电力系统保护与控制-AVR

开环控制方案的 框图 闭环控制方案的 框图
比较器 给定量 （输入量） 控制器 执行器
控制量 被控对象 被控量 （输出量）
检测装置
电力系统 保护与控制
典型的励磁控制系统结构框图
放大
励磁机
同步电机
UG

+
励磁系统 稳定器
其 它 信 号

+
基准输入
电压测量比较
电力系统 保护与控制
随着调节器功能和构成元件不同，调节器的组成有简有 繁，但基本上可划分为： ①量测环节。感受各类信息偏差量。 ②综合放大环节。放大及综合各类信息。 ③执行环节。实现移相和可控触发。
33
电力系统 保护与控制
励磁机模型
励磁机有很多不同类型，然而，近代激磁机则使用，通过如 SCR 之固态整流器的交流电源。由于磁路之饱和效应，激磁机 的输出电压是场电压的非线性函数，因此，激磁机的端电压与 场电压间，并无简单的关系式。每多不同复杂度的模型，业已 被研发，并发表于 IEEE 推荐的刊物。一个合理的近代激磁机模 型为线性化模型，即考虑主要的时间常数，但忽略饱和或其它 的非线性效应。在最简单的型式中，近代激磁机之转移函数， 可用单一时间常数E 与增益KE代表，此即，
Simple
简易 AVR 概要图
电力系统 保护与控制
放大器模型
激磁系统的放大器，可能是磁放大器、旋转放大器、或近代的 电子式放大器。放大器系由增益 及时间常数 代表，其转移函 数为 VR ( s) KA Ve ( s ) 1 A s KA 之典型值范围为 10 至 400；放大器的时间常数非常小，在 0.02 至 0.1 秒范围内，常可予以忽略。
电力系统 保护与控制
控制的数学模型 1.PID模型:
1 u t K P et TI
et dt TD
t 0
K j 0
det dt
D
离散化为
T u KT K P eKT TI
T e jT T eKT eKT T
电力系统 保护与控制
电力系统 保护与控制
本课程要讲的控制环节
1.单独元件的控制：励磁控制（AVR） 2.系统级的控制: 自动发电控制(AGC)
有功、频率控制问题 无功、电压控制问题
50.0Hz
50.2 49.8
发电
用电
电力系统 保护与控制
AVR
1、什么是AVR？ 2、AVR起什么作用？它的工作原理是什么呢？ 3、通过仿真来验证AVR的作用。
电力系统 保护与控制
负反馈：如果反馈信息（系统实际输出）使得系统输出 的误差逐渐减少。 通过闭合负反馈环路： （1）可以使系统稳定 （2）可以使系统具有鲁棒性 （3）可以使系统具有抗干扰能力 （4）可以改善系统输出的响应性能
电力系统 保护与控制
开环控制
闭环控制
控制量 输入量 （给定量） 控制器 执行器 被控对象 输出量 （被控量）
电力系统 保护与控制
电力系统 保护与控制
电力系统 保护与控制
控制的数学模型 1.PID模型:
1 u t K P et TI
et dt TD
t 0
K j 0
det dt
D
离散化为
T u KT K P eKT TI
A B C
A B C
B5 A B C Load4 A B C Load6 L5-6 -->
aA bB cC
A B C A B C A B C
Aa Bb Cc
L4-5
Phasors
B4(230kV)
powergui
a b c
A B C
A B C
Aa Bb Cc
B6
T1
A B C
Scopes G1 Subsystem G
T e jT T eKT eKT T
电力系统 保护与控制
AVR仿真
1、在Matlab中搭建模型 2、以下面三种情况为例，演示AVR调节电压的效果 （1）设定值的变化 （2）负荷变化引起的电压变化 （3）发生故障（短路或者断路）引起的电压变化
电力系统 保护与控制
VF ( s) KE VR ( s) 1 E s
近代励磁机的时间常数均很小。
34 电力系统 保护与控制
