電力系統(tǒng)動態(tài)模擬

電力系統(tǒng)動態(tài)模擬也稱電力系統(tǒng)物理模擬,是進行電力系統(tǒng)分析和研究的重要方法之一.電力系統(tǒng)的研究方法和其他領(lǐng)域一樣,主要采用理論分析和試驗研究

中文名稱

電力系統(tǒng)動態(tài)模擬

英文名稱

dynamic simulation of power system

定　　義

根據(jù)相似性原理，用小型物理系統(tǒng)模擬實際電力系統(tǒng)動態(tài)過程。

應(yīng)用學科

電力（一級學科），電力系統(tǒng)（二級學科）

目前由于我國電力工業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，電力系統(tǒng)動態(tài)模擬的研究工作再次在我國得到了廣泛的重視。近10年來，我國新建動態(tài)模擬實驗室20多個，使我國動態(tài)模擬實驗室總數(shù)達到40多個，還有很多高等學校和科研院所正在籌建規(guī)模不等的動態(tài)模擬實驗室，因此，如何更好地發(fā)揮這些動態(tài)模擬實驗室的作用值得我們深入探討。

鑒于電力系統(tǒng)動態(tài)模擬技術(shù)的參考文獻非常少，作者張鳳鴿、楊德先、易長松等邊結(jié)合華中科技大學電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗室50多年建設(shè)運行的經(jīng)驗和研究成果編寫了《電力系統(tǒng)動態(tài)模擬技術(shù)（21世紀電力系統(tǒng)及其自動化規(guī)劃教材）》。本書從電力系統(tǒng)動態(tài)模型建立的一般原則和各個組成部分模擬上的特點出發(fā)，重點就電力系統(tǒng)動態(tài)模擬中各個環(huán)節(jié)和某些特殊問題加以分析和探討，力圖反映其最新的成果和最實用的方法，從而使電力系統(tǒng)動態(tài)模擬技術(shù)能發(fā)揮出更大的社會效益。

第一章 電力系統(tǒng)動態(tài)模擬基礎(chǔ)

第一節(jié) 電力系統(tǒng)的研究方法

一、電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真

二、電力系統(tǒng)的物理模擬

三、物理模擬與數(shù)字仿真的關(guān)系

第二節(jié) 模擬理論的基本概念

第三節(jié) 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

第四節(jié) 確立相似判據(jù)的方法

第五節(jié) 各種基本電路的相似判據(jù)

一、集中參數(shù)RL電路的相似判據(jù)

二、集中參數(shù)RLC電路的相似判據(jù)

三、有互感電路的相似判據(jù)

四、具有分布參數(shù)電路的相似判據(jù)

五、轉(zhuǎn)子運動的相似判據(jù)

六、非線性電路的相似判據(jù)

第六節(jié) 物理模擬的相關(guān)問題

一、電機的頻率特性模擬問題

二、電機附加損耗的模擬

三、模型電機機組的選擇問題

四、電機內(nèi)部過程（電磁場、熱力場等）的模擬

五、負荷的模擬問題

六、原動機及其調(diào)速系統(tǒng)的模擬

七、進一步提高動態(tài)模型的精確度

第二章 同步電機模擬及參數(shù)測試

第一節(jié) 同步電機模擬及參數(shù)調(diào)整方法

一、同步電機物理模擬的條件

二、模擬同步電機設(shè)計方面的主要特點

三、模擬發(fā)電機的容量及改變?nèi)萘繉Πl(fā)電機參數(shù)的影響

四、模擬比與標幺值的關(guān)系

五、模擬發(fā)電機組參數(shù)的調(diào)整方法

六、模型電機結(jié)構(gòu)上的某些特點

第二節(jié) 同步發(fā)電機實驗

一、引言

二、同步發(fā)電機空載、短路特性實驗

三、同步發(fā)電機零功率因數(shù)負荷特性實驗

四、同步發(fā)電機參數(shù)測定實驗

五、同步發(fā)電機V形曲線測定實驗

六、勵磁繞組時間常數(shù)Td0的測量

第三節(jié) 國內(nèi)常用模擬發(fā)電機參數(shù)

一、15kV·A模擬發(fā)電機參數(shù)

二、5kV·A模擬發(fā)電機參數(shù)

三、30kV·A模擬發(fā)電機參數(shù)

四、75kV·A模擬發(fā)電機參數(shù)

第四節(jié) 三峽多分支模擬發(fā)電機組

一、發(fā)電機參數(shù)

二、升壓變壓器參數(shù)

