李 玲，李紅玲

（武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072）

虛擬實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)很好的補(bǔ)充，已經(jīng)成為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段［1－2］。將虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以不受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的多種條件的制約，從而有效地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的能力和效果。

電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)是利用物理模擬方法研究電力系統(tǒng)，是電氣工程學(xué)教學(xué)和科研的主要環(huán)境和工具之一。通過動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理概念的理解和對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)際的認(rèn)識(shí)，還能夠驗(yàn)證學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)原理的新理解和新發(fā)現(xiàn)。原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)是電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)中的重要內(nèi)容，但是目前國內(nèi)少有開展原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的電力動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室，有的實(shí)驗(yàn)室開展這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)但效果欠佳。主要原因有兩方面：一是實(shí)驗(yàn)采用放大器組成的模擬電路，參數(shù)調(diào)整不靈活，調(diào)節(jié)精度低，實(shí)驗(yàn)效果不理想；二是即使采用了由單片機(jī)及其擴(kuò)展電路組成的數(shù)字化控制系統(tǒng)，但存在控制方案調(diào)整不靈活、開發(fā)周期長和難以進(jìn)行二次開發(fā)的問題。本文提出基于虛擬儀器的原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，即將實(shí)際調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型離散化并用于虛擬儀器軟件實(shí)現(xiàn)，通過虛擬儀器專用的數(shù)據(jù)采集板卡采集傳感器的被控量信息，然后進(jìn)行控制運(yùn)算并將控制信號(hào)通過數(shù)／模轉(zhuǎn)換板卡輸出，對(duì)被控量進(jìn)行控制。

1 原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)態(tài)模擬要求

原動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模擬要求其軸上的轉(zhuǎn)矩變化過程與原型相似，即模型與原型的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性都要相似。原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化特性完全可以采用直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬［3］。

原動(dòng)機(jī)的特性對(duì)電力系統(tǒng)過渡過程的影響與過渡過程本身所經(jīng)歷的時(shí)間長短有關(guān)。

在研究電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定問題時(shí)，由于所經(jīng)歷的時(shí)間很短（百分之幾秒），轉(zhuǎn)子的速度來不及變化，故要求模型電機(jī)具有足夠的機(jī)械慣性。機(jī)械慣性的補(bǔ)償是原動(dòng)機(jī)模擬的一個(gè)方面。

在研究電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題時(shí)，由于過渡過程時(shí)間較長，轉(zhuǎn)子會(huì)在同步轉(zhuǎn)速±1%范圍內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)。這時(shí)要求模型電機(jī)能夠模擬原動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速的自平衡特性。當(dāng)原動(dòng)機(jī)的負(fù)荷發(fā)生較大變化而使調(diào)速器開始動(dòng)作時(shí)，原動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性也需要模擬。

調(diào)速系統(tǒng)的特性直接影響到整個(gè)電力系統(tǒng)性能：不僅影響電力系統(tǒng)有功功率的平衡，而且影響非同步運(yùn)行和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定等過程。為了保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的良好效果，需要充分考慮模擬調(diào)速系統(tǒng)模型的靈活性和廣泛的調(diào)節(jié)范圍。

1.2 原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

基于虛擬儀器的原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖1所示，其主要硬件有光電轉(zhuǎn)速傳感器（旋轉(zhuǎn)編碼器）、霍爾電流傳感器、光電隔離保護(hù)、數(shù)據(jù)采集卡、移相觸發(fā)及放大隔離、可控硅三相全控整流橋、直流電動(dòng)機(jī)等。圖1中虛線框內(nèi)為虛擬儀器部分，主要包括插入式數(shù)據(jù)采集卡PCL－818LS、驅(qū)動(dòng)程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL、計(jì)算機(jī)以及由LabVIEW編寫成的調(diào)速系統(tǒng)控制軟件［4－7］。其中，直流電動(dòng)機(jī)為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，額定功率17kW，額定電壓220V，額定電流90A，額定轉(zhuǎn)速1 500r／min?？煽毓铻槿嗳卣鳂?；移相觸發(fā)控制板的輸出為六路雙窄觸發(fā)脈沖。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理是：傳感器測(cè)得直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電樞電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后，由數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算，再由LabVIEW進(jìn)行控制運(yùn)算并將控制信號(hào)輸出給移相觸發(fā)電路。移相觸發(fā)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(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

