電力系統(tǒng)保護(hù)與控制AVR

電力系統(tǒng)的控制當(dāng)前1頁，總共48頁。什么是控制？你是如何理解“控制”這個(gè)詞的？當(dāng)前2頁，總共48頁。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(gè)用戶。一個(gè)正確設(shè)計(jì)和運(yùn)行的電力系統(tǒng)應(yīng)滿足下列要求：1、系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)不斷變化的負(fù)荷有功和無功功率需求。2、系統(tǒng)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)（頻率和電壓不變性）當(dāng)前3頁，總共48頁。控制目標(biāo)：安全、保質(zhì)、保量、經(jīng)濟(jì)。當(dāng)前4頁，總共48頁?？刂剖侄稳笔r(shí)，通過降低經(jīng)濟(jì)性和供電質(zhì)量來保障電網(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(jì)效益及更優(yōu)供電質(zhì)量。當(dāng)前5頁，總共48頁。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(qiáng)等特點(diǎn)，

分層/遞階控制成為其整體控制方案的最佳選擇。當(dāng)前6頁，總共48頁。當(dāng)前7頁，總共48頁。當(dāng)前8頁，總共48頁。

系統(tǒng)發(fā)電控制控制方式：“預(yù)防”；“補(bǔ)救”。計(jì)劃：根據(jù)計(jì)劃，提供發(fā)電的基點(diǎn)功率。與負(fù)荷預(yù)測，機(jī)組經(jīng)濟(jì)組合，發(fā)電計(jì)劃，交換計(jì)劃有關(guān)。區(qū)域調(diào)節(jié)：隨著系統(tǒng)頻率、聯(lián)絡(luò)線所帶負(fù)荷或者它們相互之間關(guān)系的變化，調(diào)節(jié)指定區(qū)域內(nèi)各發(fā)電機(jī)的有功出力來維持計(jì)劃的系統(tǒng)頻率或使其與其他區(qū)域的既定交換在預(yù)定限值內(nèi)或二者兼顧。利用調(diào)度監(jiān)控計(jì)算機(jī)、通道、遠(yuǎn)方終端、執(zhí)行（分配）裝置、發(fā)電機(jī)組自動(dòng)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(jī)出力。它是電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化的主要內(nèi)容之一。當(dāng)前9頁，總共48頁。勵(lì)磁系統(tǒng)和控制

勵(lì)磁系統(tǒng)的基本功能是給同步電機(jī)磁場繞組提供直流電流。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)就是通過不斷地調(diào)節(jié)勵(lì)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)定性的提高當(dāng)前10頁，總共48頁。原動(dòng)機(jī)及控制

發(fā)電廠原動(dòng)機(jī)包括汽輪機(jī)，水輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械。原動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)控制（1）根據(jù)用戶需要隨時(shí)調(diào)整機(jī)組負(fù)荷

（2）調(diào)整原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速當(dāng)前11頁，總共48頁。輸電控制

包括輸電線路的功率和電壓控制，例如靜止無功補(bǔ)償器、同步調(diào)相機(jī)、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。當(dāng)前12頁，總共48頁。電力系統(tǒng)的控制目標(biāo)控制目標(biāo)取決于電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。正常方式下，控制目標(biāo)：用電和發(fā)電的平衡；使電壓和頻率接近額定值以使運(yùn)行盡可能有效率。非正常狀態(tài)發(fā)生時(shí)，控制目標(biāo)：使系統(tǒng)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)前13頁，總共48頁。當(dāng)前14頁，總共48頁。本課程要講的控制環(huán)節(jié)1.單獨(dú)元件的控制：勵(lì)磁控制（AVR）2.系統(tǒng)級(jí)的控制:自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)50.0Hz49.850.2發(fā)電用電有功、頻率控制問題無功、電壓控制問題當(dāng)前15頁，總共48頁。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(yàn)證AVR的作用。當(dāng)前16頁，總共48頁。為什么要控制電壓？第一，保證電力系統(tǒng)中用電設(shè)備及運(yùn)行設(shè)備的安全。電力系統(tǒng)中的運(yùn)行設(shè)備都有其額定運(yùn)行電壓和最高運(yùn)行電壓。保持發(fā)電機(jī)端電壓在容許水平上，是保證發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行的基本條件之一,這就要求發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)不但能夠在靜態(tài)下，而且能在大擾動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)下保證發(fā)電機(jī)電壓在給定的容許水平上。發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，大型同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓不得高于額定值的110％。第二，保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。發(fā)電機(jī)在額定值附近運(yùn)行是最經(jīng)濟(jì)的。如果發(fā)電機(jī)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(jī)運(yùn)行電壓不得低于額定值的90％；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓低于95％時(shí)，發(fā)電機(jī)應(yīng)限負(fù)荷運(yùn)行。維持電壓水平是勵(lì)磁控制系統(tǒng)的最主要的任務(wù)。當(dāng)前17頁，總共48頁。AVR中文名稱：自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器英文名稱：automaticvoltageregulator，AVR定義：維持同步發(fā)電機(jī)電壓在預(yù)定值或按照計(jì)劃改變端電壓的一種同步發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器。當(dāng)同步電機(jī)的端電壓、無功功率等發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)相應(yīng)的反饋信號(hào)自動(dòng)控制勵(lì)磁機(jī)的輸出電流，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)同步電機(jī)端電壓的目的。當(dāng)前18頁，總共48頁。反饋（feedback）反饋對于一切自然系統(tǒng)、生物系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)具有普適性。例如，人和動(dòng)物在行進(jìn)中要不斷地目視目標(biāo)，不斷地消除誤差，直至達(dá)到目的地；市場對于物價(jià)和其價(jià)值的偏差不斷進(jìn)行糾正，使得物價(jià)基本上再起價(jià)值的上下波動(dòng)。實(shí)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方式。當(dāng)前19頁，總共48頁。負(fù)反饋：如果反饋信息（系統(tǒng)實(shí)際輸出）使得系統(tǒng)輸出的誤差逐漸減少。通過閉合負(fù)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(yīng)性能當(dāng)前20頁，總共48頁。開環(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)控制方案的框圖當(dāng)前21頁，總共48頁。典型的勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

