电力系统综合实验 电力系统动态模拟实验室编 华北电力大学 二OO五年六月
电力系统综合实验 电力系统动态模拟实验室 编 华北电力大学 二○○五年六月
前言 电力系统综合实验是根据1982年电力系统及自动化专业武汉会议确定的教学大纲编写 的。其目的是在学生基本学完专业课的基础上，对某些问题进行综合的实验探讨，以提高 学生实验研究、分析处理数据和提出科学报告的能力。 通过实验，使学生对电力系统的结构、系统中各元件的性能、电力系统正常运行、故 障运行、失步特征等建立比较完整的概念。 通过实验，使学生在实验方案设计、仪器仪表的选择与使用、实验电路的接线与调试、 数据处理与误差分析、曲线与向量图的绘制等方面得到训练。 实验内容包括：电力系统静态稳定、电力系统暂态稳定、同步发电机静态运行安全极 限测定、用不同方法测定同步发电机参数等。 为了使学生掌握动态模拟方法，以便利用动模实验室进行实验，首先简略介绍了模拟 理论及动模的作用、电力系统中各元件的模拟、模拟计算举例等，最后对实验室的某些专 用仪器进行了介绍。 所列实验内容可根据专业设置选做其中部分项目
前 言 电力系统综合实验是根据 1982 年电力系统及自动化专业武汉会议确定的教学大纲编写 的。其目的是在学生基本学完专业课的基础上，对某些问题进行综合的实验探讨，以提高 学生实验研究、分析处理数据和提出科学报告的能力。 通过实验，使学生对电力系统的结构、系统中各元件的性能、电力系统正常运行、故 障运行、失步特征等建立比较完整的概念。 通过实验，使学生在实验方案设计、仪器仪表的选择与使用、实验电路的接线与调试、 数据处理与误差分析、曲线与向量图的绘制等方面得到训练。 实验内容包括：电力系统静态稳定、电力系统暂态稳定、同步发电机静态运行安全极 限测定、用不同方法测定同步发电机参数等。 为了使学生掌握动态模拟方法，以便利用动模实验室进行实验，首先简略介绍了模拟 理论及动模的作用、电力系统中各元件的模拟、模拟计算举例等，最后对实验室的某些专 用仪器进行了介绍。 所列实验内容可根据专业设置选做其中部分项目
目 录 前言 电力系统动态模拟介绍…小 实验一电力系统静态稳定… …l6 实验二电力系统暂态稳定…19 实验三同步发电机静态安全运行极限的测定…22 实验四三相突然短路法测定同步发电机参数 …26 实验五电压恢复法测定同步发电机参数…30 实验六静测法测定同步发电机次暂态电抗X。和X。…33 实验七同步发电机空载特性、短路特性及参数测定… …36 实验八同步发电机纯电感性负载特性实验…39 附一DF1024波形记录仪使用介绍…41 附二微机式保护/故障模拟控制装置使用说明…47
目 录 前言 电力系统动态模拟介绍 ………………………………………………………………………1 实验一 电力系统静态稳定……………………………………………………………………16 实验二 电力系统暂态稳定……………………………………………………………………19 实验三 同步发电机静态安全运行极限的测定………………………………………………22 实验四 三相突然短路法测定同步发电机参数………………………………………………26 实验五 电压恢复法测定同步发电机参数……………………………………………………30 实验六 静测法测定同步发电机次暂态电抗 X” d 和 X” q ……………………………………33 实验七 同步发电机空载特性、短路特性及参数测定………………………………………36 实验八 同步发电机纯电感性负载特性实验…………………………………………………39 附一 DF1024 波形记录仪使用介绍……………………………………………………………41 附二 微机式保护/故障模拟控制装置使用说明 ……………………………………………47
电力系统动态模拟介绍 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。 电力系统的实哈研究可在实际的申力系统（一般称原型）上讲行，也可在模拟的申力系 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.棋拟理论 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T,机组的惯性时间常数T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 电力系统动态模拟介绍 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
