虛擬實驗在電力系統動態模擬中的應用

李 玲，李紅玲

（武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072）

虛擬實驗作為傳統實驗很好的補充，已經成為加強實踐教學、提高教學質量的重要手段［1－2］。將虛擬實驗應用于電力系統動態模擬實驗教學中，可以不受傳統實驗的多種條件的制約，從而有效地提高實驗教學的能力和效果。

電力系統動態模擬實驗是利用物理模擬方法研究電力系統，是電氣工程學教學和科研的主要環境和工具之一。通過動態模擬實驗，能夠加強學生對物理概念的理解和對電力系統實際的認識，還能夠驗證學生對電力系統原理的新理解和新發現。原動機及其調速系統是電力系統動態模擬實驗中的重要內容，但是目前國內少有開展原動機及其調速系統實驗的電力動態模擬實驗室，有的實驗室開展這項實驗但效果欠佳。主要原因有兩方面：一是實驗采用放大器組成的模擬電路，參數調整不靈活，調節精度低，實驗效果不理想；二是即使采用了由單片機及其擴展電路組成的數字化控制系統，但存在控制方案調整不靈活、開發周期長和難以進行二次開發的問題。本文提出基于虛擬儀器的原動機及其調速系統實驗，即將實際調速系統的數學模型離散化并用于虛擬儀器軟件實現，通過虛擬儀器專用的數據采集板卡采集傳感器的被控量信息，然后進行控制運算并將控制信號通過數／模轉換板卡輸出，對被控量進行控制。

1 原動機及其調速系統虛擬實驗的設計

1.1 動態模擬要求

原動機動態模擬要求其軸上的轉矩變化過程與原型相似，即模型與原型的靜態特性和動態特性都要相似。原動機的轉矩變化特性完全可以采用直流電動機進行模擬［3］。

原動機的特性對電力系統過渡過程的影響與過渡過程本身所經歷的時間長短有關。

在研究電力系統靜態穩定問題時，由于所經歷的時間很短（百分之幾秒），轉子的速度來不及變化，故要求模型電機具有足夠的機械慣性。機械慣性的補償是原動機模擬的一個方面。

在研究電力系統動態穩定問題時，由于過渡過程時間較長，轉子會在同步轉速±1%范圍內產生振動。這時要求模型電機能夠模擬原動機同步轉速的自平衡特性。當原動機的負荷發生較大變化而使調速器開始動作時，原動機的動態特性也需要模擬。

調速系統的特性直接影響到整個電力系統性能：不僅影響電力系統有功功率的平衡，而且影響非同步運行和動態穩定等過程。為了保證實驗教學的良好效果，需要充分考慮模擬調速系統模型的靈活性和廣泛的調節范圍。

1.2 原動機及其調速實驗系統的硬件構成

基于虛擬儀器的原動機及其調速系統的構成框圖如圖1所示，其主要硬件有光電轉速傳感器（旋轉編碼器）、霍爾電流傳感器、光電隔離保護、數據采集卡、移相觸發及放大隔離、可控硅三相全控整流橋、直流電動機等。圖1中虛線框內為虛擬儀器部分，主要包括插入式數據采集卡PCL－818LS、驅動程序和動態鏈接庫DLL、計算機以及由LabVIEW編寫成的調速系統控制軟件［4－7］。其中，直流電動機為他勵直流電動機，額定功率17kW，額定電壓220V，額定電流90A，額定轉速1 500r／min?？煽毓铻槿嗳卣鳂?；移相觸發控制板的輸出為六路雙窄觸發脈沖。

實驗系統的工作原理是：傳感器測得直流電動機的轉速和電樞電流信號，經信號調理電路后，由數據采集卡送入計算，再由LabVIEW進行控制運算并將控制信號輸出給移相觸發電路。移相觸發電路為可控硅三相全控整流橋提供可移相脈沖，最后由可控硅三相全控整流橋完成對直流電動機轉速的控制。

1.3 原動機及其調速系統的軟件設計

在原動機及其調速系統的數學模型中，原動機部分的流調器和慣性補償環節，以及整個調速器的模型都需要用LabVIEW軟件編程平臺的框圖程序實現［8－11］。實現的方法是先將原動機及其調速系統的數學模型離散化，得到各個環節的傳遞函數；再將傳遞函數分解為比例環節K、延遲環節實際微分環節積分環節這4個基本環節中的一個或幾個環節組合；然后在后臺利用圖形化的編程語言編制對應的框圖程序，并利用函數庫和開發工具庫產生一個由框圖程序控制的前面板，即與傳統儀器相類似的界面，可接受用戶的鼠標和鍵盤指令。

