武汉大学电气工程学院丁涛老师综合自动化PSCAD仿真实验

　武汉大学 电气工程学院

　综合自动化 PSCAD 仿真实验 姓名:*** 学号:20**302540*** 班级:电气**级*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 )

　 三个时间的设置 点右键，再点Project setting, 再点Runtime，注意Time setting 三个参数的设置。

　Duration of run (sec): 程序计算时间，以秒为单位； Solution time step ( 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, 50 s  ，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 50 s  。

　Channel plot step ( 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。

　（3）

　学习各个元件的使用。

　a. 在帮助中没有介绍的元件 例如 ，双击后有 ，

　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. b. 在帮助中有介绍的元件 例如选择器：

　，A、B 是输入，右端是输出。A 双击后有 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。

　(4)

　系统模型的构成

　a. 一次系统

　（a）同步发电机；（b）断路器；（c）电网

　b. 二次系统

　（a）励磁控制器；（b）原动机与调速器；（c）准同期并列操作控制 （5）

　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，

　上图中的 BRK 就是准同期并列操作的输出。

　（6）

　设置发电机的初始参考角速度 Wref = 0.999。并列成功后，Wref = 1。如下图所示；

　 （7）

　再次打开 sync_in_paralell，Workspace 如下图所示 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。

　 设置发电机的初始参考角速度 Wref = 1.001。并列成功后，Wref = 1。如下图所示；

　 4.

　实验记录 （1）

　对准同期并列操作控制模型的认识

　将各部分图形插入下面对应处：

　a. 电压比较；

　b. 频率比较；

　c. 越前相角判断。

　（2）

　BRK 变量的变化曲线；

　（3）

　断路器两侧电压相角差的变化曲线；

　（4）

　发电机端电压的变化曲线；

　（5）

　发电机输出有功、无功的变化曲线；

　（6）

　发电机角频率的变化曲线

　（7）

　断路器两侧电压矢量的相对运动图（注意观察两种不同参考速度时， 第一个周期机端电压矢量相对于电网电压矢量的运动方向）

　注意，要求图形在各个时间点的变化清晰可见，与实验分析结合能说明问题。为此，可取某变量的部分时间段细节图（用鼠标框出关心图形部分），而不是整个运行期间的。

　5.

　实验分析 a. 相角差检测有必要如模型所示考虑两种情况吗？ 答:有必要，因为当滑差角频率为正和为负时，相角差的变化性质不同（前者为发电机超前系统的趋势，后者为发电机滞后于系统的趋势），因此会影响检测结果。

　b. 并列逻辑控制中为何有延时环节？ 答:延时环节是因为考虑到中央处理单元发出合闸信号 DOA 断路器主触头闭合时需要经历一段时间，确保合闸时间的准确性。

　c. 在前述两种不同并列参考角速度时，Ryq 有何区别？（从正负符号上说明？）

　答 答:

　当 Wref=0.999 时

　 当 Wref=1.001 时

　Wref=0.999 时，滑差角频率小于 0，所以在初始一段时间内，越前相角Ryq 计算值为负，也就说明该时段内无法完成合闸任务，而 Wref=1.001 时，滑差角频率大于 0，在初始一段时间内，越前相角 Ryq 为正值，说明该段时间内若相角差满足一定条件，可能能够合闸。

　d. 在前述两种不同并列参考角速度时，PH 有何区别？由记录图形说明。

　答: 由之前记录的不同发电机初始参考角速度对应的 PH 波形图可得，Wref=0.999 时，由于 Wref <W，PH 的值有正逐渐变为负，呈下降趋势，而Wref=1.001 时，由于 Wref >W，PH 的值有负逐渐变为正，呈上升趋势。

　Wref=0.999 时, PH 的变化情况图如下:

　Wref=1.001 时, PH 的变化情况图如下:

　 e. Wref = 0.999，运行第一个滑差周期机端电压矢量相对于电网电压矢量的运动方向是逆时针还是顺时针？ Wref = 1.001 时，第一个周期机端电压矢量相对于电网电压矢量的运动方向是逆时针还是顺时针？

　 答: Wref = 0.999，在运行第一个滑差周期机端电压矢量相对于电网电压矢量的运动方向是逆时针，Wref = 1.001 时，第一个周期机端电压矢量相对于电网电压矢量的运动方向还是逆时针。因为在运行第一个滑差周期内，系统和发电机的相角差均是增大的。

　f. Wref = 0.999 时，并列是否成功？依据是什么？Wref = 1.001 时呢？

　 答: Wref = 0.999 时，并列是成功的，依据是当系统达到稳态时，发电机的频率和系统频率达到一致，且相位差稳定在一个合理的范围内。由此依据，也可得出 Wref = 1.001 时，并列也是成功的。

　6.

