的经济有效措施，但是输电线路上增加串联电容补偿后容易引起附近发电机组轴系的次同步谐振，造成发电机组大轴的损坏1-2。为了消除上述次同步谐振，美国 GE 公司在1974 年提出了一种在发电机升压变压器高压绕组中性点侧安装阻塞滤波器的方法来预防和抑制上述次同步谐振3-4。阻塞滤波器在投入运行过程中可能引起异步自励磁问题，若进行阻塞滤波器系统设计时采用不够准确的同步发电机电气参数，没有充分考虑到阻塞滤波器632023.3大 电 机 技 术投运后可能引发的异步自励磁问题，有可能导致阻塞滤波器系统设计的失败，装置无法投入运行，影响电厂机组按时投产，造成巨大的经济损失。托克托电厂四期阻塞滤波器工程就遭遇了上述问题5-6。同步发电机的电气参数试验获取方法可采用突然短路法7-9、时域测试法10-11 和抛载法12-14，近年来又提出基于同步发电机异步旋转频率响应试验的电气参数测试法15，另外还有少数基于静态频率响应法的同步发电机电气参数辨识方法在实际工程中的应用实例16-18。不过，这些方法均存在一定的局限性。例如:三相短路试验会使发电机遭受严重的冲击且不能获得精确的 q 轴参数;时域测试法由于功角测量精度无法保证，导致部分参数特别是暂态参数的辨识误差可能超过 10%;抛载法难以准确把握试验条件，需要根据经验做近似调整，不同人测试的结果有所不同。以上三种测试方法得到的参数用于研究次同步谐振问题时，都不能得到与实际系统相吻合的结果，可能会导致与实际工程实践完全相反的结论。基于同步发电机异步旋转频率响应试验电气参数测试法，虽能够较为准确的描述同步发电机不同频率的外特性，但不能保证其在计算机网复合共振和异步自励磁时均有足够的精确度，且辨识过程较为复杂。基于静态频率响应法的同步发电机电气参数辨识法，在参数辨识时重点关注相关频率的曲线拟合精度，能基本保证在计算机网复合共振和异步自励磁时的准确度，但试验耗时过长，考虑到各种现场因素，耗时一般在半个月左右。对已投产机组来说，需停机半个月左右，经济损失较大。本文将提出一种既能保证在计算机网复合共振和异步自励磁时均有足够精确度，试验操作又相对简单、耗时较短、参数修订辨识过程又不复杂的同步电机参数修订辨识方法。1发电机异步自励磁试验在发电机异步自励磁试验中，采用单机-并联电容的接线方式，励磁系统退出，励磁绕组回路通过电缆短路，在发电机定子对地回路连接有电容器和电阻串接支路，电容器两端并联有一定容量的 MOV(金属氧化物限压器);将同步发电机的转子由拖动装置拖动到指定转速，然后逐相合入三相断路器，将电容器和电阻与待测同步发电机连接，同步发电机经过一个暂态过程后，进入稳态异步运行状态。在第三相断路器合入时，启动暂态录波采集装置，开始记录机端定子电压、定子电流和励磁绕组电流。其中，机端电压用三相电压互感器(PT)测量得到，机端电流用三相电流互感器(CT)测量得到，励磁绕组电流用变送器测量得到;在采集一定时间段的数据后，断开三相断路器。完成一次异步自励磁频率下同步发电机异步运行状态试验数据的采集。试验方案接线图如图1 所示。图 1同步发电机异步自励磁试验发电机异步自励磁试验中，拖动同步发电机转子的拖动装置，如果在火电厂的现场就是机组本身的汽轮机，如果在电机设备厂家进行试验就是大功率电机;发电机定子电压、电流和励磁绕组电流的试验测量设备为高精度的电力系统暂态记录仪，仪器采样率至少保证在 2000Hz 以上，对同步发电机异步自励磁试验的暂态过程和稳态过程中相关电气量进行全程录波记录，包括暂态过程和稳态运行。2机组轴系扭振暂态试验在机组轴系扭振暂态试验中，采用可以整定并网角的同期装置实现发电机组5角假同期并网，机组机头(或机尾)的转速信号用探头获取，使用特定的扭振录波装置对转速信号进行录波，试验方案接线图如图 2 所示。图 2同步发电机非同期并网试验接线试验中采用的扭振录波装置应能够保证足够的测量精确度，需要对暂态和稳态过程中的转速信号进行全程录波记录，从并网时刻算起应至少记录 30s 数据。与此同时，为保证试验安全进行，需同时利用暂73基于发电机异步自励磁试验及机组轴系扭振暂态试验的同步电机参数辨识方法2023.3态记录仪监测自动准同期装置的导前合闸脉冲、发电机电压、系统电压等电气量。另外，为满足后续仿真建模的需求，应同时记录试验时系统的相关运行方式，包括电厂开机台数、机组出力水平、线路及串补投运情况等。另外需要说明的是，作为次同步谐振问题详细评估的基础，机组轴系参数测试中通常已包含发电机非同期并网试验。进行同步发电机电气参数测试时，可直接运用上述试验录波数据和相关系统运行状态记录。3测试分析与参数辨识3.1参数辨识模型当前诸如 PSCAD/EMTDC 程序的电磁暂态仿真软件中同步发电机模型采用的均是二阶经典等值电路模型，如图 3 所示。图 3经典 d 轴和 q 轴等值电路(二阶模型)本文提出的参数辨识方法，是在厂家提供的设计参数的基础上，调整发电机 q 轴和 d 轴的电气运算参数得到;而输入电磁暂态仿真软件中进行仿真建模的是发电机标准参数。d 轴运算参数与标准参数两者之间的换算关系为19:Xd=Xl+Xad(1)Xd=Xd(T4+T5)/(T1+T2)(2)Xd=Xd(T4T6)/(T1T3)(3)Tdo=T1+T2(4)Tdo=T3 T1/(T1+T2)(5)其中:T1=Xad+Xfdfd;T2=Xad+X1d1dT3=11d(X1d+XadXfdXad+Xfd)T4=1fd(Xfd+XadXlXad+Xl)T5=11d(X1d+XadXlXad+Xl)T6=11d(X1d+XadXlXfdXadXl+XadXfd+XfdXl)式中，Xl、Xad、X1d、1d、Xfd、fd、Xaq、X1q、1q、X2q、2q对应图 3 中同步发电机二阶经典等值电路模型中相应的直轴、交轴电抗或电阻。其中，Xl为定子漏电抗;Xad、Xaq为直轴、交轴的电枢反应电抗;直轴阻尼绕组用X1d、1d表示;励磁绕组用Xfd、fd表示;两个交轴阻尼绕组分别用X1q、1q和X2q、2q表示;Xd、Xq为直轴、交轴同步电抗，Xd、Xq为直轴、交轴暂态电抗，Xd、Xq为直轴、交轴次暂态电抗，Tdo、Tqo为直轴、交轴开路暂态时间常数，Tdo、Tqo为直轴、交轴开路次暂态时间常数。以上全部参数均为标幺值，上述时间常数的标幺值除以0=2f，就得到用秒表示的时间常数。类似的表达式可用于 q 轴。3.2参数辨识方法在电磁暂态仿真程序中建立机组轴系扭振暂态试验的仿真模型，仿真输出发电机组机头(或机尾)的