电力系统自动装置实验报告.doc

电力系统自动装置原理实验指导书 广西大学电力系统动态模拟实验室电力系统自动装置原理实验报告班 级:姓 名： 学 号:指导老师:15实验一 发电机自动准同期装置实验一、实验目的1、加深理解同步发电机准同期并列原理，掌握准同期并列条件；2、掌握微机准同期控制装置及模拟式综合整步表的基本使用方法；3、熟悉同步发电机准同期并列过程；4、学会观察、分析有关实验波形。二、实验基本原理(一）控制发电机运行的三个主要自动装置同步发电机从静止过渡到并网发电状态，一般要经历以下几个主要阶段：(1）起动机组，使机组转速从零上升到额定转速；(2)起励建压，使机端电压从残压升到额定电压；（3）合出口断路器,将同步发电机无扰地投入电力系统并列运行;(4）输出功率,将有功功率和无功功率输出增加到预定值。上述过程的控制，至少涉及3个自动装置，即调速器、励磁调节器和准同期控制器.它们分别用于调节机组转速/功率、控制同步发电机机端电压/无功功率和实现无扰动合闸并网。（二）准同期并列的基本原理将同步发电机并入电力系统的合闸操作通常采用准同期并列方式。准同期并列要满足以下四个条件：（1）发电机电压相序与系统电压相序相同;（2）发电机电压与并列点系统电压相等；（3）发电机的频率与系统的频率基本相等；（4）合闸瞬间发电机电压相位与系统电压相位相同。具体的准同期并列的过程如下：先将待并发电机组先后升至额定转速和额定电压，然后通过调整待并机组的电压和转速,使电压幅值和频率条件满足，再根据“恒定越前时间原理”，由运行操作人员手动或由准同期控制器自动选择合适时机发出合闸命令，使出口断路器合上的时候相位差尽可能小。这种并列操作的合闸冲击电流一般很小,并且机组投入电力系统后能被迅速拉入同步。自动准同期并列，通常采用恒定越前时间原理工作，这个越前时间可按断路器的合闸时间整定.准同期控制器根据给定的允许压差和允许频差,不断地检查准同期条件是否满足，在不满足要求时闭锁合闸并且发出均压、均频控制脉冲。当所有条件均满足时，在整定的越前时刻送出合闸脉冲。正弦整步电压是不同频率的两正弦电压之差，其幅值作周期性的正弦规律变化。它能反映两个待并系统间的同步情况，如频率差、相角差以及电压幅值差。线性整步电压反映的是不同频率的两方波电压间相角差的变化规律，其波形为三角波。它能反映两个待并系统间的频率差和相角差，并且不受电压幅值差的影响，因此得到广泛应用。（三）同期点发电厂发电机的并列操作断路器，称为同期点.除了发电机的出口断路器之外在一次电路中，凡有可能与发电机主回路串联后与系统（或另一电源）之间构成唯一断路点的断路器，均可作为同期点。例如,发电机变压器组的高压侧断路器,发电机-三绕组变压器组的各侧断路器等，都可作为同期点。在同期点应装设准同期装置。关于准同期并列的详细介绍,请参看杨冠城主编的教材电力系统自动装置原理(第四版)的相关章节。三、实验设备简介实验室的微机准同期装置型号为HGWT04，安装在实验室主测量控制试验台的正中央，其面板图如图31所示。图3-1 HGWT-04微机准同期控制器的面板图（一）、面板简介1、数码显示器主要用以显示发电机频率、发电机电压、系统频率、系统电压及准同期控制整定参数；2、指示灯它们是：+24V电源、微机正常、同期命令、参数设置、频差闭锁、加速、减速、压差闭锁、升压、降压、相差闭锁、合闸出口、DL合、圆心。3、LED旋转灯光整步表用48只发光二极管围成一个圆圈，表示360相角(每点7.5）。