　进一步思考 观察准同期并列效果，如何改善？ 答: 实验示例中的准同期并列过程虽然比较顺利，但过程并不十分平缓，为改善并列效果，利用相角差的定义公式：0 0( )si G SPH t       g 可得,可以通过减小发电机和系统的初始相角差或者频率差（主要改变发电机初始角速度）。

　二、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》。

　4. 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。

　5. 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。

　6. 实验步骤 （8）

　打开 sync_in_paralell， a. 加入 （设置 Time=250s）和 ，使并列后的发电机调速

　控制器的参考输入电角频率为 1.005，如下图所示：

　b. 计算时间为 350s。计算步长为 100； c. 点击 。

　（9）

　打开 sync_exciter_governor2，运行， 注意， ； （10）

　打开 sync_in_paralell， a. 150s 时，在发电机端投入负荷，如下图所示，

　b. Time=250s 时 ，使发电机调速控制器的参考输入功率为 0.1，如下图所示：

　c.

　计算时间为 400s。计算步长为 100； d.

　点击运行； （11）

　打开 sync_exciter_governor3，运行，

　注意：100s 时负荷增加，如右图；

　200s 时调速器给定输入功率增加，如右图。

　 7. 实验记录 （1）

　sync_in_paralell 改变参考电角速度的运行结果，包括：

　a. 发电机输出有功变化曲线；

　b. 发电机输出无功变化曲线；

　c．发电机电角速度变化曲线；

　 d. 发电机机械转矩变化曲线；

　 e. 发电机励磁电流变化曲线；

　f. 发电机励磁电压变化曲线；

　e. 发电机机端电压变化曲线

　（2）

　sync_exciter_governor2 的运行结果，包括：

　a. 发电机输出有功变化曲线；

　b. 发电机输出无功变化曲线；

　 c．发电机电角速度变化曲线；

　 d. 发电机机械转矩变化曲线；

　e. 发电机励磁电流变化曲线；

　f. 发电机励磁电压变化曲线；

　d. 发电机机端电压变化曲线

　 （3）

　sync_in_paralell 改变参考输入功率的运行结果，包括：

　a. 发电机输出有功变化曲线；

　b. 发电机输出无功变化曲线；

　c．发电机电角速度变化曲线；

　 d. 发电机机械转矩变化曲线；

　e. 发电机励磁电流变化曲线；

　f. 发电机励磁电压变化曲线；

　e. 发电机机端电压变化曲线

　（4）

　sync_exciter_governor3 的运行结果，包括：

　a. 发电机输出有功变化曲线；

　b. 发电机输出无功变化曲线；

　 c．发电机电角速度变化曲线；

　 d. 发电机机械转矩变化曲线；

　e. 发电机励磁电流变化曲线；

　f. 发电机励磁电压变化曲线；

　e. 发电机机端电压变化曲线

　注意，要求图形在各个时间点的变化清晰可见，与实验分析结合能说明问题。为此，可取某变量的部分时间段细节图（用鼠标框出关心图形部分），而不是整个运行期间的。

　8. 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电角速度时，两个系统各个变量的变化趋势和变化幅度是否相同？如果不同，不同处在哪里？请分析原因。

　答:改变调速器参考电角速度时，两个系统各个变量的变化趋势基本相同，但变化幅度不相同。4（2）的各个对应变量的变化幅度相对较小。原因:在调节调速器的参考电压时，会对系统造成影响，但两个系统的容量不同，受到扰动后造成的影响也有所不同。对于无穷大系统来说，调速器参考电压带来的扰动较小，其对应的各个变量的变化幅度也就较小。但对于容量不是很大的系统来说，调速器参考电压的变动影响较大，各个变量的变化幅度也就较大。

　(2) 比较实验记录 4（3）与 4（4）的各个对应变量，说明改变调速器参考输入功率时，系统各个变量的变化趋势和变化幅度是否相同？如果不同，不同处在哪里？请分析原因。

　答：各变量的变化趋势大致相同，但变化幅度有所差异。4（4）的变化趋势较 4（3）的变化平缓一些，过渡过程也相对较快。原因：4（4）的复合较 4（3）的大，故负荷调节效应较好，即在投入相同的负荷时，对系统的各个变量的冲击较小，影响也就较小。

　6.

