成都理工大学电力系统自动化实验报告解读.docx
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成都理工大学电力系统自动化实验报告解读
电力系统自动化
实
验
报
告
学院：
核技术与自动化工程学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
姓名：
学号：
指导老师：
顾民
时间：
实验一自动准同期条件测试实验
一、实验目的
1．掌握实验设备和仪器的使用方法，深入理解准同期条件。
2．掌握准同期条件的测试方法。
3．熟悉脉动电压的特点。
二、原理说明
早期的准同期装置是利用脉动电压这一特性进行工作的。
所谓脉动电压是指待并发电机的电压Ug和系统电压US之间的电压差，通常用Ud来表示。
发电机电压和系统电压的瞬时值，可用下式表示：
ug=Ug.msin（ωgt+δ
（1））
us=Us.msin（ωst+δ
（2））
3-3-1-1
3-3-1-2式中：
Ug.m、Us.m为发电机和系统电压的幅值；¦Ä1、¦Ä2为发电机电压和系统电压的初相。
设Ug.m=Us.m=Um，从式3-3-1-1和3-3-1-2可得脉动电压：
ud=ug-us
=2Umsin[（ωgt+δ1）/2-（ωst+δ2）/2]⨯cos[（ωgt+δ1）/2+（ωst+δ2）/2]
若初始相角δ1=δ2=0，则式3-3-1-3可简化为:
ud=2Umsin[（ωg-ωs）t/2]cos[（ωg+ωs）t/2]
脉动电压ud随时间变化的轨迹示于图3-3-1-1。
令Ud.m=2Umsin[（ωg-ωs）t/2]为脉动电压ud的幅值，则
ud=Ud.mcos[（ωg+ωs）t/2]
令ωd=ωg-ωs，式中ωd为滑差角速度，则
3-3-1-3
3
-3-1-5d=2Umsin[（ωdt）/2]
图3-3-1-1脉动电压变化轨迹
关于脉动电压的概念还可以用相量来描述。
图3-3-1-2是滑差电压相量图。
图中用Ug和Us表示发电机电压和系统电压的相量，当ωd不等于零时，Ug和Us之间的相角差（滑差）δ=ωdt，将随时间t不断改变。
假定以Us为参考相量保持不动，则Ug将以角速度ωd作逆时针旋转。
因而脉动电压Ud的瞬时值也在不断变化
脉动电压不仅反映Ug和Us的相角差特性，而且与它们的幅值有关，所以可以利用自动装置检测滑差电压，判断准同期并网条件，完成发电机组的准同期并网操作。
因此研究滑差电压的特性是非常必要的。
三、实验内容与步骤
根据发电机电压信号和系统电压信号测试准同期条件,当电压幅值和频率有变化时，观测脉动电压Ud波形的变化。
实验步骤如下：
实验准备：
选定实验台上面板的旋钮开关的位置：
将“励磁方式”旋钮开关打到“手动”位
置；将“励磁电源”旋钮开关打到“他励”位置；将“同期方式”旋钮开关打到“自动”位置。
1．发电机组起励建压，使发电机端电压为400V（操作步骤见第一章）
2．检查微机准同期各整定项是否为附录八中表4-8-2的设置（出厂设置）。
如果不符，则进行相关修改。
3．波形测试
⑴在综合自动化控制柜上安放双踪数字示波器，电源接在示波器位置平架后部的单相电源插座上（已经通过隔离变压器隔离市电），将一个探头的正极接入“发电机电压”测试孔，负极接入“参考地”测试孔，另一个探头的正极接入“系统电压”测试孔，观测系统和发电机电压波形，以及二者相位差的变化，记录实验波形。
⑵上述实验完成后，将示波器一路探头拔下，将另一路探头的正极接入“发电机电压”测试孔上，负极接入“系统电压”测试孔，此时示波器观测的波形为脉动电压波形。