用点亮二极管的方法指示当前相角,因此当相角在0360之间变化时，灯光就旋转起来，如同整步表一样.如将接入准同期控制器的系统电压取自线路末端，该灯光整步表还可在发电机并入系统后指示发电机机端电压与系统电压之间的功角。（二）、操作按钮一共有6个按钮,它们是【同期命令】、【参数设置】、【参数选择】、下三角【】、上三角【】、【复位】.（三）显示画面说明显示器显示内容：显示组1:发电机频率Hz发电机电压V系统频率Hz系统电压V显示组2：频 差电压差允许频差 允许电压差显示组3:频 差 相角差允许频差 越前角显示组4：1 1 1 1 1 1 1 1（或2 2 2 2 2 2 2 2)相角差整定电压（V） 电压差整定电压(V）显示组5:以十六进制显示如下：开入1H开入1L开入2H开入2L开出1H开出1L开出2H开出2L按钮H按钮LP2DHP2DLBZ1HBZ1LBZ2HBZ2L注意:通过按增、减按钮，可以切换显示组别。四、实验内容和步骤（一）自动准同期的准备工作1、投入无穷大电源并合上线路开关至发电机同期点；2、启动原动机，按照模拟要求选择相应的模拟方式，将机组转速升到额定转速；3、发电机建压到额定电压；4、选择待并列的机组编号为1号机，将同期方式选为自动同期。（二）自动准同期并列1、按下微机准同期装置面板上的【同期命令】按钮，注意观察信号灯和显示器的变化过程；2、用录波仪将合闸瞬间的机端电流波形记录下来；3、跳开出口断路器，将发电机组与系统解列。(三）观察与分析1、操作调速器上的增速或减速按钮调整机组转速，记录微机准同期控制器显示的发电机和系统频率。观察并记录旋转灯光整步表上灯光旋转方向及旋转速度与频差方向及频差大小的对应关系，将相关结果记录于表3-1.表3-1 不同频差时旋转灯光整步表灯光旋转情况记录表操作频差旋转灯光整步表灯光大小方向旋转方向旋转速度逐渐增速，使机组频率上升到51Hz小正顺时针比较快逐渐增速，使机组频率上升到52Hz大正顺时针很快逐渐减速，使机组频率下降到49Hz小负逆时针比较快逐渐减速，使机组频率下降到48Hz大负逆时针很快2、使发电机与系统的频差维持在一个定值,通过按增磁、减磁按钮，观察旋转灯光整步表的灯光旋转方向和旋转速度是否受影响。3、调节转速和电压，观察并记录微机准同期控制器的频差闭锁、压差闭锁、相差闭锁灯亮熄规律,将结果记录于表3-2。表32 频差闭锁、压差闭锁、相差闭锁灯亮熄规律表操作指示灯亮熄规律记录逐渐降低转速,直到频差闭锁灯亮当发电机频率降到47Hz以下时，频差闭锁灯亮逐渐降低电压，直到压差闭锁灯亮当电压降到95V以下时,压差闭锁灯亮，增至97.7V时，压差闭锁灯灭调整转速和电压，使频差、压差为0,但相差较大当相差超过30度时，相差闭锁灯亮，否则,相差闭锁灯灭4、将发电机电压与系统电压接入录波仪，观察正弦整步电压（即脉动电压）波形,观察并记录电压幅值差大小与正弦整步电压最小幅值间的关系;观察并记录正弦整步电压幅值达到最小值得时刻所对应的整步表指针位置和灯光位置.（四）偏离准同期并列条件合闸（选做）本实验项目仅限于实验室进行，不得在电厂机组上使用!！选择手动并列方式，进行单独一种并列条件不满足情况下的手动准同期并列试验，记录功率表冲击情况:1、电压差、相角差条件满足，频率差不满足，在fFfX和fFfX时手动合闸，观察并记录实验数据，分别填入表33(注意：频率差不要大于0。