　进一步思考 （1）

　sync_ in_paralell 、sync_exciter_governor2 电力系统中，可否改变参考电角速度从而调频率和有功？请简单说明原因。

　答: 在直接带负荷系统中可以。改变参考角速度的时候，由于负荷的转矩不变，由 P T   可知，有功功率会增加，从而导致转子加速，使其转速增加，在经过一定时间的震荡后，会稳定下来，和参考加速度保持一致。而在无穷大系统中不行，这样会导致系统出现频率差，而出现系统失步的情况。

　（2）

　sync_ in_paralell 、sync_exciter_governor3 电力系统中，可否改变参考有功从而调频率和有功？请简单说明原因。

　答:带负荷系统中可以改变有功和频率。因为在改变参考有功后，带负荷系统为达到功率平衡，会进行平衡点的移动，从而使系统在新的平衡点处达到平衡。随着平衡点的移动，发电机的频率也发生了改变。但无穷大系统会通过改变功角的大小来进行调整，可以改变系统有功，但不能改变系统频率。

　（3）

　一次调频和二次调频作用是如何体现的？

　答:依靠发电机组调速器自动调节发电机组有功功率输出的过来来调节频率的方法，称为一次调频。通过控制同步器调节发电机组输出功率来调节频率的方法，称为二次调频。

　一次调频：

　 二次调频：

　一次调频为有差调频，但二次调频可实现无差调频。

　三、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》。

　9. 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。

　10. 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。

　11. 实验步骤 （12）

　将仿真示例 copy 到电脑。进入 PSCAD，打开 sync_in_paralell。

　f. 加入 （设置 Time=250s）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：

　g. 将电网等值电源改为理想电源，如下图所示：

　h. 计算时间为 350s。计算步长为 100 s  ，使运行时间缩短； i. 点击 。

　（2）打开 sync_exciter_governor1，运行。

　12. 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；

　b. 发电机输出无功变化曲线；

　c．发电机电角速度变化曲线；

　 d. 发电机机械转矩变化曲线；

　e. 发电机励磁电流变化曲线；

　f. 发电机励磁电流变化曲线；

　e. 发电机机端电压变化曲线

　（2）sync_exciter_governor1 的运行结果，包括：

　a. 发电机输出有功变化曲线；

　b. 发电机输出无功变化曲线；

　 c．发电机电角速度变化曲线；

　 d. 发电机机械转矩变化曲线；

　e. 发电机励磁电流变化曲线；

　f. 发电机励磁电压变化曲线；

　e. 发电机机端电压变化曲线

　注意，要求图形在各个时间点的变化清晰可见，与实验分析结合能说明问题。为此，可取某变量的部分时间段细节图（用鼠标框出关心图形部分），而不是整个运行期间的。

　13. 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？如果不同，不同处在哪里？请分析原因，以相量图说明为宜。

　答：变化趋势相同，但变化幅度不同。4（1）的各个对应变量的变化幅度相对较小。原因：4（1）将电源电阻去掉后，系统变为无穷大系统，受到外界干扰后影响较小，而且系统加入了励磁调节系统，可对电压进行调节，从而使扰动对系统的干扰减小。

　相量图：

　 6.

　进一步思考 （4）

　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：不可以调节机端电压和但可以无功。原因：sync_ in_paralell 电力系统中，电源为理想电源，无自身阻抗，机端电压由系统电压决定，故机端电压无法调节。但由于视在功率发生改变，而系统有功功率由负荷决定，负荷没有发生改变，故系统有功功率不变，于是可以调节无功。

　（5）

　sync_exciter_governor1 电...