一种大功率等值发电机的等效仿真系统的制作方法

本实用新型涉及电磁暂态仿真技术，具体涉及一种大功率等值发电机的等效仿真系统。

背景技术：

柔性直流和特高压直流输电工程技术在我国的快速发展使我国电力系统的构架较为复杂，在制定直流工程规划和运行策略之前，需要对交直流系统的交互影响进行深入研究。

电磁暂态模型能够采用μs级小步长仿真准确描述电力系统和交直流装备的动态特性，但受电磁暂态仿真软件和计算机处理能力的限制，不能仿真规模过大的交流系统，因此，需要对交流系统的发电机、线路和负荷等进行等值。由于等值方法的本质原因，等值发电机会存在容量过大或参数不理想的情况，可能导致等值发电机模型在电磁仿真中的输出失真。为此，在等值发电机输出功率确定的情况下，如何保证发电机及其控制系统的动态特性不变，成为等值发电机电磁暂态仿真技术的关键问题。

因此，需要提供一种技术方案来满足现有技术的需要。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供的一种大功率等值发电机的等效仿真系统，其包括：依次相连的发电机、变压器和线路阻抗；变压器和线路阻抗间设有功率放大器；功率放大器包括：依次相连的线路电流测量环节、电流放大环节及受控电流源。

线路电流测量环节、电流放大环节及受控电流源中的三相分别与变压器中的三相相连。

发电机采为机端电压为13.8kV的容量1000MVA的水轮发电机。变压器为升压变压器。升压变压器的变压比为13.8kV/525kV。

电流放大环节包括：输入端口、输出端口、电流放大电路及直流钳位电路；输入端口和输出端口分别设于电流放大电路的两端，直流钳位电路与电流放大电路中的运算放大器并联。

电流放大电路包括：运算放大器U1、电容C1、变压器T1及电流互感器T2；运算放大器U1的反相输入端为输入端口，运算放大器U1的输出端为变压器T1的输入端；变压器T1的输出端与输出端口间设有电流互感器T2；变压器T1的输出端与运算放大器U1的反相输入端相连，电容C1的两端分别与运算放大器U1的反相输入端和输出端相连。

直流钳位电路包括：低通滤波电路和与其串联的积分电路。

积分电路包括：运算放大器U2、电阻R1和电容C2；积分电路的反相输入端经电阻R1与运算放大器U1的输出端相连,积分电路的同向输入端接地，运算放大器U1的输出端与低通滤波电路的一端相连，电容C2的两端分别与运算放大器U2的反相输入端和输出端相连。

低通滤波电路包括：电阻R2、电阻R3和电容C3；运算放大器U1的正相输入端分别与电阻R2、电阻R3和电容C3的一端相连；电阻R2的另一端与运算放大器U2的输出端相连，电容C3和R3的另一端接地。

与最接近的现有技术相比，本实用新型提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本实用新型可以避免由于发电机容量过大和参数不理想导致的输出功率失真问题；同时，还可提高发电机调速器、励磁控制器和稳定器的控制精度，能够更真实地反应等值发电机的暂态特性。

2、本实用新型能够通过在发电机升压变压器出口处并联一个功率放大器，利用线路电流测量环节及电流放大环节，通过受控电流源将等值发电机的功率注入系统，以解决大功率等值发电机输出功率失真的问题，从而保证等值前后动态特性一致。

3、本实用新型通过功率放大器调节等值发电机输出功率，能够保证等值发电机输出功率不变。

4、本实用新型通过功率放大器提升了等值发电机的输出功率，降低了以标幺值为调节标准的发电机调速器、励磁器和稳定器的调节难度。

5、本实用新型的功率放大器拓扑结构简单，控制容易，仿真实用性强。

附图说明

图1为本实用新型的功率放大器连接位置示意图；

图2为本实用新型的功率放大器结构示意图；

图3为本实用新型的电流放大环节的电路示意图；

图4为本实用新型的仿真电路及参数配置图；

图5为本实用新型的发电机机端电压波形图；

图6为本实用新型的发电机输出有功功率波形图；

图7为本实用新型的发电机转差波形图；

图8为本实用新型的功率放大器输出有功功率波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步详细说明。

如图1所示的等效仿真系统，该系统在发电机升压变压器的出口处并联一个功率放大装置，该装置由线路电流测量环节、电流放大环节和受控电流源组成，其解决了由于发电机容量过大和参数不理想引起的输出功率失真问题。

从升压变压器高压侧出口处测量到的输出电流，根据等值发电机容量和单一发电机的容量的比例计算，设定电流放大环节的放大倍数，将放大后的电流测量值输入到受控电流源，受控电流源将电流注入规定线路中，则等值发电机功率按社定值注入到系统中。