⑶按下THLWL-3型微机调速装置上的“＋”键和“－”键，调节转速，使n=1470rpm；调节实验台上的“手动调压”旋钮，调节励磁，使Ug=390V，此时按下微机准同期装置面板上的“投入”键，通过双踪数字示波器可观测到脉动电压波形。
待波形稳定后，捕捉一个周期内完整的脉动电压波形，测量脉动电压的频率，将其与当前频差比较，确定两者的关系。
观察脉动电压幅值达到最小值的时刻所对应的整步表指针位置和微机准同期装置旋转灯灯光位置。
根据捕捉到的波形，绘制脉动电压波形图。
注：
微机准同期装置测量的系统电压和发电机电压均为经过电压互感器后的电压，电压互感器变比400：
100
4．数据全部记录完成后，发电机组停机（见第一章）
5．实验台和控制柜设备的断电操作以及示波器的整理依次断开实验台的“单相电源”、“三相电源”和“总电源”以及控制柜的“单相电源”、“三
相电源”和“总电源”（空气开关向下扳至OFF）。
将示波器的各探头从准同期装置上拔下，再拔掉电源插头，整理好示波器，以备下次使
实验心得：
通过此次实验，使我对电力系统自动化有了一定的感性和理性认识，同时对自动准同期并列的操作步骤和需要调节的参数和方法，更加深入掌握了准同期并列的条件，为之后的实验打下了基础，实践与理论相结合，让我们对电力系统自动化有更深该的认识。
实验二典型方式下的同步发电机起励实验
一、实验目的
⒈了解同步发电机的几种起励方式，并比较它们之间的不同之处。
⒉分析不同起励方式下同步发电机起励建压的条件。
二、原理说明
同步发电机的起励方式有三种：
恒发电机电压Ug方式起励、恒励磁电流Ie方式起励和恒给定电压UR方式起励。
其中，除了恒UR方式起励只能在他励方式下有效外，其余两种方式起励都可以分别在他励和自并励两种励磁方式下进行。
恒Ug方式起励，现代励磁调节器通常有“设定电压起励”和“跟踪系统电压起励”两种起励方式。
设定电压起励，是指电压设定值由运行人员手动设定，起励后的发电机电压稳定在手动设定的给定电压水平上；跟踪系统电压起励，是指电压设定值自动跟踪系统电压，人工不能干预，起励后的发电机电压稳定在与系统电压相同的电压水平上，有效跟踪范围为85%～115%额定电压；“跟踪系统电压起励”方式是发电机正常发电运行默认的起励方式，可以为准同期并列操作
创造电压条件，而“设定电压起励”方式通常用于励磁系统的调试试验。
恒Ie方式起励，也是一种用于试验的起励方式，其设定值由程序自动设定，人工不能干预，起励后的发电机电压一般为20%额定电压左右。
恒UR（控制电压）方式只适用于他励励磁方式，可以做到从零电压或残压开始人工调节逐渐增加励磁而升压，完成起励建压任务。
三、实验内容与步骤常规励磁装置起励建压在第一章实验已做过，此处以微机励磁为主。
⒈选定实验台上的“励磁方式”为“微机控制”，“励磁电源”为“他励”，微机励磁装置菜单里的“励磁调节方式”为“恒Ug”和“恒Ug预定值”为400V。
⑴参照第一章中的“发电机组起励建压”步骤操作。
⑵观测控制柜上的“发电机励磁电压”表和“发电机励磁电流”表的指针摆动。
⒉选定“微机控制”，“自励”，“恒Ug”和“恒Ug预定值”为400V。
操作步骤同实验1。
⒊选定“微机控制”，“他励”，“恒Ie”和“恒Ie预定值”为1400mA。
操作步骤同实验1。
⒋选定“微机控制”，“自励”，“恒Ie”和“恒Ie预定值”为1400mA。
操作步骤同实验1。
⒌选定“微机控制”，“他励”，“恒UR”和“恒UR预定值”为5000mV。
操作步骤同实验1。
实验心得：
