同步发电机实验报告

1、实验五 同步发电机实验陈静鹏 5100309537 穆卡5100309647 王耀东 5100309555 一、 实验目的1. 学习 RTDS 中同步电机模型基本理论。2. 学习同步电机的空载特性，短路特性，并由此测得同步电抗。3. 学习同步电机的突然三相短路动态特性。4. 了解电力系统稳定器（Power System Stabilizer 简称PSS）的作用。二、 实验内容1. 同步电机空载特性实验2. 同步电机短路特性实验3. 同步电机的突然三相短路实验4. 双回线系统短路故障实验三、 实验原理1. RTDS 中同步电机模型简介1.1 RTDS 中同步电机模型接口说明RTDS 中的同步电机

2、模型是一个三相电机，根据不同的参数设置，它可以成为发电机（输入正转矩），电动机（输入负转矩），或是调相机（无输入转矩）。同步电机三相视图输入输出口说明：Tm: 机械转矩输入（pu）w: 电机转速（rad/sec）Ef: 励磁电压（pu）If: 励磁电流（pu）VMpu： 机端电压（pu）RTDS 中，同步电机模型可以连接至用户自定义的电力系统网络。而且，励磁系统(AVR)、稳定器（PSS）、调速器（GOVERNOR）、汽轮机（TURBINE）和多质量块模型（Multi-Mass）都可以与同步电机模型接口。应用RTDS 同步电机模型，用户可以进行电力系统的继电保护测试与分析、稳定性分析、控制器的

3、设计等工作。1.2 RTDS 中同步电机模型等值电路RTDS 中同步电机采用dq0 坐标系统下的方程式作为数学模型。其d-q轴等值电路如图所示。当选择同步发电机的转子类型为凸极时，转子Q轴将只考虑一个阻尼绕组，即7阶模型；当选择同步发电机的转子类型为隐极时，转子Q轴将考虑两个阻尼绕组，即8阶模型。其中，X230(可选)代表D 轴上阻尼绕组与励磁绕组的互感磁链通路。它模拟了D轴上只与阻尼线圈和励磁绕组之间交链而不与定子绕组交链的互感磁链。这样可以提高电机模型的精度。2. 同步电机空载特性与短路特性发电机空载特性和短路特性代表了同步电机两种典型运行状态下的磁路工作状态。同步发电机发生三相稳态短路时

4、，限制短路电流的仅是发电机内部的阻抗。由于同步发电机的电枢电阻远小于同步电抗，因此，短路电流可认为是纯感性的，于是电枢磁势基本上是一个纯去磁的直轴磁势，即。各磁势矢量都在一条直线上，合成磁势是。然后利用空载特性即可求出气隙合成电势E。由于U=0，所以。可见，短路时成磁势只等于漏抗压降，其对应的气隙合成磁通很小，电机的磁路处于不饱和状态。因此合成磁势。由于也总是与I成正比，所以励磁磁势也必然与I成正比，故短路特性是一条直线。3. 测定纵轴同步电抗Xd测定同步电机纵轴同步电抗较简易而准确的方法是空载、短路测定法。空载电势与稳定三相短路电流间的关系有：这一关系只有当忽略定子电阻式方能成立；对具有一般

5、参数及额定正常转数的电机，这是允许的。所以：由于空载特性曲线是一条不饱和曲线，在计算同步电抗时，必须按切于空载特性曲线起始部分的直线化的空载特性来求测。4. 同步电机的突然三相短路三相突然断路是对同步电机有严重威胁的动态过渡过程，短路电流所产生的巨大电磁力和电磁转矩可能损坏定子绕组的端部绝缘，并使转轴和基座发生有害变形。三相突然断路时，电枢电流和相应的电枢磁场的幅值会发生突然变化，使转子绕组和定子绕组之间出现变压器作用，从而在转子绕组中感应出电动势和电流，而此电流反过来又会影响到定子绕组中的电流变化。这种定、转子绕组之间的相互影响，使突然断路后的过渡过程变得非常复杂。三相交流电源的a 相电势为

6、式中，U为电压的有效值，为交流电源角频率，为初始角，也称合闸角。发生突然短路后，短路电流由两部分组成，一部分为周期分量，它不衰减，称为强制分量；一部分为非周期分量，称为自有分量，它的大小与合闸角有关。在一般的短路回路中，感抗值要比电阻值大得多，即L R，因此当合闸角=0或=180时，a相短路电流处于最严重的情况。5. 电力系统稳定器 PSS 原理和作用电力系统稳定器Power System Stabilizer 简称PSS，是励磁调节器通过一种附加控制功能，它抽取与此振荡有关的信号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到励磁调节器中，借助于AVR 控制励磁输出，阻尼同步电机

7、的低频功率振荡，用以改善电力系统稳定性能的一个或一组单元。四、 实验设备1. 电力系统实时数字仿真器 RTDS2. 装有 RSCAD 软件的电脑五、 实验步骤1.本实验中的模型是一台发电机通过双回线与一个电源互连。电源模型代表了简化了的无穷大系统。在一条传输线的中间，设置了接地短路故障点；传输线的两端有断路器来隔离故障。在同步电机侧设有断路器3，来隔离同步电机与交流系统，以测试同步电机的空载特性。母线4上也设有接地短路点，与断路器3控制电路配合，可用来测试同步电机突然断路特性。draft图如下：其中传输线接地短路故障控制电如下：拨盘FAULT TYPE用来设置接地短路故障类型；滑杆FCLEAR

