电力系统综合实验讲义

电力系统综合实验讲义项目一：实验一 发电机组的基本操作一、实验目的1． 认识、了解电力动模仿真室的构成，各部分的主要电气设备及作用。

明确几个物理概念。

2． 了解发电机组的启动、调速、励磁、并机（并网）、增减负荷、解列、停机等基本操作。

总目的是理论联系实际，增加感性知识，提高同学实践动手能力，培养同学敬业认真，一丝不苟；实事求是，求实无华的科学精神和工作作风。

二、实验要求首先强调安全用电及其它方面的安全问题：（1） 严格遵守实验室的各种规章制度。

（2） 熟悉动模实验室模拟发电机组的基本构成。

（3） 熟悉发电机的相关知识及起停基本操作步骤。

三、实验原理发电机是一种非常复杂的电力设备，它需要与励磁系统、调速系统相配合才能正常安全运行；而且，同步发电机单机运行时，随着负载的变化，发电机的频率和端电压将发生相应的变化，供电的质量和可靠性较差。

为了克服这一缺点，现代电力系统（电网）通常总是由许多发电厂并联组成，每个电厂内又有许多台发电机在一起并联运行。

这样既能经济、合理地利用动力资源和发电设备，也便于轮流检修，提高供电的可靠性。

由于电网的容量很大，个别负载的变动对整个电网的电压、频率影响甚微，因而可以提高供电的可靠性。

同步发电机投入并联时，为了避免电机和电网中产生冲击电流，以及由此在电机转轴上产生的冲击转矩，待投入并联的发电机应当满足下列条件：（1） 发电机的相序应与电网一致；（2） 发电机的频率应与电网相同；（3） 发电机的激磁电动势0E ⋅应与电网电压U ⋅大小相等；（4） 相位相同。

上述三（四）个条件中，第一个条件必须满足，其它可允许稍有出入。

图1-1表示投入并联时的单相示意图。

若相序不同而投入并联，则相当于在电机的端点上加一组负序电压，这是一种严重的故障情况，电流和转矩冲击都很大，必须避免。

若发电机的频率与电网频率不同，0E ⋅和U 之间便有相对运动，两相量间的相角差将在0~360°之间逐步变化，电压差忽大忽小。

频率相差越大，电压差变化越剧烈,投入并联的操作亦困难;若投入电网，也不易牵入同步，而将在发电机与电网之间引起很大的电流和功率振荡。

若机端电压与电网电压大小不等如图1-1（a ）或相位不同如图1-1（b ）所示，而把发电机投入并联，则将在发电机与电网中产生一定的冲击电流。

在严重情况下，该电流可达到额定电流的5~8倍。

⋅0U E U ⋅⋅⋅=−u ⋅ u ⋅ U ⋅0E ⋅ 0E ⋅U⋅（a ） (b)图1-1发电机投入并联时的情况（a ）0E ⋅和U ⋅大小不等；(b)0E ⋅和U 相位不同⋅为了投入并联所进行的调节和操作过程，称为同步过程。

实用的同步方法有两种：准同步和自同步。

把发电机调整到安全合乎投入并联的条件，然后投入电网，叫做准同步。

为了判断是否满足投入并联条件，常常采用同步指示器。

准同步的优点是，投入瞬间电网和电机没有（或很少）冲击，缺点是同步手续比较复杂。

为了把发电机迅速投入电网，可采用自同步方法。

自同步方法的投入步骤为：首先校验发电机的相序，并按照规定的；转向（和定子旋转磁场的转向一致）把发电机拖动到接近于同步转速，励磁绕组经限流电阻短路，然后把发电机投入电网，并立即加上直流励磁，此时依靠定、转子磁场间所形成的电磁转矩，就可以把转子自动牵入同步。