通过对每次的分组合作，不但让我们清楚了同步发电机的起励方式和需要的条件，了解了起励的步骤和调节参数，同时对于我们团队协作得到了很大的提高。
实验三励磁调节器控制方式及其相互切换实验
一、实验目的
⒈了解微机励磁调节器的几种控制方式及其各自特点。
⒉通过实验理解励磁调节器无扰动切换的重要性。
二、原理说明
励磁调节器具有四种控制方式：
恒发电机电压Ug，恒励磁电流Ie，恒给定电压UR和恒无功Q。
其中，恒UR为开环控制，而恒Ug，恒Ie和恒Q三种控制方式均采用PID控制，PID控制原理框图如图2-3-1所示，系统由PID控制器和被控对象组成，PID算法可表示为：
e（t）=r（t）-c（t）
u（t）=KP{e（t）+1/TI⎰e（t）dt+TDd[e（t）]/dt}
其中：
u（t）—调节计算的输出；KP—比例增益；TI—积分常数；TD—微分常数。
2-3-1
2-3-2
因上述算法用于连续模拟控制，而此处采用采样控制，故对上述两个方程离散化，当采样周期T很小时，用一阶差分代替一阶微分，用累加代替积分，则第n次采样的调节量为：
u（n）=KP{e（n）+T/TI∑e（i）
式中：
u0—偏差为0时的初值。
则第n-1次采样的调节量为：
u（n-1）=KP{e（n-1）+T/TI∑e（i）
+TD/T[e（n）-e（n-1）]}+u0
+TD/T[e（n-1）-e（n-2）]}+u0
2-3-3
KI—积分系数，K
=TK
；KD—微分系数，K
=DK
T
T
IPDP
每种控制方式对应一套PID参数（KP、KI和KD），可根据要求设置，设置原则：
比例系数加大，系统响应速度快，减小误差，偏大，振荡次数变多，调节时间加长，太大，系统趋于不稳定；积分系数加大，可提高系统的无差度，偏大，振荡次数变多；微分系数加大，可使超调量减少，调节时间缩短，偏大时，超调量较大，调节时间加长。
为了保证各控制方式间能无扰动的切换，本装置采用了增量型PID算法。
实验准备：
以下内容均由THLWL-3微机励磁装置完成，励磁采用“它励”；系统与发电机组间的线路采用双回线。
具体操作如下：
⑴合上控制柜上的所有电源开关；然后合上实验台上的所有电源开关。
合闸顺序：
先总开关，后三相开关，再单相开关。
⑵选定实验台面板上的旋钮开关的位置：
将“励磁方式”旋钮开关打到“微机控制”位置；将“励磁电源”旋钮开关打到“他励”位置。
⑶使实验台上的线路开关QF1，QF3，QF2，QF6，QF7和QF4处于“合闸”状态，QF5处于“分闸”状态。
1．恒Ug方式
⑴设置THLWL-3微机励磁装置的“励磁调节方式”为“恒Ug”，具体操作如下：
进入主菜单，选定“系统设置”，接着按下“确认”键，进入子菜单，然后不断按下“▼”键，翻页找到子菜单“励磁调节方式”，再次按下“确认”键。
最后按下“＋”键，选择“恒Ug”方式。
⑵设置THLWL-3微机励磁装置的“恒Ug预定值”为“400V”，具体操作同上。
⑶发电机组起励建压（操作见第一章），使原动机转速为1500rmp，发电机电压为额定电压400V。
⑷发电机组不并网，通过调节原动机转速来调节发电机电压的频率，频率变化在45Hz～55Hz之间，频率数值可从THLWL-3微机励磁装置读取。
具体操作：
按下THLWT-3微机调速装置面板上的“＋”键或“－”键来调节原动机的转速。
⑸从THLWL-3微机励磁装置读取发电机电压、励磁电流和给定电压的数值并记录到表
3-2-3-1中。
表3-2-3-1
序号
发电机频率
fg（Hz）
发电机电压
Ug（V）
励磁电流
Ie（A）
励磁电压
Ue（V）
1
47.03
398
398.4
1.349
3.92
2
48.0