5Hz）.2、频率差、相角差条件满足，电压差不满足，VFVX和VF VX 或者VFfX：有功功率为正，无功功率为负fFfX：有功功率为负，无功功率为正VFVX：有功功率为零，无功功率为正VF fX时,整步表上灯光顺时针方向旋转，且频差越大，旋转速度也越大；当fFfX时，整步表上灯光逆时针方向旋转，且频差越大，旋转速度也越大.实验二 同步发电机励磁调节装置实验一、实验目的1、加深理解同步发电机励磁调节原理和励磁控制系统的基本任务；2、了解自并励励磁方式和它励励磁方式的特点;3、了解微机励磁调节器的基本控制方式;4、熟悉微机励磁调节器的使用方法及常规励磁系统试验的基本试验方法;5、熟悉三相全控桥整流、逆变的工作波形，观察触发脉冲及其相位移动；二、实验基本原理同步发电机的励磁系统由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成,它们和同步发电机一起构成一个闭环反馈控制系统,称为励磁自动控制系统。同步发电机励磁控制的基本任务主要包含以下三个方面：稳定电压，合理分配无功功率和提高电力系统稳定性。同步发电机在并网前，励磁调节器在自动方式运行时能维持机端电压在恒定水平，当操作【增磁】、【减磁】按钮时，可以升高或降低发电机的电压；当发电机并网运行时，操作【增磁】、【减磁】按钮，可以增加或减少发电机的无功输出，而机端电压按调差特性曲线变化。当发电机正常运行时,控制角小于90；当停机时大于90，实现逆变灭磁。三、实验内容和步骤（一）自并励方式下起励实验1、启动原动机，将机组转速升到额定转速。2、合WL-04微机励磁系统调节及负阻器屏工作电源。3、切换【励磁方式】转换开关，选择励磁方式为微机自并励。4、合上磁场开关。5、设置控制方式为恒UF控制。6、检查控制参数与试验要求值是否相符。7、设置允许起励。8、起励，发电机开始建压并快速稳定在空载额定。注意观察在起励时励磁电流和励磁电压的变化（看励磁电流表和电压表）。用录波仪记录发电机起励波形，观察起励曲线，测定起励时间、超调、振荡次数等指标，记录起励后的稳态电压和系统电压。（二)空载调节励磁实验按【增磁】、【减磁】按钮，在70110%空载额定电压范围内调节机端电压，用录波仪记录发电机机端电压、励磁电压波形,用示波器记录励磁电压波形，注意观察机端电压与励磁电压的关系。（三）同期并列1、投入无穷大电源并合上线路开关至发电机同期点.2、选择待并列的机组编号为1号机，将同期方式选为自动同期。3、执行准同期并列，将发电机组与系统并列。（四)负载调节无功实验1、先调节有功功率到1kW。2、按【增磁】、【减磁】按钮增减励磁,使无功功率在1kW到1kW范围内调整，用录波仪记录机端电压、机端电流、励磁电压波形，并用示波器记录励磁电压波形，注意观察负载情况下励磁电压与机端电压、无功功率的关系.（五)强励实验1、调整发电机有功功率为2kW，功率因数为0.8.2、在50%线路上进行单相接地短路试验，并用录波仪记录下强励波形，测定强励电压倍数。3、在线路首端上进行单相接地短路试验，并用录波仪记录下强励波形，测定强励电压倍数。（六）甩负荷实验1、调整发电机运行到额定功率，有功为4kW，功率因数0.8。2、跳出口断路器,使发电机组与系统解列。并用录波仪记录甩负荷波形，注意观察甩负荷后机端电压和励磁电压的动态过程。（七）逆变灭磁实验手动按下【灭磁】按钮，灭磁指示灯亮，实现逆变灭磁，用录波仪记录灭磁曲线。注意观察励磁电流表和励磁电压表的变化以及励磁电压波形的变化。（八）他励方式下起励实验1、切换【励磁方式】转换开关，选择励磁方式为微机他励.2、起励，发电机开始建压并快速稳定在空载额定，用录波仪记录发电机起励波形。