1.3 原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中，原動(dòng)機(jī)部分的流調(diào)器和慣性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以及整個(gè)調(diào)速器的模型都需要用LabVIEW軟件編程平臺(tái)的框圖程序?qū)崿F(xiàn)［8－11］。實(shí)現(xiàn)的方法是先將原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型離散化，得到各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；再將傳遞函數(shù)分解為比例環(huán)節(jié)K、延遲環(huán)節(jié)實(shí)際微分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)這4個(gè)基本環(huán)節(jié)中的一個(gè)或幾個(gè)環(huán)節(jié)組合；然后在后臺(tái)利用圖形化的編程語言編制對(duì)應(yīng)的框圖程序，并利用函數(shù)庫和開發(fā)工具庫產(chǎn)生一個(gè)由框圖程序控制的前面板，即與傳統(tǒng)儀器相類似的界面，可接受用戶的鼠標(biāo)和鍵盤指令。

LabVIEW前面板的設(shè)計(jì)分為三級(jí)，如圖2所示：第一級(jí)為主界面，包括操作和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，第二級(jí)為數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和運(yùn)行狀態(tài)顯示，第三級(jí)為各項(xiàng)控制參數(shù)的設(shè)置，包括錯(cuò)油門上下限、原動(dòng)機(jī)積分時(shí)間常數(shù)、汽水慣性時(shí)間常數(shù)、流調(diào)器參數(shù)和電流轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)等。

圖1 基于虛擬儀器的原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成框圖

圖2 基于虛擬儀器的原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的人機(jī)界面

2 原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐

2.1 原動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)

原動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速與時(shí)間的曲線圖如圖3所示。由于都增加了慣性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，因此空載起動(dòng)時(shí)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有超調(diào)，汽輪機(jī)的超調(diào)也很小。整個(gè)起動(dòng)過程約需要40～50s，轉(zhuǎn)速最終能維持在額定轉(zhuǎn)速1 500r／min。

2.2 滿載甩全部負(fù)荷

原動(dòng)機(jī)滿載甩全部負(fù)荷時(shí)的暫態(tài)過程如圖4所示。水輪機(jī)甩全部負(fù)荷時(shí)，超調(diào)量為8.33%，明顯的振蕩次數(shù)小于1，過渡過程時(shí)間為15s。汽輪機(jī)甩全部負(fù)荷時(shí)，超調(diào)量為5.33%，明顯的振蕩次數(shù)為1，過渡過程時(shí)間為20s，與實(shí)際電力系統(tǒng)相符合。

2.3 水錘效應(yīng)

圖5所示為水輪機(jī)水錘效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，水錘效應(yīng)的作用不明顯，為此在實(shí)驗(yàn)時(shí)去掉了慣性補(bǔ)償環(huán)節(jié)［12－13］。如圖5所示，當(dāng)突然增大水門的開度以增加原動(dòng)機(jī)輸出功率時(shí)，水輪機(jī)的功率在一開始并不會(huì)增大，反而會(huì)有所減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速也反而會(huì)略有下降，隨后機(jī)組才會(huì)逐漸升速，最終到達(dá)較高轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定值。當(dāng)水門突然關(guān)小時(shí)，其情況與此相反。可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際水輪機(jī)運(yùn)行情況相符。

圖3 原動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)過程

圖4 原動(dòng)機(jī)滿載甩全部負(fù)荷時(shí)的暫態(tài)過程

圖5 水錘效應(yīng)

3 結(jié)束語

虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速虛擬實(shí)驗(yàn)可準(zhǔn)確地反映實(shí)際電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性，與電力系統(tǒng)實(shí)際工況相符，完全能夠滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研的需要。

本文利用虛擬儀器對(duì)典型的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)踐，探索了在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)中開展虛。擬實(shí)驗(yàn)的可行性和實(shí)現(xiàn)方法 該虛擬實(shí)驗(yàn)不但順應(yīng)了調(diào)速系統(tǒng)全數(shù)字化的趨勢(shì)，使其可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和更高的精度，而且具有原動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式和參數(shù)調(diào)整更加方便、控制方案調(diào)整容易和可擴(kuò)充性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

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