397.5
1.297
4.00
3
49.0
398.9
1.244
4.05
4
50.0
400.0
1.198
4.12
5
51.0
398.7
1.150
4.18
6
52.0
399.2
1.115
4.24
7
53.0
399.4
1.067
4.28
2．恒Ie方式
⑴设置THLWL-3微机励磁装置的“励磁调节方式”为“恒Ie”，具体操作同恒Ug方式实验步骤⑴
⑵设置THLWL-3微机励磁装置的“恒Ie预定值”为“1400mA”，具体操作同恒Ug方式实验步骤⑵。
⑶重复恒Ug方式实验步骤⑶、⑷，从THLWL-3微机励磁装置读取发电机电压、励磁电流和给定电压的数值并记录于表3-2-3-2中。
表3-2-3-2
序号
发电机频率
fg（Hz）
发电机电压
Ug（V）
励磁电流
Ie（A）
励磁电压
Ue（V）
3
47.0
405.1
1.396
3.85
4
48.0
413.1
1.397
3.85
5
49.0
422.1
1.398
3.85
6
50.0
429
1.389
3.85
7
51.0
438.1
1.389
3.85
88
52.0
447.2
1.398
3.85
9
53.0
456.5
1.398
3.85
3．恒UR方式
⑴设置THLWL-3微机励磁装置的“励磁调节方式”为“恒UR”，具体操作同恒Ug方式实验步骤⑴
⑵设置THLWL-3微机励磁装置的“恒UR预定值”为“4760mV”，具体操作同恒Ug方式实验步骤⑵。
⑶重复恒Ug方式实验步骤⑶、⑷，从THLWL-3微机励磁装置读取发电机电压、励磁电流和给定电压的数值并记录于表3-2-3-3中。
4．恒Q方式
⑴重复恒Ug方式实验步骤⑴、⑵和⑶。
⑵发电机组与系统并网。
（具体操作见实验一）
⑶并网后，通过调节调速装置使发电机组发出一定的有功，通过调节励磁或系统电压使发电机组发出一定的无功。
要求保证发电机功率因数为0.8。
具体操作如下：
按下THLWT-3微机调速装置面板上的“＋”键或“－”键来增大或减小有功功率；降低15kVA自耦调压器的电压,使发电机发出一定的无功功率。
⑷选择“恒Q”方式，具体操作如下：
按下THLWL-3微机励磁装置面板上的“恒Q”键。
（注：
并网前按下“恒Q”键是非法操作，装置将视该操作为无效操作。
）
⑸改变系统电压，从THLWL-3微机励磁装置读取发电机电压、励磁电流、给定电压和无功功率数值并记录于表3-2-3-4中。
表3-2-3-3
序号
发电机频率
fg（Hz）
发电机电压
Ug（V）
励磁电流
Ie（A）
励磁电压
Ue（V）
1
47.0
274.9
0.714
4.75
2
48.0
278.9
0.705
4.75
3
49.0
285.1
0.700
4.75
4
50.0
290.7
0.702
4.75
5
51.0
296.8
0.703
4.75
6
52.0
304.9
0.711
4.75
7
53.0
309.1
0.705
4.75
表3-2-3-4
序号
系统电压
Us（V）
发电机电压
Ug（V）
发电机电流
Ig（A）
励磁电流
Ie（A）
给定电压
UR（V）
有功功率
P（kW）
无功功率
Q（kVar）
4
350
400
1.70
1.695
48.00
0.92
0.717
5
390
429
1.57
1.879
51.32
0.91
0.689
6
400
435
1.51
1.922
52.21
0.95
0.692
7
410
444
1.44
1.978
53.42
0.91
0.698
注：
