自动励磁调节器入网性能检测标准.docx
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自动励磁调节器入网性能检测标准
自动励磁调节器入网性能检测标准
数字式自动励磁调节器
入网性能检测标准
(讨论稿)
目次
前言
1范围
2规范性引用文件
3性能检测试验内容
4试验必备条件
5自并励静止励磁系统性能检测试验的技术要求
6交流励磁机励磁系统性能检测试验的技术要求
7试验中发现的问题及处理结果
8试验结论
9附录
前言
《数字式自动励磁调节器入网性能检测标准》是根据华北电网有限公司“华北电网励磁调节器入网检测方法的研究”成果制定的。
要求对励磁调节器的试验做到检测细致化、指标具体化和操作规范化。
数字式自动励磁调节器以其可靠性高、性能稳定和调节品质良好在电网中获得了广泛应用,已成为同步发电机励磁系统的主流。
但是随着发电机励磁系统参数测试工作的不断深化也暴露了数字式自动励磁调节器在软件规范设计方面的一些问题,如电压检测时间过长、移相触发未按反余弦处理、限制环节定值不准、性能指标不满足国标或电网要求及人机界面不规范等。
为了巩固发电机励磁系统参数测试辨识工作的成果,加强励磁系统技术管理,进一步规范软件控制逻辑,特制定本性能检测标准,为数字式自动励磁调节器入网安全可靠运行提供技术依据。
数字式自动励磁调节器入网检测工作要求达到的目的是:
(1)检测数字式励磁调节器在自并励静止励磁系统和交流励磁机励磁系统两种方式下,各种工况时的静态和动态特性是否符合国家和行业的相关标准;
(2)检查在各种扰动下是否出现不正常的死机、切换、控制失常等设计缺陷;
(3)确认电压控制主环的模型参数,确认各个限制和辅助控制环节的特性。
本检测标准提出单位:
华北电网有限责任公司。
本检测标准归口解释单位:
华北电网有限责任公司。
本检测标准起草单位:
华北电力科学研究院有限责任公司。
本检测标准主要起草人:
苏为民、吴涛、史扬、姚谦
本检测标准首次发布时间:
2019年8月18日。
数字式自动励磁调节器入网性能检测标准
1范围
本检测标准规定了汽轮发电机数字式自动励磁调节器入网检测和仿真试验技术要求。
本标准适用于自并励静止励磁系统和交流励磁机励磁系统中数字式自动励磁调节器的静态及动态性能检测、控制逻辑测试和仿真验证励磁系统模型等。
其它励磁类型的数字式自动励磁调节器也可以参照执行。
2规范性引用文件
下列标准所包含的条文,通过在本检测标准中引用而构成为本标准的条文。
在标准出版时,所示版本均为有效。
所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
GB/T7409同步电机励磁系统
DL/T583-2019大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件
DL/T650大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件
DL/T843大型汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术条件
Q/GDW142-2019同步发电机励磁系统建模导则
Q/GDW143-2019电力系统稳定器整定试验导则。
3性能检测试验内容
性能检测试验主要考核数字式自动励磁调节器的静态和动态性能及软件设计的规范性,因此采用数字模拟方法,利用全数字实时仿真技术(RTDS),全面检查自动励磁调节器(AVR)性能。
用RTDS建立包括发电机及其励磁、调速系统、PSS、主变压器、主开关以及等值无穷大电源的电力系统仿真环境,向AVR装置提供所需要电气量,而将AVR输出的控制电压模拟信号Uc输入RTDS,经过励磁机模型或描述整流器特性的一阶滞后及其限制环节后,得到发电机转子电压Uf,构成闭环试验环境(见系统示意图1)。
图1、仿真系统示意图
