电力系统动态模拟

电力系统动态模拟也称电力系统物理模拟,是进行电力系统分析和研究的重要方法之一.电力系统的研究方法和其他领域一样,主要采用理论分析和试验研究

中文名称

电力系统动态模拟

英文名称

dynamic simulation of power system

定　　义

根据相似性原理，用小型物理系统模拟实际电力系统动态过程。

应用学科

电力（一级学科），电力系统（二级学科）

目前由于我国电力工业和新能源产业的高速发展，电力系统动态模拟的研究工作再次在我国得到了广泛的重视。近10年来，我国新建动态模拟实验室20多个，使我国动态模拟实验室总数达到40多个，还有很多高等学校和科研院所正在筹建规模不等的动态模拟实验室，因此，如何更好地发挥这些动态模拟实验室的作用值得我们深入探讨。

鉴于电力系统动态模拟技术的参考文献非常少，作者张凤鸽、杨德先、易长松等边结合华中科技大学电力系统动态模拟实验室50多年建设运行的经验和研究成果编写了《电力系统动态模拟技术（21世纪电力系统及其自动化规划教材）》。本书从电力系统动态模型建立的一般原则和各个组成部分模拟上的特点出发，重点就电力系统动态模拟中各个环节和某些特殊问题加以分析和探讨，力图反映其最新的成果和最实用的方法，从而使电力系统动态模拟技术能发挥出更大的社会效益。