(九）跳灭磁开关灭磁实验按下励磁开关的【跳闸】绿色按钮，其绿色按钮指示灯亮，表示灭磁电阻对励磁绕组进行灭磁，并用录波仪记录发电机灭磁波形。（十)停机1、将原动机转速降到零。2、按照主接线图，以给系统送电时合线路开关相反的顺序（先通后断）,把线路开关依次跳开.3、退出无穷大电源系统。(十一）不同角(控制角）对应的励磁电压波形观测(选做)1、励磁方式保持他励，选择恒控制方式。2、合上励磁开关。3、将示波器接到励磁屏的励磁电压表的信号输入端.4、在不启动机组的状态下，松开微机励磁调节器的【灭磁】按钮，操作【增磁】、【减磁】按钮即可逐渐减小或增加控制角，从而改变三相全控桥的电压输出及其波形，通过示波器观测不同角时的励磁电压波形。四、实验记录1.自并励方式下起励实验波形如下图1所示。由图1所示同步发电机零起升压实验波形可计算得：超调量：7.4%，上升时间：0.75s，振荡次数：0.5次.在同步发电机零起升压过程中,发电机定子三相电压幅值基本相同,相位相差120度；负载电压在升压过程中会产生2-3倍的过电压，机端电压达到额定值后,负载电压为一稳定值。定子电流在此过程中保持恒定。2. 空载调节励磁实验实验波形如下图2所示。为按【减磁】按钮，在110%70空载额定电压范围内调节机端电压,得到如图2所示波形。由图2可知，在110%70%空载额定电压范围内励磁系统的自动电压调节能稳定、平滑地调节。机端电压与励磁电压同步变化，发电机定子三相电压始终保持幅值相等，相位相差120度.3.空载阶跃实验实验波形如下图3所示。由图3所示同步发电机零起升压实验波形可计算得超调量：34.2，上升时间：0。06s，振荡次数：0。5次，超调量已超出国标规定。发电机在空载运行中收到阶跃信号扰动时,会使机端电压升高，产生较高的电压幅值。4. 负载调节实验 实验波形如下图4所示。图4为有功功率为1kW时,按【增磁】、【减磁】按钮增减励磁,使无功功率在1kW到-1kW范围内调整所得。在调节无功功率的过程中，机端电压、机端电流保持不变，励磁电流（电压）随无功功率绝对值的减小而下降、随无功功率绝对值的增大而上升;有功功率随无功功率的减小而上升。可见，无功功率与励磁电压有关。5. 强励实验 实验波形如下图5所示。图5记录的波形为发生AB相间短路，短路时间等于0。3s，短路后电压下降到55，短路故障消除后，电压恢复到短路故障前的状态的过程。发生AB相间短路时，电压下降到55，为维持机端电压恒定，需增大励磁电压以补偿无功功率。由图5可知，在故障时的强励电压约为正常运行时的45倍。6. 甩负荷实验实验波形如下图6所示。图6所示为当发电机运行到额定功率，有功为4kW，功率因数0。8时，跳出口断路器，使发电机组与系统解列,此时有：超调量：28.3，调节时间：0.64s，振荡次数：1.5次，机端电压升高，励磁电压下降,经振荡后稳定. 7。逆变灭磁实验手动按下【灭磁】按钮，灭磁指示灯亮，实现逆变灭磁，灭磁曲线如图7所示.由图7可得，逆变灭磁过程中，励磁电流和励磁电压均快速降为零。8。他励方式下起励实验微机他励方式下起励，发电机开始建压并快速稳定在空载额定，波形如图8所示。其超调量为10.5，上升时间等于0.18s,振荡次数为1次。起励过程中发电机定子三相电压幅值基本相同,相位相差120度。9. 跳灭磁开关灭磁实验 跳灭磁开关灭磁实验波形如下图9。五、思考题1、逆变灭磁与跳励磁开关灭磁主要有什么区别？