发电机模型 同步电机的发电电动势为电机磁化曲线的函数，其端电压则取 决于发电机负载。在线性化模型中，关联发电机端电压与场电 压的转移函数，可用增益KG及时间常数G 代表，此即
Vt ( s ) KG VF ( s) 1 G s
这些常数取决于负载，由全载至无载，KG 在 0.7 至 1 间变化， 而G 则为 1.0 至 2.0 秒间。
35
电力系统 保护与控制
感知器模型 电压系由比压器感知，并经某型式的桥式整流器整流，此感知 器可用一个简单的单阶传递函数，给定为
Vs ( s ) KR Vt ( s) 1 R s
Gs ud s K z e T2 S 为纯滞后环节 uSM s
电力系统 保护与控制
励磁控制系统的传递函数
三、同步发电机传递函数
一阶惯性： GG s
KG 1 Td0 s
Байду номын сангаас
四、励磁-系统总传递函数
U G s K A K G 1 TR s U REF s 1 TA s K E TE s 1 Td0 s 1 TR s K A K G K R
电力系统 保护与控制
为什么要控制电压？
第一，保证电力系统中用电设备及运行设备的安全。 电力系统中的运行设备都有其额定运行电压和最高运行电压。保持 发电机端电压在容许水平上，是保证发电机及电力系统设备安全运行的 基本条件之一, 这就要求发电机励磁系统不但能够在静态下，而且能 在大扰动后的稳态下保证发电机电压在给定的容许水平上。发电机运行 规程规定，大型同步发电机运行电压不得高于额定值的110％。 第二，保证发电机运行的经济性。 发电机在额定值附近运行是最经济的。如果发电机电压下降,则输出相 同的功率所需的定子电流将增加,从而使损耗增加。规程规定大型发电机 运行电压不得低于额定值的90％；当发电机电压低于95％时，发电机应 限负荷运行。 维持电压水平是励磁控制系统的最主要的任务。
电力系统 保护与控制
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
电力系统 保护与控制
电力系统 保护与控制
10 0.1s+1 Step Transfer Fcn1
1 0.4s+1 Transfer Fcn2 Transfer Fcn5 2s 0.04s+1 Transfer Fcn4 1 0.05s+1
电力系统 保护与控制
励磁系统和控制
励磁系统的基本功能是给同步电机磁场绕组提供直流电 流。
同步发电机的励磁自动控制系统就是通过不断地调 节励磁电流来维持端电压在给定水平的。
控制：包括电压控制、无功潮流控制、系统稳定性的提 高
电力系统 保护与控制
原动机及控制
发电厂原动机包括汽轮机，水轮机，燃气轮机等旋转机 械。 原动机调节控制 （1）根据用户需要随时调整机组负荷 （2）调整原动机转速
高层控制 三次控制 反馈 给定 中层控制 二次控制 反馈 给定 底层控制 一次控制 实际电力系统
电力系统 保护与控制
区域1
区域3
区域2
电力系统 保护与控制
电力系统 保护与控制
系统发电控制
控制方式：“预防”；“补救”。 计划：根据计划，提供发电的基点功率。与负荷预测， 机组经济组合，发电计划，交换计划有关。 区域调节：随着系统频率、联络线所带负荷或者它们相 互之间关系的变化，调节指定区域内各发电机的有功出 力来维持计划的系统频率或使其与其他区域的既定交换 在预定限值内或二者兼顾。 利用调度监控计算机、通道、远方终端、执行（分配） 装置、发电机组自动化装置等组成的闭环控制系统，监 测、调整电力系统的频率，以控制发电机出力。它是电 力系统调度自动化的主要内容之一。
电力系统 保护与控制
励磁自动控制系统的动态特性：
对于一个反馈控制系统，应了解其动态性能。即在任何原因引起 被控制量变动后，励磁系统是否稳定、调节过程中的超调量、调 节时间及振荡次数等是否满足要求。其中稳定性是首要问题。
反馈控制系统
控制对象：发电机 控制器： 励磁调节器 执行环节：励磁机
