试验四——输电线路串联电容补偿装置的仿真

南昌大学实验报告姓名：孔令飞学号：6100310012 班级：电力系统101班试验四输电线路串联电容补偿装置仿真
一、试验内容
1. 原始数据：
6台350MVA的发电机通过一条单回路600km的输电线路与短路容量为30000MVA的系统相连。

输电线路电压等级为735kv，由两段300km的线路串联组成，工频为60Hz。

为了提高线路输送能力，对两段300km的线路L1和L2进行串联补偿，补偿度为40%，两段线路上均装设330Mvar的并联电抗器，用于限制高压线路的工频过电压和操作过电压。

仿真模型见Simpowersystem库demo子库中的模型文件power_3phseriescomp。

2. 试验要求：
（1）对系统进行稳态分析
（2）频率分析
更改系统图，用三相电源模块代替简化同步电机模块，同时添加阻抗测量模块得到一相阻抗的依频特性。

根据依频特性得到系统的振荡频率。

（3）对系统进行暂态分析
1）仿真得出线路1发生各种短路故障时的相关波形，并对波形进行比较分析。

2）仿真得出母线B2发生故障时的相关波形，并对波形进行分析。

二、对原始数据的分析与仿真
6台350MVA的发电机通过一条单回路600km的输电线路与短路容量为30000MVA的系统相连。

输电线路电压等级为735kv，由两段300km的线路串联组成，工频为60Hz。

为提高线路输送能力，对两段300km的线路L1和L2进行串联补偿，补偿度为40%，两段线路上均装设330Mvar的并联电抗器，用于限制高压线路的工频过电压和操作过电压。

串联电容补偿装置有串联电容器组、金属氧化物变阻器（MOV）、放电间隙和阻尼阻抗组成。

如图：
仿真系统图如下:
发电机先用的是简化的同步电机模块，两个变压器是通用双绕组和三绕组变压器模块，和母线B2相连的三相三绕组变压器为饱和变压器。

母线B1、B2和B3为三相电压电流测量模块，三相电压电流测量模块输出的三相相电压和线电流用的都是标幺值。

下图是串联电容补偿的子系统及串联电容补偿的a相子系统:
其中电容器Cs的容抗值为输电线路感抗的40%，计算如下：
需补偿的容抗值Xc为0.4XL，即：
补偿电容的容抗值Cs为：
图中的MOV用于防止电容器过电压，当电容电压超过额定电压2.5倍时，MOV 将电压钳位到最大允许电压Vprot：
三、对系统进行的稳态分析
在进行暂态分析之前，首先要设置模型的初始状态。

点击Powergui模块的“潮流计算和电机初始化”按键，打开窗口如图所示。

设置节点类型为PV节点，电机输出的有功功率为15 MW，初始电压为13.8 kV，
即1 p.u.
点击Powergui模块的“潮流计算和电机初始化”按键，打开窗口最终得到以下图示：
可以发现电机输入端口Pm、E相连的机械功率和励磁电压被更新为Pmec=1515.9 MW(0.72184 p.u.)、E = 1.0075 p.u.。

为18.22°，母例如、图中母线B1的a相电压幅值2Va为608.78kv，相角1
线B1的a 相电流幅值2Ia 为1.56kA ，相角2ϕ为30.5°。

因此，流入线路1的a 相有功功率Pa 为：
464)5.3022.18cos(256
.1278.608)21cos(=-=-=ϕϕVaIa Pa MW
=P 1392*3=Pa MW
四、对系统进行的频率分析
进行频率分析之前，应先将“简化同步机模块”用“三相电源模块”代替，同时将“三相电源模块”中的阻抗参数设置成与简化同步电机模块的阻抗参数相同。

图如下：
打开Powergui 模块的“阻抗依频特性测量”，设置频率范围为0:500Hz ，图形如下：
可见系统有三种振荡模式，分别在频率8Hz 、149Hz 和348Hz ，其中8Hz 为串联电容和并联电感的并联谐振频率，149Hz 和348Hz 是由600km 分布参数线路导致的谐振频率。

利用图示参数可计算母线B2的短路容量的计算：
58735
2 P 9314MV A
五、对系统进行的暂态分析
1、线路1发生a 相接地故障的分析
在Powergui 模块中选择连续系统仿真，仿真参数中仿真结束时间为0.2s ，算法为变步长ode23tb 。

开始仿真，得到母线B2上的三相电压和电流波形和a 相接地故障时三相短路电流波形及a 相串联补偿装置上放电间隙Gap 上的电压、MOV 上电流和MOV 的能量波形。

如图：
可见，仿真开始时，系统已经处于稳定状态。

t=0.0167 s时，a相发生接地故障，最大故障电流为10 kA，MOV每半个周期导通一次，使得MOV中存储的能量阶梯上升。

当t = 0.0833 s时，线路上的继保装置动作，断路器CB1和CB2断开，MOV中储存的能量不再发生变化，维持为13 MJ。

由于MOV中存储的能量未超过阈值30 MJ，因此放电间隙不动作，Gap上的电压缓慢减小。

断路器断开后，故障电流降到一个非常小的数值并在第1个过零点时降为0；串联电容器中的残余电荷通过线路、短路点和并联电抗组成的回路放电，直到故障电流降为0，串联电容放电结束，电压在220 kV附近波动。

2. 线路1发生三相接地故障
打开“三相故障模块”参数对话框，设置三相接地故障。

再次仿真，仿真结果如图所示：
由上图及下图可见，在MOV中能量存储的速度明显高于单相接地故障，能量在故障后3个周期时到达30 MJ的门槛阈值，于是放电间隙Gap被触发，串联电容器通过气隙放电，电容器上电压在线路断路器断开前已快速降至0。

由于此时断路器尚未动作，因此母线B2上电压降为0，第5个周期后，断路器动作，将故障与母线B2隔离，母线B2上电压逐步得到恢复
3、母线B2故障时的暂态分析
通常变电站中断路器均具有在不切除电路故障或变压器的情况下清除母线故障的能力。

将三相故障模块接到母线故障B2上，打开参数对话框，设置在t=2/60s时发生三相接地故障。

串联电容的a相电压
该图从上到下依次为母线B2上的a相电压、母线B2上的a相短路电流、饱和变压器的磁化电流和饱和变压器的磁通。

六、试验心得
本试验虽然有点繁琐，但还是坚持了下来，并成功地仿真出了波形。