可见,励磁系统设备入网检测的主体是励磁调节器—AVR;试验中AVR的输入模拟量来自RTDS,主要有来自PT的发电机三相电压模拟信号Ut、来自CT的三相电流模拟信号It和发电机或励磁机的励磁电流(If/Ief)信号,根据需要RTDS还可提供同步电压模拟信号;AVR仅需把内部PID输出的控制电压信号Uc经标准D/A输出与RTDS相连,就可形成闭环控制系统。
图中真实的AVR设备用“实际AVR”表示,而用RTDS构成的内部AVR用“AVR模型”表示;这样当励磁机和发电机模型参数和现场一致时,通过实际AVR和RTDS的闭环运行,就可测试整个励磁系统的性能,而当“AVR模型”中参数选取制造厂提供的数据后,就可检验提供参数的可信度和合理性。
当用RTDS构成发电机并网模式后,还可检验现场不宜进行的项目如过励、欠励、PSS低频投入效果和强励能力等功能。
AVR性能检测包括时域和频域特性试验,鉴于RTDS速度快、实时性好,本标准规定的检验项目以时域特性仿真为主,频域特性配合检查为辅。
*时域特性试验包括以下项目:
(1)静态检查:
包括实际AVR装置电压测量环节时间常数检查、增益检查、移相触发环节反余弦特性检查、限制环节特性、限制介入AVR方式和调差特性检查。
(2)发电机空载试验。
包括实际AVR装置空载升压试验、实际AVR与模型AVR之间空载阶跃响应对比、调节器自动、手动调压范围测定、零起升压试验、停机灭磁试验、自动手动切换试验、频率特性试验、V/Hz保护限制试验、PT断线试验等。
(3)发电机负载试验。
包括并网试验、自动、手动无功调节试验,手动与自动切换试验、静差率的测定、调差率校核、强励能力和强励限制试验、系统短路试验、欠励限制试验、过励限制试验、PT断线试验、甩负荷试验、发电机负载阶跃试验、实际AVR与模型AVR之间负载阶跃响应对比、PSS投入效果检查等试验。
*频域特性试验包括以下项目:
(1)测量滤波、比例、积分、PID校正环节、PSS等环节频率特性。
(2)测量发电机励磁系统无补偿频率特性。
(3)测量或计算发电机励磁系统有补偿频率特性。
4试验必备条件
4.1对AVR制造厂的要求
4.1.1提供下列技术资料供试验参考
(1)使用说明书(含原理、特性、控制逻辑、安装、试验、整定、运行、维护、故障查找);
(2)出厂试验报告,出厂整定值及合格证;
(3)励磁系统数学模型和推荐参数(包括各附加功能单元在内),并提供AVR面板及内部主要参数设置清单,以及数学模型表达式中主要参数的计算方法说明等。
4.1.2提供测试接口
(1)提供PID电压控制主环的标准输出接口:
即AVR的控制电压信号Uc,经D/A输出与RTDS闭环,考虑一定安全裕度后RTDS的输入允许值是±5V的直流信号。
(2)提供PID电压控制主环电压相加点的模拟输入接口,以方便励磁系统无补偿频率特性测量。
(3)实际AVR需获得来自RTDS系统的励磁电流反馈信号,该信号由A/D输入,幅值≤±5V。
若AVR采用励磁变二次电流作为发电机磁场电流信号,则应在试验前与试验单位沟通,做好相应信号的的变换接口,确定有关的变比系数。
(4)移相触发环节应有可测量的输出信号端子,以便示波器等设备能观察分析脉冲信号相对于同步电压的相位差。
(5)若数字AVR未采用反余弦处理,要求制造厂家自备移相触发环节输出信号转换接口,应将六相触发脉冲信号转换为可控硅整流器的直流输出,幅值不大于±5V,纹波系数应尽可能小。
(6)提供电压测量、欠励和过励环节的模拟输出信号接口。
4.2对试验测试单位的要求
4.2.1根据制造厂提供的原始资料计算整理试验基本数据
入网检测试验主要检查在自并励静止励磁系统和交流励磁机励磁系统(以下简称自并励和三机常规)两种励磁方式下励磁调节器的性能,故测试方应准备下列资料和数据,具体数值和计算见附录2。
(1)发电机额定电压、电流,额定视在功率、功率因数,额定磁场电压、电流,空载额定磁场电压、电流,在规定温度下的励磁绕组电阻值。
发电机空载特性曲线、发电机T’d0等各时间常数、发电机各电抗值、机组转动惯量等。