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mp、电压模拟比m、电流模拟比m小、阻抗模拟比mx,分别定义如下。 S. m元 m1=儿-SA-m Γis.八.U,/八。m X U/S y U/U mv2 mx=X,U,/5.S/S。m 时间t、时间常数T、角度6、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。 mv2 U/U2 U/Sy U Sm 因为 mx mS/S。US。s,×U 代入 Xy=mx X Xm 则 Xy=S×UxX Sy S 整理得 Xyx Xmx U 取原型基准值 Xy8-S 取模型基准值 XmB2S 所以 Xy=Xm 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 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= m y S S m v= m y U U m I = m y I I = m m y y S /U S /U = y m y m U /U S /S = v p m m m x = m y X X = m m y y U /S U /S 2 2 = y m y m S /S U /U 2 2 = p v m m 2 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。 因为 m x = p v m m 2 = y m y m S /S U /U 2 2 = m m y y U /S U /S 2 2 = y y S U 2 × 2 m m U S 代入 X y = m x × X m 则 X y = y y S U 2 × 2 m m U S × X m 整理得 X y× 2 y y U S = X m× 2 m m U S 取原型基准值 X y B = y 2 y S U 取模型基准值 X m B = m 2 m S U 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
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、定子采用深桔等方法 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
3 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
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T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△X。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X、X和X”的比例关系，因此必须考虑X+△X。、X+△X.和 X+△X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△X。 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、Xg、Td'、Ta"、Tdo、Tdo'、Ta、T 其中Xa一同步电抗 X一暂态申抗 X”、Xg一次暂态电抗 T、T”一定子闭合时，转子回路暂态、次暂态时间常数 Td、Td。一定子开路时，转子回路暂态、次暂态时间常数 T。一定子回路时间常数 工，一转子惯性时间常数 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。 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） To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。 4
4 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 ”、 Td o 、 Td o ’、 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 Td o、Td o ’—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。 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
