中国石油大学电力系统实践报告最终版-8组

1、电力系统综合实践专业班级： 电气1407 组 别: 第组 组 员： 2017年6月29日目录一.需求说明书11.1引言11.2内容概要11.3实践内容2二.概要设计32.1引言32.2相关设计32.2.1需求简述32.2.2运行环境42.2.3单机无穷大系统仿真模型42.2.4提高稳定性措施42.2.5实验步骤72.2.6测量方案的概要设计8三.详细设计93.1功率角与直轴同步电抗的测量原理93.2发电机阻尼系数D、惯性时间常数Tj测量原理103.4测量方案103.4.1 发电机组的起励建压103.4.2 发电机组并网113.4.3 并网运行状态下的参数测量123.4.4 机组发出有功和无功功

2、率123.4.5 记录数据123.5数据处理143.5.1无穷大系统并网实验数据处理143.5.2甩负荷实验数据处理15四.测试报告164.1提高系统的稳定性措施164.1.1快速切除故障164.1.2自动重合闸194.1.3串联电容补偿214.1.4电气制动224.1.5连锁切机234.1.6电容并联无功补偿244.2极限传输功率25五.总结27六.组员分工27一.需求说明书1.1引言随着电力工业的迅速发展，我国发电机、变压器单机容量不断增大，电力系统正朝着“大机组、超高压、大电网”的方向发展。在当今电力作为推动社会飞速发展的主动力时代，电力网是否稳定对社会的生产、生活、发展起着决定性的影响

3、。因此，研究电力系统在各种条件下的稳定性问题对社会的发展具有特别重要的意义。功角与电压、频率一样，是并联运行交流系统的运行参数之一。功角稳定与其他稳定模式一样，都是用来表征电力系统稳定行为的。但功角稳定是表征同步机并联同步运行的稳定性，而同步运行是交流系统安全运行的最重要条件，同步运行是最弱的一种运行状态。功角稳定破坏后，系统交流发电机间失去同步，将引起各同步机的励磁电势相对相位紊乱，同步机间的电流、节点电压及系统潮流分布混乱，最终会在自动装置作用下，系统瓦解。所以，自交流系统建立后，功角稳定问题首先被提出后得到重视，并开展了系统性的研究。在进行电力系统功角稳定性研究时，从工程概念出发，根据稳

4、定破坏的模式、原因、分析方法、预防及处理措施的不同，将功角稳定分成几种类型。经过数十年的发展，目前习惯分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定。本设计基于电力系统的同步运行稳定性，通过理论计算与专业软件分析其中蕴含的电磁暂态过程。在分析电磁暂态过程时，重点研究暂态过程中的切除角和切除时间对系统故障时的影响及系统各种参数变化的过程。1.2内容概要1.THFMDZ-1试验台的使用THFMDZ-1型电力系统综合自动化仿真实训装置是一套集多种功能于一体的综合型实验装置，展示了现代电能发出和输送全过程的工作原理。本套实验装置由THFMDZ-1 型电力系统综合自动化实验台、THFMDZ-1 型电力系统综合自动化控

5、制柜、无穷大系统、发电机组和三相可调负载箱等组成。详细介绍参照手册：THFMDZ-1实验指导书。2.电力系统参数测试实验要求测量参数：功角、惯性常数H、阻尼系数D、空载电动势Eq、系统电压Us、电机加速转矩Tj3.单机无穷大系统仿真模型建模、仿真与分析4.提高稳定性措施分析1.3实践内容1.单机无穷大系统仿真模型参数测试测量量：机端电压、机端电流、功率因数；测量目的：计算功角；发电机转子运动方程中的H、D、Eq、Us等参数；ETAP中单机无穷大系统建模；测量工具：存储示波器，电压探头，电流探头；2.单机无穷大系统仿真模型建模根据测试的参数在ETAP中建立单机无穷大系统仿真模型；3.单机无穷大系