答：灭磁开关灭磁，是在灭磁开关主接点断开前先通过一个灭磁接点接入灭磁电阻,然后断开主接点，在灭磁开关主接点断开后由于灭磁接点把灭磁电阻与转子并联，励磁绕组能量转移到灭磁电阻发热消耗以达到灭磁目的。逆变灭磁-是在灭磁命令发出后，励磁调节器控制可控硅，使三相全控桥的控制角大于90度,此时可控硅处于逆变状态，它把励磁绕组能量吸入到励磁变压器及定子消耗掉.2、比较在它励方式下强励与在自并励下强励有什么区别？答:自并励系统强励倍数高，电压响应速度快,再加上选择先进的控制规律，能够有效地提高系统暂态稳定水平.3、比较四种运行方式：恒UF、恒IL、恒Q和恒的特点，说说他们各适合在何种场合应用?答：恒UF即保持机端电压稳定、恒IL即保持励磁电流稳定、恒Q即保持发电机输出无功功率稳定、恒即保持控制角稳定。其中,恒方式是一种开环控制方式，只限于它励方式下使用.4、电力系统在什么情况下要投入PSS？PSS的作用？答：在电力系统稳定性不满足要求时要投入PSS，PSS的主要作用是抑制系统的低频振荡，提高电力系统的动态稳定性。5、在负载运行的时候,在机组没有达到额定值时,有时候按增励按钮，但无功增不上去（增励按钮没有坏），这是什么原因,怎么解决？答：这时候发电机发出的无功功率已经达到其上限值,因此继续增加励磁无功功率不会再增加。要增加无功功率,可并联无功补偿装置，如静止无功补偿器（SVC）、静止无功发生器SVG等。6、机组负载运行的时候,若发生功率振荡，应该怎么办？答:功率振荡主要是系统受到小扰动引起，发生功率振荡时应增大系统阻尼或采用无功补偿。7、自并励和他励的空载机端电压波形哪个更平滑，为什么？答：自并励空载机端电压更平滑,自并励时间常数较他励的时间常数大，即励磁系统的电压增长速率较小，因此其空载机端电压更平滑。实验三 同步发电机频率调节装置实验一、实验目的1、加深理解同步发电机频率调节装置的原理和频率调节的基本任务；2、熟悉微机频率调节装置的基本使用方法.二、实验基本原理调速系统是原动机系统的一个重要组成部份,它的作用主要是自动维持机组的转速和自动分配机组之间的负荷.在电力系统中和其他自动控制装置联合作用还能够进行频率的自动调节。目前，由于新型调速器的应用,不仅灵敏度和反应速度提高了，而且还能够反映电力系统的其他运行参数（如电压、电流、频率、功角等）.因此，调速系统对于提高电力系统的稳定性，改善再同期的条件，以及与励磁调节系统相结合,实现系统的最佳控制等,都将发生重要的作用.原动机调速器按原动机的类型可分为水轮机调速器和汽轮机调速器两类，而按调速器本身结构又可分为离心飞摆式、机械液压式和电气液压式调速器等。它们的主要区别在于测量元件，而它们的构成原理和液压传动系统是基本相似的，因此它们的主要环节特性和参数是基本一致的。原动机调速器一般由测量、放大、执行、调差、反馈等环节组成，不论是汽轮机，还是水轮机，其调速器的执行环节都是利用液压放大原理来控制汽门(或导叶）开度.同步发电机组在并网前，调速器在自动方式运行时能维持机组频率保持恒定水平，当操作【增速】和【减速】按钮时可以升高或降低发电机组的频率;当发电机并网运行时，操作【增速】和【减速】按钮，可以增加或减少发电机的有功输出，而频率按调差特性曲线变化。三、实验内容和步骤（一)机组启动实验1、给系统上电。2、投入无穷大电源系统，按照主接线图依次合线路开关，把电送到发电机变压器高压侧断路器母线侧。3、合TGS03原动机及调速系统仿真屏电源开关。4、设定调速器的工作方式为：水轮机+调速器。