(2)交流励磁机额定容量,额定电压、电流和功率因数,额定频率,额定励磁电压和电流、交流励磁机空载和负载特性曲线、交流励磁机电枢开路时励磁绕组时间常数T’doe、激励方式、励磁绕组电阻、交流励磁机的同步电抗Xde、次暂态电抗X”de和负序电抗X2e等
(3)副励磁机额定容量、额定电压、电流、额定功率因数,额定频率,外特性曲线、空载电压、输出额定电流时的端电压、输出强励电流时的端电压等。
(4)励磁变压器额定容量、一次和二次额定电压、短路电抗数据;
4.2.2用RTDS组成AVR闭环试验接线和系统参数确定
试验原理接线及要求见附录1。
系统参数确定方法:
5自并励静止励磁系统性能检测试验的技术要求
5.0人机界面
能在线显示标准规定的状态量、监视量,模拟量以十进制表示,时间以秒表示,增益以实际增益表示或以标幺值表示,用标幺值表示时需表明基准值。
参数能在线显示、修改和保存。
内部事故记录可断电保存。
具有满足试验的、安排在对外接线端子排上的接口(不少于1个A/D口。
不少于1个D/A口,模拟励磁电流和励磁机励磁电流的接口)。
更完善的人机界面还应包括参数范围、缺省值、参数说明,功能模型,逻辑关系等。
5.1静态检查性测试
5.1.1AVR控制电压输出D/A频率响应特性测试
性能要求:
当装置工作频率为25Hz时,D/A环节的相频特性的迟后角不得大于57.5°,即要求AVR的D/A输出迟后不能大于半个工频采样周期0.01s。
推荐采用下列方法测试:
(1)记录AVR的PID的计算周期,应不大于3.3-10ms。
(1)采取措施屏蔽AVR电压控制主环的积分和微分功能,仅保留比例环节;
(2)采用频谱仪施加白噪声后测量AVR输出信号D/A的频率特性,频率测量范围应大于25Hz。
白噪声经过调节器的A/D加入到电压相加点,测量白噪声到AVR输出信号D/A的相频特性,是A/D和D/A相频特性之和。
(3)设置积分和微分参数复测频率特性,检查模型参数的正确性
5.1.2检查电压测量环节时间常数
性能要求:
国标规定电压测量环节时间常数不大于30ms。
推荐检测方法如下:
(1)用录波器同时监视和记录实际AVR电压测量环节输入和输出端,调整RTDS输出至三相电压平衡,且幅值为100V额定值;
(2)用RTDS产生50%以上的阶跃量,启动录波器录制电压测量环节输出电压的变化,计算由阶跃开始到输出电压稳态值的0.368(下降)和0.632(上升)倍时,所用的时间。
其中上
阶跃和下阶跃各做5次,最后取平均值:
Tu=(Tu1+Tu2)/2。
注:
本项试验也可用继电保护测试仪进行。
当采用交流采样时,AVR输出电压采样后立即经D/A输出。
输出如一次达到稳定,取阶跃至完全响应时间作为一阶惯性环节的时间常数。
输出如有多个台阶,以完全响应的时间的1/3作为一阶惯性环节的时间常数。
由于对离散模型用连续模型表达,应在发电机空载阶跃校核中调整该参数,使得实际的和仿真的阶跃响应一致。
5.1.3检查同步电压和脉冲波形
性能要求:
脉冲间隔与设计误差不超过1°,测量脉冲幅值与设计误差不超过2%推荐试验方法:
用示波器检查。
5.1.4移相触发环节特性检测
性能要求:
国标要求数字式AVR移相触发环节应进行反余弦处理,即要求控制角的余弦与PID输出的控制电压Uc成线性比例关系,对自并励系统还要求控制角的余弦与发电机电压成反比关系(0~90°)
推荐检测方法如下:
(1)用示波器同时监视同步电压Uca,和实际AVR移相触发环节+A相脉冲输出;
(2)调整实际AVR控制电压Uc、并用数字电压表测量,Uc的上下限应是+1和-1;增益标定方法:
额定电压为1pu,采样后为N点,PID采用实际增益,PID输出点数/N,反余弦移相电路的输入Uc上下限是+1和-1,对应控制角0度和180度。
就是说,AVR标定与发电机空载额定无关。
Uc经
乘以1.35U2/Ufb转换为UR,再按照最小最大控制角确定URMAX和URMIN。
也可以把UR限制做到Uc上,上限等于cosαmin,下限等于cosαmax。