6、统稳定性分析与测试仿真确定单机无穷大系统极限传输功率；仿真确定单机无穷大系统临界切除时间；在自动化系统平台上验证仿真结果；4.提高单机无穷大系统稳定性措施仿真至少4种验证提高单机无穷大系统稳定性措施的效果；对比分析各种措施效果。二.概要设计2.1引言电力系统稳定性问题就是当系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或者过渡到一个新的运行状态的问题。如果能够，则认为系统在该运行状态下是稳定的。反之，若系统不能回到原来的运行状态或者不能建立一个新的运行状态，则说明系统的状态变量没有一个稳定值，而是随时间不断增大或振荡，系统是不稳定的。发电机组的转速是由作用在它转

7、子上的转矩所决定的，作用在转子上的转矩主要包括原动机作用在转子上的机械转矩和发电机的电磁转矩两部分。当转子维持同步转速时，上述两部分转矩是平衡的，一旦这两部分转矩不平衡时就会引起转子的加速或减速，转子就脱离了同步转速。原动机的机械转矩是由发电厂动力部分的运行状态所决定，发电厂的电磁转矩是由发电机及其连接的电力系统中的运行状态所决定，在这些运行状态中如发生任意干扰都会是作用在转子上的转子上的转矩不平衡，也就会使转速发生变化。在实际运行中，这些干扰是不可避免的，小的干扰经常不断地发生，例如电力系统中负荷的小波动；大的干扰也是时常出现的，例如电网中突然发生短路而造成发电机电磁转矩的大变化等等。因此要

8、求系统在受到各种干扰后，发电机组经过一段过程的运动变化后仍能恢复同步运行，即功角能达到一个稳态值。若能满足这一点，则系统是功角稳定的，否则就是功角不稳定的，功角不稳定就必须采取相应的措施来保证系统的稳定。2.2相关设计2.2.1需求简述电力系统安全性一般指指电力系统突然发生扰动（例如突然短路或非计划失去电力系统元件）时不间断地向用户提供电力和电量的能力，也有指电力系统的整体性，即电力系统维持联合运行的能力。稳定性：是指电力系统可以连续向负荷正常供电的状态，即电力系统受到小、大干扰（分别对应于静态稳定性和暂态稳定性）经过振荡后回到稳定点或从一个稳定点过渡到另一个稳定点；稳定性和安全性都有针对小干

9、扰、大干扰而言的意思，但可以这么理解，从某种角度而言，安全性指运行中的所有电气设备必须在不超过它们允许的电压、电流和频率的幅值和时间限幅内运行。保证电力系统稳定是电力系统安全运行的必要条件。安全性：表征系统短时间内抗干扰的能力，属于运行范畴。可靠性：长时间连续正常供电的概率，属于规划范畴。是对电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户供电能力的度量。由此可知，电力系统的稳定性是重中之重。2.2.2运行环境ETAP是电力电气分析、电能管理的综合分析软件系统的简称。ETAP是功能全面的综合型电力及电气分析计算软件，能为发电、输配电和工业电力电气系统的规划、设计、分析、计算、运行、模拟提

10、供全面的分析平台和解决方案ETAP是美国OTI集团公司研发生产的电力及电气系统综合计算分析软件和实时在线控制、智能电网系统产品，也是电力系统规划、设计、分析、操作、培训和计算机仿真的全方位的综合性工程公司。2.2.3单机无穷大系统仿真模型2.2.4提高稳定性措施首先，要尽量防止和减少故障的发生。其次是故障发生后要千方百计减小加速功率，以减慢发电机转子的加速。而这可以从两方面入手：一是设法增大发电机输出的电磁功率，一是设法相应减少原动机输入的机械功率。再者，如果失稳，也不应惊慌失措，还可采取一些适当措施将影响减低，以不引发长期大面积停电的灾难性后果。从静态稳定分析可知，不发生系统震荡时，电力系统

11、具有较高的功率极限，一般也就具有较高的运行稳定度。从暂态稳定性分析可知，电力系统受大的扰动后，发电机轴上出现的不平衡转矩将使发电机产生剧烈的相对运动；当发电机的相对角的震荡超过一定限度时，发电机便会失去同步。从这些概念出发，我们可以得出提高电力系统稳定性和输送能力的一般原则是：尽可能地提高电力系统的功率极限；抑制自发震荡发生；尽可能减小发电机相对运动的震荡幅度。从简单电力系统功率极限的简单表达式： 可以看到，要提高电力系统的功率极限，应从提高发电机的电势E、减小系统电抗X、提高和稳定系统电压U等方面着手。抑制自发震荡，主要是根据系统情况，恰当地选择励磁调节系统的类型和整定其参数。要减少发电机转