第一章 电力系统动态模拟基础

第一节 电力系统的研究方法

一、电力系统的数字仿真

二、电力系统的物理模拟

三、物理模拟与数字仿真的关系

第二节 模拟理论的基本概念

第三节 相似定理

一、相似第一定理

二、相似第二定理

三、相似第三定理

第四节 确立相似判据的方法

第五节 各种基本电路的相似判据

一、集中参数RL电路的相似判据

二、集中参数RLC电路的相似判据

三、有互感电路的相似判据

四、具有分布参数电路的相似判据

五、转子运动的相似判据

六、非线性电路的相似判据

第六节 物理模拟的相关问题

一、电机的频率特性模拟问题

二、电机附加损耗的模拟

三、模型电机机组的选择问题

四、电机内部过程（电磁场、热力场等）的模拟

五、负荷的模拟问题

六、原动机及其调速系统的模拟

七、进一步提高动态模型的精确度

第二章 同步电机模拟及参数测试

第一节 同步电机模拟及参数调整方法

一、同步电机物理模拟的条件

二、模拟同步电机设计方面的主要特点

三、模拟发电机的容量及改变容量对发电机参数的影响

四、模拟比与标幺值的关系

五、模拟发电机组参数的调整方法

六、模型电机结构上的某些特点

第二节 同步发电机实验

一、引言

二、同步发电机空载、短路特性实验

三、同步发电机零功率因数负荷特性实验

四、同步发电机参数测定实验

五、同步发电机V形曲线测定实验

六、励磁绕组时间常数Td0的测量

第三节 国内常用模拟发电机参数

一、15kV·A模拟发电机参数

二、5kV·A模拟发电机参数

三、30kV·A模拟发电机参数

四、75kV·A模拟发电机参数

第四节 三峡多分支模拟发电机组

一、发电机参数

二、升压变压器参数

三、发电机定子绕组引出接头检测

第三章 同步发电机励磁及负阻器模拟

第一节 励磁系统模拟的条件

第二节 并励励磁系统的等值时间常数

第三节 励磁系统模型接线图和基本方程式

一、直流励磁机数学模型

二、交流励磁机数学模型

三、典型励磁系统数学模型

第四节 励磁调节器的基本组成及其工作原理

一、对励磁调节器的要求

二、微机励磁调节器的硬件构成

三、微机励磁调节器的单元构成

第五节 微机励磁控制系统

一、同步发电机励磁控制系统的任务

二、励磁对静态稳定的影响

三、励磁对暂态稳定的影响

第六节 负阻器的工作原理及测试方法

一、负阻器的电路构成及其工作原理

二、负电阻值及Td0计算方法举例

三、模拟同步发电机组励磁绕组的直流电阻和时间常数测定

四、工作电流、工作绕组温度对时间常数的影响

五、负阻器静态特性与动态特性测试

第七节 微机励磁控制系统的特性调试与实验

一、不同触发延迟角α对应的励磁电压波形观测实验

二、同步发电机起励实验

三、控制方式及其相互切换

四、负荷调节

五、逆变灭磁和跳灭磁开关灭磁实验

六、伏赫限制实验

七、同步发电机强励实验

八、欠励限制实验

九、调差实验

十、过励磁限制实验

十一、PSS实验

第四章 原动机及调速系统模拟

第一节 原动机的转矩特性

一、水轮机的转矩特性

二、汽轮机的转矩特性

三、柴油机的转矩特性

第二节 直流拖动系统的基本特性

第三节 改变自均衡系数的几种方案

一、在电枢回路串联电阻

二、按电枢电流负反馈的方案

三、利用差复励方式的原动机模拟方案

第四节 调速系统的特性及传递函数

一、离心飞摆式调速器

二、电气液压调速器

第五节 微机型模拟原动机及调速系统

一、原动机及调速系统仿真器的构成

二、汽轮机的数学模型

三、水轮机的数学模型

四、柴油机的数学模型

五、原动机特性模拟及实验方法

六、汽轮机调速系统的数学模型

七、水轮机调速系统的数学模型

八、柴油机调速系统的数学模型

第五章 变压器模拟及参数测试

第一节 模型变压器的要求和特点

一、模型变压器的要求

二、变压器模拟的某些特点

第二节 阻抗电压的计算

第三节 双绕组模型变压器实例

一、交叠绕组式模型变压器

二、磁分路式模型变压器

三、环形铁心式模型变压器

四、模型变压器电压比及uk%的调整实例

第四节 三绕组变压器及自耦变压器的阻抗计算与模拟

一、三绕组变压器的参数计算

二、自耦变压器的参数计算及模拟

第五节 模型变压器的连接与测试

一、变压器的极性测量

二、变压器的联结组

三、电力变压器空载、短路特性实验

四、电力变压器负荷特性实验

第六章 输电线路模拟

第一节 等效链形电路

第二节 模型线路参数的确定

第三节 电感线圈的设计方法

一、空心电抗器设计

二、带铁心的电抗器设计

第四节 六边形铁心的双回路输电线模拟

第五节 新型同杆并架线路模型

一、基于共最小互阻抗的同杆并架双回线路模型

二、基于空间磁场式同杆并架双回线路模型

第六节 用链形网络来模拟分布参数线路所产生的误差

第七章 电力系统负荷模拟

第一节 负荷模拟的基本条件

一、负荷模拟的特点

二、负荷模拟的条件

第二节 电力系统负荷的特性

一、照明负荷的特性

二、异步电动机负荷的电压特性

三、异步电动机负荷的频率特性

四、负荷的机械特性

五、负荷机组的惯性时间常数

第三节 电力系统负荷的模拟

一、异步电动机负荷的模拟

二、同步电动机负荷的模拟

三、机械阻力特性的模拟

四、HDRL—A型交流旋转负荷模拟控制装置简介

第八章 动模实验的测量与控制

第一节 动模实验测量控制系统

一、动模测量操作控制实验台

二、动模高压测控屏

三、动模微机监控系统

四、动模五遥系统

五、基于IEC61850通信标准的数字化测控系统

第二节 动模实验室的测量

一、测量设备的要求

二、电磁型互感器

三、电子式互感器