8、用来设置从故障发生到断路器断开的时间，即故障切除时间；按钮FLTSEQ用来激活接地短路故障；按钮ReClose用来重新合上断路器。同步电机突然短路控制电路如下：为了测试同步电机在不同合闸角时发生突然短路故障，必须检测母线上的电压过零点。滑杆POW（Position on Wave）用来控制合闸角，常数0.0000463为60Hz工频下，转子转过1。所对应的时间。2.画出Runtime图如下：3. S/R特性分析一定条件下，触发器可维持两种稳定状态（0、1）一保持不变；分别用来表示逻辑0和逻辑1；在适当的外加输入信号（外触发）作用下，可从一种状态翻转到另一种状态；在输入信号取消后，能将获得的新状

9、态保存下来。不论触发器原来为何种状态，当 S=1，R=0时，将使触发器置“0”或称为复位。不论触发器原来为何种状态，当 S=0，R=1时，将使触发器置“1”或称为置位。当 S=1，R=1时，触发器保持原来的状态，即触发器具有保持、记忆功能。当信号S = R = 0同时变为1时，由于与非门的翻转时间不可能完全相同，触发器状态可能是“1”态，也可能是“0”态，不能根据输入信号确定。S、R均为0，保持输出S、R为0、1，复位状态S、R均为1，不用状态S、R均为0，保持输出S、R为1、0，将Q置位S、R为1、1，不用状态S、R为0、0，保持状态S、R为1、0，将Q置位S、R为0、0，保持之前状态S、R

10、为0、1，将Q复位六、实验数据1根据实验数据绘制同步电机空载特性曲线 将Lock/Free 置于Lock 的位置，AVREnable 置于Off 位置，P_GEN1 置于0，启动仿真运行。按下BRK3Open 按钮，断开BRK3。使同步发电机与系统分离。此时同步电机保持同步转速，空载运行。调节滑杆 ManualAdjust 手动改变励磁电压，从而使励磁电流If从0 变化到2。记录机端电压VMPU 与励磁电流If的值，得到同步电机空载特性曲线。其中If=1必测。If0.20.50.811.11.21.52VGB0.20050.50090.78980.94731.0131.0741.21.3462

11、根据实验数据绘制同步电机短路特性曲线 将Lock/Free 置于Lock 的位置，AVREnable 置于Off 位置，P_GEN1 置于0，SimuGND置于1，启动仿真运行。此时同步电机保持同步转速，稳态短路运行。调节滑杆ManualAdjust 手动改变励磁电压，从而使励磁电流If从0 变化到2。记录断路器BRK3 上的短路电流Ik三相有效值与励磁电流If的值，得到同步电机空载特性曲线。其中If=1必测。If0.20.50.811.11.21.52Ik0.11740.29230.46670.58320.64140.69940.87431.1663由空载特性和短路特性确定同步电机同步电抗X

12、d Xd=4.思考三相不同时短路的影响 当三相不同时合闸时，在空载和三相突然短路状态之间存在一小段时间，电机处于两相短路状态，即u不能突然降到0，延时较长时，u甚至出现交变分量，短路电流也大大降低。5.同步电机突然三相短路特性将Lock/Free 置于Lock 的位置，P_GEN1 置于0，ManualAdjust 置于0，AVREnable置于On，启动仿真运行。按下BRK3Open 按钮，断开BRK3；将SimuGND 置于1；调节POW 分别为0、180、90 然后按下BRK3Close 按钮，使发电机分别在0，180，90的合闸角下发生突然短路，记录下三相定子和励磁电流波形。当合闸角为

13、0时，与定子A 相绕组相交链的磁链初值最大，因此定子A 相绕组中的直流分量最大。所以突然短路后，定子A 相绕组的电流峰值最大。而定子B，c 相绕组所交链的磁链与A 相相反，且大小不及A 相，所以定子B，c 相绕组的电流峰值比A相的小，且方向与A 相相反。当合闸角为180时，定子三相绕组所交链的磁链初值与合闸角为0时方向相反，大小相等。故定子三相绕组的电流波形方向与合闸角为0时完全相反。当合闸角为90时，定子A 相绕组所交链的磁链初值为0，所以定子A 相绕组中直流分量为0，因此其电流波形为对称波形；而B，C 两相由于所交链的磁链初值方向相反，因此B，C 两相电流波形方向相反。合闸角为0时波形合闸

14、角为90时波形合闸角为180时波形6.双回线系统短路故障实验将Lock/Free 置于Free 的位置，AVREnable 置于On 位置，P_GEN1 置于0.4956，SimuGND 置于OFF，启动仿真运行。将PSS 置于On 的位置，FAULT_TYPE 置于7 的位置，按下FLTSEQ 按钮，模拟PSS生效时，交流系统中发生三相接地短路故障。按ReClose 按钮，合上断路器BRK1、BRK2。将PSS 置于Off 的位置，重新按下FLTSEQ按钮，模拟PSS 无效时，交流系统中发生三相接地短路故障。可以看到，当PSS 生效时，若交流系统中发生三相接地短路故障，电机转速几乎不变；当PSS 无效时，若交流系统中发生三相接地短路故障，电机将失去同步速，严重时会引起系统震荡甚至系统崩溃。调整P_GEN1 和FCLEAR 的值，查看不同负载、不同故障切除时间对系统的影响。PS