PSCAD的發(fā)電機準同期并列綜合實驗設(shè)計

司馬莉萍， 丁 濤， 尹 航

（武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院，武漢 430072）

0 引 言

同步發(fā)電機準同期并列是“電力系統(tǒng)自動裝置原理”“電力系統(tǒng)自動化”的重要知識［1-3］，是電氣工程相關(guān)專業(yè)高年級的必修內(nèi)容。發(fā)電機準同期并列實驗將電路、電機學(xué)、自動控制理論，電力系統(tǒng)分析等多門基礎(chǔ)核心課程的知識聯(lián)系起來，對于學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有十分重要的意義。基于硬件設(shè)備的準同期并列實驗是在電力系統(tǒng)綜合自動化實驗臺上進行手動/半自動/全自動準同期實驗，重點觀察實驗現(xiàn)象。其昂貴龐大的實驗設(shè)備，單一確定的實驗結(jié)果，按部就班的操作步驟，使該實驗受限于物質(zhì)場地條件，不便于相關(guān)電參量的波形觀測，不利于學(xué)生深入思考?；陔娏ο到y(tǒng)仿真軟件的虛擬實驗一直備受關(guān)注。文獻［4-5］中利用MATLAB/Simulink平臺搭建了發(fā)電機并列仿真模型，開展并網(wǎng)運行仿真實驗。文獻［6］中運用Python語言基于PyQt軟件設(shè)計了電力系統(tǒng)并列虛擬可視化實驗平臺。文獻［7］中基于PSASP仿真分析新能源發(fā)電并網(wǎng)運行。

PSCAD/EMTDC（Power Systems Computer Aided Design/Electro Magnetic Transient in DC System）是國際上廣泛使用的電磁暫態(tài)分折軟件［8］。文獻［9］中基于PSCAD/EMTDC設(shè)計了光伏發(fā)電并網(wǎng)仿真模型。本文基于PSCAD構(gòu)建了同步發(fā)電機準同期并列實驗?zāi)Ｐ?，并設(shè)計了循序漸進的教學(xué)實驗項目。該實驗有助于學(xué)生對理論知識的綜合掌握，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，自主進行實驗設(shè)計，提升科學(xué)研究能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維［10-11］；另一方面增強了實驗結(jié)果的直觀性和生動性，豐富了實驗教學(xué)資源，在電力系統(tǒng)自動化實驗課程的教學(xué)方式上進行了有益的探索。

1 準同期并列原理

在電力系統(tǒng)運行中，并列操作重要且頻繁，不恰當(dāng)?shù)牟⒘胁僮鲗?dǎo)致嚴重后果［1］。準同期并列是發(fā)電機在原動機的帶動下接近同步轉(zhuǎn)速，調(diào)整勵磁電流使機端電壓接近系統(tǒng)電壓，在兩電壓的相角差接近零時，合上并列斷路器，將發(fā)電機組并入系統(tǒng)。并列合閘瞬間，發(fā)電機的機端電壓與系統(tǒng)電壓應(yīng)滿足的如下條件：①電壓幅值之差小于額定電壓的10%；②頻率差小于額定頻率的0.2%；③相角差小于10°。

2 系統(tǒng)模型的搭建

基于PSCAD構(gòu)建的同步發(fā)電機準同期并列實驗?zāi)Ｐ椭饕邪l(fā)電機及并網(wǎng)系統(tǒng)、原動機及其調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、準同期并列控制單元、電壓向量的動態(tài)顯示等幾大部分。

2.1 發(fā)電機及并網(wǎng)系統(tǒng)模型

同步發(fā)電機動態(tài)機械方程為

式中：J為轉(zhuǎn)動慣量；w為轉(zhuǎn)子角速度；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Tm為機械轉(zhuǎn)矩；D為阻尼系數(shù)。

發(fā)電機及并網(wǎng)系統(tǒng)模型如圖1 所示。圖中，輸入量Tm和Ef分別為機械轉(zhuǎn)矩和勵磁電勢。主要輸出參量有勵磁電流If，機端電壓UT，轉(zhuǎn)子角速度w。無窮大系統(tǒng)用理想電壓源模擬，其額定電壓為10 kV。輸電線路電阻0.35 Ω，電感2 mH。斷路器由控制信號BRK控制其分合閘。

圖1 發(fā)電機及并網(wǎng)系統(tǒng)模型

2.2 原動機及其調(diào)速器模型

本文原動機采用水輪機，其動態(tài)方程為

式中：Tm為機械功率；u為導(dǎo)水葉開度；Tw為水錘時間常數(shù)。

調(diào)速器采用電氣液壓伺服調(diào)速器，由轉(zhuǎn)速測量、放大、執(zhí)行和反饋等環(huán)節(jié)組成［12］。測量環(huán)節(jié)將機組的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電信號，與給定轉(zhuǎn)速綜合后發(fā)出調(diào)節(jié)命令；調(diào)節(jié)命令被放大后，送到執(zhí)行元件以推動導(dǎo)水機構(gòu)；反饋環(huán)節(jié)把導(dǎo)水葉開度u變化的信息返回到加法器，形成必要的調(diào)節(jié)規(guī)律。圖2 為原動機及其調(diào)速器模型。圖中，Pref、wref分別為給定功率、轉(zhuǎn)速參考值。

