电力系统综合实验.docx
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电力系统综合实验
电力系统综合实验
电力系统综合实验 一.概述 电力系统的研究方法可以概括为理论研究和科学实验研究两种途径。
理论分析是非常重要的,它阐明电力系统的基本原理并探索新的理论和方法。
但是,于电力系统的复杂性,很多问题仅靠理论分析是不够的,只有把理论分析和科学实验结合起来,才能得到正确的结论。
电力系统的实验研究可在实际的电力系统上进行,也可在模拟的电力系统上进行。
在原型上进行实验研究,往往受电力系统的安全、经济运行的限制。
如短路实验等一般不能在原型系统进行;对于发展规划中的一些问题,有时更难以在现有的电力系统上进行。
在模拟系统上进行实验研究,显然没有这些限制,因此模拟实验在电力系统研究工作中占有重要地位。
电力系统模拟方法有数学模拟和动态模拟两种方法。
数学模拟是建立在数学方程式的基础上的一种模拟研究方法。
首先建立原型的数学模型,然后通过求解方程从而得出结论。
随着计算机的快速发展,利用计算机仿真研究电力系统的数学模拟方法有着广阔的前景。
只要能建立相应的数学模型,就可以方便的利用数字计算机进行研究。
这种方法投资小,方案、参数调整方便,且速度快。
但建立数学模型受到诸多因素的影响,其准确与否受到主观限制。
比如某些简化是否合理,某些因素忽略是否正确等,直接影响到建模的正确性和得出的结论。
电力系统动态模拟是电力系统的物理模拟。
是根据相似理论,用和原型系统具有相同物理性质的相似元件建立起来的。
电力系统动态模拟是建立与原型相似的物理模型,通过模拟实验得出结论的方法。
电力系统动态模拟主要模拟发电机、模拟励磁系统、模拟变压器、模拟输电线路、模拟负荷和有关调节、控制、测量、保护等模拟装置组成。
动态模拟实验物理概念清晰,直观,且能真实反映实际系统的特征。
但建立动态模型投资大,且实验方案、参数调整复杂。
于数学模拟和动态模拟各具优缺点,互相补充验证,也是目前研究电力系统的重要方法。
二.模拟理论及动态模拟的作用 1.模拟理论 根据相似理论,模型和原型的物理现象相似,意味着在模型和原型中,用以描述现象过程的相应参数和变量在整个研究过程中,保持一个不变的、无量纲的比例系数。
满足这个相似判据的模拟系统,其参数和变量以标么值表示的数值在整个过程中与原型的相等。
在动态模拟中,希望模型和原型的物理现象有相同的时间标尺,即模型和原型各元件的时间常数,例如发电机励磁回路的时间常数Td0,机组的惯性时间常数TJ等,以秒为单位表示应该相等。
电力系统动态模拟又可描述为:
将实际电力系统参数按一定比例缩小,并保留其物理特 1性不变,建立一个模型,通过在模型上进行实验得出结论的方法。
原型系统参数的有名值与模型系统参数的有名值之比称作模拟比。
模拟比一般有四个,即功率模拟比mp、电压模拟比mv、电流模拟比mI、阻抗模拟比mx,分别定义如下。
mp= IyImSySmmv== Sy/SmUy/Um2UyUm mpmv2mI= = Sy/UySm/U2= mv2mmx= XyXm= Uy/SyUm/Sm2= Uy/UmSy/Sm= mp 时间t、时间常数T、角度δ、频率f模拟比取1:
1。
按模拟比缩小后,原型和模型参数若取各自基准值,则描述原型和模型的参数的标么值是完全一样的。
取阻抗证明如下。
mv因为 mx= 2Uy/Um= 22Uy/Sy= 2Uy= 2Sm× mpSy/SmUm/Sm2SyUm2 代入 Xy=mx×Xm Uy则 Xy= 2Sm× SyUm2×Xm Sy整理得 Xy× Sm=Xm× Uy2Uy2Um2 取原型基准值 XyB= Sy2 取模型基准值 XmB= UmSm 所以 Xy*=Xm*即原型的电抗标么值等于模型的电抗标么值。
保留物理特性是指过渡过程一样,也就是时间常数等一样。
大家知道,描述电力系统一般是微分方程。
按上述理论,描述原型的微分方程和描述模型的微分方程对应参数的标么值一样,过渡过程一样,则从数学角度看,两个方程完全一样。
2这样,模型的解也就是原型的解。
因此,模型的实验结论也就是原型的实验结论。
建模:
原型参数是一定的,模型应满足。
一般,实验室发电机的容量和电压是确定的,系统的容量和电压是给定的,先确定功率模拟比和电压模拟比,求出电流模拟比和阻抗模拟比。
一般电抗和时间常数需调整,比如外串电抗以补偿Xd、Xd?
