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1、电力系统分析综合实验指导书浙江大学电气工程学院电机工程学系浙江大学电力经济及信息化研究所2015年4月杭州玉泉前 言电力系统分析综合实验课程作为高等学校电气工程及其自动化专业（电力系统方向）的专业课程，希望通过学生自己动手，获得更强的实际系统概念，要求学生通过本课程学习，掌握发电机并网调节，稳态运行方式改变，有功和无功调节和暂态稳定。随着电力系统分析理论和方法研究的深入和完善，以及计算机技术的进步，电力系统数字模拟（数字仿真、即建立数学模型、列出数学方程并进行求解和分析）技术得到了迅速的发展和广泛的应用，并在实践中取得了巨大的成果和效益。同时作为电力系统研究和实验的另一种重要方法电力系统动态模
2、拟，同样是目前研究运行中的和筹建中的电力系统的重要工具，也是训练系统运行人员和电力系统专业的良好有效的教学工具。完整的电力系统分析要求既需要掌握电力系统数字模拟（数字仿真）技术，也需要掌握电力系统动态模拟技术。电力系统分析综合实验通过同步发电机准同期并列实验和对单机无穷大系统的动态模拟，了解和掌握同步发电机的并网原理和操作；通过励磁控制实验，学习如何稳定电压，合理分配无功功率和提高电力系统稳定性；通过实际动态模拟系统的示范试验，学习利用动态模拟设备研究电力系统问题的综合知识和方法；学习试验研究结果的整理和分析、以及试验报告的制定。本实验采用的实验装置为武汉华工大电力自动技术研究所生产的“WDT
3、-型电力系统综合自动化试验装置”，示范实验为电力系统综合动模实验系统。编制：王康元校对：徐 亮审核：江道灼！实验前必须认真学习实验指导书，切实掌握实验内容、操作步骤和有关注意事项。目录目录1第一章 电力系统动态模拟2一电力系统动态模拟原理及其特点3二模拟要素3三模拟比例和模拟系统额定值的选择5四模拟试验中的测量6第二章 电力系统分析实验装置7一、WDT-型电力系统综合自动化试验装置7二、电力系统综合动模实验系统9第三章 同步发电机准同期并列实验11一实验目的11二原理与说明11三实验项目和方法12四分析与思考15第四章 单机无穷大系统实验16一实验目的16二原理与说明16三实验项目和方法16四
4、分析与思考18第五章同步发电机励磁控制实验19一、实验目的19二、原理与说明19三、实验项目和方法20四分析与思考29第六章 电力系统暂态稳定实验30一、实验目的30二、原理与说明30三、实验项目与方法31四、分析和思考35第一章 电力系统动态模拟一电力系统动态模拟原理及其特点电力系统动态模拟是一种根据相似原理建立起来的物理模拟，能保证在模拟系统上所反映的过程与实际系统中的过程相似，并且模型上的过程与原型的过程具有相同的物理实质，所以电力系统动态模拟实际上就是电力系统在实验室的复制品，是研究电力系统原型或预建电力系统的一个重要实验工具。电力系统动态模拟具有以下特点：1、能方便直观地重现实际电力
5、系统的各种运行状态和暂态过程，因此具有比数学模型更接近第一性的特点；2、能方便重复地进行电力系统各类故障的实验研究，这种实验在实际电力系统中进行时往往受到种种限制，因而是很难经常全面进行的；3、对于某些新问题或物理过程由于受到现阶段认识的限制，很难确立对象的数学模型、写出数学方程，这时数字模拟就很难进行仿真，而物理模拟则可以研究这些物理过程并探求过程的本质；4、在动态模拟系统上可以接入工业用的控制、调节和保护装置，从而进行初步的运行考验，以检验其性能，同时为参数的整定和装置的改进提供依据；5、动态模拟具有一定的通用性，能较方便地模拟不同的电力系统。因此，电力系统动态模拟是目前研究运行中的和筹建
