PSCAD的發電機準同期并列綜合實驗設計

司馬莉萍， 丁 濤， 尹 航

（武漢大學電氣與自動化學院，武漢 430072）

0 引 言

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

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分折軟件［8］。文獻［9］中基于PSCAD/EMTDC設計了光伏發電并網仿真模型。本文基于PSCAD構建了同步發電機準同期并列實驗模型，并設計了循序漸進的教學實驗項目。該實驗有助于學生對理論知識的綜合掌握，引導學生深入思考，自主進行實驗設計，提升科學研究能力，培養創新思維［10-11］；另一方面增強了實驗結果的直觀性和生動性，豐富了實驗教學資源，在電力系統自動化實驗課程的教學方式上進行了有益的探索。

1 準同期并列原理

在電力系統運行中，并列操作重要且頻繁，不恰當的并列操作將導致嚴重后果［1］。準同期并列是發電機在原動機的帶動下接近同步轉速，調整勵磁電流使機端電壓接近系統電壓，在兩電壓的相角差接近零時，合上并列斷路器，將發電機組并入系統。并列合閘瞬間，發電機的機端電壓與系統電壓應滿足的如下條件：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 系統模型的搭建

基于PSCAD構建的同步發電機準同期并列實驗模型主要有發電機及并網系統、原動機及其調速器、勵磁系統、準同期并列控制單元、電壓向量的動態顯示等幾大部分。

2.1 發電機及并網系統模型

同步發電機動態機械方程為

式中：J為轉動慣量；w為轉子角速度；Te為電磁轉矩；Tm為機械轉矩；D為阻尼系數。

發電機及并網系統模型如圖1 所示。圖中，輸入量Tm和Ef分別為機械轉矩和勵磁電勢。主要輸出參量有勵磁電流If，機端電壓UT，轉子角速度w。無窮大系統用理想電壓源模擬，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 發電機及并網系統模型

2.2 原動機及其調速器模型

本文原動機采用水輪機，其動態方程為

式中：Tm為機械功率；u為導水葉開度；Tw為水錘時間常數。

調速器采用電氣液壓伺服調速器，由轉速測量、放大、執行和反饋等環節組成［12］。測量環節將機組的轉速信號轉換為電信號，與給定轉速綜合后發出調節命令；調節命令被放大后，送到執行元件以推動導水機構；反饋環節把導水葉開度u變化的信息返回到加法器，形成必要的調節規律。圖2 為原動機及其調速器模型。圖中，Pref、wref分別為給定功率、轉速參考值。

圖2 原動機及其調速器模型

2.3 勵磁系統模型

發電機的勵磁系統包括勵磁電源和勵磁調節器［12］。本文在勵磁建模方式上采用主導的自并勵靜止勵磁系統，其電源取自發電機機端，經勵磁變壓器降壓后，由可控整流器供給其勵磁電勢Ef，可控硅的觸發角由勵磁調節器控制。勵磁電勢Ef與調節器輸出電壓UR是線性關系。當強行勵磁和強行減磁時，勵磁電勢Ef的上下限與發電機電壓UT有關，其傳遞函數用限幅器表示。

勵磁調節器由測量比較、綜合放大和校正單元等組成。電壓測量單元用一階慣性環節來描述。綜合放大單元可視為具有飽和限制的一階慣性環節。校正單元采用超前滯后串聯校正和速率反饋校正，以改善勵磁控制系統的穩定性和動態性能。

本文所建立的自并勵靜止勵磁系統模型如圖3 所示。發電機機端電壓UT經測量環節后與給定的參考電壓UTref相比較，其偏差信號經PI 調節、校正、綜合放大后，輸出調節電壓UR，最終控制勵磁電勢Ef。

圖3 自并勵靜止勵磁系統模型

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節組成［1］。圖4 為準同期并列控制單元模型。圖中，電壓幅值差檢測環節將機端電壓有效值UTR與系統電壓有效值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。頻率差檢測環節與此類似。相角差檢測環節先根據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。

并列控制邏輯環節是在壓差和頻差滿足條件，延時等待相角差滿足條件，發出并列合閘命令BRK并自保持，使同步發電機并網。

2.5 電壓向量的動態顯示

為便于實時觀測并列過程中發電機機端電壓和系統電壓的變化情況，建立了兩向量的相對實時顯示模型，如圖5（a）所示。圖中，FFT 變換組件是一個在線快速傅里葉變換器。發電機電壓UT和系統電壓US經快速Fourier變換分離出幅值和相位，經合并元件構建四維矩陣數據送入向量表。向量表以極坐標形式實時顯示每個向量，狀態欄底部實時顯示向量的幅值和相位。圖中綠色向量為系統電壓向量，藍色向量為機端電壓向量。通過該模型可直觀地監測兩向量的相對旋轉運動。掃右側二維碼，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，兩向量的相對旋轉運動也越來越慢，最終并列合閘。

圖5 電壓向量的動態顯示

3 實驗項目的設計

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

3.1 機組啟動與成功并網的驗證性實驗

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

圖6 機組啟動與成功并網各參量波形

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學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生的影響，培養學生綜合分析能力。通過設置不同的角頻率參考值wref和電壓參考值UTref，使發電機在不同的狀態下并列，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，并列所產生的沖擊電流、脈動電壓也變大，暫態過程延長。

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 頻率差和電壓差調節的設計性實驗

設計性實驗旨在激發學生自己動手建模，根據相關原理知識，運用現代工具自行設計實現頻差、壓差的自動調節控制功能，培養學生自主學習和科研創新能力。頻率差、電壓差調節單元使不滿足并列要求的發電機調整至準同步運行狀態，自動調節發電機轉速和機端電壓，促成并列的實現。圖9 為頻率差調節單元模型，判斷頻率差絕對值是否在允許值之內，若滿足則不進入頻差控制程序，否則發加速或減速指令調整發電機參考轉速wref，通過調速器使發電機進入準同步狀態。電壓差調節單元模型構成與此相似。

圖9 頻率差調節單元

該項實驗不僅要求學生完成并網時的頻率差和電壓差調節設計，還要求學生進一步搭建單機帶負荷的實驗模型，引導學生探究發電機并網后有功功率與頻率的調節，無功功率與電壓的調節，深刻領會相關理論知識，使學生從簡單地模仿者變為實驗的設計者，成為實驗的主導者［15］。

4 結 語

本文基于PSCAD軟件構建了準同期并列實驗教學模型，設計了從“驗證—分析—設計”層層遞進的教學實驗項目。以直觀的動畫、清晰波形展示了發電機組啟動與成功并網的全過程，使抽象的知識可視化，加深了學生對理論知識的理解，激發了學習熱情。結合理論知識，引導學生進一步分析影響并列效果的各個因素，進而自己動手設計模型，實現電壓差頻率差調節功能，達到了學以致用融會貫通的學習效果。該綜合實驗將電路、電機學、自動控制理論，電力系統分析等多門專業核心課程的知識貫穿起來，培養學生綜合實踐能力。同時，引入PSCAD 電力系統暫態分析工具，使學生掌握運用現代工具預測和模擬實際工程問題的方法，提升學生自主學習和解決復雜電氣工程問題的能力，培養學生的科研創新思維，為新工科背景下的實驗教學提供了有益的探索。