1、電力電力系統的控制系統的控制 電力系統電力系統 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？ 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 電力系統的控制電力系統的控制 電力系統的功能是將能量從一種自然存在的形式轉換為 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應滿足下列要求： 1、系統必須能夠適應不斷變化的負荷有功和無功功率 需求。 2、系統應以最低成本供電并具有最小的生態影響。 3、系統供電質量必須滿足一定的標準（頻率和電壓不 變性） 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 控制目標： 安全、保質、保量、經濟。 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 控制

2、手段缺失時，通過降低經濟性和供電質量來保障電網安全，不符合電網發展 趨勢；引入合理控制后，在確保電網安全的前提下，可追求更大經濟效益及更優 供電質量。 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 電力系統控制概況電力系統控制概況 電力系統具有規模大、分布廣、非線性強等特點，電力系統具有規模大、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。 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 系統發電控制系統發電控制 控制方式：“預防”；“補救”。 計劃：根據計劃，提

3、供發電的基點功率。與負荷預測， 機組經濟組合，發電計劃，交換計劃有關。 區域調節：隨著系統頻率、聯絡線所帶負荷或者它們相 互之間關系的變化，調節指定區域內各發電機的有功出 力來維持計劃的系統頻率或使其與其他區域的既定交換 在預定限值內或二者兼顧。 利用調度監控計算機、通道、遠方終端、執行（分配） 裝置、發電機組自動化裝置等組成的閉環控制系統，監 測、調整電力系統的頻率，以控制發電機出力。它是電 力系統調度自動化的主要內容之一。 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 勵磁系統和勵磁系統和控制控制 勵磁系統的基本功能是給同步電機磁場繞組提供直流電 流。 同步發電機的勵磁自動控制系統就是通過不斷地

4、調 節勵磁電流來維持端電壓在給定水平的。 控制：包括電壓控制、無功潮流控制、系統穩定性的提 高 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 原動機及原動機及控制控制 發電廠原動機包括汽輪機，水輪機，燃氣輪機等旋轉機 械。 原動機調節控制 （1）根據用戶需要隨時調整機組負荷 （2）調整原動機轉速 電力系統電力系統 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、 同步調相機、可投切電容器和電抗器、可調分頭變壓器、 移相變壓器和高壓直流（hvdc）輸電控制等。 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 電力電力系統的控制目標系統的控制目標 控制目標取決于電力系統

5、的運行狀態。 正常方式下，控制目標：用電和發電的平衡；使電壓和 頻率接近額定值以使運行盡可能有效率。 非正常狀態發生時，控制目標：使系統恢復到正常運行 狀態。 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 本課程要講的控制環節本課程要講的控制環節 1.單獨元件的控制：勵磁控制（avr） 2.系統級的控制: 自動發電控制(agc) 發發 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 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 avr 1、什么是avr？ 2、avr起什么作用？它的工作原理是什么呢？ 3、通過仿真來驗證a

6、vr的作用。 電力系統電力系統 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，保證電力系統中用電設備及運行設備的安全。 電力系統中的運行設備都有其額定運行電壓和最高運行電壓。保持 發電機端電壓在容許水平上，是保證發電機及電力系統設備安全運行的 基本條件之一, 這就要求發電機勵磁系統不但能夠在靜態下，而且能 在大擾動后的穩態下保證發電機電壓在給定的容許水平上。發電機運行 規程規定，大型同步發電機運行電壓不得高于額定值的110。 第二，保證發電機運行的經濟性。 發電機在額定值附近運行是最經濟的。如果發電機電壓下降,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。規程規定

7、大型發電機 運行電壓不得低于額定值的90；當發電機電壓低于95時，發電機應 限負荷運行。 維持電壓水平是勵磁控制系統的最主要的任務。 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 avr 中文名稱： 自動電壓調節器 英文名稱： automatic voltage regulator，avr 定義： 維持同步發電機電壓在預定值或按照計劃改變端 電壓的一種同步發電機調節器。當同步電機的端電壓、 無功功率等發生變化時，根據相應的反饋信號自動控制 勵磁機的輸出電流，以達到自動調節同步電機端電壓的 目的。 電力系統電力系統 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、生物系統和

8、社會系統具有普適 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方式。 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 負反饋：如果反饋信息（系統實際輸出）使得系統輸出 的誤差逐漸減少。 通過閉合負反饋環路： （1）可以使系統穩定 （2）可以使系統具有魯棒性 （3）可以使系統具有抗干擾能力 （4）可以改善系統輸出的響應性能 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 開環控制開環控制 閉環控制閉環控制 輸入量 （給定量） 控制器

9、執行器被控對象輸出量 （被控量） 控制量 控制器 執行器 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 開環控制方案的 框圖 閉環控制方案的 框圖 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 典型的勵磁控制系統結構框圖 放大勵磁機同步電機 勵磁系統 穩定器 電壓測量比較 基準輸入 其它信號 ug + - + - 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 隨著調節器功能和構成元件不同，調節器的組成有簡有 繁，但基本上可劃分為： v量測環節。感受各類信息偏差量。 v綜合放大環節。放大及綜合各類信息。 v執行環節。實現移相和可控觸發。 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制