三、發(fā)電機定子繞組引出接頭檢測

第三章 同步發(fā)電機勵磁及負阻器模擬

第一節(jié) 勵磁系統(tǒng)模擬的條件

第二節(jié) 并勵勵磁系統(tǒng)的等值時間常數(shù)

第三節(jié) 勵磁系統(tǒng)模型接線圖和基本方程式

一、直流勵磁機數(shù)學模型

二、交流勵磁機數(shù)學模型

三、典型勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型

第四節(jié) 勵磁調(diào)節(jié)器的基本組成及其工作原理

一、對勵磁調(diào)節(jié)器的要求

二、微機勵磁調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成

三、微機勵磁調(diào)節(jié)器的單元構(gòu)成

第五節(jié) 微機勵磁控制系統(tǒng)

一、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的任務(wù)

二、勵磁對靜態(tài)穩(wěn)定的影響

三、勵磁對暫態(tài)穩(wěn)定的影響

第六節(jié) 負阻器的工作原理及測試方法

一、負阻器的電路構(gòu)成及其工作原理

二、負電阻值及Td0計算方法舉例

三、模擬同步發(fā)電機組勵磁繞組的直流電阻和時間常數(shù)測定

四、工作電流、工作繞組溫度對時間常數(shù)的影響

五、負阻器靜態(tài)特性與動態(tài)特性測試

第七節(jié) 微機勵磁控制系統(tǒng)的特性調(diào)試與實驗

一、不同觸發(fā)延遲角α對應(yīng)的勵磁電壓波形觀測實驗

二、同步發(fā)電機起勵實驗

三、控制方式及其相互切換

四、負荷調(diào)節(jié)

五、逆變滅磁和跳滅磁開關(guān)滅磁實驗

六、伏赫限制實驗

七、同步發(fā)電機強勵實驗

八、欠勵限制實驗

九、調(diào)差實驗

十、過勵磁限制實驗

十一、PSS實驗

第四章 原動機及調(diào)速系統(tǒng)模擬

第一節(jié) 原動機的轉(zhuǎn)矩特性

一、水輪機的轉(zhuǎn)矩特性

二、汽輪機的轉(zhuǎn)矩特性

三、柴油機的轉(zhuǎn)矩特性

第二節(jié) 直流拖動系統(tǒng)的基本特性

第三節(jié) 改變自均衡系數(shù)的幾種方案

一、在電樞回路串聯(lián)電阻

二、按電樞電流負反饋的方案

三、利用差復勵方式的原動機模擬方案

第四節(jié) 調(diào)速系統(tǒng)的特性及傳遞函數(shù)

一、離心飛擺式調(diào)速器

二、電氣液壓調(diào)速器

第五節(jié) 微機型模擬原動機及調(diào)速系統(tǒng)

一、原動機及調(diào)速系統(tǒng)仿真器的構(gòu)成

二、汽輪機的數(shù)學模型

三、水輪機的數(shù)學模型

四、柴油機的數(shù)學模型

五、原動機特性模擬及實驗方法

六、汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型

七、水輪機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型

八、柴油機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型

第五章 變壓器模擬及參數(shù)測試

第一節(jié) 模型變壓器的要求和特點

一、模型變壓器的要求

二、變壓器模擬的某些特點

第二節(jié) 阻抗電壓的計算

第三節(jié) 雙繞組模型變壓器實例

一、交疊繞組式模型變壓器

二、磁分路式模型變壓器

三、環(huán)形鐵心式模型變壓器

四、模型變壓器電壓比及uk%的調(diào)整實例

第四節(jié) 三繞組變壓器及自耦變壓器的阻抗計算與模擬

一、三繞組變壓器的參數(shù)計算

二、自耦變壓器的參數(shù)計算及模擬

第五節(jié) 模型變壓器的連接與測試

一、變壓器的極性測量

二、變壓器的聯(lián)結(jié)組

三、電力變壓器空載、短路特性實驗

四、電力變壓器負荷特性實驗

第六章 輸電線路模擬

第一節(jié) 等效鏈形電路

第二節(jié) 模型線路參數(shù)的確定

第三節(jié) 電感線圈的設(shè)計方法

一、空心電抗器設(shè)計

二、帶鐵心的電抗器設(shè)計

第四節(jié) 六邊形鐵心的雙回路輸電線模擬

第五節(jié) 新型同桿并架線路模型

一、基于共最小互阻抗的同桿并架雙回線路模型

二、基于空間磁場式同桿并架雙回線路模型

第六節(jié) 用鏈形網(wǎng)絡(luò)來模擬分布參數(shù)線路所產(chǎn)生的誤差

第七章 電力系統(tǒng)負荷模擬

第一節(jié) 負荷模擬的基本條件

一、負荷模擬的特點

二、負荷模擬的條件

第二節(jié) 電力系統(tǒng)負荷的特性

一、照明負荷的特性

二、異步電動機負荷的電壓特性

三、異步電動機負荷的頻率特性

四、負荷的機械特性

五、負荷機組的慣性時間常數(shù)