12、子相对运动的震荡幅度，提高暂态稳定，应从减小发电机转轴上的不平衡功率、减小转子相对加速度以及减小转子相对动能变化量等方面着手。1快速切除故障快速切除故障是最直接最经济有效的措施。故障切除时间tc的大小取决于继电保护的动作时间和断路器触头的动作时间。故障切除时间越小,减速面积越大，加速面积越小，这有利于提高系统稳定性。2串联电容补偿所谓强行串联电容补偿是对已装有串联电容步长的双回输电线，在切除故障线路的同行四切除另一回线路上的部分电容器组，以增大串联步长电容的容抗。串入电容后减小了线路的电抗，增大了发电机输出电磁功率Pe，因串入电容后减少了线路的电抗，从而减少了总电抗，因电磁功率与电抗成反比，故

13、可提高Pe，由此减速面积增大，加速面积减少，利于系统的稳定。 3无功补偿在发电机出线端母线就地进行无功补偿，可以提高母线电压UG，提高了输出电磁功率，减速面积增大，加速面积减少，从而提高稳定性。4电气制动当系统中发生故障时迅速投入电阻以消耗发电机的有功功率从而增大发电机的输出功率，即提高发电机的电磁出力，通常是在电厂母线上并联接入，也可在变压器中性点接入一电阻。同样可知，其使减速面积增大，加速面积减少，从而提高系统稳定性。5自动重合闸重合闸成功能够使得运行曲线上抬，减速面积增大，加速面积减少，有利于提高系统稳定。由于电力系统的故障以短路为主，短路中又以单相瞬时性故障居多，因而值断开故障相，然后

14、单相重合。由于单相重合闸是切除的是故障相，因而从故障切除到重合闸时间段内发电机输出的电磁功率Pe比三相完全切除时高，因此可减小加速面积，从而有利于系统的稳定。自动重合闸的作用不仅在于能恢复因故障而断开的线路，更重要的是能保持系统的完整性，从而避免在连续故障事故的进一步扩大。2.2.5实验步骤2.2.6测量方案的概要设计1.功率角与直轴同步电抗的测量进行无穷大系统并联实验，测量发电机机端电压、系统电压、相电流、励磁电流，并结合同步发电机稳态运行相量图计算功率角与直轴同步电抗。测量不同有功、无功条件下的数据，最后取平均值。2.线路电阻R电抗X的测量在无穷大系统并联实验中，测量受端、送端的有功、无功

15、、功率因数，结合线路的潮流计算公式或相量图运算求出线路的电阻、电抗值。3.发电机空载电势Eq的测量在完成无穷大系统并联实验后，将发电机零功率解列，在发电机离网条件下调节励磁，使励磁电流等于并网运行时的值，调节发电机转速至1500rpm，测量发电机机端电压UG。4.发电机阻尼系数D和惯性时间常数TJ的测量断开无穷大系统，将三相可调负载箱接入系统的受端，运用甩负荷法测取转速、原动机的电压电流的变化趋势，并采用同时录像的方式记录。通过视频软件的处理读取三个时刻的数据，利用相邻时刻数据计算角速度变化率，得到两组方程，联立解出阻尼系数D和惯性时间常数TJ。三.详细设计本部分主要对测量数据的原理方法以及数

16、据处理过程进行详细介绍。3.1功率角与直轴同步电抗的测量原理如图同步发电机稳态运行相量图，可以得到计算的方法：在根据下式求得：综上，可以得到本模块必须测量的值：1.功率因数或者是发电机的输出有功功率和无功功率的大小。2.发电机空载电势，虽然实际系统中的发电机为凸极发电机，但为了简化计算，本次设计中发电机按照隐极机的相关公式计算，。由Eq=jXadIf可知，空载电势与发电机转速和发电机励磁电流有关，在试验过程中，要维持发电机的转速以及励磁不变，当发电机处于空载运行状态时，发电机机端电压UG就等于空载电势Eq。3.发电机端电压UG。4.发电机输出电流。3.2发电机阻尼系数D、惯性时间常数Tj测量原