自同步的优点是投入迅速，不需增添复杂的装置，缺点是投入时定子电流冲击稍大。

四、内容与实验操作步骤一、内容低压配电屏、无穷大电源、发电机组、开机、调速、励磁调节、并网、增减负荷、解列、停机等一次二次系统的基本实验操作步骤。

二、准备工作：首先检查发电机组、线路、负荷全系统各个环节的接线，确信无误后再准备实验操作。

（一） 发电机电源的操作控制：在配电屏上合上发电机空气开关和TGS－03A原动机及调速系统仿真控制屏上【操作电源】开关，观察发电机控制屏上信号，警示，警铃，转速显示是否正常，检查一下发电机转动有无机械障碍。

（二）微机励磁电源操作控制：在配电屏上合上励磁空气开关及励磁控制屏上【操作电源】开关，观察励磁控制屏信号显示是否正常。

（三）无穷大电源的通断操作：首先根据试验的需求情况确定，无穷大电源的通断。

无穷大电源通断的操作在无穷大控制屏上。

1、无穷大电源的操作：1）无穷大电源控制屏上按钮可以控制感应调压变原边通断电。

2）感应调压器输出V~调节：感应调压器控制箱上通过自动或手动进行升、降压调节。

本实验一般采用手动调节。

（四）线路开关的通断操作：先送上线路控制回路及信号回路电源开关后，才能对它操作。

注意线路开关动作信号及声音的正常与否。

三、发电机组开机、调速、励磁调节，并网、增减负荷、解列、停机的基本操作：（一）开机操作：1、在配电屏上合上发电机空气开关和TGS－03A原动机及调速系统仿真控制屏上操作电源开关。

2、TGS－03A原动机及调速系统仿真控制屏：①自动、手动控制按实验需要选定② TGS－03A仿真控制器工作方式选定正确。

③【手动方式】的电位器调零。

3、发电机开机操作：（以手动控制为例说明）（1） 按下调速控制屏上的【合闸】按钮，再松开【开/停机】按钮，开机指示灯亮，机组开始运行。

（2） 调节调速控制屏上的【手动方式】的电位器，使机组缓慢加速到1500转/分，并稳定运行。

（3） 合上励磁控制屏上【操作电源】开关，选定励磁方式，按【合闸】按钮，松开【灭磁】按钮，给发电机励磁，调节【增磁】、【减磁】按钮，使发电机电压达到指定值。

（二）并网操作：（1）把模拟发动机控制屏上的同期开关旋至①位置，模拟同期控制屏的同期开关旋至①位置，观察模拟同期控制屏上电压表和频率表指示，满足同期条件后准备并网。

（2）基本满足同期条件后，把模拟同期控制屏上转至②，把模拟控制屏上的同期闭锁开关旋至①位置，当满足同期条件后立即把发电机并网开关转至①，并网成功后发电机并网开关自动返回中间位置，为跳闸解列准备。

（三）增减负荷调节：（3）无功调节：按各机组励磁情况及运行要求调节微机励磁及负阻器上【增磁】或【减磁】按钮，使无功功率表指示值到需要值。

（4）有功调节：调节【手动方式】的电位器，调节使有功功率表指示值到需要值，即发电机的负荷调节。

（四）解列、停机的基本操作：（1）调节调速控制屏上【手动方式】的电位器，使有功功率表上指示值为0。

（2）调节励磁控制屏上的【减磁】按钮，使无功功率表上指示值为0。

（3）操作发电机并网开关转至②，跳闸动作解列完成。

（4）调节【手动方式】的电位器，逆时针方向转到底，当电机转速低到1/2额定转速时，准备停机。

（5）停机操作：按下【开/停机】按钮，原动机断电，发电机停机，而后电机转速自动降为0（也可加制动装置，使电机转速迅速为0）。

（6）断开所有电源开关。

（五）停机后的善后整理工作。

五、思考题1、发电机准同期条件是什么？形成冲击电流的因素可能有哪些？2、在相序、频率、电压相同条件下，相位差多大时冲击电流最大？3、准同期和自同期的并列方式各有什么优缺点？六、实验报告要求1．掌握主要操作程序步骤，注意关键问题。