、加飞轮片以满足惯性时间常数要求等。
另外计算模拟输电线路的电抗、电容、电阻都需要阻抗模拟比。
有关建模计算可参考后面的模拟计算举例。
2.动态模拟的作用 电力系统动态模拟实验室,就是按照模拟理论实际系统对应的模拟元件及控制、保护、测量等设备组成的、能模拟实际系统各种现象的实验室。
其作用有:
(1)可接入原型设备调试。
比如保护装置;微机励磁装置;微机故障录波器;变电站安全自动装置等。
这些新产品在投运前一般需要在动模上进行调试和检验。
需要说明的是,保护等原型装置的输入量均为二次侧量,即输入电压均为通过PT后的二次侧电压100V;输入电流均为通过CT后的二次侧电流5安培,这点原型和模型二次侧的量是一样的,所以动态模型可直接接入原型设备。
探索新规律。
对目前还不能或不完全能用数学方程很好地描述的问题,可以方便地利用动态模拟探求问题的物理本质。
比如弄清某些参数的影响程度,非正常运行下的各参数的变化规律从而进行故障诊断,或根据实验结果提出新的原理、理论等。
检验新理论。
对研究电力系统过程中提出的新的理论或新的算法,都可以在进行数字仿真成功后,再经动模实验验证。
三.电力系统中各元件的模拟 1.同步电机的模拟 同步电机包括同步发电机、同步电动机和调相机,是电力系统中的主要元件。
对于研究电力系统过渡过程的动态模拟来说,重要的是研究同步电机的电磁过程和机电过程。
对电机内部的电磁场过程、发热升温过程等是不要求相似的。
模拟电机是特殊设计制造的,并非把大型同步电机的几何尺寸按比例缩小,也不是一般普通小型电机。
因为普通小型电机和大型同步电机都是按各自发热等条件设计,电机参数相差较大。
如大型电机电阻小,普通小型电机电阻大,参数不满足。
当带载发电机机端短路时大型电机转子马上加速,而小型电机则先制动再加速,过渡过程不满足。
模拟同步电机需要专门设计,采用加大导线截面、降低电流密度、定子采用深槽等方法降低定子绕组电阻。
采用减小电机气隙、降低磁通密度等方法,提高电枢反应电抗。
阻尼绕组采用粗铜条降低电阻。
为调整输出电压,一般模拟发电机定子每相有两个绕组,采取并绕方式绕制。
两个绕组可并联,也可串联。
为了使模拟电机能用以模拟惯性时间常数较小的原型机组,模拟电机的转子直径受到限制。
因此转子励磁绕组的电阻和励磁回路时间常数的相似,不能以增加转子用铜量来完全解决。
一般采用补偿的方法,使励磁回路时间常数相等。
3在转子轴上加装飞轮片可以提高机组的惯性时间常数,使之与原型相等。
模拟发电机转子和定子应有抽头,以便模拟发电机内部故障,满足发电机保护或发电机故障诊断等课题的研究。
模拟机组虽然采用特殊设计、特殊制造,其参数和特性还需要进行调整。
于原型机组参数不同,且当进行系统实验时,往往需要以一台模拟机组模拟一个等值电厂或一个局部等值系统,这就需要对模拟机组的参数进行调整,以满足相似的要求。