(3)励磁调节器应与原型相似： 由于一般模拟机转子受惯性时 间常数等的限制，电阻R较大，所 以模拟发电机转子励磁回路时间常 数To一般都比原型的数值小。解决 LL3 的办法通常是在动磁回路串加负电 阻器，以减小励磁回路总电阻，使 模拟发电机 T与原型相等。一般称为负阴器。 图1励磁回路原理图 解释如下。 图1为未加补偿时的励磁回路，其电压方程为 U-Ri+L dit dt 式中U一转子绕组的励磁电压 R一转子励磁回路电阻 L一转子励磁绕组电感 求解励磁电流(t)时，转子励磁回路时间常数为 图2是负阻器原理接线图。最直观的负阻器可以用一串激直流发电机串接到励磁回路。 串激直流发电机由其它机械拖动，要求保持恒定转速。当通过励磁电流后，串激直流发电机 的电势为 EK=RkiL RK一与串激绕组匝数和电机结构有关的系数。 由此可写出加负阻器后励磁回路的电压方程为 UL+Ex=RLi+Ldit dt 整理得 U=(R-Rx)i+L dit dt Ex=RxiL 求解励磁电流i,(t)时，励磁回路时 间常数变为 模拟发电机 Tn一R-R L 质电阻器 即比加负阻器前励磁回路的时间常 图2负阻器原理图 数增大了。 随着计算机的快速发展，实验 室己普遍采用微机励磁调节器。微机励磁调节器既可手动控制，又可自动励磁，并可方便的 5
5 （3）励磁调节器应与原型相似。 由于一般模拟机转子受惯性时 间常数等的限制，电阻 RL 较大，所 以模拟发电机转子励磁回路时间常 数 Tdo 一般都比原型的数值小。解决 的办法通常是在励磁回路串加负电 阻器，以减小励磁回路总电阻，使 Tdo 与原型相等。一般称为负阻器。 解释如下。 图 1 为未加补偿时的励磁回路，其电压方程为 UL = RL i L＋LL dt diL 式中 UL—转子绕组的励磁电压 RL—转子励磁回路电阻 LL—转子励磁绕组电感 求解励磁电流 iL(t)时，转子励磁回路时间常数为 Tdo= L L R L 图 2 是负阻器原理接线图。最直观的负阻器可以用一串激直流发电机串接到励磁回路。 串激直流发电机由其它机械拖动，要求保持恒定转速。当通过励磁电流后，串激直流发电机 的电势为 EK = RK i L RK—与串激绕组匝数和电机结构有关的系数。 由此可写出加负阻器后励磁回路的电压方程为 UL＋EK = R L i L＋LL dt diL 整理得 UL= (RL－RK) iL＋LL dt diL 求解励磁电流 iL(t)时，励磁回路时 间常数变为 Td0 = L K L R R L − 即比加负阻器前励磁回路的时间常 数增大了。 随着计算机的快速发展，实验 室已普遍采用微机励磁调节器。微机励磁调节器既可手动控制，又可自动励磁，并可方便的
设定励磁方式。 3.变压器模拟 模拟变压器应满足如下要求： (1)模拟变压器短路电压U上和原型相等： (②)模拟变压器短路损耗的标么值和原型相等： (③)模拟变压器以标么值表示的空载特性和原型相同： (4)模拟变压器额定电压时空载电流和空载损耗的标么值和原型相等： (⑤)模拟变压器的绕组接线方式和原型相同： (6)模拟变压器的磁路系统和原型相同。 一般，模拟变压器同模拟同步发电机一样，为减小电阻和损耗，需要专门设计、制造。 模拟变压器高压侧有许多个绕组组成，以便灵活组合调整变比，模拟匝间短路。模拟变压器 另一个重要参数是短路电压Uk,它是由漏磁通产生的。因此短路电压可利用改变磁分路或改 变高、低压绕组的位置改变。 图3()为用磁分路法改变变压器的短路电压。在模拟变压器高低压绕组之间插入铁芯， 利用改变漏磁通改变变压器的短路电压值。 图3(6)为用不平衡绕组法改变变压器的短路电压。模拟变压器绕组个数较多，可灵活改 变高低压绕组的位置。利用位置组合改变漏磁通，以改变短路电压。 模拟变压器的变比可以是任意的，不必和原型一样。 6 ☑高压统组目磁分路☐低压统组 图3模拟变压器结构示意图 (a)磁分路法(b)不平衡绕组法 4.输电线路模拟 实际输电线路一般为分布参数（串联的电感、电阻，并联的电容），三相输电线路之间 具有互感和互电容。在动模实验室中，输电线路模型一般不要求空间电磁场的相似，只要求 线路上某节点的电压与电流随时间变化过程与原型相似。因此一般采用等值“Π”型电路， 以分段集中参数模型米模拟分布参数模型。每个“”模拟一定的实际线路长度，串联起来 可模拟不同长度的实际线路。 不同的电压等级每百公里的X、R、b是不同的，可查资料确定： 图4是模拟输电线路三相网络等值接线图，图中参数为 6