若等值发电机容量为S_E，单一发电机容量为S_M，则放大倍数K＝(S_E/S_M)-1。

如图3所示的电流放大电路，A和B为输入端口、C和D为输出端口、U1为电流放大电路运算放大器、U2为积分电路运算放大器、T1为升流变压器、T2为电流互感器、R1为积分电路电阻、R2和R3为低通滤波电路电阻、C1为高频滤波电容、C2为积分电容、C3为低通滤波电路电容、GND为参考地电位点。

运算放大器U1反相输入端接电流输入端口，其输出接变压器输入端；变压器输出端串联电流互感器接电流输出端口；电流互感器输出接运算放大器U1反相输入端；直流钳位电路，涉及运算放大器U2、电阻、电容；运算放大器U2和电阻R1、电容C2组成积分电路；电阻R2、R3和电容C3组成低通滤波电路；积分电路输入接电流放大电路运算放大器U1输出端，输出接低通滤波电路输入端；低通滤波电路输出接电流放大电路运算放大器U1正相输入端；电容C1一端接电流放大电路运算放大器U1输出端，另一端接电流放大电路运算放大器U1反相输入端。

变压器为升流变压器；电流放大电路输入端与信号源间还可串联电阻，则可将小信号交流标准电压源转换成大电流交流标准电流源。

其工作原理：运算放大器U1、变压器T1和电流互感器T2组成交流电流负反馈电路。在交流工作频段内：运算放大器输出电流能力为Im，变压器T1输出与输入电流比值为N，则放大器电流输出能力为N*Im；电流互感器输出与输入电流比值为K，则放大器输出电流Io与输入电流Ii的关系式Io＝Ii/K。

因变压器T1、电流互感器T2均为非线性元件，直流信号无法通过，高频信号则会产生高附加相移，因而需要增加直流反馈和高频反馈回路，以保障放大器电路正常工作。为此增加直流钳位电路和高频滤波电路。直流钳位电路由积分电路和低通滤波电路组成，使得运算放大器U1输出端直流电平钳位在地电位点，而工作频段内交流信号则几乎不受影响。高频分量则直接通过电容C1反馈回运算放大器U1反相输入端，以避免放大器电路振荡。

如图4所示的仿真电路参数配置图，其采用容量1000MVA的水轮发电机Synchronous Machine，机端电压为13.8kV，其中HTG为水轮发电机调速器，Excitation System为发电机励磁器。发电机机端电压参考值为1p.u.，发电机输出有功功率参考值为1000MW。系统基准频率为50HZ。机端负荷为5MW。升压变压器变比为13.8kV/525kV。等值发电机容量为1000000MVA，有功输出为100000MW，因此功率放大器的功率放大倍数为99倍。系统的终端负荷为100000MW。三相电压源的短路容量为1000000MVA，基准电压为525kV，电抗与电阻的比值为20。仿真算例从0s开始运行，总运行时间为20s，5s时在三相电压源处施加三相短路故障3Phase Fault，故障持续时间为100ms。

如图5所示，0s启动时，发电机机端电压经过4s后稳定在1p.u.输出，5s时，系统内发生瞬时三相短路接地故障，发电机机端电压跌落为0.3524p.u.，经过100ms后故障清除，机端电压经过震荡逐步恢复稳定，最终发电机机端电压稳定在1p.u.输出。

如图6所示，0s启动时，发电机输出有功功率经过4s后稳定在1000MW输出，5s时系统内发生瞬时三相短路接地故障，发电机输出有功功率跌落至384MW，经过100ms后故障清除，发电机输出有功功率经过震荡逐步恢复稳定，最终发电机输出有功功率稳定在1000MW输出。

如图7所示，0s启动时，发电机转差经过4s后衰减为0p.u.，5s时系统内发生瞬时三相短路接地故障，发电机转差升高至0.004p.u.，经过100ms后故障清除，发电机转差经过震荡逐步衰减为0p.u.。

如图8所示，0s启动时，功率放大器输出有功功率经过4s后稳定在100000MW输出，是发电机有功功率输出的100倍，符合电流放大环节的放大倍数。5s时系统内发生瞬时三相短路接地故障，功率放大器输出有功功率跌落至38400MW，经过100ms后故障清除，发电机输出的有功功率经过震荡逐步恢复稳定，最终功率放大器输出有功功率稳定在100000MW输出，是发电机有功功率输出的100倍，符合电流放大环节的放大倍数。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本实用新型的权利要求保护范围之内。