因Uc有限制,RTDS接受的模拟量信号不会越出±5V。
(3)每间隔15°控制角,计算Uf=1.35U2COS(a)及Uc的变化量之比ΔUf/ΔUc,要求ΔUf1/ΔUc1=ΔUfi/ΔUci,角度计算误差不超过发电机空载额定值的1.5%;
(4)改变U2应不影响ΔUf/ΔUc;
(5)测定最小和最大控制角;
(6)采用分别切除同步信号,检查保留相的移相范围,确认同步回路采用各相独立的同步触发回路;
(7)随机突变UC不少于5次,测量UC突变到控制角变化的时间,求得移相触发脉冲的更新周期(大型机组要求一般不大于3.3ms)。
5.1.5AVR比例增益检查试验
当AVR的增益不确定或对具体设置有疑问时,可以进行本项试验。
要求测量误差≤5%。
推荐试验方法如下:
方法1:
(1)临时取消AVR中PID调节的积分和微分环节,同时降低AVR的直流或比例增益;如串联校正环节,令T1=T2,T3=T4,可取消积分和微分环节;若采用并联校正环节,设置Ki=Kd=0,或将积分和微分环节输出限制置零,同样可达到目的。
AVR的增益可选择临时降低到预设值的1/5~1/10p.u.;
(2)实际AVR与RTDS闭环运行,调节AVR给定值由50%~105%变化,调整步长为10%;
(3)用录波器分段平滑记录发电机定子电压Ut、PID控制电压Uc,并由AVR显示直读给定Vref值,计算AVR的比例增益为K’=(Uc1-Uc2)/[(Uref1-Ut1)-(Uref2-Ut2)],最终值取多次计算的平均值:
Kp=(ΣK’/N)*(1/5~1/10)(p.u.)
方法2:
开环测试
AVR输出断开。
当积分微分退出后,电压测量加入100%电压,检查电压给定100%时UC=0。
进行电压给定阶跃,记录UC前后稳态值。
注意:
UC的上下限应是+1和-1。
矫正环节的增益等于ΔUc/ΔUref。
该增益应当与设定相同,如果与设定不相同,需要制造厂给出说明。
比如ABB就不同,其在文件中说明实际增益等于KDC/顶值因子,并提供顶值因子的计算式。
如果UC的上下限不是+1和-1,需要修正增益。
方法3:
闭环测试
(1)临时取消AVR中PID调节的积分和微分环节,同时降低AVR的直流或比例增益;
(2)进行发电机空载10%阶跃响应试验;
(3)计算比例增益:
Kp=ΔUc*/ΔUt*,注:
ΔUc*=(Ucmax-Uc0)/Ucb。
其中:
ΔUc*和ΔUt*分别表示Uc和Ut的变化标幺值。
5.2发电机空载试验
5.2.1标幺值确定
确定受测系统的标幺值主要是保证RDTS系统的安全性及后续试验的可信度。
性能要求:
通过发电机电压突降获得调节器输出上限值Urmax。
推荐定标方法如下:
(1)RTDS运行平稳后与实际AVR联接,检查发电机空载及负载运行方式下静态数据准确、小扰动试验稳定、实际AVR各限制和附加控制环节无异常报警信号;
(2)保持发电机空载状态,将实际AVR中空载励磁电流限制、控制角限制、调压范围限制死区限制等各种限制全部退出,进行±20%阶跃响应试验;
(3)检查控制电压Uc是否达到极限、是否超过±5V限定值,控制角α是否已达确定限制值,定义符合要求的Uc最大输出值为cosαmin;
(4)进行大扰动试验,阶跃量为ΔUt*,此时应保证Uc达到上限时,Vr=Vrmax,但未出现饱和受限制情况。
当满足条件(4)时符合关系式:
(a)Vrmax=1.35U2/Ufb*(ΔUt*Kp+Uc0),Uc0为阶跃响应试验初始值。
(b)Vrmax/Uc=KR,KR为移相触发环节和可控硅整流器的综合增益,理论上当不计换相压降时有:
Vrmax=1.35U2*cos(a),U2*=U2/Ufb—励磁变二次电压标幺值。
(c)Vrmin实测值应等于按照最大控制角计算的Ur值。
5.2.2实际AVR自动零起升压试验
性能要求:
国标规定发电机零起升压时,自动电压调节器应保证发电机电压最大值不大于额定值的110%,振荡次数不超过3次,调节时间不大于10s.
