电力系统自动化作业非常详细

电力系统自动化期末作业题目：带励磁系统的自动发电控制（AGC）学号： P***********：***同组人：马宁、马超、李维、谢海波、杨天曾专业班级： 09级电气工程及其自动化3班学院：电气工程学院指导教师：杨晶显老师目录目录 (1)1 概述 (2)1.1课题背景 (3)1.2带励磁系统的同步发电机LFC和AVR控制示意图 (3)2 发动机调速系统 (4)2.1发电机模型 (4)2.2负荷模型 (5)2.3原动机模型 (6)2.4调速器模型 (6)3 发电机励磁系统 (7)3.1励磁调节器的工作原理 (7)3.2励磁方式 (7)3.3励磁机的作用 (8)4 励磁系统的自动发电控制（AGC） (8)5 仿真结果分析 (12)6 总结 (13)参考文献 (13)带励磁系统的自动发电控制（AGC）摘要：随着电力系统自动化的高度发展，现代电网已发展成为在电力市场机制的基础上多控制区域的互联系统，自动发电控制(AGC)作为互联电网实现功率和频率控制的主要手段，其控制效果直接影响着电网品质。

因此，跨大区互联电网通过什么样的标准对其控制质量进行评价，电网AGC采用什么样的控制方法是近年来调度自动化关注的一个热点问题。

本论文紧紧围绕这一具有重要现实意义的课题展开了研究和讨论，介绍了带励磁系统的自动发电控制电网AGC技术的实现与发展，带励磁系统的同步发电机LFC和AVR控制方案，发电机的调速系统模型的基本组成及其设计和控制策略。

最后通过一个孤立发电站的组合仿真框图及其技术参数，搭建混合SIMULINK仿真框图进行仿真，当励磁系统参数变化时求出其频率偏差和机端电压响应，通过仿真结果来分析频率控制和电压控制的关系。

关键词：励磁系统，自动发电控制，电力系统，频率，电压1 概述自动发电控制(Automatic Generation Control)简称AGC，作为现代电网控制的一项基本功能，它是通过控制发电机有功出力来跟踪电力系统的负荷变化，从而维持频率等于额定值，同时满足互联电力系统间按计划要求交换功率的一种控制技术。

它的投入将提高电网频率质量，提高经济效益和管理水平。

自动发电控制技术在“当今世界已是普遍应用的成熟技术，是一项综合技术”。

自动发电控制在我国的研究和开发虽然起步较早，但真正在电网运行中发挥效能，还是在最近几年。

原来我国几个主要电力系统都曾试验过自动频率调整(AFC)，而直到改革开放以后，自动发电控制却还未能全部正常运行。

近些年来，随着我国经济的高速发展，对安全、可靠、优质和经济运行，各大区电网都对频率的调整非常重视，并实行了严格的考核。

为实现这一目标，全国各大电网均不同程度地采用了AGC技术。

随着计算机技术、自动控制理论、网络通讯等技术的发展，电厂、电网自动化运行水平的不断提高，自动发电控制逐步得到广泛的应用。

现代的AGC是一个闭环反馈控制系统，主要由两大部分构成，如图1-1所示：（1）负荷分配器：根据测得的发电机实际出力、频率偏差和其它有关信号，按一定的调节准则分配各机组应承担的机组有功出力设定值。

该部分为传统的电网调度功能实现。

（2）机组控制器：根据负荷分配器设定的有功出力，使机组在额定频率下的实发功率与设定有功出力相一致。

电厂具备AGC功能时该部分由机组协调控制系统CCS自动实现。

图1-1 AGC组成示意图1.1课题背景在准同期并网的时候，发电机的电压和频率与电网的电压和频率有一定的偏差，频率偏差（frequency deviation ）是指系统频率的实际值和标称值之差。

电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz。

当系统容量较小时，偏差值可以放宽到±0.5Hz。

在有功功率电源不足或缺乏备用容量的电力系统中，当有功负荷增加时，会造成频率下降，此时电气设备处在低频率下运行。

低频率运行除了会对发电厂的安全运行造成较大的危害外，还会使所有的用户的电动机转速都相应降低。

例如：若电流频率由50HZ降到48HZ，电动机的转速将降低4%，致使冶金、化工、机械、纺织造纸等工业的产量和质量都会受到影响。

假如并网前发电机电压略高于电网电压、发电机频率也略高于电网频率（一般而言），并入电网后发电机向电网输出电流，此电流是无功电流，对发电机有去磁作用，使发电机电压下降，直到电压偏差保持在一定的范围内；同样由于发电机频率略高于电网，发电机就向电网输出一个有功电流，此电流在轴上产生一个反力矩，使发电机的转速减慢，频率下降，直到电压偏差保持在一定的范围内。

但这个过程需要一定的时间，且波动性大，且对电网的稳定运行会产生一定的影响，如果发电装置带上励磁系统会改善电力系统的性能。

1.2 带励磁系统的同步发电机LFC和AVR控制示意图在互联网系统中，每一台发电机都安装了负荷频率控制（LFC）和自动电压调整（AVR），基本的发电控制环如图1-2所示。

