PSCAD的发电机准同期并列综合实验设计

司马莉萍， 丁 涛， 尹 航

（武汉大学电气与自动化学院，武汉 430072）

0 引 言

同步发电机准同期并列是“电力系统自动装置原理”“电力系统自动化”的重要知识［1-3］，是电气工程相关专业高年级的必修内容。发电机准同期并列实验将电路、电机学、自动控制理论，电力系统分析等多门基础核心课程的知识联系起来，对于学生综合创新能力的培养具有十分重要的意义。基于硬件设备的准同期并列实验是在电力系统综合自动化实验台上进行手动/半自动/全自动准同期实验，重点观察实验现象。其昂贵庞大的实验设备，单一确定的实验结果，按部就班的操作步骤，使该实验受限于物质场地条件，不便于相关电参量的波形观测，不利于学生深入思考。基于电力系统仿真软件的虚拟实验一直备受关注。文献［4-5］中利用MATLAB/Simulink平台搭建了发电机并列仿真模型，开展并网运行仿真实验。文献［6］中运用Python语言基于PyQt软件设计了电力系统并列虚拟可视化实验平台。文献［7］中基于PSASP仿真分析新能源发电并网运行。

PSCAD/EMTDC（Power Systems Computer Aided Design/Electro Magnetic Transient in DC System）是国际上广泛使用的电磁暂态分折软件［8］。文献［9］中基于PSCAD/EMTDC设计了光伏发电并网仿真模型。本文基于PSCAD构建了同步发电机准同期并列实验模型，并设计了循序渐进的教学实验项目。该实验有助于学生对理论知识的综合掌握，引导学生深入思考，自主进行实验设计，提升科学研究能力，培养创新思维［10-11］；另一方面增强了实验结果的直观性和生动性，丰富了实验教学资源，在电力系统自动化实验课程的教学方式上进行了有益的探索。

1 准同期并列原理

在电力系统运行中，并列操作重要且频繁，不恰当的并列操作将导致严重后果［1］。准同期并列是发电机在原动机的带动下接近同步转速，调整励磁电流使机端电压接近系统电压，在两电压的相角差接近零时，合上并列断路器，将发电机组并入系统。并列合闸瞬间，发电机的机端电压与系统电压应满足的如下条件：①电压幅值之差小于额定电压的10%；②频率差小于额定频率的0.2%；③相角差小于10°。

2 系统模型的搭建

基于PSCAD构建的同步发电机准同期并列实验模型主要有发电机及并网系统、原动机及其调速器、励磁系统、准同期并列控制单元、电压向量的动态显示等几大部分。

2.1 发电机及并网系统模型

同步发电机动态机械方程为

式中：J为转动惯量；w为转子角速度；Te为电磁转矩；Tm为机械转矩；D为阻尼系数。

发电机及并网系统模型如图1 所示。图中，输入量Tm和Ef分别为机械转矩和励磁电势。主要输出参量有励磁电流If，机端电压UT，转子角速度w。无穷大系统用理想电压源模拟，其额定电压为10 kV。输电线路电阻0.35 Ω，电感2 mH。断路器由控制信号BRK控制其分合闸。

图1 发电机及并网系统模型

2.2 原动机及其调速器模型

本文原动机采用水轮机，其动态方程为

式中：Tm为机械功率；u为导水叶开度；Tw为水锤时间常数。

调速器采用电气液压伺服调速器，由转速测量、放大、执行和反馈等环节组成［12］。测量环节将机组的转速信号转换为电信号，与给定转速综合后发出调节命令；调节命令被放大后，送到执行元件以推动导水机构；反馈环节把导水叶开度u变化的信息返回到加法器，形成必要的调节规律。图2 为原动机及其调速器模型。图中，Pref、wref分别为给定功率、转速参考值。

图2 原动机及其调速器模型

2.3 励磁系统模型

发电机的励磁系统包括励磁电源和励磁调节器［12］。本文在励磁建模方式上采用主导的自并励静止励磁系统，其电源取自发电机机端，经励磁变压器降压后，由可控整流器供给其励磁电势Ef，可控硅的触发角由励磁调节器控制。励磁电势Ef与调节器输出电压UR是线性关系。当强行励磁和强行减磁时，励磁电势Ef的上下限与发电机电压UT有关，其传递函数用限幅器表示。

励磁调节器由测量比较、综合放大和校正单元等组成。电压测量单元用一阶惯性环节来描述。综合放大单元可视为具有饱和限制的一阶惯性环节。校正单元采用超前滞后串联校正和速率反馈校正，以改善励磁控制系统的稳定性和动态性能。

本文所建立的自并励静止励磁系统模型如图3 所示。发电机机端电压UT经测量环节后与给定的参考电压UTref相比较，其偏差信号经PI 调节、校正、综合放大后，输出调节电压UR，最终控制励磁电势Ef。

图3 自并励静止励磁系统模型

2.4 准同期并列控制单元

准同期并列控制单元由电压差检测、频率差检测、相角差检测和并列控制逻辑环节组成［1］。图4 为准同期并列控制单元模型。图中，电压幅值差检测环节将机端电压有效值UTR与系统电压有效值USR的差值取绝对值输入比较器，若电压差小于允许值，则比较器输出1，否则输出0。频率差检测环节与此类似。相角差检测环节先根据恒定越前时间计算越前相角Ryq，即

