第四章 电力系统功率特性和功率极限实验
、实验目的
初1. 步掌握电力系统物理模拟实验的基本方法；
加2. 深理解功率极限的概念，在实验中体会各种提高功率极限措施的作用; 通过对实验中各种现象的观察，结合所学的理论知识，培养理论结合实 际及分析问题的能力。 3.
二、原理与说明
所谓简单电力系统，一般是指发电机通过变压器、输电线路与无限大容量母 线联接而且不计各元件的电阻和导纳的输电系统。
对于简单系统，如发电机至系统d轴和q轴总电抗分别为Xd刑Xq^，则发电 机的功率特性为：
U X^-Xy
PEq = ---------- sin 6 + ——X ----- sin26 q
Xdg 2 Xd^Xq^
q
EqU
2
当发电机装有励磁调节器时，发电机电势 Eq随运行情况而变化。根据一般 励磁调节器的性能，可认为保持发电机 Eq （或E'）恒定。这时发电机的功率特 性可表示成：
或卩?=荼\"'
这时功率极限为
P
E；=X
d邑
EU
从
随着电力系统的发展和扩大，电力系统的稳定性问题更加突出，而提高电力 系统稳定性和输送能力的最重要手段之一是尽可能提高电力系统的功率极限，
简单电力系统功率极限的表达式看，提高功率极限可以通过发电机装设性能良好 的励磁调节器以提高发电机电势、增加并联运行线路回路数或串联电容补偿等手 段以减少系统电抗、受端系统维持较高的运行电压水平或输电线采用中继同步调相
机或中继电力系统以稳定系统中继点电压等手段实现。
三、实验项目和方法
(一)无调节励磁时功率特性和功率极限的测定 1. 网络结构变化对系统静态稳定的影响(改变 X)
在相同的运行条件下(即系统电压 Ux、发电机电势保持Eq保持不变，即并 网前Ux = Eq),测定输电线单回线和双回线运行时，发电机的功一角特性曲线， 功率极限值和达到功率极限时的功角值。同时观察并记录系统中其他运行参数
(如发电机端电压等)的变化。将两种情况下的结果加以比较和分析。 实验步骤：
输电线路为单回线；
(1) 发电机与系统并列后，调节发电机使其输出的有功和无功功率为零; 功(2) 率角指示器调零；
(3) 逐步增加发电机输出的有功功率，而发电机不调节励磁； 观察并记录(4) 系统中运行参数的变化，填入表 4-1中； 输电线路为双回线，重复上(5) 述步骤，填入表 (6)
4-2 中。
双回线 单回线
0。 表表4-24-1
6 P P I IAA UUFF Ifd Ifd Q Q 10。 20。 30° 40。 50。 60° 70。 / / 80°80。 90° / 注意:
0 442 1320 956 1821 171 433 650 1169 0 886 0 0.69 2.11 1.52 3.34 0.27 0.73 1.03 1.371.93 0 374.7371.8 370.0 369.4365.8 360.2 354.7353 350 316.7336.7 2.12 2.12 2.12 2.12 2.09 2.10 2.09 2.10 2.10 2.10 2.10 0 -34 -104 -164 -15 -27 -84 -127 -186 0 0 2083/ 3.91/ / / / / 293.4/ 2.12 / -202 / / / / (1) 有功功率应缓慢调节，每次调节后，需等待一段时间，观察系统是否
稳定，以取得准确的测量数值。
(2) 当系统失稳时，减小原动机出力，使发电机拉入同步状态。 (3) 6角由功角指示器读出。
2 .发电机电势Eq不同对系统静态稳定的影响 在同一接线及相同的系统电压下，测定发电机电势 Eq>Ux)发电机的功一角特性曲线和功率极限。
实验步骤：
(1) 输电线为单回线，并网前EqVUx；
调节发电机使其输出有功功率为零； 逐步增加发电(2) 发电机与系统并列后，
而发电机不调节励磁； 观察并记录系统中运行参数的(3) 机输出的有功功率，
(4) 变化，填入表 4-3中； 输电线为单回线，并网前Eq>Ux，重复上述步骤，(5) 填入表4-4中。
