包括励磁系统自动发电控制AGC

$北氏纵k 4ortfvwest University for lationuRties电力系统自动化期末作业题 目： 包括励磁系统的自动发电控制（ AGC学 号：P101813449姓 名：汤小桥专业班级：10级电气工程及其自动化 1班学 院：电气工程学院指导教师：杨晶显老师包括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）乍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。电力系统频率和有功功率自动控制统称为自动发电控制（AGC）。AGC是通过控制发电机有功出力来跟踪电力系统负荷变化，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。基本目标包括使全系统的发电出力和负荷功率相匹配； 将电力系统的频率偏差调节到零， 保持系统频率为额定值； 及控制区 域间联络线的交换功率与计划值相等，实现各区域内有功功率的平 衡。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AVF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Abstractalong with the height of the development of power system automation, has developed into a modern power grid in power market mechanism on the basis of many control areas interconnected system, automatic generation control (AGC) for interconnected power grid to achieve power and the principal meansof frequency control, the control effect directly affects the quality of power grid. Therefore, across regional interconnection through what kind of standard to evaluate the quality of the control, the grid AGCadopt what kind of control method is a hot spot of dispatching automation in recent years. Automatic control of power system frequency and active power are collectively referred to as automatic generation control (AGC). AGC is active by controlling the generator output to track power system load changes, so as to maintain frequency is equal to the rated value, at the sametime meet the scheduled requirements among interconnected power system of power control technology. Basic goals include to make full system power output and load power match; Will power system frequency deviation to adjust to zero, maintaining system frequency for rating; Link exchange between power and control area and plan values are equal, and realize the regional balance of active power.Has important practical significance this paper closely around the subject, studies and discussions are introduced with excitation system of power grid AGC automatic generation control technology implementation and development, with LFC and excitation system of synchronous generator AVR control scheme of generator speed control system model of the basic composition and the design and control strategy. Finally through a combination of isolated power station simulation block diagram and its technical parameters, structures, hybrid SIMULINK block diagram for simulation, when the excitation system parameters change response, find out the voltage of the frequency deviation and the machine through the simulation results for the analysis of frequency control and voltage control of the relationship.KeywordsExcitation system ，automatic power control ， power system ，the frequency and voltage目录摘 要： 1一、概述 51.1 课题背景 61.2 带励磁系统的同步发电机 LFC 和 AVR 控制示意图 7二、发动机调速系统 82.1 发电机模型 82.2 负荷模型 92.3 原动机模型 102.4 调速器模型 11三、发电机励磁系统 113.1 励磁调节器的工作原理 113.2 励磁方式 123.3 励磁机的作用 13四、励磁系统的自动发电控制（ AGC ） 13五、仿真结果分析 19六、总 结 22参考文献 24、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 AGO 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。