武大电气电力系统自动装置PSCAD仿真实验报告

电力系统自动装置数字仿真实验报告学院：电气工程学院姓名：吕知彼班级：2013级3班学号：2013301610345电力系统自动装置原理数字仿真实验姓名：吕知彼学号：2013301610345班级：2013级3班一．同步发电机的准同期并列操作发电机的准同期并列操作，是在同步发电机已经投入调速器和励磁装置，当发电机电压的幅值、频率和相位与电网并列点接近相等时，通过并列点断路器合闸将发电机并入电网运行的一系列动作。具体参见教材《电力系统自动化》或《自动装置原理》。1.实验预习清楚同步发电机准同期并列的概念和原理。2.实验目的了解数字仿真软件中发电机组的构成，仿真同步发电机准同期并列操作。3.实验步骤(1)将仿真示例copy到电脑。进入PSCAD，打开sync_in_paralell；(2)熟悉模型a.三个时间的设置点右键，再点Projectsetting,再点Runtime，注意Timesetting三个参数的设置，见图2。图2运行相关时间设置Durationofrun(sec):程序计算时间，以秒为单位；Solutiontimestep(s):计算步长，以微秒为单位，两个相邻计算点之间是一个计算步长；如上图的200s,50s，用计算输出的数据来说明，第一个数据的时间坐标是0s,最后一个数据的时间是200s，每两个数据的时间坐标相差50s。Channelplotstep(s):作图步长，以微秒为单位，图上相邻两个点之间的时间是一个画图步长。请将模型计算时间和运行时间区分开，同学们可以看看要得到200s的计算数据，运行时间是多少。记下点击菜单开始运行和结束运行的实际时间，两者之差就是运行时间，该时间与电脑性能密切相关。b.学习各个元件的使用。例如，双击后有图3，图3计时器设置表明：点击菜单运行图标，程序计算时间从0开始计时，当计算时间是0.7s时，该元件的输出由0变为1.再如选择器：，A、B是输入，右端是输出。A双击后有图4选择器设置点击‘Help’,可知如何使用。如上图所填，当Ctrl端等于1，A端输入被选择，输出等于A端输入。c.准同期并列操作控制输出对并列断路器的作用(a)利用菜单的‘望远镜’找到断路器；(b)双击断路器，找到控制断路器开断的控制信号，点击左下角’output’找到的元件，将有箭头指向系统模型中的断路器。图5断路器设置图5中的BRK就是准同期并列操作模块的输出，见图6。图6准同期并列操作控制模型输出部分d.系统模型的构成同步发电机(见文件夹：PSCAD发电机模型使用及其控制)；断路器；电网(用外接电阻电感的三相电源等效)；励磁控制器(见文件夹：PSCAD发电机模型使用及其控制)；原动机与调速器(见文件夹：PSCAD发电机模型使用及其控制)；准同期并列操作控制（3）滑差角速度允许检测设计准同期控制缺滑差角频率允许检测，允许值是0.0025pu，请补全。（4）运行4.实验记录（1）对准同期并列操作控制模型的认识将实现下面各功能的模块图形插入下面对应处（注意不是仿真结果，是模型）：a.电压差允许检测（电压比较）；b.频率差允许检测（频率比较）；c.提前量信号形成（越前相角判断，Ryq是越前相角）。（2）运行结果a.BRK变量的变化曲线；b.断路器两侧电压相角差的变化曲线；c.发电机端电压的变化曲线；断路器合闸时刻的端电压变化d.发电机输出有功、无功的变化曲线；70秒内的发电机输出有功、无功的变化断路器合闸时刻的发电机输出有功、无功变化e.发电机角频率的变化曲线70秒内的发电机角频率变化断路器合闸时刻的发电机角频率变化5.实验分析（1）相角差检测考虑了滑差角速度大于0和小于0两种情况吗？答：没有考虑。由模型可知，相角差PH等于VG与VS相位之差，即电源侧相位减去电网侧相位，滑差角速度Wsi等于W-1，即电源侧角速度减去电网侧角速度，当相角差PH为负时，Wsi大于零时为电源侧电压矢量追赶电网侧电压矢量，在相角差和值在0.1范围内时合闸，而当Wsi小于零时为电源侧电压矢量反方向追赶电网侧电压矢量，因此PH会越拉越大，不会满足给定条件。