电力系统 保护与控制
AVR
中文名称： 自动电压调节器 英文名称： automatic voltage regulator，AVR 定义： 维持同步发电机电压在预定值或按照计划改变端 电压的一种同步发电机调节器。当同步电机的端电压、 无功功率等发生变化时，根据相应的反馈信号自动控制 励磁机的输出电流，以达到自动调节同步电机端电压的 目的。
--> B7(230kV)
aA bB cC
--> B8 A A B B C C L1-2
aA bB cC
<-B9(230kV) A A B B C C L2-3
Aa Bb Cc a b c A B C
<-B3(13.8kV)
Aa Bb Cc
G G3
T2
T3
A B C
A B C
L1-4
Load2
L3-6
R 非常小，可假设其范围为 0.01 至 0.06 秒。
36
电力系统 保护与控制
自动电压调制器之简化方块图
37
电力系统 保护与控制
10 0.1s+1 Step Transfer Fcn1
1 0.4s+1 Transfer Fcn2
1 s+1 Transfer Fcn3 Scope
Transfer Fcn4 1 0.05s+1
电力系统 保护与控制
输电控制
包括输电线路的功率和电压控制，例如静止无功补偿器、 同步调相机、可投切电容器和电抗器、可调分头变压器、 移相变压器和高压直流（HVDC）输电控制等。
电力系统 保护与控制
电力系统的控制目标
控制目标取决于电力系统的运行状态。
正常方式下，控制目标：用电和发电的平衡；使电压和 频率接近额定值以使运行尽可能有效率。 非正常状态发生时，控制目标：使系统恢复到正常运行 状态。
1 s+1 Transfer Fcn3 Scope
电力系统 保护与控制
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
t,sec
电力系统 保护与控制
三机九节点模型
电力系统 保护与控制
设定值发生变化
--> B2(18kV) G G2
aA bB cC A B C a b c
电力系统 保护与控制
控制目标： 安全、保质、保量、经济。
电力系统 保护与控制
控制手段缺失时，通过降低经济性和供电质量来保障电网安全，不符合电网发展 趋势；引入合理控制后，在确保电网安全的前提下，可追求更大经济效益及更优 供电质量。
电力系统 保护与控制
电力系统控制概况
电力系统具有规模大、分布广、非线性强等特点， 分层/递阶控制成为其整体控制方案的最佳选择。
电力系统的控制
什么是控制？你是如何理解“控制”这个词的？
电力系统 保护与控制
电力系统的控制
电力系统的功能是将能量从一种自然存在的形式转换为 电的形式，并将它输送到各个用户。 一个正确设计和运行的电力系统应满足下列要求： 1、系统必须能够适应不断变化的负荷有功和无功功率 需求。 2、系统应以最低成本供电并具有最小的生态影响。 3、系统供电质量必须满足一定的标准（频率和电压不 变性）
电力系统 保护与控制
反馈（feedback）
反馈对于一切自然系统、生物系统和社会系统具有普适 性。 例如，人和动物在行进中要不断地目视目标，不断地消 除误差，直至达到目的地；市场对于物价和其价值的偏 差不断进行纠正，使得物价基本上再起价值的上下波动。 实际上，反馈的过程是信息传递和误差消除的过程，这 是一种最基本的控制方式。
自动励磁 控制系统
电力系统 保护与控制
励磁控制系统的传递函数
二、励磁调节器各单元传递函数
U de s KR G S R 1. 测量比较单元： U G s 1 TR s
2. 综合放大单元，一阶惯性环节： GA s
KA 限幅环节 1 TA s
Kz 3. 功率放大单元： G s 1 Tz s
aA bB cC
B1(16.5kV)
电力系统 保护与控制
设定值发生变化
电力系统 保护与控制