放大勵(lì)磁機(jī)同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定器電壓測量比較基準(zhǔn)輸入其它信號(hào)UG+-+-當(dāng)前22頁，總共48頁。隨著調(diào)節(jié)器功能和構(gòu)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：①量測環(huán)節(jié)。感受各類信息偏差量。②綜合放大環(huán)節(jié)。放大及綜合各類信息。③執(zhí)行環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)移相和可控觸發(fā)。當(dāng)前23頁，總共48頁。自動(dòng)勵(lì)磁控制系統(tǒng)控制對象：發(fā)電機(jī)控制器：勵(lì)磁調(diào)節(jié)器執(zhí)行環(huán)節(jié)：勵(lì)磁機(jī)反饋控制系統(tǒng)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性：對于一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，應(yīng)了解其動(dòng)態(tài)性能。即在任何原因引起被控制量變動(dòng)后，勵(lì)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(shí)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。當(dāng)前24頁，總共48頁。二、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器各單元傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)1.測量比較單元：2.綜合放大單元，一階慣性環(huán)節(jié)：限幅環(huán)節(jié)3.功率放大單元：為純滯后環(huán)節(jié)當(dāng)前25頁，總共48頁。三、同步發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)四、勵(lì)磁-系統(tǒng)總傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)一階慣性：當(dāng)前26頁，總共48頁?？刂频臄?shù)學(xué)模型

1.PID模型:離散化為

當(dāng)前27頁，總共48頁。當(dāng)前28頁，總共48頁。當(dāng)前29頁，總共48頁?？刂频臄?shù)學(xué)模型

1.PID模型:離散化為

當(dāng)前30頁，總共48頁。AVR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(shè)定值的變化（2）負(fù)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

當(dāng)前31頁，總共48頁。Simple簡易AVR概要圖當(dāng)前32頁，總共48頁。33

放大器模型激磁系統(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(shí)間常數(shù)代表，其轉(zhuǎn)移函數(shù)為

KA之典型值范圍為10至400；放大器的時(shí)間常數(shù)非常小，在0.02至0.1秒范圍內(nèi)，?？捎枰院雎?。當(dāng)前33頁，總共48頁。34勵(lì)磁機(jī)模型勵(lì)磁機(jī)有很多不同類型，然而，近代激磁機(jī)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(yīng)，激磁機(jī)的輸出電壓是場電壓的非線性函數(shù)，因此，激磁機(jī)的端電壓與場電壓間，并無簡單的關(guān)系式。每多不同復(fù)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(gè)合理的近代激磁機(jī)模型為線性化模型，即考慮主要的時(shí)間常數(shù)，但忽略飽和或其它的非線性效應(yīng)。在最簡單的型式中，近代激磁機(jī)之轉(zhuǎn)移函數(shù)，可用單一時(shí)間常數(shù)E與增益KE代表，此即，近代勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)均很小。當(dāng)前34頁，總共48頁。35發(fā)電機(jī)模型同步電機(jī)的發(fā)電電動(dòng)勢為電機(jī)磁化曲線的函數(shù)，其端電壓則取決于發(fā)電機(jī)負(fù)載。在線性化模型中，關(guān)聯(lián)發(fā)電機(jī)端電壓與場電壓的轉(zhuǎn)移函數(shù)，可用增益KG及時(shí)間常數(shù)G代表，此即這些常數(shù)取決于負(fù)載，由全載至無載，KG

在0.7至1間變化，而G

則為1.0至2.0秒間。當(dāng)前35頁，總共48頁。36感知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(gè)簡單的單階傳遞函數(shù)，給定為

R

非常小，可假設(shè)其范圍為0.01至0.06秒。當(dāng)前36頁，總共48頁。37

自動(dòng)電壓調(diào)制器之簡化方塊圖當(dāng)