负荷频率控制器设置了一个频率的设定值，他检测频率和发电机有功功率的微小变化，调整汽轮机阀门开度，保持发电机的频率在一个允许的范围内。

自动电压调整控制器设置了一个电压的设定值，它检测极端电压和无功功率的微小变化，调整发电机励磁电流，保持发电机的极端电压在一个允许的范围内。

励磁系统时间常数比原动机时间常数要小很多，因而它的暂态衰减要快得多，且不会影响LFC 的动态特性，因此LFC 控制环和AVR 控制环可以看成是互补影响的两个控制环，可以将其分开来分析。

图1-2 同步发电机LFC 和AVR 的示意图Excitation system ——励磁系统； Automatic voltage regulator (AVR)——自动电压调整； Voltage sensor ——电压测量；Gen. field ——发电机磁场；Turbine ——汽轮机；Steam ——蒸汽；Valve control mechanism ——阀门控制；Load frequency control (LFC) ——负荷频率控制；Frequency sensor ——频率测量2 发动机调速系统发电机的调速系统由原动机、发电机、负荷和调速器组成。

分析和设计控制系统的第一步是建立系统的数学模型，而建立模型的最普遍的两种方法是传递函数法和状态变量法。

状态变量法可以应用到线性和非线性系统，而为了用传递函数法和线性状态方程，首先必须将系统线性化，即用合理的假设和近似将数学方程线性化，获得以下元件的传递函数。

2.1发电机模型根据同步发电机的摆动方程式，对小扰动有222.m e s H d P P w dtδ=- （2-1） 或根据速度偏差1()2s m e w dw P P dt H=- （2-2） 速度是标幺值，不写标幺值标识，有1()2m e d w P P dt H=- （2-3） 对式（3）做拉格朗日变换，有1()[()()]2m e s P s P s HSΩ=- （2-4） 式（4）的关系可以用框图表示，如图2-1所示。

图2-1 发电机框图2.2负荷模型电力系统的负荷由各种用电设备组成。

对电阻性负荷，比如电灯和加热设备，消耗的电能与频率无关。

电机负荷对频率的变化比较敏感，其敏感程度取决于驱动设备速度——负荷特性的综合。

综合负载的速度——负荷特性近似表示为e L P P w δ=+ （2-5） 式中L P ——非频率敏感设备的功率变化；w δ——频率敏感设备的功率变化；δ——负荷变化的百分数与频率变化的百分数之比，若频率变化1%，负荷用电量变化1.6%，则δ=1.6。

在发电机模型中加入负荷模型，画出如图3的框图。

去掉反馈环，则得到图4框图。

图2-2 发电机和负荷框图 图2-3 发电机和负荷框图2.3原动机模型机械功率的源就是原动机，它可以是水论及、汽轮机或燃气论及。

输出功率的变化m P 取决于蒸汽的开度V P 。

不同类型的涡轮机特性差别很大。

对无再热蒸汽轮机，原动机模型可以近似用一个时间常数T τ来表示，传递函数有 T T ()1G ()1m V P s P s s τ=+（s ）= （2-6） 简单无再热汽轮机的框图如图5所示。

图2-4 简单无再热汽轮机框图时间常数T τ的范围是0.2~2.0。

2.4调速器模型调速器好比一个比较器，它的输出g P 是设定功率ref P 和功率1w R的差。

1w R由调速器特性给出有 1g ref P P w R=- （2-7） 或频域1()()()g ref P s P s s R =-Ω （2-8） 指令g P 经过液压放大传递给阀门开度位置指令VP ，假定一个线性关系并认为时间常数为g τ，则有以下的频域关系式 1()()1V g g P s P s sτ=+ （2-9） 3 发电机励磁系统3.1 励磁调节器的工作原理发电机端电压经电压互感器降压后输入到测量单元，电压讯号在测量单元中经测量比较后，将电压偏差量输入到中放单元放大，并作为移相单元的控制电压以相应改变触发单元的触发脉冲相位角，从而改变了自动可控硅的控制角和交流励磁机励磁电压值，相应地改变了主发电机的励磁，当发电机负载增大而使发电机电压下降时调节器使自动可控硅整流器的控制角检小，以增大发电机的励磁，当发电机减少负荷时，其操作以上述相反，减少励磁来维持发电机端电压为给定值。

3.2 励磁方式 根据直流电机励磁方式的不同，可分为他励磁，并励磁，串励磁，复励磁等方式，直流电机的转动过程中，励磁就是控制定子的电压使其产生的磁场变化，改变直流电机的转速。

1、直流发电机供电的励磁方式：这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。

这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。

缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW 以上的机组中很少采用。

2、交流励磁机供电的励磁方式，现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。

交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。

交流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机。

为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100——200HZ 的中频发电机，而交流副励磁机则采用400——500HZ 的中频发电机。

这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。

缺点是噪音较大，交流电势的谐波分3.3 励磁机的作用 励磁机的作用包括以下几个方面： a 发电机并网前，调节发电机输出的端电压； b 发电机并网后，调节发电机承担的无功功率；c 提高同步发电机并列运行的静、动态稳定；（ 静态稳定： 采用灵敏快速的励磁调节系统，可以提高发电机在小干扰下的稳定性；动态稳定：采用响应快速、顶值电压较高的励磁调节系统，可以提高发电机在的大扰动下的稳定性）。