6、中的电力系统的重要工具，也是训练系统运行人员和电力系统专业的良好有效的教学工具。它与数字模拟相配合，才能保证电力系统的实验研究工作的有效性和可靠性。二模拟要素电力系统动态模拟包括同步发电机、原动机、变压器、输电线路、负荷、等值系统（相当于无限大系统）模拟等：同步发电机模型机的参数（同步电抗、瞬变电抗、超瞬变电抗、负序电抗、零序电抗、时间常数和惯性时间常数等）按与原型机的标么值相等的条件进行模拟。原动机在研究现代电力系统运行及其过渡过程时，仅仅考虑系统中各电路元件的参数和特性是不够的，还必须考虑包括调速系统在内的整个原动机的特性。在电力系统动态模拟上，一般不去研究原动机内部的过程和它的结构，主要
7、是研究电力系统中的机电过程，所以原动机的模拟要求反映其轴上转矩变化过程与原型机相似。变压器电力系统动态模拟研究的是电力系统的电磁过程，因此可以一个集中参数元件来模拟（变压器短路电抗、铜耗、短路损耗、额定电压下的空载励磁电流、空载损耗、零序电抗的标么值及标么空载特性与原型相等）。模拟变压器初级与次级绕组都分成许多组，通过串、并联的方法获得模拟所要求的变比。磁路系统有可调的磁分路，以改变模拟变压器漏抗的标么值和原型相同。输电线路输电线路是具有分布参数的电路，而在实验室中实现较为困难。电力系统动态模拟只要求线路上的某些点的电压和电流随时间变化过程相似，因此可用等值链形电路以分布集中参数来模拟分布参数
8、。负荷电力系统的负荷是一个复杂的多变量函数，各种不同的负荷在电力系统过渡过程中产生的作用各不相同。因此，应从电力系统负荷的实际调查出发，对各种负荷的比例作适当的配置，以尽量达到原型或接近原型。实际负荷中主要的类型有异步负载、同步负载、整流负载、照明负载、电热负载、线路损耗及其他。等值系统等值系统模拟的特点是：其容量远远大于某个发电厂的容量，相比较之下可以认为是一个无限大系统，其模拟电压要求可调，以便等值系统的电压等级可变。通常用容量远大于模拟发电机容量的感应调压器来模拟等值系统。如本实验装置中同步发电机的容量为2.5kVA，无穷大系统（自耦变压器）的容量为15kVA。三模拟比例和模拟系统额定值
9、的选择模拟比例指研究对象原系统的有关参量和模拟系统的实际量之间的比例关系。当各种量纲的模拟比例保持了在原系统中各不同量纲之间的关系时，在模拟系统中出现的各种现象就能按比例地反映原系统的现象。电力系统中存在着以下关系：， （式1），令m表示各物理量的模拟比例，即，并有如下的关系：其中：功率比值：电压比值：电流比值：阻抗比值在动态模拟系统中，往往采用，这样，各变量的时间坐标及相角关系可以和原型保持一致，因为模拟系统与原系统的频率相同，同时下列的模拟比例关系成立：，其中：电感比值：电容比值：时间比值模拟比例的选择：上述在电压、电流、阻抗、功率的相互关系中，可以建立两个独立方程式（式1），但却包括了四
10、个模拟比，因此可以根据实验室模拟设备的限制条件，任取两个比例值，并根据两个方程式来确定余下的两个比例值，这样模拟系统与原型系统才具有相似性。模拟系统额定值的选择要根据模拟试验室的设备情况来确定。四模拟试验中的测量电力系统中一些电气量的量测是通过电压互感器和电流互感器进行的，由于系统容量很大，电压互感器和电流互感器以及测量表计从系统中吸取的功率可以忽略不计。电力系统动态模拟中一些电气量的量测是通过模拟电压互感器以及模拟电流互感器进行的，由于模拟系统容量远小于原型，模拟系统的互感器及测量设备所吸取的功率对模拟系统来说就占有一定的比重，甚至对主回路的过渡过程产生较大的影响，使模型上的研究结果产生误差