四种控制方式相互切换时，切换前后运行工作点应重合。
5．负荷调节
⑴设置子菜单“励磁调节方式”为“恒Ug”方式，操作参照恒Ug方式实验步骤⑴。
⑵将系统电压调到300V（调节自耦调压器到300V），发电机组并网，具体操作参照第一章。
⑶调节发电机发出的有功和无功到额定值,即：
P=2kW,Q=1.5kVar。
调节有功，即按下THLWT-3微机调速装置面板上的“＋”键或“－”键来增大或减小有功功率；调节无功，即按下THLWL-3微机调速装置面板上的“＋”键或“－”键来增大或减小无功功率。
⑷从THLWL-3微机调速装置读取功角，从THLWL-3微机调速装置读取励磁电流和励磁电压，并记录数据于表3-2-3-5
⑸重复步骤⑶，调节发电机发出的有功和无功为额定值的一半。
⑹重复步骤⑷
⑺重复步骤⑶，调节发电机输出的有功和无功接近0。
⑻重复步骤⑷
发电机状态
励磁电流Ie（A）
励磁电压Ue（V）
功角δ（°）
空载
0.733
27.90
/
半负载
1.572
45.95
27
额定负载
2.330
60.3
43
四、实验报告
1．自行体会和总结微机励磁调节器四种运行方式的特点。
说说他们各适合于那种场合应用？
对电力系统运行而言，哪一种运行方式最好？
是就电压质量，无功负荷平衡，电力系统稳定性等方面进行比较。
2．分析励磁调节器的工作过程及其作用。
1答：
励磁调节器允许方式分开环运行和闭环运行两种方式其中有恒励磁电流运行、恒励磁电压运行、恒功率因素运行、恒功率角运行四种。
无刷励磁还应具有恒励磁机定子电压调节运行方式
恒机端电压（自动）运行方式该方式为发电机励磁系统闭环自动调节方式。
在该种运行方式下，数字式励磁调节器的旨要任务是维持发电机端电压恒定，—般是把机端电压，作为反馈量，实现PID调节；向时，为了提高电力系统运行的稳定件，数字式励磁调节器还可以实现更为复杂的控制规律
在恒励磁电流运行方式下，数字式励磁调节器采入信号，与给定值比较，经比例（积分）。
控制规律的运算后送出控制信号到移相触发单元
2答：
发电机励磁功率取自发电机端，经过励磁变压器LB降压，可控硅整流器KZL整流后给发电机励磁。
自动励磁调节器根据装在发电机出口的电压互感器TV和电流互感器TA采集的电压、电流信号以及其它输入信号，按事先确定的调节准则控制触发三相全控整流桥可控硅的移相脉冲，从而调节发电机的励磁电流，使得在单机运行时实现自动稳压，在并网时实现自动调节无功功率，提高电力系统的稳定性。
发电机的线电压UAC和相电流IB分别经电压互感器和电流互感器变送后，经鉴相电路产生电压周期的方波脉冲和电压电流相位差的方波脉冲信号送PIC16F877微控制器，用PIC的计数器测量这两脉冲的宽度，便可得到相位差计数值，即电网的功率因素角。
然后通过查表得出相应的功率因素，进一步求出有功功率和无功功率。
调节励磁，进而调节电压的大小与方向。
改变励磁的大小可以改变电压的大小；改变励磁的相角可以控制发电机的功率角,使得发出的有功无功可以改变。
另外电压大小主要影响发电的无功，电压相角主要影响发电的有功。
实验心得：
我深切感受到了自己动手操作方面的不足，实际的动手操作并不像想象中的那么简单，我们不能仅仅学一些课本上的理论知识，还要将学习应与实践相结合，更注重动手能力的培养，这样才有助于我们自身综合素质的提高。
明白了励磁调节器的功能，了解了各种励磁方式的特点和改变励磁可以调整发电机空载电动势等内容。
实验四跳灭磁开关灭磁和逆变灭磁实验
一、实验目的
1．理解灭磁的作用、原理和方式。
2．加深对三相整流电路有源逆变工作状态的理解。
二、原理说明