参数调整的目的,就是要使模拟机组的参数与原型等值机组的参数成一定比例,或者两者参数的标么值相等。
调整方法一般如下:
1.选用不同的基准容量。
选用不同的基准容量,可以改变电机电抗的标么值,可以改变机组的惯性时间常数TJ值。
2.选用不同的基准电压。
选用不同的基准电压,可以改变电抗的标么值。
但电压基准值的选择应考虑电机空载特性的相似,还需要考虑变压器的抽头和电压互感器的变比能否满足要求。
3.外串电抗ΔX。
只有在定子漏抗不足时,才采用外串电抗以增加电机的电抗值。
于外串电抗能影响到电抗Xd、Xd和Xd的比例关系,因此必须考虑Xd*+ΔX*、Xd*+ΔX*和Xd*”+ΔX*与原型的相似。
若为发电机-变压器组接线,不考虑发电机出口带载和故障,则可用增加变压器的漏抗代替外串电抗ΔX。
4.在转子轴上加飞轮片,以增加机组惯性时间常数。
5.改变励磁回路电阻,以增加励磁回路时间常数。
6.调换转子。
一个发电机可配不同的转子,可以得到不同的一组参数和特性。
同步发电机的运行参数一般如下:
Xd、Xd’、Xd”、Xq”、Td’、Td”、Tdo、Tdo’、Ta、TJ 其中Xd—同步电抗 Xd’—暂态电抗 Xd”、Xq”—次暂态电抗 Td’、Td”—定子闭合时,转子回路暂态、次暂态时间常数Tdo、Tdo’—定子开路时,转子回路暂态、次暂态时间常数Ta—定子回路时间常数TJ—转子惯性时间常数 本次综合实验将通过不同的实验方法对这些参数进行测定。
’ ” ’ 2.励磁系统模拟 同步发电机的励磁系统对电力系统的正常运行和过渡过程将产生重要影响,励磁系统模拟是电力系统动态模拟的重要组成部分。
励磁系统模拟应包括如下内容。
模拟发电机转子励磁回路时间常数Tdo与原型相等。
励磁方式应与原型相同,对应元件应有相似的参数和特性。
4励磁调节器应与原型相似。
于一般模拟机转子受惯性时间常数等的限制,电阻RL较大,所以模拟发电机转子励磁回路时间常数Tdo一般都比原型的数值小。
解决的办法通常是在励磁回路串加负电阻器,以减小励磁回路总电阻,使Tdo与原型相等。
一般称为负阻器。
解释如下。
图1为未加补偿时的励磁回路,其电压方程为 UL=RLiL+LL 式中UL—转子绕组的励磁电压 RL—转子励磁回路电阻LL—转子励磁绕组电感 求解励磁电流iL(t)时,转子励磁回路时间常数为 Tdo= LLRLdiLdt 图2是负阻器原理接线图。
最直观的负阻器可以用一串激直流发电机串接到励磁回路。
串激直流发电机其它机械拖动,要求保持恒定转速。
当通过励磁电流后,串激直流发电机的电势为 EK=RKiL RK—与串激绕组匝数和电机结构有关的系数。
此可写出加负阻器后励磁回路的电压方程为UL+EK=RLiL+LL diLdtdiLdt 整理得 UL=(RL-RK)iL+LL 求解励磁电流iL(t)时,励磁回路时间常数变为 Td0= LLRL?