17、理由发电机转子运动方程：ddt=(Pm-DN-Pe)NTj可知，要想同时测出D、Tj，至少要测出两组数据带入上述转子运动方程，这两组数据必须选择发电机动态过程中的数据，那么就要给系统一个比较大的扰动（短路或是突然甩负荷）。在稳态运行过程中，原动机的机械功率 、阻尼功率 和发电机的电磁功率Pe不变，而且Pm-PD-Pe值为零，整个系统的输入输出平衡，此时转速稳定不变。如果突然断开断路器，即甩去所有的负荷，发电机的电磁功率Pe突变为零。实验中，测量直流电动机的电压和电流值，计算出电动机的功率。根据动态过程中的转速，计算转子的角速度=2p×n60,根据两个相邻时刻的转子角速度计算角速度变化

18、率，即ddt=2-1t2-t1，用角速度的差分代替角速度的微分。根据两组动态变化数据带入转子运动方程，得到两组方程，方程含有两个未知量，恰好解出阻尼系数D、惯性时间常数Tj。3.4测量方案3.4.1 发电机组的起励建压1先依次打开控制柜的“总电源 ”、“三相电源”和“单相电源 ”的电源开关；再打开实验台的“三相电源”和“单相电源”开关。2将控制柜上的“原动机电源”开关旋到“开”的位置，此时，实验台上的“原动机启动 ”光字牌点亮，同时，原动机的风机开始运转，发出“呼呼”的声音。3THLWT-3型微机调速装置面板上的“自动 /手动”键，选定“自动”方式，开机默认方式为“自动方式”。4将实验台上的“

19、励磁方式 ”旋钮旋到“微机控制”，“励磁电源”旋钮旋到“自并励”或“他励 ”。5检查 THLWL-3微机励磁装置显示菜单的“系统设置”的相关参数和设置。具体如下：“励磁调节方式”设置为实验要求的方式，此处为“恒Ie ”。 “恒 Ie预定值”为1400mA，“无功调差系数”设置为“+0”。此时测量发电机的机端电压Ug，记录励磁电流If。6按下THLWT-3型微机调速装置面板上的“启动”键，此时，装置上的增速灯闪烁，表示发电机组正在启动。当发电机组转速上升到1500rpm时，THLWT-3型微机调速装置面板上的增速灯熄灭，启动完成。7当发电机转速接近或略超过1500rpm时，可手动调整使转速为15

20、00rpm，即：按下THLWT3型微机调速装置面板上的“自动 /手动”键，选定“手动 ”方式，此时“手动 ”指示灯会被点亮。按下THLWT-3型微机调速装置面板上的“”键或“”键即可调整发电机转速。3.4.2 发电机组并网选定“同期方式 ”，将实验台上的“同期方式”旋钮旋到“手动”状态。发电机励磁调节方式改为手动励磁调节方式，不再调节励磁电流，以保持空载电势Eq不变。具体步骤如下：1.先将三相自耦调压器的旋钮逆时针旋至最小。2.将实验台上的“发电机运行方式 ”切至“并网 ”方式。3.发电机与系统间的线路有“单回”和“双回 ”可选，此处选“单回”单回：断路器QF1和QF3（或者 QF2、QF4和

21、 QF6）处于“合闸”状态，其他处断路器处于“分闸”状态；双回：断路器 QF1、QF2、QF3、QF4和 QF6处于“合闸”状态，其他处断路器处于“分闸”状态。4.合上断路器QF7，调节自耦调压器的手柄，以调节无穷大系统电压Us。5.投入同期表。将实验台上的“同期表控制”旋钮打到“投入”状态。6.调节三相自耦调压器，以调节无穷大系统电压Us，直到电压幅值满足并网条件。7.调节发电机调速器，直到发电机频率满足并网条件。8.当频率指针和压差指针都指向“0”位置时，表示频率差和压差接近于“ 0”，此时相角指针转动缓慢，当相角指针转至中央刻度时，此时按下断路器QF0的“合闸”按钮。完成手动并网。并网指