10、自動勵磁 控制系統 控制對象：發電機 控制器： 勵磁調節器 執行環節：勵磁機 反饋控制系統 勵磁自動控制系統勵磁自動控制系統的的動態特性：動態特性： 對于一個反饋控制系統，應了解其動態性能。即在任何原因引起 被控制量變動后，勵磁系統是否穩定、調節過程中的超調量、調 節時間及振蕩次數等是否滿足要求。其中穩定性是首要問題。 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 v 二、勵磁調節器各單元傳遞函數 勵磁控制系統的傳遞函數勵磁控制系統的傳遞函數 1. 測量比較單元： st k su su sg r r g de r 1 2. 綜合放大單元，一階慣性環節： st k sg a a a 1 限幅環節 3.

11、 功率放大單元： st k sg z z 1 st z sm d ek su su sg 2 為純滯后環節 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 v 三、同步發電機傳遞函數 v 四、勵磁-系統總傳遞函數 勵磁控制系統的傳遞函數勵磁控制系統的傳遞函數 一階慣性： st k sg d g g 0 1 rgardeea rga ref g kkkstststkst stkk su su 111 1 0 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 控制的數學模型 1.pid模型: dt tde tdtte t tektu d t i p 0 1 離散化為 k j d i p tktekte t t jt

12、e t t ktekktu 0 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 控制的數學模型 1.pid模型: dt tde tdtte t tektu d t i p 0 1 離散化為 k j d i p tktekte t t jte t t ktekktu 0 電力系統電力系統 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調節電壓的效果 （1）設定值的變化 （2）負荷變化引起的電壓變化 （3）發生故障（短路或者斷路）引起的電壓變化 電力系統電力系統 保護與控

13、制保護與控制 simple 簡易 avr 概要圖 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 33 放大器放大器模型模型 激磁系統的放大器，可能是磁放大器、旋轉放大器、或近代的 電子式放大器。放大器系由增益 及時間常數 代表，其轉移函 數為 s k sv sv a a e r 1)( )( ka 之典型值范圍為 10 至 400；放大器的時間常數非常小，在 0.02 至 0.1 秒范圍內，常可予以忽略。 電力系統電力系統 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

14、電壓的非線性函數，因此，激磁機的端電壓與 場電壓間，并無簡單的關系式。每多不同復雜度的模型，業已 被研發，并發表于 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，但忽略飽和或其它 的非線性效應。在最簡單的型式中，近代激磁機之轉移函數， 可用單一時間常數e 與增益ke代表，此即， s k sv sv e e r f 1)( )( 近代勵磁機的時間常數均很小。 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 35 發電機發電機模型模型 同步電機的發電電動勢為電機磁化曲線的函數，其端電壓則取 決于發電機負載。在線性化模型中，關聯發電機端電壓與場電 壓的轉移函數，可用增益

15、kg及時間常數g 代表，此即 s k sv sv g g f t 1)( )( 這些常數取決于負載，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。 電力系統電力系統 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，給定為 s k sv sv r r t s 1)( )( r 非常小，可假設其范圍為 0.01 至 0.06 秒。 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 37 自動電壓調制器之簡化方塊圖 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 1 0.05s+1 tra

16、nsfer fcn4 1 s+1 transfer fcn3 1 0.4s+1 transfer fcn2 10 0.1s+1 transfer fcn1 step scope 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 2s 0.04s+1 transfer fcn5 1 0.05s+1 transfer fcn4 1 s+1 transfer fcn3 1 0.4s+1 transfer fcn2 10 0.1s+1 transfer fcn1 stepscope 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 t,sec

17、 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 三機九節點模型三機九節點模型 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 - phasors powergui a b c a b c t3 a b c a b c t2 a b c a b c t1 scopes subsystem a b c load6 a b c load4 a b c load2 a b c a b c l5-6 a b c a b c l4-5 a b c a b c l3-6 a b c a b c l2-3 a b c a b c l1-4 a b c a b c l1-2 g g3 g g2 gg1 a b c a b c

18、 b6 a b c a b c b5 a b c a b c b4(230kv) a b c a b c b1(16.5kv) a b c a b c - b9(230kv) a b c a b c b8 a b c a b c - b7(230kv) a b c a b c - b2(18kv) 設定值發生變化 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 設定值發生變化設定值發生變化 電力系統電力系統 保護與控制保護與控制 負荷變化負荷變化 - phasors powergui a b c a b c t3 a b c a b c t2 a b c a b c t1 scopes subsystem a b c load6 a b c load4 a b c load2 a b c load1 a b c a b c l5-6 a b c a b c l4-5 a b c a b c l3-6 a b c a b c l2-3 a b c a b c l1-4 a b c a b c l1-2 g g3 g g2 gg1 a b c a b c b6 a b c a b c b5 a b c