第三节 模拟互感器的测试与特殊实验方法

一、电流互感器测试

二、电压互感器测试

三、特殊实验方法

第四节 故障模拟系统与合闸角度的精确控制

一、故障模拟系统

二、合闸角程序控制器

三、短路故障的控制

四、开关的跳合闸角度的精确控制方法

第五节 动模实验室故障录波系统

一、故障录波装置概述

二、故障录波装置的基本构成

三、暂态和稳态录波原理

四、嵌入式图形软件的主要功能

五、录波波形的处理

第六节 动模实验流程与注意事项

一、动模实验流程

二、动模实验注意事项

第九章 建模计算举例

第一节 同步发电机模拟计算举例

一、外串电抗ΔX

二、模拟比计算

三、Td0整定

四、TJ的计算

第二节 简单电力系统模拟计算举例

一、需要模拟的原型系统及其参数

二、模拟发电机的选择及参数调整

三、模型变压器的选择及参数调整

四、模拟输电线路的选择及参数调整

第三节 西北电网750kV输变电系统模拟计算

一、750kV输电线路原型系统参数

二、模拟比计算

三、模拟线路建立

第四节 1000kV特高压交流试验示范工程模拟计算

一、模拟比计算

二、特高压交流输电线路模拟

三、特高压并联电抗器模拟

四、特高压变压器模拟

第五节 微电网实验系统计算举例

一、微电网实验平台

二、硬件构成

三、软件构成

四、辅助设备

第六节 建模过程中应考虑的问题

一、模型机组容量的选择

二、模型机组数量的选择

三、线路模型长度的选择

四、模型系统额定电压的选择

第十章 模型参数的实用测量方法

第一节 无穷大电源系统模拟

一、无穷大电源的短路容量计算

二、模拟无穷大系统建立

三、无穷大模型系统计算举例

第二节 模拟无穷大系统参数的测试方法

一、无穷大正序阻抗测试方法

二、无穷大零序阻抗测试方法

三、无穷大电源参数测试举例

第三节 模拟发电机参数的测试方法

一、空载饱和与三相稳态短路特性测算直轴电抗参数

二、静止法测算次暂态参数

三、低转差率法测算交轴电抗参数

第四节 模型变压器参数的测试方法

一、变压器正序阻抗测试方法

二、变压器零序阻抗测试方法

三、三绕组升压变压器参数测试举例

第五节 模拟输电线路参数的测试方法

一、线路正序阻抗测试方法

二、线路零序阻抗测试方法

三、线路容抗测试方法

四、线路参数测试举例

附录

附录A 动模实验标准对模拟元件的基本要求

一、无穷大电源

二、交流线路

三、发电厂及模拟发电机

四、变压器

五、并联电抗器

六、断路器

七、过渡电阻

八、串联补偿电容器

九、电流互感器

十、电压互感器

附录B 动模实验标准对模型的基本要求

一、模拟系统性能要求

二、故障模拟

三、失稳现象的模拟

四、其他要求

五、辅助工作电源

附录C TGS—03A型原动机及调速系统仿真器的参数整定

一、TGS—03A型模拟原动机及调速系统仿真器的构成及功能

二、TGS—03A型原动机及调速系统仿真器的显示及面板操作

三、TGS—03A型模拟原动机及调速系统仿真器的参数整定

四、红外测速装置的灵敏度调整

附录DWL—04A型微机励磁调节器及负阻器的参数整定

一、WL—04A型微机励磁调节器及负阻器的构成及功能

二、微机励磁调节器操作面板

三、负阻器的校零与负电阻整定

四、微机励磁调节器参数整定

参考文献

通过汽车发动机动态试验台上的计算机进行模拟参数的编辑，准备好被测试的发动机，使其处于正常状态。完成所有准备工作之后起动发动机，进行模拟驾驶试验。试验时动态试验系统的仿真软件模块会自动计算出在运行工况下汽车要求发动机提供的扭矩和转速设定值，通过传感器实时反馈的信息不断修正控制参数，在发动机所能提供的实际能力的条件下进行性能的测试与评价。

下面列举几种动态模拟试验的应用实例。

发动机动态模拟试验不同换挡规律对汽车性能影响的试验

图3-1为模拟整车换挡加速试验过程的例子，在操作模式相同的情况下，研究在两种不同的换挡时机，车速随时间的变化规律。从图中可看出，使用动力性换挡规律优先考虑加速的快慢时，0～100km/h的加速时间为30s，0～120km/h 的加速时间为44s；使用经济性换挡规律优先考虑经济性时，0～100km/h的加速时间为35s，0～120 km/h的加速时间为53s。动力性换挡规律加速到120 km/h只换到了4挡，经济性换挡规律在开始加速后的第30s之后就换上了5挡。试验中测得的油耗经换算得出的结果是：使用经济性换挡规律运行百公里油耗为11.7L，使用动力性换挡规律运行的百公里油耗为13.1L。从中可看出，动力性换挡规律运行的百公里油耗比经济性换挡规律的大12%。

发动机动态模拟试验驾驶循环试验

图3-2表示的是某发动机在动态试验台上运行ECE EUDC工况循环（表示欧洲工况，城区 郊区混合道路）的排放测试结果。从图中可分析油耗、CO、HC、NO_x。值随车速的变化情况，从而找出降低油耗和排放污染物措施。

发动机动态模拟试验混合动力系统模拟试验

动态模拟试验在新能源汽车的研发中发挥着重要作用，例如对某15t料电池城市客车进行典型加减速循环工况试验。通过台架连续150h循环工况的试验，检验燃料电池发动机在大电流冲击时的性能和可靠性；蓄电池的充放电性能及在车辆上的适应能力；电机及控制器在车辆突然加、减载情况下的动力响应与可靠性；建立优化的整车控制策略使车辆的共性问题在制造完成前得到解决。

因此，发动机动态模拟试验台能够方便有效地模拟出实际中影响汽车性能的各主要因素，在汽车动力系统开发的早期，就能针对目标汽车特定的行驶工况，对汽车动力系统的性能提出要求，并进行客观合理的评价，这增加了动力系统的可行性，合理性，大大缩短了整个研发周期。2100433B