電力系統(tǒng)保護與控制-AVR(1)

1、電力電力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的控制電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制什么是控制？你是如何理解“控制”這個詞的？電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制電力系統(tǒng)的控制電力系統(tǒng)的控制電力系統(tǒng)的功能是將能量從一種自然存在的形式轉(zhuǎn)換為電的形式，并將它輸送到各個用戶。一個正確設計和運行的電力系統(tǒng)應滿足下列要求：1、系統(tǒng)必須能夠適應不斷變化的負荷有功和無功功率需求。2、系統(tǒng)應以最低成本供電并具有最小的生態(tài)影響。3、系統(tǒng)供電質(zhì)量必須滿足一定的標準（頻率和電壓不變性）電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制控制目標：安全、保質(zhì)、保量、經(jīng)濟。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制控制手段缺失時，通過降低經(jīng)濟性和供電質(zhì)量來保障

2、電網(wǎng)安全，不符合電網(wǎng)發(fā)展趨勢；引入合理控制后，在確保電網(wǎng)安全的前提下，可追求更大經(jīng)濟效益及更優(yōu)供電質(zhì)量。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制電力系統(tǒng)控制概況電力系統(tǒng)控制概況電力系統(tǒng)具有規(guī)模大、分布廣、非線性強等特點，電力系統(tǒng)具有規(guī)模大、分布廣、非線性強等特點，分層分層/遞階控制遞階控制成為其整體控制方案的最佳選擇。成為其整體控制方案的最佳選擇。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制 系統(tǒng)發(fā)電控制系統(tǒng)發(fā)電控制控制方式：“預防”；“補救”。計劃：根據(jù)計劃，提供發(fā)電的基點功率。與負荷預測，機組經(jīng)濟組合，發(fā)電計劃，交換計劃有關。區(qū)域

3、調(diào)節(jié)：隨著系統(tǒng)頻率、聯(lián)絡線所帶負荷或者它們相互之間關系的變化，調(diào)節(jié)指定區(qū)域內(nèi)各發(fā)電機的有功出力來維持計劃的系統(tǒng)頻率或使其與其他區(qū)域的既定交換在預定限值內(nèi)或二者兼顧。利用調(diào)度監(jiān)控計算機、通道、遠方終端、執(zhí)行（分配）裝置、發(fā)電機組自動化裝置等組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，監(jiān)測、調(diào)整電力系統(tǒng)的頻率，以控制發(fā)電機出力。它是電力系統(tǒng)調(diào)度自動化的主要內(nèi)容之一。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制勵磁系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)和控制控制勵磁系統(tǒng)的基本功能是給同步電機磁場繞組提供直流電流。同步發(fā)電機的勵磁自動控制系統(tǒng)就是通過不斷地調(diào)節(jié)勵磁電流來維持端電壓在給定水平的?？刂疲喊妷嚎刂?、無功潮流控制、系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高電力系統(tǒng)電力系

4、統(tǒng)保護與控制保護與控制原動機及原動機及控制控制發(fā)電廠原動機包括汽輪機，水輪機，燃氣輪機等旋轉(zhuǎn)機械。原動機調(diào)節(jié)控制 （1）根據(jù)用戶需要隨時調(diào)整機組負荷 （2）調(diào)整原動機轉(zhuǎn)速電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制輸電輸電控制控制包括輸電線路的功率和電壓控制，例如靜止無功補償器、同步調(diào)相機、可投切電容器和電抗器、可調(diào)分頭變壓器、移相變壓器和高壓直流（HVDC）輸電控制等。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制電力電力系統(tǒng)的控制目標系統(tǒng)的控制目標控制目標取決于電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)。正常方式下，控制目標：用電和發(fā)電的平衡；使電壓和頻率接近額定值以使運行盡可能有效率。非正常狀態(tài)發(fā)生時，控制目標：使系統(tǒng)恢復到正常

5、運行狀態(tài)。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制本課程要講的控制環(huán)節(jié)本課程要講的控制環(huán)節(jié)1.單獨元件的控制：勵磁控制（AVR）2.系統(tǒng)級的控制: 自動發(fā)電控制(AGC)發(fā)發(fā) 電電用用 電電有功、頻率控制問題有功、頻率控制問題無功、電壓控制問題無功、電壓控制問題電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制AVR1、什么是AVR？2、AVR起什么作用？它的工作原理是什么呢？3、通過仿真來驗證AVR的作用。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制為什么要控制電壓？為什么要控制電壓？第一，保證電力系統(tǒng)中用電設備及運行設備的安全。 電力系統(tǒng)中的運行設備都有其額定運行電壓和最高運行電