推荐试验方法如下:
(1)在RTDS系统中,发电机转子出口正向限制上增加Uc*0.05的偏移量,使发电机转子获得初始电压;
(2)调节器投入自动方式运行、自动升压,录波观察发电机电压是否出现超调,记录达到稳态值的时间;
注:
,当励磁调节器在试验室环境下控制逻辑不满足要求时,本项试验可以不做。
5.2.3发电机空载阶跃响应试验
行业标准规定:
发电机空载阶跃响应,阶跃量为发电机额定电压的5%,超调量不大于阶跃量的30%,振荡次数不大于3次,上升时间不大于0.5s,调节时间不大于5s.较小的上升时间和适当的超调量有利于电力系统稳定,实际按照上升时间0.2-0.3s,超调量10%左右进行整定。
推荐试验方法如下:
(1)表述AVR电压控制主环的传递函数框图及参数设置;
(2)估算励磁系统稳态和动态增益。
励磁系统稳态增益大于发电机同步电抗/电压静差率;励磁系统动态增益应满足当发电机电压下降15%时,励磁系统输出达到强励顶值,或者调节器输出达到Urmax。
(3)用实际AVR给发电机空载升压后,观察机端电压是否稳定。
如果不稳定,调整PID参数,直到电压稳定为止,记录发电机空载额定电压时,磁场电压数据Uf0。
(4)进行5%阶跃响应试验,记录发电机定子电压Ut、磁场电压Uf,励磁机转子电压Uef或控制电压Uc波形,计算性能指标。
选择较小的上升时间和适当的超调量下的PID参数作为试验典型参数。
5.2.4AVR输出线性度检查
性能要求:
发电机空载阶跃试验中,励磁系统动态增益:
KD=[(Ufmax-Uf0)/Ufb]/ΔUt*应保持不变,最大测量误差不应超过设定值的5%。
式中Ufb、Uf0、Ufmax分别表示发电机磁场电压基准值、初始值和最大值,也可用Uc进行计算。
推荐试验方法如下:
(1)对实际AVR加入2~15%阶跃扰动,启动录波器录波,观察AVR的输出是否和加入的阶跃扰动量成正比关系。
(2)检查AVR输出波形对称性良好后,进行动态增益KD的计算。
5.2.5实际AVR与AVR模型之间空载阶跃响应对比试验
(1)根据以上试验确定的实际AVR参数,建立RTDS的AVR模型,进行与上述相同工况的空载阶跃试验。
(2)对比试验性能要求见表1
表1:
发电机空载对比试验国标要求及入网检测标准
5.2.6检查AVR参数改变时,对励磁系统性能的影响
国标规定PID调节的两种典型方式分别为:
串联校正型和并联校正型,目前对这两种PID参数变化时的特性已基本掌握,因此只有在AVR软件编制不规范或硬件计算离散化步长过大,导致测量特性严重偏离理论值的情况下,才有必要进行本项试验。
推荐试验内容如下:
(1)将AVR的直流增益Kdc在试验典型参数±50%范围内变动,进行5%阶跃响应试验,比较机端电压达到90%稳态值时间T90%、达到到最大值时间Tp、超调量Mp和动态增益KD的改变;
(2)将AVR的微分时间常数在试验典型参数±50%范围内变动,进行5%阶跃响应试验,比较T90%、Tp、Mp和KD的改变情况;
(3)将AVR的积分时间常数在试验典型参数±50%范围内变动,进行5%阶跃响应试验,比较T90%、Tp、Mp和KD的改变情况;
(4)对于串联校正型PID,可以在保持(1+T1S)/(1+T2S)不变的条件下,检查(1+T3S)/(1+T4S)比值关系发生变化时,T90%、Tp、Mp和KD的改变情况。
