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电力系统综合实验（动态模拟实验）
一．概述
电力系统的研究方法可以概括为理论研究和科学实验研究两种途径。理论分析是非常重要的，它阐明电力系统的基本原理并探索新的理论和方法。但是，由于电力系统的复杂性，很多问题仅靠理论分析是不够的，只有把理论分析和科学实验结合起来，才能得到正确的结论。
电力系统的实验研究可在实际的电力系统（一般称原型）上进行，也可在模拟的电力系统（一般称模型）上进行。在原型上进行实验研究，往往受电力系统的安全、经济运行的限制。如短路实验等一般不能在原型系统进行；对于发展规划中的一些问题，有时更难以在现有的电力系统上进行。在模拟系统上进行实验研究，显然没有这些限制，因此模拟实验在电力系统研究工作中占有重要地位。
电力系统模拟方法有数学模拟和动态模拟两种方法。
数学模拟是建立在数学方程式的基础上的一种模拟研究方法。首先建立原型的数学模型，然后通过求解方程从而得出结论。随着计算机的快速发展，利用计算机仿真研究电力系统的数学模拟方法有着广阔的前景。只要能建立相应的数学模型，就可以方便的利用数字计算机进行研究。这种方法投资小，方案、参数调整方便，且速度快。但建立数学模型受到诸多因素的影响，其准确与否受到主观限制。比如某些简化是否合理，某些因素忽略是否正确等，直接影响到建模的正确性和得出的结论。
电力系统动态模拟是电力系统的物理模拟。是根据相似理论，用和原型系统具有相同物理性质的相似元件建立起来的。电力系统动态模拟是建立与原型相似的物理模型，通过模拟实验得出结论的方法。电力系统动态模拟主要由模拟发电机、模拟励磁系统、模拟变压器、模拟输电线路、模拟负荷和有关调节、控制、测量、保护等模拟装置组成。动态模拟实验物理概念清晰，直观，且能真实反映实际系统的特征。但建立动态模型投资大，且实验方案、参数调整复杂。
由于数学模拟和动态模拟各具优缺点，互相补充验证，也是目前研究电力系统的重要方法。
二．模拟理论及动态模拟的作用
1. 模拟理论
根据相似理论，模型和原型的物理现象相似，意味着在模型和原型中，用以描述现象过程的相应参数和变量在整个研究过程中，保持一个不变的、无量纲的比例系数。满足这个相似判据的模拟系统，其参数和变量以标么值表示的数值在整个过程中与原型的相等。在动态模拟中，希望模型和原型的物理现象有相同的时间标尺，即模型和原型各元件的时间常数，例如发电机励磁回路的时间常数Td0，机组的惯性时间常数TJ等，以秒为单位表示应该相等。
电力系统动态模拟又可描述为：将实际电力系统参数按一定比例缩小，并保留其物理特
1 性不变，建立一个模型，通过在模型上进行实验得出结论的方法。
原型系统参数的有名值与模型系统参数的有名值之比称作模拟比。模拟比一般有四个，即功率模拟比m p、电压模拟比m v、电流模拟比m I、阻抗模拟比m x，分别定义如下。
m p=
IyImSySm m v==
Sy/SmUy/Um2UyUm
mpmv2m I =
=
Sy/UySm/U2=
mv2mm x =
XyXm=
Uy/S yUm/S m2=
U y/U mS y/S m=
mp
时间t、时间常数T、角度δ、频率f模拟比取1 ：1。
按模拟比缩小后，原型和模型参数若取各自基准值，则描述原型和模型的参数的标么值是完全一样的。取阻抗证明如下。
mv因为 m x =
2U y/U m=
22U y/S y=
2U y =
2S m×
mpS y/S mU m/S m2S yU m2
代入 X y = m x × X m
U y则 X y =
2S m×
S yU m2× X m
S y整理得 X y×
S m = X m×
Uy2U y2U m2
取原型基准值 X y B =
Sy2
取模型基准值 X m B =
UmSm
所以 X y* = X m* 即原型的电抗标么值等于模型的电抗标么值。
保留物理特性是指过渡过程一样，也就是时间常数等一样。
大家知道，描述电力系统一般是微分方程。按上述理论，描述原型的微分方程和描述模型的微分方程对应参数的标么值一样，过渡过程一样，则从数学角度看，两个方程完全一样。
2 这样，模型的解也就是原型的解。因此，模型的实验结论也就是原型的实验结论。
建模：原型参数是一定的，模型应满足。一般，实验室发电机的容量和电压是确定的，系统的容量和电压是给定的，先确定功率模拟比和电压模拟比，求出电流模拟比和阻抗模拟比。一般电抗和时间常数需调整，比如外串电抗以补偿Xd、Xd?、加飞轮片以满足惯性时间常数要求等。另外计算模拟输电线路的电抗、电容、电阻都需要阻抗模拟比。有关建模计算可参考后面的模拟计算举例。
2. 动态模拟的作用
电力系统动态模拟实验室（简称动模），就是按照模拟理论由实际系统对应的模拟元件及控制、保护、测量等设备组成的、能模拟实际系统各种现象的实验室。其作用有：