6、壓。保持發(fā)電機端電壓在容許水平上，是保證發(fā)電機及電力系統(tǒng)設備安全運行的基本條件之一, 這就要求發(fā)電機勵磁系統(tǒng)不但能夠在靜態(tài)下，而且能在大擾動后的穩(wěn)態(tài)下保證發(fā)電機電壓在給定的容許水平上。發(fā)電機運行規(guī)程規(guī)定，大型同步發(fā)電機運行電壓不得高于額定值的110。第二，保證發(fā)電機運行的經(jīng)濟性。 發(fā)電機在額定值附近運行是最經(jīng)濟的。如果發(fā)電機電壓下降,則輸出相同的功率所需的定子電流將增加,從而使損耗增加。規(guī)程規(guī)定大型發(fā)電機運行電壓不得低于額定值的90；當發(fā)電機電壓低于95時，發(fā)電機應限負荷運行。維持電壓水平是勵磁控制系統(tǒng)的最主要的任務。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制AVR中文名稱： 自動電壓調(diào)節(jié)器 英文名

7、稱： automatic voltage regulator，AVR 定義： 維持同步發(fā)電機電壓在預定值或按照計劃改變端電壓的一種同步發(fā)電機調(diào)節(jié)器。當同步電機的端電壓、無功功率等發(fā)生變化時，根據(jù)相應的反饋信號自動控制勵磁機的輸出電流，以達到自動調(diào)節(jié)同步電機端電壓的目的。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制反饋（反饋（feedback）反饋對于一切自然系統(tǒng)、生物系統(tǒng)和社會系統(tǒng)具有普適性。例如，人和動物在行進中要不斷地目視目標，不斷地消除誤差，直至達到目的地；市場對于物價和其價值的偏差不斷進行糾正，使得物價基本上再起價值的上下波動。實際上，反饋的過程是信息傳遞和誤差消除的過程，這是一種最基本的控制

8、方式。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制負反饋：如果反饋信息（系統(tǒng)實際輸出）使得系統(tǒng)輸出的誤差逐漸減少。通過閉合負反饋環(huán)路：（1）可以使系統(tǒng)穩(wěn)定（2）可以使系統(tǒng)具有魯棒性（3）可以使系統(tǒng)具有抗干擾能力（4）可以改善系統(tǒng)輸出的響應性能電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制開環(huán)控制開環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制輸入量（給定量）控制器執(zhí)行器被控對象輸出量（被控量）控制量控制器執(zhí)行器被控對象 被控量（輸出量）給定量（輸入量）檢測裝置控制量比較器 開環(huán)控制方案的框圖閉環(huán)控制方案的框圖電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制 典型的勵磁控制系統(tǒng)結構框圖 放大勵磁機同步電機勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定器電壓測量比較基準輸入其它信號U

9、G+-+-電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制隨著調(diào)節(jié)器功能和構成元件不同，調(diào)節(jié)器的組成有簡有繁，但基本上可劃分為：v量測環(huán)節(jié)。感受各類信息偏差量。v綜合放大環(huán)節(jié)。放大及綜合各類信息。v執(zhí)行環(huán)節(jié)。實現(xiàn)移相和可控觸發(fā)。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制自動勵磁控制系統(tǒng) 控制對象：發(fā)電機 控制器： 勵磁調(diào)節(jié)器 執(zhí)行環(huán)節(jié)：勵磁機反饋控制系統(tǒng) 勵磁自動控制系統(tǒng)勵磁自動控制系統(tǒng)的的動態(tài)特性：動態(tài)特性：對于一個反饋控制系統(tǒng)，應了解其動態(tài)性能。即在任何原因引起被控制量變動后，勵磁系統(tǒng)是否穩(wěn)定、調(diào)節(jié)過程中的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間及振蕩次數(shù)等是否滿足要求。其中穩(wěn)定性是首要問題。 電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制

10、v 二、勵磁調(diào)節(jié)器各單元傳遞函數(shù)勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)1. 測量比較單元： sTKsUsUSGRRGdeR12. 綜合放大單元，一階慣性環(huán)節(jié)： sTKsGAAA1限幅環(huán)節(jié)3. 功率放大單元： sTKsGzz1 STzSMdeKsususG2為純滯后環(huán)節(jié)電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制v 三、同步發(fā)電機傳遞函數(shù)v 四、勵磁-系統(tǒng)總傳遞函數(shù)勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)一階慣性： sTKsGdGG01 RGARdEEARGAREFGKKKsTsTsTKsTsTKKsUsU11110電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制控制的數(shù)學模型 1.PID模型: dttd