22、示灯亮，并发出声音信号。注意：为了保证发电机在并网后不进相运行，并网前应使发电机的频率和电压略大于系统的频率和电压。3.4.3 并网运行状态下的参数测量1.测量并网状态下的发电机电压Ug，系统电压Us，电流I，功率因数。根据以上参数，利用发电机的功角相量图，得出发电机的直轴电抗Xd，以及发电机稳态下的功角。2.在实验台上读出系统送端、受端的有功P、无功Q，通过线路潮流计算，计算出线路的电阻R、电抗X。或是通过相量图运算求出线路电阻R、电抗X。3.取发电机输入机械功率为原动机（直流电机）的额定功率，Pm=Um*Im，参数由控制柜上的原动机电压、电流得出。由此可知：以上过程可以测出UG、US、I、

23、cos、Xd、RL、XL、Pm、Pem3.4.4 机组发出有功和无功功率1.调节励磁装置，调整发电机组的无功。方式一：手动励磁：调节实验台上的“手动调压”旋钮，逐步增大励磁，直至达到要求的无功值。方式二：常规励磁：调节常规可控励磁的“给定输入”，逐步增大给定，直至达到要求的无功值。方式三：微机励磁：多次按下微机励磁装置上的“+”，逐步增大励磁，直至达到要求的无功值。（三种方式选其一即可）2.调节调速器，调整发电机组发出的有功。多次按下微机调速装置上的“+”，逐步增大发电机有功输出。3.4.5 记录数据1.按照下表“第一组”有功、无功功率值大小调节发电机的输出功率，读取实验台上功率因数表数值 ，

24、读取电压表 ，读取电流表 ，顺便测量系统电压 。这些数据如果借助电压、电流探头在示波器上测量，读取准确性将大大提高。（而在实际操作中，发现实验台上电压表、电流表、功率因数表的自身测量误差和读取误差都比较大，所以选择电压探头、电流探头测量电压电流峰峰值，及其电压、电流波形在示波器上的相角差即功率因数角。整理数据如下：测试参数第一组第二组第三组If（A）2.22.42.3P1（kW）0.60.81Q1（kVar）0.60.80.75cos10.7070.7070.8Ug（V）452.8462.8453Ig（A）1.251.521.5Us（V）400400400P2（kW）0.60.81Q2（kVa

25、r）0.50.610.5cos20.76820.79520.92将发电机组输出的有功和无功减为0。具体操作:多次按下微机调速装置面板上的“-”键，逐步减小发电机有功输出，直至有功接近0。调节励磁，减小无功。多次按下微机励磁装置上的“-”键，逐步减小发电机无功输出，直至无功接近0。注意：在调整过程中，不要让发电机进相。按下实验台上的断路器QF0的“分闸”按钮，将发电机组和系统解列。3发电机空载状态下计算空载电势系统解裂之后，发电机转速会明显上升，手动调节转速为1500rpm。微机调速面板上选定“手动”方式。“+”“-”键可调整转速。手动调节励磁，使励磁电流与并网运行时的励磁电流相同，记录此时的发

26、电机机端电压（即空载电势）数值于表格中。测试参数第一组第二组第三组Eq（V）501.5515.85114.发电机甩负荷实验将无穷大系统与系统断开（将断路器QF7断开），并将三相可调负载箱连到电力系统的受端，发电机运行在单机模式下，带负载启动，启动完成后将三相负载箱与系统断开（即甩负荷），对发电机转速、原动机电压电流进行录像，对录像进行处理得到下面三组数据：时刻UmImPm*dn/dtnd/dtT14000.90.14458,991491312.27412.356T238010.152-32.991550324.63-6.91T33800.50.076-181517317.72-3.773.5数