圖2 原動機及其調(diào)速器模型

2.3 勵磁系統(tǒng)模型

發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)包括勵磁電源和勵磁調(diào)節(jié)器［12］。本文在勵磁建模方式上采用主導(dǎo)的自并勵靜止勵磁系統(tǒng)，其電源取自發(fā)電機機端，經(jīng)勵磁變壓器降壓后，由可控整流器供給其勵磁電勢Ef，可控硅的觸發(fā)角由勵磁調(diào)節(jié)器控制。勵磁電勢Ef與調(diào)節(jié)器輸出電壓UR是線性關(guān)系。當(dāng)強行勵磁和強行減磁時，勵磁電勢Ef的上下限與發(fā)電機電壓UT有關(guān)，其傳遞函數(shù)用限幅器表示。

勵磁調(diào)節(jié)器由測量比較、綜合放大和校正單元等組成。電壓測量單元用一階慣性環(huán)節(jié)來描述。綜合放大單元可視為具有飽和限制的一階慣性環(huán)節(jié)。校正單元采用超前滯后串聯(lián)校正和速率反饋校正，以改善勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。

本文所建立的自并勵靜止勵磁系統(tǒng)模型如圖3 所示。發(fā)電機機端電壓UT經(jīng)測量環(huán)節(jié)后與給定的參考電壓UTref相比較，其偏差信號經(jīng)PI 調(diào)節(jié)、校正、綜合放大后，輸出調(diào)節(jié)電壓UR，最終控制勵磁電勢Ef。

圖3 自并勵靜止勵磁系統(tǒng)模型

2.4 準同期并列控制單元

準同期并列控制單元由電壓差檢測、頻率差檢測、相角差檢測和并列控制邏輯環(huán)節(jié)組成［1］。圖4 為準同期并列控制單元模型。圖中，電壓幅值差檢測環(huán)節(jié)將機端電壓有效值UTR與系統(tǒng)電壓有效值USR的差值取絕對值輸入比較器，若電壓差小于允許值，則比較器輸出1，否則輸出0。頻率差檢測環(huán)節(jié)與此類似。相角差檢測環(huán)節(jié)先根據(jù)恒定越前時間計算越前相角Ryq，即

圖4 準同期并列控制單元模型

式中：wsi為滑差角速度；tDC為斷路器延遲合閘時間。最終計算的相角差為越前相角Ryq與實時相角差PH之和，如圖4 所示。若兩者之和小于允許值，則比較器輸出1，否則輸出0。

并列控制邏輯環(huán)節(jié)是在壓差和頻差滿足條件，延時等待相角差滿足條件，發(fā)出并列合閘命令BRK并自保持，使同步發(fā)電機并網(wǎng)。

2.5 電壓向量的動態(tài)顯示

為便于實時觀測并列過程中發(fā)電機機端電壓和系統(tǒng)電壓的變化情況，建立了兩向量的相對實時顯示模型，如圖5（a）所示。圖中，F(xiàn)FT 變換組件是一個在線快速傅里葉變換器。發(fā)電機電壓UT和系統(tǒng)電壓US經(jīng)快速Fourier變換分離出幅值和相位，經(jīng)合并元件構(gòu)建四維矩陣數(shù)據(jù)送入向量表。向量表以極坐標形式實時顯示每個向量，狀態(tài)欄底部實時顯示向量的幅值和相位。圖中綠色向量為系統(tǒng)電壓向量，藍色向量為機端電壓向量。通過該模型可直觀地監(jiān)測兩向量的相對旋轉(zhuǎn)運動。掃右側(cè)二維碼，如圖5（b）所示，可觀測整個并列過程中兩向量的變化，可見滑差角速度wsi越來越小，頻差越來越小，兩向量的相對旋轉(zhuǎn)運動也越來越慢，最終并列合閘。

圖5 電壓向量的動態(tài)顯示

3 實驗項目的設(shè)計

根據(jù)“新工科”建設(shè)要求［13］，堅持以學(xué)生為中心，注重培養(yǎng)工程實踐能力和綜合素質(zhì)［14］，在實驗項目的設(shè)置上，不僅包含傳統(tǒng)驗證性實驗，還增加了分析性和設(shè)計性項目，主要有機組啟動與并網(wǎng)的驗證性實驗、不同并列條件影響的分析性實驗、頻率差和電壓差調(diào)節(jié)的設(shè)計性實驗。