6 设定励磁方式。 3. 变压器模拟 模拟变压器应满足如下要求： (1) 模拟变压器短路电压 U k 和原型相等； (2) 模拟变压器短路损耗的标么值和原型相等； (3) 模拟变压器以标么值表示的空载特性和原型相同； (4) 模拟变压器额定电压时空载电流和空载损耗的标么值和原型相等； (5) 模拟变压器的绕组接线方式和原型相同； (6) 模拟变压器的磁路系统和原型相同。 一般，模拟变压器同模拟同步发电机一样，为减小电阻和损耗，需要专门设计、制造。 模拟变压器高压侧有许多个绕组组成，以便灵活组合调整变比，模拟匝间短路。模拟变压器 另一个重要参数是短路电压 UK，它是由漏磁通产生的。因此短路电压可利用改变磁分路或改 变高、低压绕组的位置改变。 图 3（a）为用磁分路法改变变压器的短路电压。在模拟变压器高低压绕组之间插入铁芯， 利用改变漏磁通改变变压器的短路电压值。 图 3(b)为用不平衡绕组法改变变压器的短路电压。模拟变压器绕组个数较多，可灵活改 变高低压绕组的位置。利用位置组合改变漏磁通，以改变短路电压。 模拟变压器的变比可以是任意的，不必和原型一样。 图 3 模拟变压器结构示意图 （a）磁分路法 （b）不平衡绕组法 4. 输电线路模拟 实际输电线路一般为分布参数（串联的电感、电阻，并联的电容），三相输电线路之间 具有互感和互电容。在动模实验室中，输电线路模型一般不要求空间电磁场的相似，只要求 线路上某节点的电压与电流随时间变化过程与原型相似。因此一般采用等值“П”型电路， 以分段集中参数模型来模拟分布参数模型。每个“П”模拟一定的实际线路长度，串联起来 可模拟不同长度的实际线路。 不同的电压等级每百公里的 X、 R、 b 是不同的，可查资料确定。 图 4 是模拟输电线路三相网络等值接线图，图中参数为
X一正序电抗，QKM 1一正序电阻，Q/KM R b1一正序电纳，1/Q-KM Xx一中线电抗，Q/KM N一中线电阻，QKM bw一等值对地电纳，1/Q-KM D村 L-单元π模拟线路长度KM 2 XNL INL 其中 00 Xw=X。- 3 3 3bob: by =b-bo 式中X、ro、b分别为零序电抗、零序电阻、零序电纳。 5.负荷模拟 电力系统的负荷一般有热负荷（如灯箱、电炉），旋转负荷（如电机负荷），无功负荷 整流负荷等组成，是随机分布、经常变化的。因此，负荷模拟应满足不同功率因数的负荷要 求。 ()一般，综合负荷的模拟应考虑以下比例 异步电机负荷 55%--65% 同步电机负荷 5%一15% 整流负荷 5%一10% 照明和电热负荷 15%-20% 线路损耗及其它 5%--10% (②)模拟负荷的静态特性与原型相同，即 dP,,dQ。,d.,dQ dv.dv.dfdf 等特性相同。 (3)模拟负荷的动态特性与原型相同。如电动机的机械惯性常数与原型相等，所拖动机 械的转矩一转速特性与原型相同 此外，若专门研究负荷模型，则要对负荷进行较精确的模拟。 6.原动机系统模拟 电力系统的原动机系统包括汽轮机、水轮机和动力部分。显然，动模实验室模拟汽轮机、 7
7 X1 —正序电抗，Ω/KM r1 —正序电阻，Ω/KM b1 —正序电纳，1/Ω-KM XN —中线电抗，Ω/KM rN —中线电阻，Ω/KM bN —等值对地电纳，1/Ω-KM L —单元π模拟线路长度, KM 其中 XN = 3 X0 − X1 rN = 3 r0 − r1 bN = 1 0 0 1 b b 3b b − 式中 X0、r0、b0 分别为零序电抗、零序电阻、零序电纳。 5. 负荷模拟 电力系统的负荷一般有热负荷（如灯箱、电炉），旋转负荷（如电机负荷），无功负荷， 整流负荷等组成，是随机分布、经常变化的。因此，负荷模拟应满足不同功率因数的负荷要 求。 (1) 一般，综合负荷的模拟应考虑以下比例： 异步电机负荷 55%--65% 同步电机负荷 5%--15% 整流负荷 5%--10% 照明和电热负荷 15%--20% 线路损耗及其它 5%--10% (2) 模拟负荷的静态特性与原型相同，即 * * dv dP ； * * dv dQ ； * * df dP ； * * df dQ 等特性相同。 (3) 模拟负荷的动态特性与原型相同。如电动机的机械惯性常数与原型相等，所拖动机 械的转矩—转速特性与原型相同。 此外，若专门研究负荷模型，则要对负荷进行较精确的模拟。 6. 原动机系统模拟 电力系统的原动机系统包括汽轮机、水轮机和动力部分。显然，动模实验室模拟汽轮机
