随电力系统发展的动态物理模拟

随电力系统发展的动态物理模拟实验技术及其在继电保护中的应用华中科技大学电气与电子工程学院电力安全与高效湖北省重点实验室尹项根2007年6月¾模拟（仿真）实验研究的分类与特点•真机（真实）实验——经常会遇到困难而不可为•物理模拟（仿真）实验——相似型原理；静态、动态•数字仿真（模拟）实验——数学方程与数学建模•数模混合仿真（模拟）实验——两种含义：数学模型的物理实现；数字仿真系统与物理模拟元件接口¾物理动态模拟实验研究的需求与发展•随着现代电力系统的发展，电力系统规模不断扩大，电压等级逐步升高，设备类型更为丰富，设备结构发生重大变化，现有物理模拟技术不能完全适应，需要发展和改造。•物理模拟由参数模拟走向更注重于参数与结构的模拟。•不可或缺，尤其体现在：①研究新现象；②设备的试验与测试；③事故预想、重现与分析。报告内容1.动态模拟实验的新技术和新模型2.特大型发电机故障暂态实验及保护分析3.特高压线路模型故障暂态实验分析4.大型及特高压变压器故障暂态实验及保护分析1.动态模拟实验的新技术与新模型1.1特大型多分支水轮发电机动态模拟机组原型机组：三峡左岸电厂ALSTOM生产的700MW多分支发电机组及其发电机变压器组。模型机组：参数、特性及绕组结构的全面模拟，并且能支持各种类型和程度的内部故障。1.动态模拟实验新技术与新模型1.1多分支发电机的动模机组(1)多分支发电机变压器动模机组的组成由原动机、发电机、主变、励磁系统和实验测量系统组成。外观图1外观图21.动态模拟实验新技术与新模型1.1多分支发电机的动模机组发电机原动机励磁系统主变及测量环节1.动态模拟实验新技术与新模型1.1多分支发电机的动模机组发变组基本绕组结构及测量互感器的配置¾定子绕组结构与原型机一致，每相5分支并联，每分支串联匝数36。为实验计，模拟机每相绕组的各个分支中性点均分别引出，且各分支绕组均设有若干抽头引出，以便于进行各种短路试验。¾模型中按实际情况和实验要求接入传统电流互感器和电压互感器，便于直接完成继电保护装置试验。另外，为满足研究的需要，发变组模型各分支（含短路分支）上均接入了电子式电流互感器。(2)保持与原型机一致的绕组结构与特点1.动态模拟实验新技术与新模型1.1多分支发电机的动模机组¾按原型机绕组特点，每分支串联线圈均采用一种独特的双层波绕组：即先前向波绕、然后部分线圈回转后向波绕。1234546316913611364061814512264962711a1a2a3a4a5(a)1234546316913611364061814512264962711(b)b4b5b1b2b31234546316913611364061814512264962711c1c2c3c4c5(c)绕组结构示意图各分支绕组空间分布示意图¾定子绕组抽头•根据原型机的定子绕组内部故障统计结果等因素，确定模型机的定子绕组引出抽头，可模拟原型机可能发生的不同类型和程度的短路、接地故障。发电机左侧引出抽头发电机右侧引出抽头1.动态模拟实验新技术与新模型1.1多分支发电机的动模机组1011121314151617181920212223242526272829303132333435360102030405060708098.260.260.134.121.187.487.361.348.3114.6114.588.575.56.86.7115.7115.875.6101112131415161718192021222324252627282930313233343536010203040506070809101112131415161718192021222324252627282930313233343536010203040506070809116.27.221.335.861.7129.3101112131415161718192021222324252627282930313233343536010203040506070809102.310111213141516171819202122232425262728293031323334353601020304050607080975.37.755.428.41.4109.482.41.1109.182.155.128.1102.775.748.721.7129.7127.110111213141516171819202122232425262728293031323334353601020304050607080946.493.710111213141516171819202122232425262728293031323334353601020304050607080919.466.7101112131415161718192021222324252627282930313233343536010203040506070809100.439.7101112131415161718192021222324252627282930313233343536010203040506070809127.412.710111213141516171819202122232425262728293031323334353601020304050607080973.4120.7100.173.146.119.110111213141516171819202122232425262728293031323334353601020304050607080910111213141516171819202122232425262728293031323334353601020304050607080910.457.7101112131415161718192021222324252627282930313233343536010203040506070809118.430.710111213141516171819202122232425262728293031323334353601020304050607080991.43.710111213141516171819202122232425262728293031323334353601020304050607080964.4111.791.164.137.110.137.4118.184.72.456.843.7A1A2A3A4A5B1B2B3B4B5C1C2C3C4C5ABC模型机抽头结构图1.