LabVIEW前面板的設計分為三級，如圖2所示：第一級為主界面，包括操作和運行狀態監測，第二級為數據采集監控和運行狀態顯示，第三級為各項控制參數的設置，包括錯油門上下限、原動機積分時間常數、汽水慣性時間常數、流調器參數和電流轉速反饋系數等。

圖1 基于虛擬儀器的原動機及其調速系統構成框圖

圖2 基于虛擬儀器的原動機及其調速系統的人機界面

2 原動機及其調速系統虛擬實驗的實踐

2.1 原動機空載起動

原動機空載起動時轉速與時間的曲線圖如圖3所示。由于都增加了慣性補償環節，因此空載起動時水輪機轉速沒有超調，汽輪機的超調也很小。整個起動過程約需要40～50s，轉速最終能維持在額定轉速1 500r／min。

2.2 滿載甩全部負荷

原動機滿載甩全部負荷時的暫態過程如圖4所示。水輪機甩全部負荷時，超調量為8.33%，明顯的振蕩次數小于1，過渡過程時間為15s。汽輪機甩全部負荷時，超調量為5.33%，明顯的振蕩次數為1，過渡過程時間為20s，與實際電力系統相符合。

2.3 水錘效應

圖5所示為水輪機水錘效應實驗結果。當機組慣性時間常數較大時，水錘效應的作用不明顯，為此在實驗時去掉了慣性補償環節［12－13］。如圖5所示，當突然增大水門的開度以增加原動機輸出功率時，水輪機的功率在一開始并不會增大，反而會有所減小，電機轉速也反而會略有下降，隨后機組才會逐漸升速，最終到達較高轉速的穩定值。當水門突然關小時，其情況與此相反?？梢?，實驗結果與實際水輪機運行情況相符。

圖3 原動機空載起動過程

圖4 原動機滿載甩全部負荷時的暫態過程

圖5 水錘效應

3 結束語

虛擬實驗結果表明，本文設計的原動機及其調速虛擬實驗可準確地反映實際電力系統的運行特性，與電力系統實際工況相符，完全能夠滿足實驗教學和科研的需要。

本文利用虛擬儀器對典型的動態模擬實驗進行設計和實踐，探索了在電力系統動態模擬實驗中開展虛。擬實驗的可行性和實現方法 該虛擬實驗不但順應了調速系統全數字化的趨勢，使其可以實現更復雜的數學模型和更高的精度，而且具有原動機運行方式和參數調整更加方便、控制方案調整容易和可擴充性強等優點。

（

）

［1］石中軍，王健.基于元認知理論的虛擬實驗環境設計策略研究［J］.實驗技術與管理，2012，29（12）：97－99，193.

［2］孫燕蓮，文福安.虛擬實驗教學的探索與實踐［J］.現代教育技術，2009，19（4）：131－132.

［3］中國電力科學研究院電工研究所.電力系統物理模擬［M］.北京：中國電力科學研究院，1973.

［4］江建軍，劉繼光.LabVIEW程序設計教程［M］.北京：電子工業出版社，2008.

［5］李發海，陳湯銘，鄭逢時，等.電機學 ［M］.2版.北京：科學出版社，1991.

［6］楊德先，李國久，陳賢治.同步發電機的原動機仿真研究［J］.華中理工大學學報，1998，5（26）：44－46.

［7］倪以信，陳壽孫，張寶霖.動態電力系統的理論和分析［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［8］劉覺民，湛春暉.原動機調速器仿真模型原理與調試［J］.實驗技術與管理，1995，22（12）：61－63.

［9］陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.3版.北京：機械工業出版社，2004.

［10］王兆安，黃俊.電力電子技術［M］.4版.北京：機械工業出版社，2011.

［11］全曉莉，周南權，李雙，等.基于LabVIEW的數字信號處理虛擬實驗的構建［J］.實驗技術與管理，2011，28（10）：82－84.

［12］程佩青.數字信號處理教程［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［13］侴愛輝，馮妍卉，張欣欣，等.虛擬實驗在“傳熱學”實驗教學中的應用［J］.實驗室研究與探索，2011，30（6）：312－315.