(1) 可接入原型设备调试。比如保护装置（线路保护、发电机保护、变压器保护）；微机励磁装置；微机故障录波器；变电站安全自动装置等。这些新产品在投运前一般需要在动模上进行调试和检验。
需要说明的是，保护等原型装置的输入量均为二次侧量，即输入电压均为通过PT后的二次侧电压100V；输入电流均为通过CT后的二次侧电流5安培（或1安培），这点原型和模型二次侧的量是一样的，所以动态模型可直接接入原型设备。
（2） 探索新规律。对目前还不能或不完全能用数学方程很好地描述的问题，可以方便地利用动态模拟探求问题的物理本质。比如弄清某些参数的影响程度，非正常运行下的各参数的变化规律从而进行故障诊断，或根据实验结果提出新的原理、理论等。
（3）检验新理论。对研究电力系统过程中提出的新的理论或新的算法，都可以在进行数字仿真成功后，再经动模实验验证。
三．电力系统中各元件的模拟
1. 同步电机的模拟
同步电机包括同步发电机、同步电动机和调相机，是电力系统中的主要元件。对于研究电力系统过渡过程的动态模拟来说，重要的是研究同步电机的电磁过程和机电过程。对电机内部的电磁场过程、发热升温过程等是不要求相似的。
模拟电机是特殊设计制造的，并非把大型同步电机的几何尺寸按比例缩小，也不是一般普通小型电机。因为普通小型电机和大型同步电机都是按各自发热等条件设计，电机参数相差较大。如大型电机电阻小，普通小型电机电阻大，参数不满足。当带载发电机机端短路时大型电机转子马上加速，而小型电机则先制动再加速，过渡过程不满足。
模拟同步电机需要专门设计，采用加大导线截面、降低电流密度、定子采用深槽等方法降低定子绕组电阻。采用减小电机气隙、降低磁通密度等方法，提高电枢反应电抗。阻尼绕组采用粗铜条降低电阻。为调整输出电压，一般模拟发电机定子每相有两个绕组，采取并绕方式绕制。两个绕组可并联，也可串联。为了使模拟电机能用以模拟惯性时间常数较小的原型机组，模拟电机的转子直径受到限制。因此转子励磁绕组的电阻和励磁回路时间常数的相似，不能以增加转子用铜量来完全解决。一般采用补偿的方法，使励磁回路时间常数相等。
3 在转子轴上加装飞轮片可以提高机组的惯性时间常数，使之与原型相等。
模拟发电机转子和定子应有抽头，以便模拟发电机内部故障（如一点接地、匝间短路等），满足发电机保护或发电机故障诊断等课题的研究。
模拟机组虽然采用特殊设计、特殊制造，其参数和特性还需要进行调整。由于原型机组参数不同，且当进行系统实验时，往往需要以一台模拟机组模拟一个等值电厂或一个局部等值系统，这就需要对模拟机组的参数进行调整，以满足相似的要求。参数调整的目的，就是要使模拟机组的参数与原型等值机组的参数成一定比例，或者两者参数的标么值相等。调整方法一般如下：
1. 选用不同的基准容量。选用不同的基准容量，可以改变电机电抗的标么值，可以改变机组的惯性时间常数TJ值。
2. 选用不同的基准电压。选用不同的基准电压，可以改变电抗的标么值。但电压基准值的选择应考虑电机空载特性的相似，还需要考虑变压器的抽头和电压互感器的变比能否满足要求。
3. 外串电抗ΔX。只有在定子漏抗不足时，才采用外串电抗以增加电机的电抗值。由于外串电抗能影响到电抗Xd、Xd和Xd的比例关系，因此必须考虑Xd*+ΔX*、Xd*+ΔX* 和Xd*”+ΔX* 与原型的相似。若为发电机-变压器组接线，不考虑发电机出口带载和故障，则可用增加变压器的漏抗代替外串电抗ΔX。
4. 在转子轴上加飞轮片，以增加机组惯性时间常数。
5. 改变励磁回路电阻（如串负阻器），以增加励磁回路时间常数。
6. 调换转子。一个发电机可配不同的转子（如凸极机转子、气隙不同的隐极机转子），可以得到不同的一组参数和特性。
同步发电机的运行参数一般如下：
Xd 、Xd’、Xd”、Xq”、Td’、Td”、Tdo、Tdo’、Ta 、TJ
其中 Xd—同步电抗
Xd’—暂态电抗
Xd”、Xq”—次暂态电抗
Td’、Td”—定子闭合时，转子回路暂态、次暂态时间常数 Tdo、Tdo’—定子开路时，转子回路暂态、次暂态时间常数 Ta—定子回路时间常数 TJ—转子惯性时间常数
本次综合实验将通过不同的实验方法对这些参数进行测定。
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2. 励磁系统模拟
同步发电机的励磁系统对电力系统的正常运行和过渡过程将产生重要影响，励磁系统模拟是电力系统动态模拟的重要组成部分。励磁系统模拟应包括如下内容。
（1）模拟发电机转子励磁回路时间常数（定子绕组开路时转子励磁回路的时间常数）Tdo与原型相等。
（2）励磁方式应与原型相同，对应元件应有相似的参数和特性。
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