动态模拟实验新技术与新模型1.1多分支发电机的动模机组(3)原型机与模型机参数对比指标原型机模拟机1SN/KVA777800312UN/V200002203IN/A2245381.354cosφ0.90.95Xd0.9390.94016Xd’0.3150.29247Xd’’’0.240.2468X20.2580.25039Ta(s)0.280.225510Hj8.97.861311定子绕组分支数5512极对数401013分支串联匝数36361.动态模拟实验新技术与新模型1.21000kV特高压输电线路模型1.21000kV特高压输电线路模型(1)原型参数目前在建的1000kV特高压输电线路共分为两段：晋东南至南阳开关站特高压线路长度为363km，南阳开关站至荆门特高压线路长度为291km。每段的主要线路参数如下表所示。晋东南－南阳线路主要参数(每100km参数)UnX1φ1C1X0φ0C01000kV26.3Ω88.35°1.397μF83.06Ω79.5°0.93μF南阳－荆门线路主要参数(每100km参数)UnX1φ1C1X0φ0C01000kV26.3Ω88.25°1.383μF78.21Ω78.7°0.895μF(2)特高压输电线路模型1.动态模拟实验新技术与新模型1.21000kV特高压输电线路模型外观图局部图1.动态模拟实验新技术与新模型1.21000kV特高压输电线路模型¾模型线路电压1000V，电压模拟比1000，电流模拟比400，阻抗模拟比2.5，功率模拟比40万。电压由变比为1000V/100V的电容式电压互感器(CVT)提供，各电流互感器变比均为10(20)A/1A。¾模型线路由Π形电抗单元链接而成，其阻抗角大于等于88.5度。Π形单元内部两组元件可通过并、串方式使Π形单元模拟原型线路15km或者60km，即模拟线路总长可在240km～960km之间调整。¾目前，采用6个Π形单元模拟晋东南－南阳特高压线路360km，采用10个Π形单元模拟南阳－荆门特高压线路285km。每条线路两侧均有模拟并联电抗器。动态模拟试验示意图如下图所示。1.动态模拟实验新技术与新模型1.3特高压变压器模型1.31000kV特高压变压器物理模型•以晋东南开关站1000kV特高压变压器为原型，采用中性点变磁通调压，主要由主变压器（不带调压的自耦变压器）和调压变压器（含低压电压补偿功能）两部分组成，调压变压器与主变压器通过架空线进行连接。主体为单相四柱结构，两心柱套线圈，每柱50%容量，高、中、低压线圈全部并联。主体油箱外设调压变，内有调压和补偿双器身。原型1000kV变压器结构图¾特高压变压器原型结构1.动态模拟实验新技术与新模型1.3特高压变压器模型¾特高压变压器模型结构及参数特高压变压器模型整体外观特高压变压器模型细部•模拟主变压器容量：S1=2.5kVA（对应1000V）变比：容量比：1:1:1/3损耗：I01.2%，P01%•模拟调压变压器容量：S2=5%S1=125VA变比：，Uk=(10~15)%•模拟补偿变压器容量：S3=122VA变比：（即5.35:1）Uk=(10~15)%1.动态模拟实验新技术与新模型1.3特高压变压器模型1000V500V110VCT1CT2CT3CT4CT5CT6CT0CT793%91%90%12%10%9%3%1%0%40%20%10%5%0%60%30%10%0%40%0%40%0%88%6%50%50%80%80%100%100%110%110%120%120%110:3500:3100031000%5:110×4.5:31000%5×CT1CT2CT3CT4高压引出线CT中压引出线CT低压绕组CT自耦变公共绕组CTCT5CT6CT7CT0调压变原方绕组CT补偿变原方绕组CT低压引出线CT接地引线CT•图中各CT说明1.动态模拟实验新技术与新模型1.4其它新型物理动态模型1.4其他新型动态物理模拟和数字仿真试验设备FACTS装置物理模拟样机直接冷却高温超导磁储能动模试验样机基于飞轮储能的柔性功率调节器动模实验样机高储能密度电容器控制系统电力系统数字仿真实验室500kV超高压直流输电物理模拟系统1.动态模拟实验新技术与新模型1.5动模系统及其自动化系统1.5动态模拟实验系统及其监控测录自动化系统控制室全貌2控制室全貌1¾动模实验室基于其完备的各种动态模拟元件，可以构成交直流电网动模系统，也可以构成变电站或发电厂内部电力系统。。¾动模实验室装备有自动化监控系统：动模实验系统的自动调节和控制、实验数据测量记录转储显示与分析。1.动态模拟实验新技术与新模型1.5动模系统及其自动化系统¾数据采集网络——基于传统互感器与新型电子式互感器的数据采集系统，通过通信网络完成实验数据传送和记录（录波），并由后台计算机集中管理。录波器后台计算机电子式电流互感器测控装置1.动态模拟实验新技术与新模型1.5动模系统及其自动化系统控制台大屏幕投影2.多分支大型发电机试验及保护分析2.1零序横差不平衡电流实验说明试验项目——¾升压试验¾短路升流试验¾负载试验¾故障试验单元件横差保护至今仍然是发电机定子绕组内部故障，尤其是匝间短路故障、开焊断线故障的最灵敏的保护。其应用的困难在于如何整定？为此必须明确零序横差不平衡电流的特点和规律。利用仿真计算来研究该不平衡电流在目前几乎不可能，而真机实验受限条件苛刻而无法进行全面实验，最佳选择是在动模实验基础上补充可行的真机实验