11、eTdtteTteKtuDtIP01離散化為 KjDIPTKTeKTeTTjTeTTKTeKKTu0電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制控制的數(shù)學模型 1.PID模型: dttdeTdtteTteKtuDtIP01離散化為 KjDIPTKTeKTeTTjTeTTKTeKKTu0電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制AVR仿真仿真1、在Matlab中搭建模型2、以下面三種情況為例，演示AVR調(diào)節(jié)電壓的效果（1）設定值的變化（2）負荷變化引起的電壓變化（3）發(fā)生故障（短路或者斷路）引起的電壓變化 電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與

12、控制Simple簡易 AVR 概要圖電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制33 放大器放大器模型模型激磁系統(tǒng)的放大器，可能是磁放大器、旋轉(zhuǎn)放大器、或近代的電子式放大器。放大器系由增益 及時間常數(shù) 代表，其轉(zhuǎn)移函數(shù)為sKsVsVAAeR1)()( KA 之典型值范圍為 10 至 400；放大器的時間常數(shù)非常小，在 0.02 至 0.1 秒范圍內(nèi)，?？捎枰院雎浴ｋ娏ο到y(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制34勵勵磁機磁機模型模型勵磁機有很多不同類型，然而，近代激磁機則使用，通過如 SCR 之固態(tài)整流器的交流電源。由于磁路之飽和效應，激磁機的輸出電壓是場電壓的非線性函數(shù)，因此，激磁機的端電壓與場電壓間，并無簡

13、單的關系式。每多不同復雜度的模型，業(yè)已被研發(fā)，并發(fā)表于 IEEE 推薦的刊物。一個合理的近代激磁機模型為線性化模型，即考慮主要的時間常數(shù)，但忽略飽和或其它的非線性效應。在最簡單的型式中，近代激磁機之轉(zhuǎn)移函數(shù)，可用單一時間常數(shù)E 與增益KE代表，此即，sKsVsVEERF1)()(近代勵磁機的時間常數(shù)均很小。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制35發(fā)電機發(fā)電機模型模型同步電機的發(fā)電電動勢為電機磁化曲線的函數(shù)，其端電壓則取決于發(fā)電機負載。在線性化模型中，關聯(lián)發(fā)電機端電壓與場電壓的轉(zhuǎn)移函數(shù)，可用增益KG及時間常數(shù)G 代表，此即sKsVsVGGFt1)()(這些常數(shù)取決于負載，由全載至無載，KG 在

14、0.7 至 1 間變化，而G 則為 1.0 至 2.0 秒間。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制36感知感知器模型器模型電壓系由比壓器感知，并經(jīng)某型式的橋式整流器整流，此感知器可用一個簡單的單階傳遞函數(shù)，給定為sKsVsVRRts1)()( R 非常小，可假設其范圍為 0.01 至 0.06 秒。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制37 自動電壓調(diào)制器之簡化方塊圖電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制10.05s+1Transfer Fcn41s+1Transfer Fcn310.4s+1Transfer Fcn2100.1s+1Transfer Fcn1StepScope電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護

15、與控制保護與控制電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制2s0.04s+1Transfer Fcn510.05s+1Transfer Fcn41s+1Transfer Fcn310.4s+1Transfer Fcn2100.1s+1Transfer Fcn1StepScope電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制t,sec 電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制三機九節(jié)點模型三機九節(jié)點模型電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制-PhasorspowerguiABCabcT3ABCabcT2ABCabcT1ScopesSubsystemABCLoad6ABCLoad4A

16、BCLoad2ABCABCL5-6ABCABCL4-5ABCABCL3-6ABCABCL2-3ABCABCL1-4ABCABCL1-2GG3GG2GG1ABCabcB6ABCabcB5ABCabcB4(230kV)ABCabcB1(16.5kV)ABCabc-B9(230kV)ABCabcB8ABCabc-B7(230kV)ABCabc-B2(18kV)設定值發(fā)生變化電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制設定值發(fā)生變化設定值發(fā)生變化電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制負荷變化負荷變化-PhasorspowerguiABCabcT3ABCabcT2ABCabcT1ScopesSubsystemAB

17、CLoad6ABCLoad4ABCLoad2ABCLoad1ABCABCL5-6ABCABCL4-5ABCABCL3-6ABCABCL2-3ABCABCL1-4ABCABCL1-2GG3GG2GG1ABCabcB6ABCabcB5ABCabcB4(230kV)ABCabcB1(16.5kV)ABCabc-B9(230kV)ABCabcB8ABCabc-B7(230kV)ABCabc-B2(18kV)ABCabc Breaker電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與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電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制作業(yè)二：作業(yè)二： AVR仿真仿真電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制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電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制保護與控制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