5.2.7调节器手动调压范围测定
性能要求:
国标要求手动调压范围是:
下限不高于发电机空载额定励磁电流的20%,上限不低于发电机额定励磁电流的110%。
因实际系统中对发电机磁场电流有限制要求,且AVR的限制是以发电机负载工况下的额定磁场电流为基值进行控制的,故仅依靠发电机空载试验是不能检查全部调节范围的,必须分两段进行试验,推荐试验方法如下:
(1)发电机空载运行,调节器投入手动运行方式,检查转子电流测量环节的误差正常后,通过增磁把手进行减磁操作,将发电机电压减低到20%;进行增磁操作,将发电机电压升到额定值。
整个过程应连续稳定。
(2)发电机并网运行,继续进行增磁操作,直到最大调整极限,记录AVR给定值Vref、发
电机机端电压Ut、磁场电流If、有功功率P、无功功率Q等电量的数据,检查磁场电流If上限应满足要求。
整个过程应连续稳定。
5.2.8调节器自动调压范围测定
性能要求:
国标要求自动调压范围是发电机空载额定电压的70%~110%。
推荐试验方法如下:
(1)实际AVR投入自动运行方式,通过增减磁操作,将发电机电压从最低值升到最高值,并记录结果。
整个过程应连续稳定。
检查发电机空载时AVR自动调压范围与定值相符。
(2)调压速度检查:
国标规定:
同步发电机在空载运行状态下,自动电压调节器和手动励磁调节器的给定值变化引起发电机电压变化的速度在每秒0.3%~1%的发电机额定电压之间。
检查实际AVR应满足上述要求。
5.2.9调节器自动—手动切换试验
性能要求:
机端电压在AVR切换过程中,波动幅值不应超过额定电压的1%推荐试验方法如下:
(1)实际AVR手动环节(即磁场电流恒定方式)按制造厂经验参数设置;
(2)调整发电机电压为空载额定值;
(3)进行实际AVR自动—手动和手动—自动方式的切换;
(4)AVR切换过程中若出现较大的扰动,应补充进行AVR手动阶跃试验,并重新调整相关参数,直到满足要求为止。
(5)确定AVR手动环节参数。
5.2.10实际AVR手动阶跃响应试验
只在发现AVR手动方式不满足要求时,才有必要进行本项试验
性能要求:
发电机空载AVR手动方式下10%阶跃试验,机端电压超调量≤30%。
5.2.11自动逆变灭磁试验
性能要求:
AVR自动方式下逆变灭磁试验中,可控硅整流器的控制角α应达到最大值,且控制电压波形Uc在逆变过程中应平滑连续。
推荐试验方法如下:
(1)考虑到发电机转子电感效应,磁场电流不能突变、不应出现磁场电流负值,因此当发电机定子电压标幺值低于0.05时,将发电机磁场电流出口限制置为0,从而消除“正反馈”问题;
(2)调节器投入自动运行方式,升压到额定值,启动实际AVR停机程序后录波,记录Ucmin、αmax及灭磁时间常数。
5.2.12过激磁限制VFL及保护试验
性能要求:
VFL(V/Hz)限制定值应与发电机保护相配合,有反时限或定时限延时(一般应采用不少于8点描述的反时限特性),限制动作时,定值应准确,测量限制动作时的机端电压与设置误差应小于1%,不应出现超调。
对定时限和反时限分别进行测定。
推荐试验方法如下:
(1)静态试验确认VFL限制定值:
包括启动值、动作值、返回值及相应的延时时间;确定VFL介入AVR方式和介入位
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