RK 即比加负阻器前励磁回路的时间常数增大了。
随着计算机的快速发展,实验 室已普遍采用微机励磁调节器。
微机励磁调节器既可手动控制,又可自动励磁,并可方便的 5
设定励磁方式。
3.变压器模拟 模拟变压器应满足如下要求:
(1)模拟变压器短路电压Uk和原型相等;
(2)模拟变压器短路损耗的标么值和原型相等;(3)模拟变压器以标么值表示的空载特性和原型相同; (4)模拟变压器额定电压时空载电流和空载损耗的标么值和原型相等;(5)模拟变压器的绕组接线方式和原型相同;(6)模拟变压器的磁路系统和原型相同。
一般,模拟变压器同模拟同步发电机一样,为减小电阻和损耗,需要专门设计、制造。
模拟变压器高压侧有许多个绕组组成,以便灵活组合调整变比,模拟匝间短路。
模拟变压器另一个重要参数是短路电压UK,它是漏磁通产生的。
因此短路电压可利用改变磁分路或改变高、低压绕组的位置改变。
图3为用磁分路法改变变压器的短路电压。
在模拟变压器高低压绕组之间插入铁芯,利用改变漏磁通改变变压器的短路电压值。
图3(b)为用不平衡绕组法改变变压器的短路电压。
模拟变压器绕组个数较多,可灵活改变高低压绕组的位置。
利用位置组合改变漏磁通,以改变短路电压。
模拟变压器的变比可以是任意的,不必和原型一样。
图3模拟变压器结构示意图磁分路法不平衡绕组法 4.输电线路模拟 实际输电线路一般为分布参数,三相输电线路之间具有互感和互电容。
在动模实验室中,输电线路模型一般不要求空间电磁场的相似,只要求线路上某节点的电压与电流随时间变化过程与原型相似。
因此一般采用等值“П”型电路,以分段集中参数模型来模拟分布参数模型。
每个“П”模拟一定的实际线路长度,串联起来可模拟不同长度的实际线路。
不同的电压等级每百公里的X、R、b是不同的,可查资料确定。
图4是模拟输电线路三相网络等值接线图,图中参数为 6 X1—正序电抗,Ω/KMr1—正序电阻,Ω/KMb1—正序电纳,1/Ω-KMXN—中线电抗,Ω/KMrN—中线电阻,Ω/KMbN—等值对地电纳,1/Ω-KML—单元π模拟线路长度,KM其中 XN=rN= X0?
X13r0?
r133b0b1b1?
b0 bN= 式中X0、r0、b0分别为零序电抗、零序电阻、零序电纳。
5.负荷模拟 电力系统的负荷一般有热负荷,旋转负荷,无功负荷,整流负荷等组成,是随机分布、经常变化的。
因此,负荷模拟应满足不同功率因数的负荷要求。
(1)一般,综合负荷的模拟应考虑以下比例:
异步电机负荷 55%--65%同步电机负荷 5%--15%整流负荷 5%--10%照明和电热负荷 15%--20%线路损耗及其它 5%--10%
(2)模拟负荷的静态特性与原型相同,即 dP*dv*; dQ*dv*; dP*df*; dQ*df* 等特性相同。
(3)模拟负荷的动态特性与原型相同。
如电动机的机械惯性常数与原型相等,所拖动机械的转矩—转速特性与原型相同。
此外,若专门研究负荷模型,则要对负荷进行较精确的模拟。
6.原动机系统模拟 电力系统的原动机系统包括汽轮机、水轮机和动力部分。
显然,动模实验室模拟汽轮机、 7锅炉、水轮机、水力动力比较困难,一般都采用数学模拟的方法。
原动机系统的模拟一般包括原动机特性的模拟和调速器的模拟。
原动机特性的模拟主要是机组转矩—转速静特性的模拟。
一般汽轮发电机组和水轮发电机组的转矩—转速静特性在额定转速附近都近似为450直线,如图5所示。
用方程式描述为 dMT*=-dω* 式中MT*—原动机转矩的标么值 ω*—原动机角速度的标么值 实验室内拖动模拟发电机的是一台普通直流电动机,如图6所示。
模拟发电机MF直流电动机ZD拖动,直流电动机三相桥式可控硅整流装置供电。
为获得转矩—转速的45特性,从测速发电机引来的转速负反馈信号与给定值比较,又从交流侧引来的电流反馈信号与电流调节器的给定信号进行比较,经过移相、触发单元控制可控硅导通角。
当控制电压UK增加时,整流输出电压增加,反之减小。
图5原动机转矩—转速特性 0 图6模拟原动机系统原理图 图中ZD为直流电动机;MF为模拟发电机;LH为电流互感器;Ug为给定电压。
模拟原动机控制系统框图见图7。
因为转矩正比于直流电动机电流Id,角速度正比于转速n,所以模拟原动机系统静态特性可用下式表示。
ΔIIdn8d?
?
