控制系统模型课件

2*

备用的输入励磁控制系统典型的传递函数框图励磁控制系统的性能包括：维持发电机端电压恒定调节发电机无功满足系统的无功需求对小干扰稳定性的改善对暂态稳定性的改善对电压稳定性的改善控制系统模型4.2 发电机调速控制系统模型典型的调速器功能模型24、控制系统模型4.2 发电机调速控制系统模型典型的水轮机调速系统传递函数框图4、控制系统模型3典型的汽轮机结构为(a)

无再热；

(b)

单再热；

(c)

单再热；

(d)

双再热(b)44、控制系统模型其相应的传递函数框图调速系统的性能包括：负载－频率控制自动发电控制改善大干扰稳定性（汽的快关）54、控制系统模型电力系统负荷模型的研究6动态电力系统课程讲义第二章 电力系统动态研究中的模型一、负荷模型的重要性二、静态负荷模型三、动态负荷模型四、负荷模型参数的获取五、负荷模型仿真研究介绍六、结论7电力系统负荷模型的研究一、负荷模型的重要性什么是负荷？如在大规模计算机仿真中所表示的，负荷表示几百或几千种用电设备，如电动机、照明和电气器具的集合，除了详细的电压稳定性分析外，集中负荷通常可为从大功率传输点（变电站高压母线）看到的负荷，容量从几兆到数十兆瓦。除了各负荷元件外，集中负荷模型还近似计及次传输系统和配电系统线路、电缆、无功功率补偿、LTC变压器、配电电压调节器、甚至相对较小的同步和异步发电机的影响。8电力系统负荷模型的研究负荷建模的重要性电力系统的稳定性与负荷的特性关系相当密切，负荷模型的准确性直接影响到电压稳定分析结果的正确性和准确性；对由故障（单相接地或三相故障）引起的电压下降的研究中，不同的负荷模型可能导出很不相同的结果9电力系统负荷模型的研究电力系统负荷模型的研究负荷建模的重要性传统负荷模型实测静态指数模型10电力系统负荷模型的研究负荷建模的重要性针对河南电网暂态稳定计算中，使用传统负荷模型时联络线总传送功率为514MW，采用实测静态指数模型时联络线总传送功率为560MW，后者比前者提高46MW，约9.2%。11电力系统负荷模型的研究负荷建模的复杂性电力系统负荷是由许许多多各不相同的用电设备集合而成的，种类繁多负荷组成以及负荷量是随时间随机变化的缺乏负荷组成的精确数据许多负荷的不确定性或非线性，它们随电压以及频率而变化。12二、静态负荷模型多项式负荷模型电力系统负荷模型的研究AP

BP

CP

AQ

BQ

CQ

1此模型通常称为ZIP模型，因为它是由恒阻抗（Z）、恒电流（I）和恒功率（P）分量组成。多项式负荷模型被广泛应用来表示负荷的电压依赖性。

13

220 P 0 P 0 P

Q

Q0[

AQ

(V V0

)

BQ

(V V0

)

CQ

]P

P

[

A (V V

)

B (V V

)

C ]指数模型负荷的频率依赖特性常常表示为指数模型或多项式模型与一个因子的乘积电力系统负荷模型的研究

14

000 0Q (V V ) (1

KP

P

(V V ) (1

K

f

)Q

f

)qfbpfa其中

f

f

f0为频率偏差。典型的，

K

pf

在0～3.0的范围内，K

qf

在-2.0～0的范围内。综合静态模型一个综合的静态模型能灵活地兼容若干负荷表示形势，其表达式如下：电力系统负荷模型的研究

15

(1

n

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0

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K

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Qf

22

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K

K

V

V V V V

V

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KQ

KQ

K PV(1

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V

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2pf

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V

PV1VV2

V

V

K

K

K

K

0

P1PQS 0

PS 0nQf1 Q

2nQP Q1QIQZQV

2QV

1PPPIPZ其中P0和Q0表示负荷功率始值，KPS和KQS分别表示静态负荷占全部负荷的比例。

K

K

K

K

K

K

K

K

K

1PI PP P1 P

2 QZ QI QP Q1 Q

2KPZ小结以上三式给出的静态模型在低电压时是不切合实际的，并可能导致计算问题，因此当负荷母线低于一个规定值时（0.3～0.7），稳定程序通常将负荷特性切换为恒阻抗模型。美国电科院（EPRI）扩展的暂态/中期稳定程序（ETMSP）采用的负荷模型中，指数nPV1、