27、据处理3.5.1无穷大系统并网实验数据处理按照以下公式计算三次测量数据由（UGcos1）2+(UGsin1)2=Eq2知Xd=Xq=Eq2-UG2cos12-UGsin13I采用相量图方法计算线路电抗值：XL=UGsin1-USsin23I采用潮流计算方法求出线路的电抗值：XL=Q×UG2P2+Q2注：系统的送端有功功率、受端有功功率基本相同，故电路电阻值很小，忽略。第一组数据下的功角计算=tan-1(1.25×30.438×3+452.8×0.707452.8×0.707)-45°=5.33°第二组数据下的功角计算=tan

28、-1(1.52×27.314×3+462.4×0.707462.4×0.707)-45°=5.66°第三组数据下的功角计算=tan-1(1.5×30.60×3+453×0.8453×0.8)-36.86°=2.47°最终结果记录如下：计算参数第一组第二组第三组1（deg）4545452（deg）36.8739.837.33（deg）5.335.662.47Xd（）30.43827.31430.60XL（）29.04831.8432.803.5.2甩负荷实验数据处理时刻Um（V

29、）Im（A）Pm*dn/dtN（rpm）(rad/s)d/dtT14000.90.14458991491312.27412.356T238010.152-32.991550324.63-6.91T33800.50.076-181517317.72-3.77观察发电机转速、原动机电压电流录像，在甩负荷后的动态过程中选取三个测量点，得到如下数据，选取三点间的两个动态过程，根据功角方程的微分表达式，列些两个方程，求解两个未知量。计算整理计算结果如下：功角方程的微分表达式：ddt=(UmIm-2×DN)×NTj利用T1、T2间动态过程列写方程112.356=（0.144-2

30、5;D×312.274-314.16314.16）×314.16Tj利用T1、T2间动态过程列写方程2-6.91=（0.152-2×D×324.63-314.16314.16）×314.16Tj联立方程1和2解得D=7.758Tj=4.844四.测试报告4.1提高系统的稳定性措施4.1.1快速切除故障原理图及原理分析：最直接最经济有效的措施，故障切除时间越小,系统越稳定。故障切除时间tc的大小取决于继电保护的动作时间和断路器触头的动作时间。若故障切除的时间越小，说明减速面积增加，加速面积减少，有利于提高系统稳定性。断路器CB14和CB16是为了

31、切除故障而加入的，将BUS9设为故障点。逐渐改变故障切除时间tc，得到临界切除时间（稳定和不稳定的过渡）；同时可以看出快速切除故障对稳定性提高的影响。t=0.3s时故障，t=0.510s时切除故障功角曲线：转速曲线： t=0.3s时故障，t=0.521s时切除故障功角曲线：转速曲线：t=0.3s时故障，t=0.520s时切除故障功角曲线：转速曲线：可知，临界故障切除时间在0.520s-0.521s之间比较上面几幅图可以看出：切除时间越早，功角振幅越小，越容易达到稳定。说明故障切除得越早，系统越容易稳定且其稳定时间也越短。4.1.2自动重合闸原理分析当故障由瞬时原因造成，短路发生后即消失，则重合

32、闸成功。若故障不是由瞬时原因造成，则故障为永久性故障，由此可知重合闸不会成功。重合闸成功能够使得运行曲线上抬，减速面积增大，加速面积减少，有利于提高系统稳定。重合闸成功（1）故障时间t=0.4s故障, Tc=0.5s切除故障,未使用重合闸（2）使用重合闸t=0.4s故障，t=0.5秒切除故障线路，t=0.6s重合闸成功根据上面图功角的振荡过程可以看出，若重合闸成功可以减小振幅和达到稳定的时间，由此说明重合闸可以提高系统的稳定性。重合闸不成功（1）重合闸未使用（2）在t=0.4s时发生故障，t=0.5时断路器断开，t=0.55时重合，t=0.7时断开。重合闸时线路的故障仍然存在，则会增大加速面积，降低稳定性。4.1.3串联电容补偿原理分析串容补偿是对已装有串联电容补偿的双回输电线，在切除故障线路的同时切除另一条回线路上的部分电容器组，以增大串容补偿电容的容抗，从而部分甚至全部抵消由于切除故障线路而增加的线路电抗，达到提高输出的电磁功率的目的。串容补偿