Eq不同时(EqVUx或
表 表4-44-3
单回线单回线
0°0。 并网前并网前Eq>Ux EqVUx
80° 90°80° 90° / / / / / / / / / / 6 P IA UF Ifd Q
10° 20* 20° 3030' 10° ° 40。50。60° 7070。40。 50。 60° 。 00 440 880 1200 2.15 2.20 / 1300/ 2.30/ 360/ 2.5/ -18000 0.68 1.521.60 352374 370 390 368 3842.5 2.10 345 3692.5 2.10 2.5 2.10 2.5 2.10 -170 -50 + 0— 0 -50 100-300 -120(二)手动调节励磁时，功率特性和功率极限的测定
给定初始运行方式，在增加发电机有功输出时，手动调节励磁保持发电机端 电压恒
定，测定发电机的功一角曲线和功率极限， 并与无调节励磁时所得的结果 比较分析，说明励磁调节对功率特性的影响。
实验步骤：
（1） 单回线输电线路；
（2） 发电机与系统并列后，使 P=0, Q=0, 6=0,校正初始值；
（3） 逐步增加发电机输出的有功功率，调节发电机励磁，保持发电机端电 压恒定或无功输出为零；
（4） 观察并记录系统中运行参数的变化，填入表 表4-5
6 P IA UF Ifd Q
4-5 中。 手动调节励磁
单回线
O^ 10。 20。 30。 40° 50° 60。 70° 80° 90° 0 450 900 1300 1800 0 0.7 1.7 2.35 3.10 380 380 380 380 380 2.0 2.2 2.51 2.7 2.9 0 10 15 17 14 表4-6
6 P IA UF Ifd Q
双回线
0。 手动调节励磁
50。 10° 20° 30° 40。 900 1.80 60° 70。 80° 1800 3.2 90° 2100 3.5 380 2.0 19 0 0 450 0.7 1343 2.40 380 380 380 380 380 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 24 0 2.0 18 10 （三）自动调节励磁时，功率特性和功率极限的测定
将自动调节励磁装置接入发电机励磁系统， 测定功率特性和功率极限，并将 结果与
无调节励磁和手动调节励磁时的结果比较，分析自动励磁调节器的作用。
1. 微机自并励（恒流或恒压控制方式），实验步骤自拟;
表4-7
6 P IA UF 0® 单回线
10° 微机自并励方式
50° 20° 30° 40° 870 1.75 60° 70° 80° 90° 2200 3.7 0 0 450 0.75 1350 2.42 380 379.7 379.7 380.2 379.6 表4-8 Ifd 6 Q P IA UF Ifd Q 2.0 0® 0 0 0 10° 2.2 20° 50 447 0.82 30° 2.4 40。 100 900 1.80 50* 2.52 60。 180 1440 2.54 微机自并励方式 70* 80* 2.9 90* 250 2215 3.77 双回线 3788 380 379.5 381 379.5 292 2.0 2.2 2.4 2.60 210 0 70 140 300
2•微机它励（恒流或恒压控制方式），实验步骤自拟。 表 4-94-10 微机它励方式 微机它励方式单回线双回线
6 P IA UF Ifd Q 0°。 10。 20。 30。 40。 50。 50° 60° 70。 70° 80° 90° 23152300 3.90 3.850 0 500462 0.9 0.85 1010 920 2.1 1.95 16301500 2.702.64 380 380.5379.4 380.2379.6 379.3378.8 379.8380.5 3.01 2.95 2.0 2.18 2.2 2.472.44 2.642.63 217220 00 7380 149145 350310 注意事项:
实验结束后，通过励磁调节使无功输出为零，通过调速器调节使有功输出为 零，解列之后逆时针旋转原动机调速的旋钮使发电机转速至零。 关之后，方可关断操作台上的操作电源开关。
跳开操作台所有 开
四、实验报告要求
1根据实验装置给出的参数以及实验中的原始运行条件，进行理论计算。 将计算结果与实验结果进行比较。
2•认真整理实验记录，通过实验记录分析的结果对功率极限的原理进行阐 述。同时对理论计算和实验记录进行对比，说明产生误差的原因。并作出P@) Q@) 特性曲线，对其进行描述。
3•分析、比较各种运行方式下发电机的功一角特性曲线和功率极限。
五、思考题
1功率角指示器的原理是什么？如何调节其零点？当日光灯供电的相发生 改变时，所得的功角值发生什么变化？
2. 多机系统的输送功率与功角 6的关系和简单系统的功一角特性有什么区 别？ 3. 自并励和它励的区别和各自特性是什么？ 4•自动励磁调节器对系统静态稳定性有何影响？
5.实验中，当发电机濒临失步时应采取哪些挽救措施才能避免电机失步？
第五章
电力系统暂态稳定实验
、实验目的
1. 通过实验加深对电力系统暂态稳定内容的理解，使课堂理论教学与实践 结合，提高学生的感性认识。
2．学生通过实际操作，从实验中观察到系统失步现象和掌握正确处理的措 施。
二、原理与说明
电力系统暂态稳定问题是指电力系统受到较大的扰动之后，各发电机能否继 续保持同步运行的问题。在各种扰动中以短路故障的扰动最为严重。
正常运行时发电机功率特性为： 短P 1=(EoX Uo) X sin S i/X1 ； 路运行时发电机功率特性为： 故障P 2=( EoX Uo) X Sins 2/X2 ； 切除发电机功率特性为：
对这三个公式进行比较， 我们可以知道
决定功率特性发生变化与阻抗和功角
特性有关。而系统保持稳定条件是切除故障角
S c小于S max, S max可由等面
P 3=( EoX Uo) X Sins 3/X3;
积原则计算出来。本实验就是基于此原理，由于不同短路状态下，系统阻抗 X2 不同，同时切除故障线路不同也使 X3不同，S max也不同，使对故障切除的时 间要求也不同。
同时，在故障发生时及故障切除通过强励磁增加发电机的电势， 使发电机功 率特性中Eo增加，使S max增加，相应故障切除的时间也可延长；由于电力系 统发生瞬间单相接地故障较多， 发生瞬间单相故障时采用自动重合闸， 使系统进 入正常工作状态。这二种方法都有利于提高系统的稳定性。
三、实验项目与方法
一） 短路对电力系统暂态稳定的影响
1．短路类型对暂态稳定的影响 本实验台通过对操作台上的短路选择按钮的组合可进行单相接地短路， 两相 相间短路，两相接地短路和三相短路试验。
固定短路地点， 短路切除时间和系统运行条件， 在发电机经双回线与 “无穷 大”电网联网运行时， 某一回线发生某种类型短路， 经一定时间切除故障成单回 线运行。短路的切除时间可以通过保护动作时间继电器进行定， 闸开关是否投切。
同时要设定重合
在手动励磁方式下（恒@控制）通过顺时针或逆时针旋转原动机调速旋钮调 节发电机向电网的出力，测定不同短路运行时能保持系统稳定时发电机所能输出 的最大功率，并进行比较，分析不同故障类型对暂态稳定的影响。 将实验结果与 理论分析结果进行分析比较。Pmax为系统可以稳定输出的极限，注意观察有功表 的读数，当系统出于振荡临界状态时，记录有功读数，最大电流读数可以从操作 面板上的电流表读出，选择重合闸投切为 OFF。（详细操作方法 WDT — IIC综合 自动化试验台使用说明书。）
表5-25-3
QF1 QF1 1 0 态
短路切除时间t=0.5s
QF3 QF3 1 0 QF4 QF4 1 1 PPmaxmax(W) (W) 17002000 14001600