nPV2、

nQV1和nQV2作为电压的函数而变化，并在一个母线电压的阈值以下时将恒功率和恒电流分量用恒阻抗表示。电力系统负荷模型的研究16三、动态负荷模型电动机负荷；同步电动机；放电型照明装置；LTC变压器和配电电压调节器恒温控制负荷电力系统负荷模型的研究17感应电动机模型电动机负荷约占美国电力消耗的57%，且主要是整马力（integral

horsepower）三相感应电动机。工业能源消耗的78％为电动机负荷，而居民负荷和商业负荷中电动机耗能的比例分别为37％和43％，其中感应电动机耗能大约占电动机总耗能的90％电力系统负荷模型的研究18电力系统负荷模型的研究感应电动机模型Rs Xs Xr图1感应电动机稳态等值电路图 图2

感应电动机暂态等值电路图建立在稳态理论基础上的感应电动机等值电路（不考虑磁饱和影响）如图1所示。3阶集结电动机模型通常可以满足大型电力系统动态仿真的精度要求，其中忽略定子的电磁暂态过程，转子回路的电磁暂态用d、q轴分量表示。图2为用暂态阻抗后电势表示的感应电动机暂态等值电路。Rr/sXmRsX

E

19VI21感应电动机模型电力系统负荷模型的研究dq0 dqiE

dE0T

0T

1

X

X

sE

dtdE

d

iqd0 qE

T

sE

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X

X

01

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E

)]qds dsdR

2

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2i

1 [R

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(vsR

2

X

2qi

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i

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T (A

2

B

C

)m m0 m

C

1m0A

2

B

m01dt 2H

(Te

Tm

)d

mXr

X

mXrX

mX

Xs

（暂态开路时间常数）X

Xs

X

m（转子开路电抗）r0 r

RX

X

m0T

（转子堵转短路电抗）电力系统负荷模型的研究感应电动机模型在暂态稳定程序如美国电科院（EPRI）扩展的暂态/中期稳定程序（ETMSP）中有更详细的感应电动机模型，这对于分析工厂中大型电动机或发电厂辅助设备中电动机的性能是十分必需的。有文献中将感应电动机负荷又更加细化为单鼠笼感应电动机、深导条感应电动机和双鼠笼感应电动机等，同时还考虑磁饱和影响。21电力系统负荷模型的研究单笼异步电动机稳态等效电路22深槽异步电动机稳态等效电路双笼异步电动机稳态等效电路电力系统负荷模型的研究感应电动机模型仅考虑感应电动机的机械动态过程，而忽略电磁动态过程的感应电动机数学模型为ei23Jii miTs&

1 (T

T )si为第i台感应电动机的滑差率，TJi为第i台感应电动机的转动惯性时间常数（s），Tei为感应电动机发出的电磁转矩，

Tmi为感应电动机拖动的机械负载转矩。感应电动机产生的电磁转矩拖动机械转矩，转矩之差使转子加速，即有dt dt2d

d

2

Te

Tm

J

m

J电力系统负荷模型的研究感应电动机模型感应电动机的定子和转子电路24其中 ωm为转子角速度

Te为电磁转矩J为转子及其连接负载的转动惯量Tm为负载转矩，通常可表示为0mTm

T0

(

r

)m

r

0ω

为同步速另一表达式：rT

T(A

2

B

C)m 0 r电力系统负荷模型的研究dt dt225d

d

2

Te

Tm

J

m

J27由感应电动机的等值电路其中RS定子绕组相电阻XSRr转子绕组相电阻XrXm激磁电抗Sns定子绕组相电抗转子绕组相电抗滑差s

ns

nr

pu电力系统负荷模型的研究2rags通过气隙传递到转子的功率 P I

Rr转子的电阻损耗2Pr

Rr

Ir故传到电机轴上的机械功率22 21

srrr r rrPsh

Pag

Pr

IsRI

R

I

sR该式对应的等值电路如电力系统负荷模型的研究27电磁转矩表达式为nsheP

T

3（三相之和）因为fsfn rPP

2

(1

s) 2fP

为极对数故2rs2 s

RrfeT

3IPs

2

f求解电磁转矩的关键是求转子电流Ir，由戴维南定理，aa′左半部分可等值为下图所示电力系统负荷模型的研究28由图可求出复电流为~~e r e rrre r eV

2I(R

R /s)2

(

X

X )22

e Ve

R /s)

j(

X

X )Ir

(R电磁转矩方程2e2V

2X

r)(Re

Rr

/

s)