Δnnn 式中ΔId—直流电动机电流变化量 Idn—直流电动机电枢电流额定值 Δn—对应ΔId,直流电动机的转速变化量 nn—模拟发电机的额定转速 图7模拟原动机控制系统框图 图中K1—速度调节器放大倍数 α—电流反馈量β—速度反馈量 图7可得控制系统电压方程式为 Uβd=K3Uk=K2K3[K1(Ug- n×n)- α×Id] nIdn电枢回路电压方程式为 UnIdd=CeΦn+IdRd=CeΦ× nnn+nI×IdnRd dn式中CeΦn—直流电动机的电势 Rd—直流电动机的直流电阻 令上述、两式右端相等并取变化量形式(忽略RdId和CeΦn变化量)可得 Δn3αΔIdn?
?
K2K?
?
α?
ΔId nK1K2K3β?
IdnK1βIdn调节反馈系数α、β和放大倍数K1使得 αK=1 1β则可得到要求的原动机特性为 9 ΔIIdnd?
?
Δnnn 即 dMT*=-dω* 原动机调速器的模拟可参考电力系统自动化有关书籍,这里不再祥述。
另外,为更精确的模拟原动机系统的调速特性和调速器特性,微机式可控硅整流装置已在动模得到应用。
四.模拟系统方案设计原则 要在动态模拟上对给定的原型系统进行模拟研究,首先,应确定需要模拟的原型系统,然后,在动态模拟实验室构造一个与原型系统结构相同、参数及变量标么值相等、时间常数相等的模拟系统,进而在模型上进行实验研究。
实际电力系统是复杂的,系统结点数、支路数、发电机台数是很多的,负荷是分散的,特性也是多种多样的。
在动模实验室里,要对复杂的电力系统原型进行完全模拟是不可能的,也是不必要的。
建立模拟系统方案时需要考虑以下问题。
1.对需要研究的课题进行分析,明确任务、性质和范围;对需要着重研究的部分,应精确模拟,对于其它部分,可进行简化。
2.对原型系统应有深刻了解,对原型系统参数、特性及原型系统资料进行分析,对研究影响不大或不重要的部分,进行合理简化或等值,尽量使需要模拟的原型系统规模不要太大、太复杂。
3.应考虑实验室现有的模拟设备及其参数、特性,使得最后确定的原型系统的动态模型是实验室可以实现的。
五.模拟计算举例 原型系统如图8所示。
汽轮发电机经变压器、输电线路与无穷大系统相连,用以研究输电线路上发生故障时系统的稳定性问题。
1.原型系统参数计算 设原型系统基准值SB=120MVA,UB=,则原型系统线路参数的标么值为 XlL*=×70×rlL*=×70× -6 12023022== 2120230blL*=×10×70× 如图9所示。
230120= 10
实验一电力系统静态稳定 一.实验目的 1.观察单机对无穷大系统静态稳定破坏的物理过程,增加对静态稳定的感性认识。
2.通过实验加深对电力系统静态稳定性问题基本理论的理解。
3.通过实验研究影响电力系统静态稳定性的因素和提高静态稳定性的措施。
二.实验接线与原理 电力系统静态稳定实验接线如图1-1所示。
图1-1电力系统静态稳定实验接线图 图中:
G为模拟同步发电机;T1为模拟变压器;DL为并车开关;DL1、DL2为线路开关;XL为输电线路电抗。
图1-1等值电路如图1-2所示。
电力系统静态稳定与发电机的功角特性方程式中的参数有直接关系。
发电机功角特性方程式为 P=EqUXd?