P *G1G2力亠系*J统”负荷分配器误差信号信息AGC图1-1 AGC组成示意图1.1课题背景孤立电站是为适应边远地区人民生活用电和某些特殊生产用电 而建立的独立系统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(freque ncy 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士0.2Hz。当系统容量较小时，偏差值可以放宽到士 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AVF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Excitation systemValve control mechanismGen.field Pc PG ,QG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 sen sor电压测量；Gen. field发电机磁场；Turbi ne汽轮机；Steam蒸汽；Valve control mechanism阀门控制；Load frequency control (LFC)负荷频率控制；Freque ncy senso频率测量、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(2-1 )第八Pm -犹s dt或根据速度偏差d.：-dtH汽-反(2-2)速度是标幺值，不写标幺值标识，有 詈=秸仏Pm ） 对式（2-3 ）做拉格朗日变换，有(2-3)(2-4)图2-1 发电机框图%)所示。式（2-4 ）的关系可以用框图表示，如图2-12.2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一一负荷特性的综合。综合负载的速度一一负荷特性近似表示为APe = ApL（ 2-5 ）式中AR 非频率敏感设备的功率变化；:.V.频率敏感设备的功率变化；;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=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.-Pm取决于蒸汽的开度侃。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来表示，传递函数有(2-6)简单无再热汽轮机的框图如图2-4所示图2-4简单无再热汽轮机框图时间常数T的范围是0.22.02.4调速器模型调速器好比一个比较器，它的输出 ：Pg是设定功率-SPref和功率A 的差。丄1由调速器特性给出有RR1，Pg八 PrefR（2-7）或频域 , 1 -：PgSRefSSgR（2-8）指令Pg经过液压放大传递给阀门开度位置指令 厶FV，假定一个线性关系并认为时间常数为g，则有以下的频域关系式(2-9)三、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10MV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勺中频发电机，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，交流电势的谐波分量也较大。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）；d）发电机事故时，对转子绕组迅速灭磁，以保护发电机的安全。四、励磁系统的自动发电控制（ AGC由于LFC和AVR系统之间联系软弱，可以将频率和电压幅值分开 控制，这里将线性化的AGC系统扩展，使之包括励磁系统。由式可知 功率的微小变化是同步功率系统 Ps和功角仝的微小变化的乘积。如 果考虑电压对有功功率的微小影响，就有以下的线性化方程为R =Ps 、 K2E（ 4-1）式（4-1 ）中的K2是定子电动势的变化对功率变化的影响。同样，考 虑转子功角对发电机机端电压的影响，有(4-2) 式中K5 当定子电动势为常数时，机端电压的变化相对转子功角的 变化；K6当转子电动势为常数时，机端电压的变化相对转子功角的变化；最好为了推出包括转子功角的发电机磁场传递函数，将定子电动势表示为KgE（ 4-3）1 gS式（2-12 ）的常数是由网络参数和运行状态决定的。对于稳态系统，Ps是正值，同样-2、-4、K6为正值，但-5可能为负值。【例3 9】一个孤立的发电站的组合仿真框图如图 8所示，其参数见表4-1。表4-1孤立发电站参数设备增益时间常数设备增益时间常数汽轮机-T=1弋 t=0.4发电机-=1弋 g=1.5调速器-g=1E g = 0.2传感器Kh=1t r=0.04放大器-A=10弋 A=0.1惯性常数H=6励磁机-E=1弋 e=0.5调差系数R=0.04当频率变化1%寸负荷变化0.8%,即=0.8。假定同步功率因数R=1.5 , 电压系数为-6=0.5，并且耦合常数-2=0.2、-4=1.4、-5=-0.1。建立混 合SIMULINK仿真框图，并求当负荷标幺值变化也巳=0.25时的频率偏 差和机端电压响应。解：在SIMULINK中的仿真框图如图3-3所示。运行后，第二个 LFC环的积分增益为6.0,励磁系统PID控制器的增益为K=1、K=0.25、 K=0.3。速度偏差阶跃响应和机端电压阶跃响应如图、图所示。可以 发现，当耦合系统都设为零时，暂态响应几乎没有什么变化，因此频 率控制和电压控制可以分别考虑。将耦合系数都设为零，分别求频率偏差的传递函数 1(s)和机端电压 传递函数 2(s)。1. 频率偏差传递函数的求取H 1(s)=(25+；).10.4 s 125(25 s 6)s(s 5)(2 s 5)H(s) =H1(s) (s)25(25s 6)1.5 6s2 1355s 675s(s 5)(2s 5) s 2s(s 5)(2s 5)频率偏差闭环传递函数为:1- s 耳12s 2.81 +G(s H (s ) +16s2 +1355s + 67512s 0.8 2s s 5 2s 5=4s3+30s2 +50s48s4 363.2s3630s21395s 675用下面的命令求解频率偏差阶跃响应：PL=0.55;numc1=4 30 50 0;dene仁48 363.2 630 1395 675; t=0:0.02:15;e=-PL*step (nu mc1,de nc1,t);plot(t,c),gridxlabel(t(s),ylabel(Dw)title( 例3T的频率偏差阶跃响应)阶跃响应的频率偏差如图4-1所示图4-1频率偏差阶跃响应2. 