当发电机内部、引出线、与发电机直接连接的主变压器内部或与发电机出口直接连接的厂用变压器内部发生故障时，虽然继电保护装置能快速地使发电机出口回路的断路器跳开，切断故障点与系统的联系，但发电机励磁电流产生的感应电动势会继续维持故障电流。
为了快速限制发电机内部或与其直接相连的变压器内部的故障范围，减小其损坏程度，必须尽快地降低发电机电动势，即需要把励磁绕组电流建立的磁场迅速地降低到尽可能小。
把发电机磁场迅速降低到尽可能小的过程称为灭磁。
如上所述，对发电机灭磁的主要要求是可靠而迅速地消耗储存在发电机中的磁场能量。
最简单的灭磁方式是切断发电机的励磁绕组与电源的连接。
但是，这样将使励磁绕组两端产生较高的过电压，危及到主机绝缘的安全。
为此，灭磁时必须使励磁绕组接至可使磁场能量耗损的闭合回路中。
根据实现灭磁方式的不同，分为跳灭磁开关灭磁和逆变灭磁。
跳灭磁开关灭磁原理如下图所示：
图3-2-4-1跳灭磁开关灭磁原理示意图
灭磁时，灭磁开关QFG的常开触点断开，切断了发电机励磁绕组和电源的连接；灭磁开关QFG的常闭触点闭合，使与发电机励磁绕组并联的线形电阻R接入回路，由此电阻消耗发电机的磁场能量，完成了灭磁。
逆变灭磁原理如下图所示：
图3-2-4-2逆变灭磁原理示意图当触发控制角大于90°时，全控桥将工作在有源逆变状态下，此时转子储存的磁场能量就以续流的形式经全控桥反送到交流电源，以使转子磁场的能量不断减少，达到灭磁目的。
此时，灭磁开关QFG的常闭触点处于断开状态，即线形电阻R未接入回路；灭磁开关QFG的常开触点闭合，这是与跳灭磁开关灭磁不同的。
三、实验内容与步骤
1．跳灭磁开关灭磁实验
⑴将实验台面板上的“励磁方式”旋钮旋至“常规控制”，“励磁电源”切至“他励”方式。
⑵发电机组的起励建压，具体操作参照第一章。
⑶按下THLCL-2常规可控励磁装置面板上的“灭磁”按钮，记录励磁电流和励磁电压的变化（观察控制柜上的励磁电流表和电压表）。
并通过示波器观测励磁电压Ue（对应面板上的Ud）波形。
⑷发电机组停机，具体操作参照第一章。
2．逆变灭磁实验
⑴将实验台面板上的“励磁方式”旋钮旋至“微机控制”，“励磁电源”切至“他励”方式。
⑵发电机组的起励建压，具体操作参照第一章。
⑶按下THLWL-3微机励磁装置面板上的“灭磁”键，记录励磁电流和励磁电压的变化（观察控制柜上的励磁电流表和电压表）。
并录制励磁电压波形，分析变化规律。
⑷发电机组停机，具体操作参照第一章。
四、实验报告
1．分析在他励方式下逆变灭磁与在自并励下逆变灭磁有什么差别？
答：
他励是针对直流发电机作为励磁机向交流发电机提供励磁电流，那么它励下的逆变灭磁是灭掉直流发电机的励磁电流，从而使直流发电机无法向交流发电机提供励磁电流！
这种励磁方式一般实用与50MW以下机组。
自并励是将交流发电机出现增设励磁变压器提供励磁，它是直接通过可控硅整流输出到交流发电机的转子。
其实逆变灭磁原理都是一样！
通过可控角的控制实现的逆变，可以用平均电压的积分公式得到电压与控制角的关系！
2．分析灭磁为何只能在空载下进行，若在发电机并网状态下灭磁会导致什么后果。
答：
那是不是因为如果直接灭磁后，原动机保持不变，没有励磁发电机没有能量输出，使得发电机转子越来越快?
是的要是并列状态的发电机失磁后，将进相运行，若带有功较多，将变成失步的异步状态，并出现大幅度的电流和功率摆动，要是原动机不及时减小输出，将使机组过速
实验心得：
通过实验了解到了灭磁的原理及应用和灭磁的方式。
锻炼了实际
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