（2）有什么作用？去掉会出现什么情况？答：延时可以提高合闸可靠性，因为合闸过程中出现的一些暂态过程可能在某个时刻使合闸条件满足，而加上延时环节可以保证在10s内合闸条件均成立断路器才会动作，若去掉延时环节有可能出现断路器误动的情况。6.进一步思考计算越前相角时，如果考虑滑差角速度的变化会改善准同期并列效果吗？请给出考虑滑差角速度变化的越前相角计算模型，并用考虑其前后的并列暂态过程有功、无功、角速度的变化说明并列效果。答：考虑滑差角速度的变化肯定可以改善准同期并列效果，在本实验在上述实验步骤中将滑差频率在并列提前的时间段内视作不变，而实际情况中确是变化的，假定其变化加速度为a，则合闸相角计算公式就在原有公式基础上加上了𝟏𝟐a𝒕𝑫𝑪𝟐,根据原有条件可以推断𝒕𝑫𝑪=0.5s，其中a=∆𝒘𝒔𝒊∆𝒕，计算方法为：取间隔为0.05s时的两𝒘𝒔𝒊,做差后除以时间间隔0.05s，具体到PSCAD中的实现方法如下：并列暂态过程中发电机有功变化（30s-65s）：并列暂态过程中发电机无功变化：并列暂态过程中角速度变化：可看出在考虑了滑差角速度的变化之后，准同期并列效果比不考虑滑差角速度的准同期并列效果要好一些。附图：图(a)相角差PH与滑差角频率Wsi；图(b)合闸时机Main:Graphs01020304050.........-4.0-3.0-2.0-1.00.01.02.03.04.0yPH-0.0200.0000.0200.0400.060yWsiRyq0Ryq0Wsi0Wsi0(a)(b)二．同步发电机的电压与无功控制数字仿真实验同步发电机励磁系统可分为直流励磁机励磁系统、交流励磁机励磁系统、静止励磁系统（发电机自并励系统），承担电压控制、改变发电机无功等任务。具体参见教材《电力系统自动化》或《自动装置原理》。1.实验预习清楚同步发电机励磁控制系统的分类、原理和作用。2.实验目的了解数字仿真软件中发电机组的构成，对励磁控制系统的电压与无功控制功能仿真。3.实验步骤（1）将仿真示例copy到电脑。进入PSCAD，打开补全滑差角速度允许检测后的sync_in_paralell。a.加入（设置Time=60s）和，使并列后的发电机励磁控制器的参考输入电压为1.005，如下图所示：b.点击。（2）打开sync_exciter_governor1，运行。注意：4.实验记录（1）sync_in_paralell改变参考电压的运行结果，包括：a.发电机输出有功变化曲线（0s-70s）；b.发电机输出无功变化曲线（0s-70s）；c．发电机电角速度变化曲线（0s-70s）；d.发电机机械转矩变化曲线（0s-70s）；e.发电机励磁电压变化曲线（0s-70s）；f.发电机励磁电流变化曲线（0s-70s）；g.发电机机端电压变化曲线（0s-70s）；（2）sync_exciter_governor1的运行结果，包括：a.发电机输出有功变化曲线（0s-80s）；b.发电机输出无功变化曲线（0s-80s）；c．发电机电角速度变化曲线（0s-80s）；d.发电机机械转矩变化曲线（0s-80s）；e.发电机励磁电压变化曲线（0s-80s）；放大后（59.6s-61.0s）：f.发电机励磁电流变化曲线（0s-80s）；g.发电机机端电压变化曲线（0s-80s）；放大后（59.6s-61.0s）：5.实验分析比较实验记录4（1）与4（2）的各个对应变量，说明改变机端参考电压时，两个系统各个变量的变化趋势和变化幅度是否相同？如果机端电压变化相同，为什么？答：改变机端参考电压时，两个系统各个变量的变化趋势和变化幅度不相同。4（1）中的有功功率出现了波动，4（2）中的有功功率单调增大。