短路类型：单相接地短路 短路类型：两相相间短路
最大短路电流（最大短路电流（AA）） QF2 QF2 1 1 6.45.6 5.50 6.0 （0:表示对应线路开关断开状
1：表示对应线路开关闭合状态）
表5-4 短路切除时间t=0.5s
QF1 1 0
短路类型：两相接地短路
Pmax(W) 1800 1500 最大短路电流（A） QF2 1 1 QF3 1 0 QF4 1 1 6.2 5.9 表5-5
QF1 1 0 QF2 1 1 短路切除时间t=0.5s
QF3 1 0 QF4 1 1 Pmax(W) 1600 1200 短路类型：三相短路
最大短路电流（A） 7.0 6.5 2. 故障切除时间对暂态稳定的影响
固定短路地点，短路类型和系统运行条件，顺时针旋转原动机调速旋钮增加 发电机向电网的出力，在测定不同故障切除时间能保持系统稳定时发电机所能输 出的最大功率，分析故障切除时间对暂态稳定的影响。
一次接线方式： 表5-6
保护动作时间 0.5（S） 1.0 (s) 1.2（S）
QF1 = 1 QF2= 1 QF3= 1 QF4= 1
短路类型：单相接地短路
Pmax(W) 2000 1800 1500 Idl最大短路电流（A） 5.6 5.5 5.0 （二）研究提高暂态稳定的措施 1. 强行励磁（恒U控制）
在微机励磁方式下短路故障发生后，微机将自动投入强励以提高发电机电 势。观察它对提高暂态稳定的作用。
2. 单相重合闸
在电力系统的故障中大多数是送电线路（特别是架空线路）的“瞬时性” 故障，除此之外也有“永久性故障”。
在电力系统中采用重合闸的技术经济效果，主要可归纳如下： ① 大大提高供电可靠性；
② 提高电力系统并列运行的稳定性；
③ 对继电保护误动作而引起的误跳闸，也能起到纠正的作用。
对瞬时性故障，保护装置切除故障线路后，经过延时一定时间将自动重合原 线路，从而恢复全相供电，提高了故障切除后的功率特性曲线。 同样通过对操作 台上的短路按钮组合，选择不同的故障相。
顺时针或逆时针旋转原动机调速的旋钮调节发电机向电网的出力， 提高暂态稳定的作用，观察它对提高暂态稳定的作用。
其故障的切除时间通过保护动作时间继电器进行整定， 同时要选择进行重合 闸投切。当瞬时故障时间小于保护动作时间时保护不会动作；当瞬时故障时间大 于保护动作时间而小于重合闸时间，能保证重合闸成功，当瞬时故障时间大于重 合闸时间，重合闸后则认为线路为永久性故障加速跳开整条线路。
（三）异步运行和再同步的研究
1. 在发电机稳定异步运行时，观察并分析功率，发电机的转差，振荡周期 及各表的读数变化的特点。
2. 在不切除发电机的情况下，研究调节原动机功率，调节发电机励磁对振 荡周期，发电机转差的影响，并牵入再同步。 注意事项：
1. 在做完短路实验之后，应手动按下重合闸复归按钮，否则下一次做单相 短路实验时，保护将动作跳掉三相。
2．实验结束后，通过励磁装置使无功至零，通过调速器使有功至零，解列 之后逆时针旋转原动机调速旋钮使发电机转速至零。 跳开操作台所有开关之后， 方可关断操作台上的电源关断开关，并断开其他电源开关。
2．对失步处理的方法如下： 通过励磁调节器增磁按钮， 使发电机的电压增 大；如系统没处于短路状态，且线路有处于断开状态的，可并入该线路减小系
观察它对
统阻抗；通过逆时针旋转原动机调速旋钮减小原动机的输入功率。
四、实验报告要求
1．整理不同短路类型下获得实验数据，通过对比，对不同短路类型进行定 性分析，详细说明不同短路类型和短路点对系统的稳定性的影响。
2．通过试验中观察到的现象，说明二种提高暂态稳定的措施对系统稳定性 作用机理。
五、思考题
1．不同短路状态下对系统阻抗产生影响的机理是什么？ 2．提高电力系统暂态稳定的措施有哪些？
3．对失步处理的方法（注意事项 2 中提到）的理论根据是什么？对系统暂态稳定的影响是什么？
自动重合闸装置
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