3.1 機組啟動與成功并網(wǎng)的驗證性實驗

驗證性實驗旨在使學(xué)生了解PSCAD 中發(fā)電機組的各個組成部分，熟悉發(fā)電機準同期并列的過程，驗證所學(xué)理論知識。本實驗?zāi)M發(fā)電機從靜止狀態(tài)，經(jīng)加速加壓至準同期狀態(tài)，最終并網(wǎng)成功的全過程。其仿真設(shè)計如下：設(shè)置角頻率wref在機組啟動的前80 s 內(nèi)線性增大至接近；隨后投入勵磁，設(shè)置參考電壓UTref在110 s內(nèi)線性增大至接近。圖6 為發(fā)電機從靜止啟動到并網(wǎng)成功，0 ～250 s期間各參量的波形（從上至下分別為發(fā)電機角頻率w、機端電壓UT、相角差PH、斷路器控制信號BRK）。由圖可知，在0 ～80 s 發(fā)電機轉(zhuǎn)速逐步上升至接近額定轉(zhuǎn)速314 rad/s；在80 ～190 s發(fā)電機的機端電壓逐步上升到接近額定電壓10.5 kV。當(dāng)電壓相角差、頻率差、電壓幅值差滿足并列條件時，控制單元發(fā)出合閘命令（斷路器控制信號BRK由1變?yōu)?），發(fā)電機并入電網(wǎng)，經(jīng)短時振蕩后，進入同步運行狀態(tài)。

圖6 機組啟動與成功并網(wǎng)各參量波形

3.2 不同并列條件影響的分析性實驗

分析性實驗旨在引導(dǎo)學(xué)生深入思考不同條件下的并列效果，分析壓差、頻差、相角差對并列過程產(chǎn)生的影響，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析能力。通過設(shè)置不同的角頻率參考值wref和電壓參考值UTref，使發(fā)電機在不同的狀態(tài)下并列，可觀測并列時沖擊電流、脈動電壓的變化。圖7 和圖8 是相角差分別為10°和30°時并列瞬間各參量的波形（從上至下分別為相角差PH、沖擊電流瞬時值Icj、脈動電壓有效值Umd）。由圖可見，相角差增大時，并列所產(chǎn)生的沖擊電流、脈動電壓也變大，暫態(tài)過程延長。

圖7 相角差為10°并列時各參量波形

圖8 相角差為30°并列時各參量波形

3.3 頻率差和電壓差調(diào)節(jié)的設(shè)計性實驗

設(shè)計性實驗旨在激發(fā)學(xué)生自己動手建模，根據(jù)相關(guān)原理知識，運用現(xiàn)代工具自行設(shè)計實現(xiàn)頻差、壓差的自動調(diào)節(jié)控制功能，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和科研創(chuàng)新能力。頻率差、電壓差調(diào)節(jié)單元使不滿足并列要求的發(fā)電機調(diào)整至準同步運行狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速和機端電壓，促成并列的實現(xiàn)。圖9 為頻率差調(diào)節(jié)單元模型，判斷頻率差絕對值是否在允許值之內(nèi)，若滿足則不進入頻差控制程序，否則發(fā)加速或減速指令調(diào)整發(fā)電機參考轉(zhuǎn)速wref，通過調(diào)速器使發(fā)電機進入準同步狀態(tài)。電壓差調(diào)節(jié)單元模型構(gòu)成與此相似。

圖9 頻率差調(diào)節(jié)單元

該項實驗不僅要求學(xué)生完成并網(wǎng)時的頻率差和電壓差調(diào)節(jié)設(shè)計，還要求學(xué)生進一步搭建單機帶負荷的實驗?zāi)Ｐ停龑?dǎo)學(xué)生探究發(fā)電機并網(wǎng)后有功功率與頻率的調(diào)節(jié)，無功功率與電壓的調(diào)節(jié)，深刻領(lǐng)會相關(guān)理論知識，使學(xué)生從簡單地模仿者變?yōu)閷嶒灥脑O(shè)計者，成為實驗的主導(dǎo)者［15］。

4 結(jié) 語

本文基于PSCAD軟件構(gòu)建了準同期并列實驗教學(xué)模型，設(shè)計了從“驗證—分析—設(shè)計”層層遞進的教學(xué)實驗項目。以直觀的動畫、清晰波形展示了發(fā)電機組啟動與成功并網(wǎng)的全過程，使抽象的知識可視化，加深了學(xué)生對理論知識的理解，激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情。結(jié)合理論知識，引導(dǎo)學(xué)生進一步分析影響并列效果的各個因素，進而自己動手設(shè)計模型，實現(xiàn)電壓差頻率差調(diào)節(jié)功能，達到了學(xué)以致用融會貫通的學(xué)習(xí)效果。該綜合實驗將電路、電機學(xué)、自動控制理論，電力系統(tǒng)分析等多門專業(yè)核心課程的知識貫穿起來，培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力。同時，引入PSCAD 電力系統(tǒng)暫態(tài)分析工具，使學(xué)生掌握運用現(xiàn)代工具預(yù)測和模擬實際工程問題的方法，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決復(fù)雜電氣工程問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新思維，為新工科背景下的實驗教學(xué)提供了有益的探索。