第三節(jié) 電力系統(tǒng)負荷的模擬

一、異步電動機負荷的模擬

二、同步電動機負荷的模擬

三、機械阻力特性的模擬

四、HDRL—A型交流旋轉(zhuǎn)負荷模擬控制裝置簡介

第八章 動模實驗的測量與控制

第一節(jié) 動模實驗測量控制系統(tǒng)

一、動模測量操作控制實驗臺

二、動模高壓測控屏

三、動模微機監(jiān)控系統(tǒng)

四、動模五遙系統(tǒng)

五、基于IEC61850通信標準的數(shù)字化測控系統(tǒng)

第二節(jié) 動模實驗室的測量

一、測量設(shè)備的要求

二、電磁型互感器

三、電子式互感器

第三節(jié) 模擬互感器的測試與特殊實驗方法

一、電流互感器測試

二、電壓互感器測試

三、特殊實驗方法

第四節(jié) 故障模擬系統(tǒng)與合閘角度的精確控制

一、故障模擬系統(tǒng)

二、合閘角程序控制器

三、短路故障的控制

四、開關(guān)的跳合閘角度的精確控制方法

第五節(jié) 動模實驗室故障錄波系統(tǒng)

一、故障錄波裝置概述

二、故障錄波裝置的基本構(gòu)成

三、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)錄波原理

四、嵌入式圖形軟件的主要功能

五、錄波波形的處理

第六節(jié) 動模實驗流程與注意事項

一、動模實驗流程

二、動模實驗注意事項

第九章 建模計算舉例

第一節(jié) 同步發(fā)電機模擬計算舉例

一、外串電抗ΔX

二、模擬比計算

三、Td0整定

四、TJ的計算

第二節(jié) 簡單電力系統(tǒng)模擬計算舉例

一、需要模擬的原型系統(tǒng)及其參數(shù)

二、模擬發(fā)電機的選擇及參數(shù)調(diào)整

三、模型變壓器的選擇及參數(shù)調(diào)整

四、模擬輸電線路的選擇及參數(shù)調(diào)整

第三節(jié) 西北電網(wǎng)750kV輸變電系統(tǒng)模擬計算

一、750kV輸電線路原型系統(tǒng)參數(shù)

二、模擬比計算

三、模擬線路建立

第四節(jié) 1000kV特高壓交流試驗示范工程模擬計算

一、模擬比計算

二、特高壓交流輸電線路模擬

三、特高壓并聯(lián)電抗器模擬

四、特高壓變壓器模擬

第五節(jié) 微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)計算舉例

一、微電網(wǎng)實驗平臺

二、硬件構(gòu)成

三、軟件構(gòu)成

四、輔助設(shè)備

第六節(jié) 建模過程中應(yīng)考慮的問題

一、模型機組容量的選擇

二、模型機組數(shù)量的選擇

三、線路模型長度的選擇

四、模型系統(tǒng)額定電壓的選擇

第十章 模型參數(shù)的實用測量方法

第一節(jié) 無窮大電源系統(tǒng)模擬

一、無窮大電源的短路容量計算

二、模擬無窮大系統(tǒng)建立

三、無窮大模型系統(tǒng)計算舉例

第二節(jié) 模擬無窮大系統(tǒng)參數(shù)的測試方法

一、無窮大正序阻抗測試方法

二、無窮大零序阻抗測試方法

三、無窮大電源參數(shù)測試舉例

第三節(jié) 模擬發(fā)電機參數(shù)的測試方法

一、空載飽和與三相穩(wěn)態(tài)短路特性測算直軸電抗參數(shù)

二、靜止法測算次暫態(tài)參數(shù)

三、低轉(zhuǎn)差率法測算交軸電抗參數(shù)