(

Xe

r

RPfTe

32 s

s感应电动机典型的转矩－滑差特性为电力系统负荷模型的研究29感应电动机等值电路图（a）（b）电力系统负荷模型的研究r

jx

r2s2jx11r

jxV&Hr

jx

r2sr1

jx1 jx2HV&2

i1i

iMiii

ei

eir s

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PsP1i 2

i i 1i 2

iT

2V 1)

2

Hi

1

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r s )2

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x)2301i

2i

i1i

2ii2i1iMi(r

r s

)2

(

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Hi

(r

r s

)PMi为感应电动机从系统中吸收的电磁功率V

2电力系统负荷模型的研究iiTeisP 1)

22

i

i1i2

i1iV

2s )2

(

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Hi

(

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r

1ii

rsr2

i1i令r ＝0

0

Tei

si2

i311ir2

ix

xcris

V

2 Hi 2(x1i

x2i

)Tei

max

处可以求得转矩最大时对应滑差，即临界滑差scri感应电动机的机械负载转矩一般用下式来表达电力系统负荷模型的研究

(1

)(1

s )

i

]i i32

KLi[

iTmi式中

i为感应电动机的恒定力矩，即机械负载转矩中与转速无关的部分，

i为机械负载转矩中与转速有关的指数，KLi为负荷系数，即实际负荷与额定负荷的比值。电力系统负荷模型的研究同步电动机模型大同步电动机通常应用于大功率（如MW级）场合，最典型的应用是抽水蓄能电站。和感应电动机相比，同步电动机结构复杂、造价昂贵，但效率也高。同步电动机通过励磁控制可以调节电压水平，从而对电压稳定性而言具有良好的特性。除了机械负荷部分外，同步电动机的数学模型与同步发电机完全相同。33电力系统负荷模型的研究放电型照明装置大约1/3（有文献说20％）的商业负荷为照明装置——主要是荧光灯和钠灯等。放电型照明装置基本上是静态负荷，它们的电压灵敏度系数PV值在1～1.3范围内，QV值在3～4.5范围内。当电压降至额定值的65％～80％时它们将全部熄灭，而当电压恢复后又重新启动（恢复过程带有迟滞特性，且延时1~2秒0。对于大量的照明负荷，通常采用单值函数模型（不考虑迟滞特性）；当电压降至75％～65％时，放电型负荷的功率跳变为零。

新型荧光灯表现出恒功率特性。34恒温控制负荷加热设备的动态方程电力系统负荷模型的研究L35HK

d

H

P

Pdt其中环境温度加热区温度热损耗加热器功率PL

KA

(

H

H

A

A

)PH

KHGV

2电力系统负荷模型的研究整理后可得恒温控制负荷的动态方程H1A11d

HTdt T T

K1

GV2

1

1

其中AH1A1KKKT

K , K

实际的恒温控制负荷如下图36IEEETaskForceonLoadRepresentationforDynamicPerformance.Standardloadmodelsforpowerflowanddynamicperformancesimulation.IEEEtrans.onpowersystem,1995,10(3):

1302-1313GarsonW.Taylor.Powersystemvoltagestability.NewYork:McGraw-Hill,

199438LTC变压器和配电电压调节器电力系统负荷模型的研究39电力系统负荷模型的研究四、负荷模型参数的获取基于元件的方法从1976年开始，美国EPRI开展了负荷建模课题的研究，并形成综合负荷特性的计算机分析程序（LOADSYN）。它根据下图说明的负荷组成部分的信息来建立负荷模型。在一个主干功率传递点的负荷按负荷类别来划分，如民用、商用、工业用电、农业用电和矿山用电。每个负荷类别又按负荷元件划分，如照明、空调器、空间（房间）加热器、热水器等。40工业负荷民用负荷商业负荷农业负荷

热泵加热器热水器空调照明电冰箱

功率因数P(V,

f)Q(V,

f)电