电力系统保护与控制-AVR (1)

1、电力电力系统的控制系统的控制电力系统电力系统保护与控制保护与控制什么是控制？你是如何理解“控制”这个词的？电力系统电力系统保护与控制保护与控制电力系统的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）电力系统电力系统保护与控制保护与控制控制目标：安全、保质、保量、经济。电力系统电力系统保护与控制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

2、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。电力系统电力系统保护与控制保护与控制电力系统控制概况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，电力系统具有规模大、分布广、非线性强等特点，分层分层/递阶控制递阶控制成为其整体控制方案的最佳选择。成为其整体控制方案的最佳选择。电力系统电力系统保护与控制保护与控制电力系统电力系统保护与控制保护与控制电力系统电力系统保护与控制保护与控制 系统发电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

3、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。电力系统电力系统保护与控制保护与控制励磁系统和励磁系统和控制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电力系

4、统保护与控制保护与控制原动机及原动机及控制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）调整原动机转速电力系统电力系统保护与控制保护与控制输电输电控制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。电力系统电力系统保护与控制保护与控制电力电力系统的控制目标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

5、运行状态。电力系统电力系统保护与控制保护与控制电力系统电力系统保护与控制保护与控制本课程要讲的控制环节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)发发 电电用用 电电有功、频率控制问题有功、频率控制问题无功、电压控制问题无功、电压控制问题电力系统电力系统保护与控制保护与控制AVR1、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。电力系统电力系统保护与控制保护与控制为什么要控制电压？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

6、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。电力系统电力系统保护与控制保护与控制AVR中文名称： 自动电压调节器 英文名

7、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。电力系统电力系统保护与控制保护与控制反馈（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

8、方式。电力系统电力系统保护与控制保护与控制负反馈：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电力系统保护与控制保护与控制开环控制开环控制闭环控制闭环控制输入量（给定量）控制器执行器被控对象输出量（被控量）控制量控制器执行器被控对象 被控量（输出量）给定量（输入量）检测装置控制量比较器 开环控制方案的框图闭环控制方案的框图电力系统电力系统保护与控制保护与控制 典型的励磁控制系统结构框图 放大励磁机同步电机励磁系统稳定器电压测量比较基准输入其它信号U

9、G+-+-电力系统电力系统保护与控制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：v量测环节。感受各类信息偏差量。v综合放大环节。放大及综合各类信息。v执行环节。实现移相和可控触发。电力系统电力系统保护与控制保护与控制自动励磁控制系统 控制对象：发电机 控制器： 励磁调节器 执行环节：励磁机反馈控制系统 励磁自动控制系统励磁自动控制系统的的动态特性：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。 电力系统电力系统保护与控制保护与控制

10、v 二、励磁调节器各单元传递函数励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数1. 测量比较单元： sTKsUsUSGRRGdeR12. 综合放大单元，一阶惯性环节： sTKsGAAA1限幅环节3. 功率放大单元： sTKsGzz1 STzSMdeKsususG2为纯滞后环节电力系统电力系统保护与控制保护与控制v 三、同步发电机传递函数v 四、励磁-系统总传递函数励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数一阶惯性： sTKsGdGG01 RGARdEEARGAREFGKKKsTsTsTKsTsTKKsUsU11110电力系统电力系统保护与控制保护与控制控制的数学模型 1.PID模型: dttd

11、eTdtteTteKtuDtIP01离散化为 KjDIPTKTeKTeTTjTeTTKTeKKTu0电力系统电力系统保护与控制保护与控制电力系统电力系统保护与控制保护与控制电力系统电力系统保护与控制保护与控制控制的数学模型 1.PID模型: dttdeTdtteTteKtuDtIP01离散化为 KjDIPTKTeKTeTTjTeTTKTeKKTu0电力系统电力系统保护与控制保护与控制AVR仿真仿真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 电力系统电力系统保护与控制保护与

12、控制Simple简易 AVR 概要图电力系统电力系统保护与控制保护与控制33 放大器放大器模型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sKsVsVAAeR1)()( 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。电力系统电力系统保护与控制保护与控制34励励磁机磁机模型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

13、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，sKsVsVEERF1)()(近代励磁机的时间常数均很小。电力系统电力系统保护与控制保护与控制35发电机发电机模型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sKsVsVGGFt1)()(这些常数取决于负载，由全载至无载，KG 在