机端电压传递函数的求取PID控制器传递函数KGrd(s)二心(1 -sKdS)0.3s26s 20s 520s前项通道传递函数g(沪6sL.亠丄20s0.1s+1 0.5s+10.5 _8(6s2 20s 5)1.5s 1 s(s 10)(s 2)(3s 2)机端电压闭环传递函数为:8(6s2 20s 5)2sdGS：H（s）s(s 十 10)(s+2)(3s+2)48s3+1360s2+404(s+1000一8(6s2 20s 5)1_ 3s5 113s4 10343 3340s2 5000s 1000s(s 10)(s 2)(3s 2).0.04 1用下面的命令求解频率偏差阶跃响应：numc2=48 1360 4040 1000;den c2=3 113 1034 3340 5000 1000; t=0:0.02:15;c=step (nu mc2,de nc2,t);plot(t,c),gridxlabel(t(s),ylabel(Vt)title(例39的机端电压阶跃响应)阶跃响应的极端电压如图4-2所示图4-2机端电压阶跃响应3. 建立仿真模型按照【例 3-9】改变SINULINK模型的参数，并在SIMULINK中运行，即可得到频率偏差和机端电压阶跃响应，仿真图如图4-3所示图4-3【例3-9】的仿真框图设定参数后运行 SIMULINK仿真框图，频率偏差阶跃响应与机端电压阶跃响应曲线分别如下图4-4、图4-5所示图4-5机端电压阶跃响应五、仿真结果分析(1)由图4-4频率阶跃响应曲线和图4-5机端电压阶跃响应曲线可以发现，当耦合系数都设为零时，暂态响应几乎没什么变化，因此频率控制和电压控制可以分别考虑。频率控制：当负荷突然增加时，在调速系统改变蒸汽机的进气量之前，汽轮机的转速就已经下降了。飞轮检测到的误差信号很小，汽轮机可以在这样 的稳态中保持转速为常数，这个转速是低于额定转速的，存在一个频 率偏差。自动发电控制（AGC将频率的偏差积分用积分单元监视一 段时间的频率偏差，根据这个积分值将频率恢复到额定值。单台发电机积差调节工作方程式：fdt K Pref =0 f = f - fN （5-1）式中K调频功率比例系数。设定t=0时f二fN、，:fdt=0、Pref =0，式（2-13 ）是得到满足的；在 ti瞬间，由于负荷增大，系统频率开始下降，出现了 f 0，于是式（5-1 ）左端第一项 fdt不断增加其负值，使该式的原有平衡状态遭 到破坏。于是调节器向着满足式（5-1 ）的方向进行调整，即增加机 组的输出功率设定值-Pref，只要f -0，不论廿多么小，-fdt都会不 断的累积出新值，式（5-1 ）就不会满足，调节过程不会终止，直到 系统频率恢复到额定值，即f = 0，这时f = fN、“ =fdt =A =常数，式（5-1 ）才能得到满足，调节过程才会结束。电压控制：电压对有功功率有微小影响，可用式（4-1 ）表示；转子功角对发电 机机端电压的影响则可用式（4-2 ）表示，这些常数由网络参数和运 行状态决定，对于稳态系统，Ps是正值，同样&、匕、&为正值，但K5可能为负值。变频调速的基本控制方式与基准电压、基准频率的关系电机用变频器调速时有两种情况-基频（基准频率）以下调速和基频以上调 速。必须考虑的重要因素是：尽量保持电机主磁通为额定值不变。如 果磁通过弱（电压过低），电机铁心不能得到充分利用，电磁转矩变 小，负载能力下降。如果磁通过强（电压过高），电机处于过励磁状 态，电机因励磁电流过大而严重发热。根据电机原理可知，三相异步 电机定子每相电动势的有效值：E仁 4.44f1N1 Cm式中E1-定子每相由气隙磁通感应的电动势的有效值f1-定子频率N1定子每相绕组有效匝数Cm-每极磁通量由式中可以看出，Cm的值由E1/f1决定，但由于E1难以直接控制， 所以在电动势较高时，可忽略定子漏阻抗压降，而用定子相电压U1代替。那么要保证 m不变，只要U1/f1始终为一定值即可。这是基频 以下调时速的基本情况，为恒压频比（恒磁通）控制方式，属于恒转 矩调速。从图3-4可以看出，基准频率为恒转矩调速区的最高频率， 基准频率所对应的电压为即为基准电压， 是恒转矩调速区的最高电压 在基频以下调速时，电压会随频率而变化，但两者的比值不变。在基 频以上调速时，频率从基频向上可以调至上限频率值， 但是由于电机 定子不能超过电机额定电压， 因此电压不再随频率变化， 而保持基准 电压值不变，这时电机主磁通必须随频率升高而减弱， 转矩相应减小， 功率基本保持不变，属于恒功率调速区。由图 3-4 可见，基准频率为 恒功率调速区的最低频率，是恒转矩调速区与恒功率调速区的转折 点，而基准电压值在整个恒功率调速区内不再随频率变化而改变。负载的机械特性与基准电压，基准频率的设定合理地使用变频 器，必须了解所驱动负载的机械特性。 根据不同的使用目的，负载 基本上可分为恒转矩负载、 恒功率负载以及平方转矩负载等三类。 恒 转矩负载其所需转矩基本不受速度变化的影响（T二定值），对于该类 负载, 变频器的整个工作区最好运行在基频以下 , 这时变频器的输出 特性正好能满足负载的要求。 恒功率负载在转速越高时， 所需转矩越 小（TX N=定值），对于恒功率负载来说，电机的工作频率若运行在 基频以上， 其所要求的机械特性将与变频器的输出特性相吻合。 至于 平方转矩负载，它所要求的转矩与转速的平方成正比（T/N2二定值）， 电机应运行在基频以下较为合理。 需要注意的是： 平方转矩负载的工 作频率绝不能超过工频， 除非变频器容量大一个等级。 否则变频器与 电机将严重过载。六、总 结自动发电控制（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。 本设计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AG技术的实现与发展，带励磁系统的同步发电机 LFCJ口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 SIMULIN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首 先它能够保证电力系统运行设备的安全。 电力系统运行设备都有其额 定运行电压，保持发电机端电压在容许水平上是保证发电机及其电力 系统设备安全运行的基本条件之一。 所以， 无论在静态还是在动态都 应该保持发电机的电压在给定的容许水平上， 大型发电机运行电压不 得高于额定值的 110。其次它能够保证发电机运行的经济性。假如 电压下降， 则输出同样的功率所需的定子电流将增加， 从而使损耗增 加，大型发电机的电压不得低于额定值的 90，当低于 95 时发电 机应限负荷运行。最后对静态、动态和暂态的改善都有显著的作用， 也是最为简单和有效的措施。参考文献1】王葵，孙莹 .电力系统自动化（第三版） . 北京：中国电力出版 社， 2012【2】张德丰.MATLAB自动控制系统设计.北京：机械工业出版社， 2010.3】 熊信银. 发电厂电气部分 . 北京：中国电力出版社 ,2009