5、设定原动机及调速器的控制参数。6、按下原动机调速系统屏面板上的【合闸】按钮，合上原动机开关。7、设置允许启动。8、松开原动机及调速系统仿真器面板上的【开/停机】按钮，原动机开始启动。注意观察电枢电压表的电压值以及频率的变化过程.(二）空载调节频率实验1、发电机采用自并励励磁方式，恒UF控制方式，起励建压到空载额定.2、按【增速】、【减速】按钮，用录波仪记录试验波形，并注意频率、机端电压的变化。（三)负载调节有功功率实验1、采用自动准同期并列方式,将机组与系统并列。2、调整无功功率在1kvar左右.3、按【增速】、【减速】按钮，调整输出有功功率稳定在2kW,用录波仪记录试验波形，并注意有功功率、无功功率的变化。（四）甩负荷实验1、调整发电机运行到额定功率,有功为4kW，功率因数0.8。2、跳出口断路器，使发电机组与系统解列。用录波仪记录甩负荷波形，注意观察甩负荷后频率的变化过程，并注意听发电机运行声音的变化。（五）调速器退出情况下的机组启动1、按【减速】按钮将机组转速降到零，发电机自动逆变灭磁。2、退出调速器，设定调速器的工作方式为：水轮机.3、松开原动机及调速系统仿真器面板上的【开/停机】按钮,原动机开始启动。注意观察电枢电压表的电压值以及频率的变化过程。（六）停机1、将原动机转速降到零。2、按照主接线图，以给系统送电时合线路开关相反的顺序(先通后断)，把线路开关依次跳开。3、退出无穷大电源系统.四、实验报告要求1、对比有调速器投入与调速器退出两种状态下起动原动机的区别。答:无调速器下启动原动机时，原动机输出功率最大值是在额定条件下，即转速和转矩均为额定值时出现,其机组的功率频率特性为斜率恒定的一条斜线；有调速器投入时启动原动机，机组的功率频率特性由一组静态特性曲线组成，可实现有差调节.2、分析空载的时候调节频率和与调节电压的关系,以及负载时调节有功和无功的关系.答：空载的时候调节频率是通过调节原动机的输出功率来实现的，调节电压是通过调节励磁系统的励磁电压实现;负载时调节有功通过调节原动机的输出功率来实现的，调节有功的同时,无功也会改变；调节无功通过调节励磁系统的励磁电压实现,不会影响有功功率.3、分析甩负荷后调速器的控制过程。答：甩负荷后，原动机输出功率大于负荷功率，发电机转速增大,调速器迅速关闭导叶(或汽门)，减小原动机出力，根据反馈信息不断调整，使原动机输出功率与电磁功率平衡，重新达到稳定运行。五、思考题1、实际电力系统中一次调频与二次调频怎么配合使电力系统频率稳定？答：一次调频是发电机组调速系统的频率特性所固有的能力，随频率变化而自动进行频率调整，是有差调节，不能维持电网频率不变,在电力系统中发生频率变化时，只能缓和电网频率的改变程度；为恢复电网频率，还需要进行二次调频。2、为什么空载时调节原动机是调节转速，而负载的时候是调节有功功率？答：P=UIcos,空载时负荷电流I为零，因此无法调节有功功率,又有功功率与频率有关，频率由转速决定，因而空载时调节原动机是调节转速，而负载的时候是调节有功功率。3、为什么按【增速】、【减速】按钮后，转速或者有功功率会过一会再变化？答：按【增速】、【减速】按钮后，由于励磁系统和原动机的各元器件有一定的时延、惯性存在，转速或者有功功率会过一会再变化。4、为什么并网后，调节有功与调节无功功率会相互影响？答：并网后，调节有功与调节无功功率会受到系统运行方式的变化、外界机组出力的变化、系统功率传输和厂用电负荷的变化等影响。因此,调节有功与调节无功功率会相互影响。