sinδ 式中P—系统传输功率 Eq—发电机横轴电势 U—系统侧电压 XdΣ—系统综合电抗 δ—发电机功角 上式中EqU/XdΣ为系统传输功率极限,若此项为定值,则传输功率为功角的正弦函数。
系统综合电抗为 XdΣ=Xd+XT+XL 式中Xd—发电机同步电抗 XT—变压器短路电抗XL—输电线路电抗 16三.实验项目与方法 保持系统电压U=500V,保持发电机电势EQ*=U0*=1,双回线运行,做功角特性并填写实验记录。
实验步骤:
1.设定系统运行方式为双回线运行;2.启动发电机到额定转速; 3.投励磁调节器。
设定励磁调节器运行方式为手动励磁方式,然后调节励磁到发电机额定电压; 4.投同期开关。
调节电压、频率、相位使之满足同期条件然后并车; 5.调节发电机使其输出的有功功率和无功功率为零,并确定功角测量仪零位;6.调节发电机励磁电流为给定值,并保持恒定; 7.保持系统电压U=500V,逐步增加发电机输出的有功功率,记录系统侧的有功功率和功角,填写实验记录。
注意:
发电机失步后迅速解列、断励磁、停机。
保持系统电压U=500V,保持发电机电势EQ*=U0*=1,单回线运行;2.重复实验项目中实验步骤2—7。
(三)保持系统电压U=500V,保持发电机电势EQ*=,单回线运行,做功角特性并填写实验记录。
实验步骤:
1.设定系统运行方式为单回线运行;2.启动发电机到额定转速; 3.投励磁调节器,设定励磁调节器运行方式为手动励磁方式,然后调节励磁到发电机额定电压; 4.投同期开关。
调节电压、频率、相位使之满足同期条件然后并车; 5.调节发电机使其输出的有功功率和无功功率为零,并确定功角测量仪零位;6.调节发电机励磁电流为给定值,并保持恒定; 7.保持系统电压U=500V,逐步增加发电机输出的有功功率,记录系统侧的有功功率和功角,填写实验记录。
保持系统电压U=500V,励磁调节器运行方式为自动励磁方式,单回线运行,做功角特性并填写实验记录。
实验步骤:
1.设定系统运行方式为单回线运行;2.启动发电机到额定转速; 3.投励磁调节器,设定励磁调节器运行方式为自动励磁方式,然后调节励磁到发电机额定电压; 4.投同期开关。
调节电压、频率、相位使之满足同期条件然后并车; 5.调节发电机使其输出的有功功率和无功功率为零,并确定功角测量仪零位; 6.保持系统电压U=500V,逐步增加发电机输出的有功功率,记录系统侧的有功功率 17和功角,填写实验记录。
实验记录 Eq*= IL= XL= δ功角P测量值P计算值四.实验报告 1.根据发电机功角特性方程式和图1-1所给的参数,计算实验项目与方法中、、的系统静态稳定极限。
2.计算实验记录表中P计算值。
3.将每项功角特性的实验曲线和计算曲线绘制在一起,并绘制在同一张坐标纸上。
4.分析、比较不同运行方式下系统静态稳定的功率极限有何不同。
5.总结提高电力系统静态稳定的基本措施。
五.预习要求 1.复习电力系统静态稳定的基本概念。
2.分析影响单机对无穷大系统静态稳定的因素有哪些?
3.手动励磁时,如何保持发电机电势Eq*不变?
自动励磁调节器对系统静态稳定的影响如何?
4.根据发电机功角特性方程式和图1-1所给的参数,计算实验项目与方法中、、的系统静态稳定极限,写出预习报告。
六.思考题 1.为什么自动励磁调节器能提高系统的静态稳定性?
2.实验中,当发电机濒临失步时应采取哪些挽救措施才能避免发电机失步?
18实验二电力系统暂态稳定 一.实验目的 1.观察单机对无穷大系统暂态稳定破坏的物理过程。
2.分析影响电力系统暂态稳定的因素,研究提高电力系统暂态稳定的措施。
3.通过实验加深对电力系统暂态稳定基本理论的认识。
二.实验接线 电力系统暂态稳定实验接线如图2-1所示。
图2-1电力系统暂态稳定实验接线图 三.实验项目与方法 本次实验系统参数同电力系统静态稳定实验一样。
故障点选在系统高压侧、线路首端K点。
故障控制微机式保护/故障模拟控制装置实现。
通过装置菜单设定故障点、故障类型、故障时间、有无重合闸等。
使用方法见《附二微机式保护/故障模拟控制装置使用说明》。
故障控制系统接线如图2-2所示。
图中K1—K5为三相开关,接实验系统的故障点,可同时接五个不同的故障点。
故障分相开关和接地开关