第四節(jié) 模型變壓器參數(shù)的測試方法

一、變壓器正序阻抗測試方法

二、變壓器零序阻抗測試方法

三、三繞組升壓變壓器參數(shù)測試舉例

第五節(jié) 模擬輸電線路參數(shù)的測試方法

一、線路正序阻抗測試方法

二、線路零序阻抗測試方法

三、線路容抗測試方法

四、線路參數(shù)測試舉例

附錄

附錄A 動模實驗標準對模擬元件的基本要求

一、無窮大電源

二、交流線路

三、發(fā)電廠及模擬發(fā)電機

四、變壓器

五、并聯(lián)電抗器

六、斷路器

七、過渡電阻

八、串聯(lián)補償電容器

九、電流互感器

十、電壓互感器

附錄B 動模實驗標準對模型的基本要求

一、模擬系統(tǒng)性能要求

二、故障模擬

三、失穩(wěn)現(xiàn)象的模擬

四、其他要求

五、輔助工作電源

附錄C TGS—03A型原動機及調(diào)速系統(tǒng)仿真器的參數(shù)整定

一、TGS—03A型模擬原動機及調(diào)速系統(tǒng)仿真器的構(gòu)成及功能

二、TGS—03A型原動機及調(diào)速系統(tǒng)仿真器的顯示及面板操作

三、TGS—03A型模擬原動機及調(diào)速系統(tǒng)仿真器的參數(shù)整定

四、紅外測速裝置的靈敏度調(diào)整

附錄DWL—04A型微機勵磁調(diào)節(jié)器及負阻器的參數(shù)整定

一、WL—04A型微機勵磁調(diào)節(jié)器及負阻器的構(gòu)成及功能

二、微機勵磁調(diào)節(jié)器操作面板

三、負阻器的校零與負電阻整定

四、微機勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

參考文獻

通過汽車發(fā)動機動態(tài)試驗臺上的計算機進行模擬參數(shù)的編輯，準備好被測試的發(fā)動機，使其處于正常狀態(tài)。完成所有準備工作之后起動發(fā)動機，進行模擬駕駛試驗。試驗時動態(tài)試驗系統(tǒng)的仿真軟件模塊會自動計算出在運行工況下汽車要求發(fā)動機提供的扭矩和轉(zhuǎn)速設(shè)定值，通過傳感器實時反饋的信息不斷修正控制參數(shù)，在發(fā)動機所能提供的實際能力的條件下進行性能的測試與評價。

下面列舉幾種動態(tài)模擬試驗的應(yīng)用實例。

發(fā)動機動態(tài)模擬試驗不同換擋規(guī)律對汽車性能影響的試驗

圖3-1為模擬整車換擋加速試驗過程的例子，在操作模式相同的情況下，研究在兩種不同的換擋時機，車速隨時間的變化規(guī)律。從圖中可看出，使用動力性換擋規(guī)律優(yōu)先考慮加速的快慢時，0～100km/h的加速時間為30s，0～120km/h 的加速時間為44s；使用經(jīng)濟性換擋規(guī)律優(yōu)先考慮經(jīng)濟性時，0～100km/h的加速時間為35s，0～120 km/h的加速時間為53s。動力性換擋規(guī)律加速到120 km/h只換到了4擋，經(jīng)濟性換擋規(guī)律在開始加速后的第30s之后就換上了5擋。試驗中測得的油耗經(jīng)換算得出的結(jié)果是：使用經(jīng)濟性換擋規(guī)律運行百公里油耗為11.7L，使用動力性換擋規(guī)律運行的百公里油耗為13.1L。從中可看出，動力性換擋規(guī)律運行的百公里油耗比經(jīng)濟性換擋規(guī)律的大12%。

發(fā)動機動態(tài)模擬試驗駕駛循環(huán)試驗

圖3-2表示的是某發(fā)動機在動態(tài)試驗臺上運行ECE EUDC工況循環(huán)（表示歐洲工況，城區(qū) 郊區(qū)混合道路）的排放測試結(jié)果。從圖中可分析油耗、CO、HC、NO_x。值隨車速的變化情況，從而找出降低油耗和排放污染物措施。

發(fā)動機動態(tài)模擬試驗混合動力系統(tǒng)模擬試驗

動態(tài)模擬試驗在新能源汽車的研發(fā)中發(fā)揮著重要作用，例如對某15t料電池城市客車進行典型加減速循環(huán)工況試驗。通過臺架連續(xù)150h循環(huán)工況的試驗，檢驗燃料電池發(fā)動機在大電流沖擊時的性能和可靠性；蓄電池的充放電性能及在車輛上的適應(yīng)能力；電機及控制器在車輛突然加、減載情況下的動力響應(yīng)與可靠性；建立優(yōu)化的整車控制策略使車輛的共性問題在制造完成前得到解決。

因此，發(fā)動機動態(tài)模擬試驗臺能夠方便有效地模擬出實際中影響汽車性能的各主要因素，在汽車動力系統(tǒng)開發(fā)的早期，就能針對目標汽車特定的行駛工況，對汽車動力系統(tǒng)的性能提出要求，并進行客觀合理的評價，這增加了動力系統(tǒng)的可行性，合理性，大大縮短了整個研發(fā)周期。2100433B