图4 准同期并列控制单元模型

式中：wsi为滑差角速度；tDC为断路器延迟合闸时间。最终计算的相角差为越前相角Ryq与实时相角差PH之和，如图4 所示。若两者之和小于允许值，则比较器输出1，否则输出0。

并列控制逻辑环节是在压差和频差满足条件，延时等待相角差满足条件，发出并列合闸命令BRK并自保持，使同步发电机并网。

2.5 电压向量的动态显示

为便于实时观测并列过程中发电机机端电压和系统电压的变化情况，建立了两向量的相对实时显示模型，如图5（a）所示。图中，FFT 变换组件是一个在线快速傅里叶变换器。发电机电压UT和系统电压US经快速Fourier变换分离出幅值和相位，经合并元件构建四维矩阵数据送入向量表。向量表以极坐标形式实时显示每个向量，状态栏底部实时显示向量的幅值和相位。图中绿色向量为系统电压向量，蓝色向量为机端电压向量。通过该模型可直观地监测两向量的相对旋转运动。扫右侧二维码，如图5（b）所示，可观测整个并列过程中两向量的变化，可见滑差角速度wsi越来越小，频差越来越小，两向量的相对旋转运动也越来越慢，最终并列合闸。

图5 电压向量的动态显示

3 实验项目的设计

根据“新工科”建设要求［13］，坚持以学生为中心，注重培养工程实践能力和综合素质［14］，在实验项目的设置上，不仅包含传统验证性实验，还增加了分析性和设计性项目，主要有机组启动与并网的验证性实验、不同并列条件影响的分析性实验、频率差和电压差调节的设计性实验。

3.1 机组启动与成功并网的验证性实验

验证性实验旨在使学生了解PSCAD 中发电机组的各个组成部分，熟悉发电机准同期并列的过程，验证所学理论知识。本实验模拟发电机从静止状态，经加速加压至准同期状态，最终并网成功的全过程。其仿真设计如下：设置角频率wref在机组启动的前80 s 内线性增大至接近；随后投入励磁，设置参考电压UTref在110 s内线性增大至接近。图6 为发电机从静止启动到并网成功，0 ～250 s期间各参量的波形（从上至下分别为发电机角频率w、机端电压UT、相角差PH、断路器控制信号BRK）。由图可知，在0 ～80 s 发电机转速逐步上升至接近额定转速314 rad/s；在80 ～190 s发电机的机端电压逐步上升到接近额定电压10.5 kV。当电压相角差、频率差、电压幅值差满足并列条件时，控制单元发出合闸命令（断路器控制信号BRK由1变为0），发电机并入电网，经短时振荡后，进入同步运行状态。

图6 机组启动与成功并网各参量波形

3.2 不同并列条件影响的分析性实验

分析性实验旨在引导学生深入思考不同条件下的并列效果，分析压差、频差、相角差对并列过程产生的影响，培养学生综合分析能力。通过设置不同的角频率参考值wref和电压参考值UTref，使发电机在不同的状态下并列，可观测并列时冲击电流、脉动电压的变化。图7 和图8 是相角差分别为10°和30°时并列瞬间各参量的波形（从上至下分别为相角差PH、冲击电流瞬时值Icj、脉动电压有效值Umd）。由图可见，相角差增大时，并列所产生的冲击电流、脉动电压也变大，暂态过程延长。

图7 相角差为10°并列时各参量波形

图8 相角差为30°并列时各参量波形

3.3 频率差和电压差调节的设计性实验

设计性实验旨在激发学生自己动手建模，根据相关原理知识，运用现代工具自行设计实现频差、压差的自动调节控制功能，培养学生自主学习和科研创新能力。频率差、电压差调节单元使不满足并列要求的发电机调整至准同步运行状态，自动调节发电机转速和机端电压，促成并列的实现。图9 为频率差调节单元模型，判断频率差绝对值是否在允许值之内，若满足则不进入频差控制程序，否则发加速或减速指令调整发电机参考转速wref，通过调速器使发电机进入准同步状态。电压差调节单元模型构成与此相似。

图9 频率差调节单元

该项实验不仅要求学生完成并网时的频率差和电压差调节设计，还要求学生进一步搭建单机带负荷的实验模型，引导学生探究发电机并网后有功功率与频率的调节，无功功率与电压的调节，深刻领会相关理论知识，使学生从简单地模仿者变为实验的设计者，成为实验的主导者［15］。

4 结 语

本文基于PSCAD软件构建了准同期并列实验教学模型，设计了从“验证—分析—设计”层层递进的教学实验项目。以直观的动画、清晰波形展示了发电机组启动与成功并网的全过程，使抽象的知识可视化，加深了学生对理论知识的理解，激发了学习热情。结合理论知识，引导学生进一步分析影响并列效果的各个因素，进而自己动手设计模型，实现电压差频率差调节功能，达到了学以致用融会贯通的学习效果。该综合实验将电路、电机学、自动控制理论，电力系统分析等多门专业核心课程的知识贯穿起来，培养学生综合实践能力。同时，引入PSCAD 电力系统暂态分析工具，使学生掌握运用现代工具预测和模拟实际工程问题的方法，提升学生自主学习和解决复杂电气工程问题的能力，培养学生的科研创新思维，为新工科背景下的实验教学提供了有益的探索。