2．回答思考题。

实验二 发电机有功、无功调节一、实验目的1、学会有功、无功的调节操作。

2、熟悉电力系统正常运行方式下主要物理量之间的关系。

二、实验原理根据能量守恒原理，要增加发电机的有功功率，应当增加发电机的输入功率，即增加原动机的驱动转矩，这时通常用加大增大汽轮机进汽阀（或水轮机的导水翼）的开度，使原动机转矩增大，由同步发电机的转子运动方程：01()T E j d dt d P P dt T δωωω⎧=−⎪⎪⎨⎪=−⎪⎩（1-1） 可知转子加速，功角δ增大。

上式中，δ是电角速度ω与同步电角速度0ω的夹角，称为功角；T J 为在发电机组转子上加额定转矩后转子从停顿状态到额定转速时所经过的时间；P T 为转子上的机械功率；P E 为转子上的电磁功率。

当原动机转矩与发电机电磁转矩相互平衡时，δ角才能稳定。

根据隐极发电机的功一角特性：sin q Eq d E UP x δ∑= (1-2)当电势Eq 是常数时，有功负荷变化决定于δ角，其轨迹是一个以C 为圆心，Eq 为半径的圆弧，如图1-2（a ）所示。

由此可见，增加原动机的输入功率时，发电机输出的有功功率增大，功率角δ增大，直至，电磁功率达到最大。

反之，输出的有功功率减小时，090δ=δ角相应减小。

图1—2（a ）Eq 为常数，P 变化时 图1—2（b ）在各种励磁电流情况下， 同步发电机的工作状态向量图 发电机工作状态向量图与电网并联的同步发电机不仅要向电网输出有功功率，而且还要输出无功功率。

假设调节励磁时原动机的输入有功功率保持不变，并为了简单，忽略电枢电阻和磁饱和，于是根据功率平衡关系可知，在调节励磁前后，发电机的电磁功率P E 和输出的有功功率P 2均应近似保持不变，由于电网电压U 和发电机的同步电抗X S 均为定值所以有：002sin sin cos cos E S E U P E X I P UI δδϕϕ⎧===⎧⎪⇒⎨⎨=⎩⎪==⎩常数常数常数常数 (1-3) 图1-2（b ）为当满足式（1-3），调节励磁时发电机的向量图。

当发电机的功率因数为1时的励磁电流I f 称为“正常励磁”。

此时发电机的输出功率全部为有功功率。

若增加励磁电流，发电机运行在“过励”状态，此时激磁电动势增加到0E ′ ，但因为0sin E δ=常数，故0E ′ 的端点应落在水平线AB 上。

相应地电枢电流变为I ′ ，但因为cos I ϕ=常数，故I′ 的端点落在垂线CD 上，从图中可以看出发电机产生一滞后的无功功率。

反之，发电机运行于“欠励”，产生一超前的无功功率。

因此，调节励磁电流便可以调节发电机的无功功率。

三、实验内容与步骤在实验一实现发电机组与系统并网运行的基础上，完成下面实验：1、选择【恒I L 】方式，调整系统电压=800V ，发电机高压侧电压=800V ，并网后，调节发电机无功Q=2kvar ，在不改变励磁电流的情况下, 调节【手动方式】的电位器，分别记录P=0,1,2,3,4,5kW 时，模拟发电机控制屏上各仪表的显示值，填入下表，画出变化曲线，分析各量之间的关系。

表1-1 P 与各电量的关系 P(kW) 定子电流I （A ） 励磁电流I L （A ）δ（度) Q(kvar) 0123452、选择【恒I L 】方式，调整系统电压=800V ，发电机高压侧电压800V ，并网后，调节发电机有功功率P=2kW,然后在不调原动机的情况下,调节励磁电流，分别记录Q=1,2,3,4,5kvar时，发电机控制屏上各仪表的显示值，填入下表.表1-2 Q与各电量的关系Q(kvar) 定子电流I（A）励磁电流I L（A）δ（度) P(kW)12345四、思考题1、为什么说Eq为常数,系统电压U∞为常数时,发电机输送的电磁功率只取决于功率角？2、Eq为常数的情况下，为什么增加有功功率时,无功功率会下降？3、说明在原动机进汽量不变时,励磁电流I L增加会导致功率角下降的原因。