4（1）和4（2）中的系统无功功率都单调增大，4（1）和4（2）中的转速都没有改变，4（1）和4（2）中的转矩都没有改变，4（1）和4（2）的励磁电流都增大，4（1）和4（2）的励磁电压都先增大，后减小，最后比之前都增大了，4（1）系统的励磁电压增大速率更快。机端电压变化幅度基本相同，因为两个系统中机端电压参考值的标幺值都是从1变到1.005，发电机的励磁电压与电流会不断改变以满足机端电压为给定值的要求。6.进一步思考（1）sync_in_paralell电力系统中，可否调励磁从而调机端电压和无功？请简单说明原因。答：sync_in_paralell电力系统中不能调励磁从而调机端电压和无功。因为大电网的电压和频率是维持恒定，这种操作会导致同步机的机端电压和频率与电力系统的电压和频率相同最后达到同步，并入的发电机转子运动受大电网牵动，不能通过仅调节其励磁来改变机端电压和无功。（2）sync_exciter_governor1电力系统中，可否调励磁从而调机端电压和无功？请简单说明原因。答：sync_exciter_governor1电力系统中可以调励磁从而调机端电压和无功。因为当发电机与负荷并接时，负荷的有功和无功受机端电压影响，其电抗等值参数（jwL）受频率影响。三．同步发电机的频率与有功控制数字仿真实验同步发电机调速系统分为机械液压式和电气液压式，承担调频和有功控制任务。具体参见教材《电力系统自动化》或《自动装置原理》。1.实验预习清楚同步发电机调速控制系统的分类、原理和作用。2.实验目的了解数字仿真软件中发电机组的构成，对调速控制系统的频率与有功控制功能仿真。3.实验步骤（1）打开sync_exciter_governor2，运行，注意，（2）打开补全滑差角速度允许检测后的sync_in_paralell，运行，注意，（3）打开sync_exciter_governor3，运行，注意：70s时断路器合上，负荷增加，如右图；110s时调速器给定输入功率增加，如右图4.实验记录（1）sync_exciter_governor2的运行结果，包括：a.发电机输出有功变化曲线；（50s-80s）b.发电机输出无功变化曲线；（50s-80s）c．发电机电角速度变化曲线；（50s-80s）d.发电机机械转矩变化曲线；（50s-80s）e.发电机励磁电压变化曲线；（50s-80s）f.发电机励磁电流变化曲线；（50s-80s）g.发电机机端电压变化曲线；（50s-80s）（2）补全滑差角速度允许检测后的sync_in_paralell的运行结果，包括：a.发电机输出有功变化曲线（100s-130s）；b.发电机输出无功变化曲线（100s-130s）；c．发电机电角速度变化曲线（100s-130s）；d.发电机机械转矩变化曲线（100s-130s）；e.发电机励磁电压变化曲线（100s-130s）；f.发电机励磁电流变化曲线（100s-130s）；g.发电机机端电压变化曲线（100s-130s）；（3）sync_exciter_governor3的运行结果，包括：a.发电机输出有功变化曲线（100s-130s）；b.发电机输出无功变化曲线（100s-130s）；c．发电机电角速度变化曲线（100s-130s）；d.发电机机械转矩变化曲线（100s-130s）；e.发电机励磁电压变化曲线（100s-130s）；f.发电机励磁电流变化曲线（100s-130s）；g.发电机机端电压变化曲线（100s-130s）；5.实验分析(1)比较实验记录4（1）与4（2）的各个对应变量，说明改变调速器参考有功时，两个系统各个变量的变化趋势和变化幅度是否相同？如果发电机输出有功和系统频率不同，不同处在哪里？请从二次调频方面分析原因。答：改变调速器参考有功时，两个系统各个变量的变化趋势和变化幅度均不相同；4（1）的sync_exciter_governor2模型中发电机输出有功保持不变，系统频率先上升后回落到50HZ稳定值，4（2）的sync_in_paralell模型中发电机输出有功经历振荡后稳步呈现上升过程，系统频率经过振荡后保持