11、。所以模拟互感器需要特殊设计，除了准确满足测量要求外，希望它从主系统吸取的功率尽量的小。同时从接在互感器2次侧的表计中读取数据时需经过折算（模拟互感器的变比）才能得到模拟系统的实际值。第二章 电力系统分析实验装置一、WDT-型电力系统综合自动化试验装置电力系统分析实验采用的实验装置为武汉华工大电力自动技术研究所生产的“WDT-型电力系统综合自动化试验装置”。本试验装置主要是为开设与电力系统运行（稳态及暂态）有关的教学实验而设计的。试验装置中的发电机、原动机、励磁系统及输电线路虽然没有按与实际电力系统的相似条件来进行物理仿真，但保持了“单机无穷大”系统的特性，可以定性地、反复地、直观地实验和观测
12、实际电力系统的各种运行状态。发电机组它是由同在一个轴上的三相同步发电机（SN2.5kVA，UN400V，nN1500r.p.m），模拟原动机用的直流电动机（PN2.2kW，UN220V）以及测速装置和功率角指示器组成。直流电动机、同步发电机经弹性联轴器对轴联结后组装在一个活动底盘上构成可移动式机组。具有结构紧凑、占地少、移动轻便等优点，机组的活动底盘有四个螺旋式支脚和三个橡皮轮，将支脚旋下即可开机实验。试验操作台它是由输电线路及保护单元、功率调节和同期单元，仪表测量和短路故障模拟单元等组成。输电线路采用具有中间开关站的双回路输电线路模型，并对其中一段线路设有“YHB-型微机保护”，此线路的过流
13、保护还具有单相自动重合闸功能。功率调节和同期单元，由“TGS04型微机调速装置”、“WL04B微机励磁调节器”、“HGWT03微机准同期装置”等微机型自动装置以及和其相对应的手动装置组成。仪表测量和短路故障模拟单元由各种测量表计及其切换开关、各种带灯操作按钮以及观测波形用的测试孔和各种类型的短路故障操作等部分组成。实验中的操作均在试验操作屏台上进行。无穷大系统无穷大系统是由15kVA的自耦变压器组成。通过调整自耦变压器的电压可以改变无穷大母线的电压。试验操作台的“操作面板”上有模拟接线图、操作按钮和切换开关以及指示灯和测量仪表等。操作按钮与模拟接线图中被操作的对象结合在一起，并用灯光颜色表示其
14、工作状态，具有直观的效果。红色灯亮表示开关在合闸位置，绿色灯亮表示开关在分闸位置。本实验系统是一种物理模拟。原动机采用直流电动机来模拟，当然，它们的特性与大型原动机是不相似的。原动机输出功率的大小，可通过给定直流电动机的电枢电压来调节。实验系统用标准小型三相同步发电机来模拟电力系统的同步发电机，虽然其参数不能与大型发电机相似，但也可以看成是一种具有特殊参数的电力系统的发电机。发电机的励磁系统可以用外加直流电源通过手动来调节，也可以切换到台上的微机励磁调节器来实现自动调节。实验台的输电线路是用多个接成链型的电抗线圈来模拟，其电抗值满足相似条件。“无穷大”母线就直接用实验室的交流电源，因此它是由实
15、际电力系统供电的，因此，它基本上符合“无穷大”母线的条件。为了进行测量，实验台设置了测量系统、以测量各种电量（电流、电压、功率、频率）。为了测量发电机转子与系统的相对位置角（功率角），在发电机轴上装设了闪光测角装置。此外，台上还设置了模拟短路故障等控制设备。本试验装置的一次系统接线图如下：二、电力系统综合动模实验系统电力系统综合动模实验系统是一种用于电力系统动态特性及相关新设备研究的物理模拟。由于电力系统及其暂态稳定的复杂性，在进行理论分析的同时必须进行实验研究。电力系统综合动模实验系统是专门进行电力系统实验研究的重要场所，为电力系统电磁机械动态的研究服务。电力系统综合动模实验系统可以方便地进行系统暂态研究分析。电力系统暂态是在系统受扰动（例如断线、断路器故障等）后所引发的异常状态。在这种受扰动情况下，电力系统及其组成部分受到的压力远远超过其稳定运行状态。执行暂