14、0.7 至 1 间变化，而G 则为 1.0 至 2.0 秒间。电力系统电力系统保护与控制保护与控制36感知感知器模型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sKsVsVRRts1)()( R 非常小，可假设其范围为 0.01 至 0.06 秒。电力系统电力系统保护与控制保护与控制37 自动电压调制器之简化方块图电力系统电力系统保护与控制保护与控制10.05s+1Transfer Fcn41s+1Transfer Fcn310.4s+1Transfer Fcn2100.1s+1Transfer Fcn1StepScope电力系统电力系统保护

15、与控制保护与控制电力系统电力系统保护与控制保护与控制电力系统电力系统保护与控制保护与控制2s0.04s+1Transfer Fcn510.05s+1Transfer Fcn41s+1Transfer Fcn310.4s+1Transfer Fcn2100.1s+1Transfer Fcn1StepScope电力系统电力系统保护与控制保护与控制t,sec 电力系统电力系统保护与控制保护与控制三机九节点模型三机九节点模型电力系统电力系统保护与控制保护与控制-PhasorspowerguiABCabcT3ABCabcT2ABCabcT1ScopesSubsystemABCLoad6ABCLoad4A

16、BCLoad2ABCABCL5-6ABCABCL4-5ABCABCL3-6ABCABCL2-3ABCABCL1-4ABCABCL1-2GG3GG2GG1ABCabcB6ABCabcB5ABCabcB4(230kV)ABCabcB1(16.5kV)ABCabc-B9(230kV)ABCabcB8ABCabc-B7(230kV)ABCabc-B2(18kV)设定值发生变化电力系统电力系统保护与控制保护与控制设定值发生变化设定值发生变化电力系统电力系统保护与控制保护与控制负荷变化负荷变化-PhasorspowerguiABCabcT3ABCabcT2ABCabcT1ScopesSubsystemAB

17、CLoad6ABCLoad4ABCLoad2ABCLoad1ABCABCL5-6ABCABCL4-5ABCABCL3-6ABCABCL2-3ABCABCL1-4ABCABCL1-2GG3GG2GG1ABCabcB6ABCabcB5ABCabcB4(230kV)ABCabcB1(16.5kV)ABCabc-B9(230kV)ABCabcB8ABCabc-B7(230kV)ABCabc-B2(18kV)ABCabc Breaker电力系统电力系统保护与控制保护与控制短路故障短路故障-PhasorspowerguiABCabcT3ABCabcT2ABCabcT1ScopesSubsystemABCL

18、oad6ABCLoad4ABCLoad2ABCABCL5-6ABCABCL4-5ABCABCL3-6ABCABCL2-3ABCABCL1-4ABCABCL1-2GG3GG2GG1ABCabcB6ABCabcB5ABCabcB4(230kV)ABCabcB1(16.5kV)ABCabc-B9(230kV)ABCabcB8ABCabc-B7(230kV)ABCabc-B2(18kV)ABCABC Fault电力系统电力系统保护与控制保护与控制作业二：作业二： AVR仿真仿真电力系统电力系统保护与控制保护与控制Synchronous Machine and Regulator1.0vtrefCont

19、inuouspowerguif(u)modulus12drefVtVf_mABCPmSynchronous MachinectrlIn1In2In3SubsystemRotor angle deviationvtrefdrefx,VtPmEfNL controllerIn1In2In3Out1Out2Out3LineFault timingEf?Double click here for more info-K-Convertto degrees电力系统电力系统保护与控制保护与控制Circuit DescriptionThis case study investigates the appli

20、cation of a multi-input multi-output nonlinear controller to a system consisting of a hydraulic turbine and a synchronous generator connected to an infinite bus. The complete system is modeled using SimPowerSystems and Simulink blocks. The controller is based on a feedback linearization scheme. Its

21、main goal is to control the rotor angle as well as the terminal voltage, to improve the stability properties, and to obtain good dynamic response.The performance of the nonlinear controller is tested on the nonlinear turbine-generator system. The controller and turbine are simulated using Simulink blocks while the generator is represented by the Synchronous Machine block from the powerlib library. A three-phase short-circuit is simulated on the load busbar and the fault is cleared