wuhan hua da electric auto-technique co., ltd
電力系統動態模擬實驗系統
操作使用說明書
武漢華大電力自動技術有限責任公司
第一章電力系統動態模擬簡介
1.1 電力系統動態模擬的特點
電力系統動態模擬是電力系統物理模擬。它是根據相似理論建立起來的，具有與原型相同物理性質的物理模型。是實際電力系統按一定比例關係縮小了的，而又保留其物理特性的電力系統複製品。
電力系統動態模擬主要由模擬發電機、模擬變壓器、模擬輸電線路、模擬負荷和有關調節、控制、測量、保護等模擬裝置組成。電力系統動態模擬具有下列一些特點。
1．可以在模型上直接觀察到所研究的課題在電力系統中產生的全部物理過程，獲得明確的物理概念，並可很方便地對電力系統特性和諸過程進行定性的研究。
2．對目前還不能或不完全能用數學方程很好地描述的問題，可以方便地利用動態模擬探求問題的物理本質，也可以校驗現有理論和教學模擬的合理性、正確性，使理論和數學模型更加完善。
3．對一些新型的繼電保護和自動裝置，可以直接接入動態模擬來研究。例如，新型的繼電保護可以接在動態模擬系統中，進行各種短路故障試驗，考核保護裝置的各種效能。為校驗繼電保護的效能，在原型系統中製造各種短路事故是不可能的。
動態模擬的缺點是模擬裝置加工比較困難，建設週期長，投入經費大，同時引數的調整受到一定的限制，對比較複雜的原型系統一般需要進行一些簡化，才能在動模上進行試驗研究。
1.2 電力系統主要元件的模擬
根據相似理論，模型和原型系統的物理現象相似，意味著在模型和原型中，用以描述現象過程的相應引數和變數在整個研究過程中，保持乙個不變的、無量綱的比例係數。滿足這個相似判據的模擬系統，其引數和變數以標么值表示的數值在整個過程中與原型的相等。在動態模擬中，還希望模型和原型的物理現象有相同的時間標尺，即模型和原型各元件的時間常數，例如發電機勵磁迴路的時間常數td0，機組慣性時間常數tj等，以秒為單位表示應該相等。
下面討論各主要元件的模擬。
（一）同步電機的模擬
同步電機包括同步發電機、同步電動機和調相機，它是電力系統中的主要元件。對用以研究電力系統過渡過程的動態模擬來說，重要的是研究同步電機的電磁過程和機電過程。對電機內部的電磁場過程、發熱溫公升過程等是不著重研究和不要求相似的。
對同步電機的相似判據來說，精確的模擬要求以標么值表示的模擬電機的一切引數與原型的相等。就目前能較精確地描述同步電機電磁暫態過程的派克方程來說，要求派克方程中各引數，模型和原型的標么值相等；電機的非線性特性，例如空載特性曲線、電機的頻率特性相似；時間常數相等。
由電機設計原理可知，把大型同步電機的幾何尺寸按比例縮小，並不能保證小型電機的引數與原型相似。由於普通小型同步電機的特性和引數與大型同步電機差別較大，不能很好地反應原型的暫態過程。例如以標么值表示的小型電機的電阻和短路損耗較大型電機大許多倍，帶負荷的發電機端部發生突然短路時，大型電機的轉子立即加速，而普通小型電機則首先制動，然後加速，這就嚴重地歪曲了電機的過渡過程。
模擬同步電機需要專門設計。採用加大導線截面、降低電流密度、定子採用深槽等方法降低定子繞組電阻；採用減小電機氣隙、降低磁通密度等方法，提高電樞反應電抗；阻尼繞組採用粗銅條降低其電阻；為了使模擬電機能用以模擬慣性時間常數較小的原型機組，模擬電機的轉子直徑受到限制。轉子勵磁繞組的電阻和轉子迴路時間常數的相似，不能以增加轉子用銅量來完全解決，一般採用補償方法，使轉子迴路時間常數與原型相等，在轉子軸上加裝飛輪片可以提高機組的慣性時間常數，使之與原型相等。
製造好的模擬電機，其引數的有名值是確定的。一般來說，乙個模擬電機的定子可以配用不同的轉子，以便取得不同的一組引數和特性。模擬發電機引數的標么值，可以通過下列方法調整：
1．選用不同的基準容量。選用不同的基準容量，可以改變電機電抗的標么值，可以改變機組的慣性時間常數tj值。
2．選用不同的電壓基準值。選用不同的電壓基準值，可以改變電抗的標么值，但電壓基準值的選擇應考慮電機空載特性的相似，還需要考慮變壓器的抽頭和電壓互感器的變比能否滿足要求。
3．外串電抗 x。只有在定子漏抗不足時，才採用外串電抗以增加電機的電抗值。由於外串電抗能影響到電抗xd、x d和x d的比例關係，因此還必須考慮到xd ＋ x 、x d ＋ x 和x d ＋ x 與原型相似。
如果發電機出口沒有負荷，是發電機——變壓器組接線，又不研究在發電機出口故障產生的擾動，則外串電抗 x，可以用增加變壓器的漏抗來代替。
4．在轉子軸上加飛輪片。如果機組慣性時間常數較小，可以在轉子軸上增加飛輪片以增加機組慣性時間常數tj。
5．改變勵磁迴路的負電阻值。改變勵磁迴路的負電阻值，可以改變轉子迴路的時間常數。詳見勵磁系統模擬部分。
6．調換轉子。乙個定子可配用不同的轉子，例如隱極機、凸極機。氣隙不同的轉子，可以得到不同的引數和特性。
同步發電機的勵磁系統對電力系統的正常執行和過渡過程將產生重要的影響，勵磁系統模擬是電力系統動態模擬的重要組成部分。勵磁系統模擬應包括如下內容：
1．模擬發電機轉子勵磁迴路時間常數——定子繞組開路的轉子勵磁迴路的時間常數td0與原型的相等。
由於受轉子慣性時間常數等條件的限制，模擬發電機轉子勵磁迴路的時間常數td0一般都比原型的數值小，為使電機過渡過程與原型相似，應較精確地模擬td0值。通常在勵磁迴路串加負電阻器，以減小勵磁迴路總電阻值，使td0與原型相等。
在現實世界中不存在負電阻器這種東西，但可以通過一定的方法模擬負電阻特性，製造出等效負電阻器來，圖1-1是勵磁迴路時間常數補償原理接線圖。圖中nr為武漢華工大電力自動技術研究所研製的負電阻器，它正向串接在轉子迴路。
圖1.1 勵磁迴路時間常數補償原理接線圖
在同步電機的勵磁迴路中，串接乙個與同步電機的勵磁電源電勢同方向而且正比於勵磁電流的附加電勢，其作用必然助長勵磁電流，這與正電阻阻止勵磁電流的作用正好相反，其作用等同負電阻。若將其視作勵磁繞組的一部分，則可認為勵磁繞組的直流等效電阻得到減小，即此附加電勢起到負電阻的等效作用。
模擬同步電機勵磁迴路的暫態方程為：
1-1)
式中ec為負電阻器的補償電壓，它與勵磁電勢uf同相，正比與勵磁電流ec=ifrc，rc為補償的負電阻值。
由（a-1）式得：
由此可得到勵磁迴路的等效時間常數td0為：
1-2)
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