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基于MATLAB的准同期装置建模与仿真

摘要

在电力系统中，由于电网运行的需要，同步发电机、同步补偿机、同步电动机经常投入或退出电网。

同步发电机投入电力系统并列运行的操作，或者电力系统解列的两部分进行并列运行的操作，被称为并列或同期操作。

发电机并网的操作方法分为准同期并列和自同期并列，其要求是准确、快速。

准确可以保障安全和减少由于发电机并网引起的冲击，而快速则能够减小发电机的空转损耗。

不成功的同期操作，既要延长并列时间，又要影响电力系统稳定性，还可因故障而使频率降低，不能很快恢复正常频率，有时会损坏重要设备。

随着电力系统自动化水平的不断提高，对更先进、更方便的同期装置的研制和推广应用提出了要求。

本文对准同期装置的仿真系统进行了比较细致的研究。

首先详细地介绍了准同期装置的工作原理和各个组成部分的作用，包括均频单元、均压单元以及合闸单元等，然后利用MATLAB/Simulink搭建了准同期装置的仿真模型，最后对所建模型进行动态仿真，仿真结果表明该准同期装置模型能够正确的反映出准同期装置的工作特性。

关键词：

并列；准同期；仿真；MATLAB；电力系统

SYNCHRONZATIONDEVICESMODELING

ANDSIMULATIONBASEDONMATLAB

Abstract

Inthepowersystem,synchronousgenerator,synchronouscompensationandsynchronousmotoroftenparallelordisconnectfromthePowerGrid.TheparalleloperationofthesynchronousgeneratorinputtingintothePowersystemorthetwopartsofLiftingofparalleloperationiscalledparallelorsynchronousoperation.Generatorsparallel,whicheveristiedforthesynchronization,andtiedforself-synchronizing,requestveracityandfast.Theveracitycanensurethesafetyandreducetheimpactwhichcausedbygeneratorparalleloperation,andtherapiditycanquicklyreducetheidlinglossofgenerators.What’smore,self-synchronizingwhichcanmakeimpactcurrentanddisturbthepowersystem,notonlywillcausethepowersystemfrequencyoscillations,butalsomakevoltagedroppingcausedbythedefects.

Thesynchronousoperation,whichisunsuccessful,notonlywillextendthetimetied,butalsoaffectthestabilityofthepowersystem.Andalso,itmayreducethefrequencyiffailedandnotreturntothenormalfrequencyquicklyandimportantequipmentscanbedamagedsometimes.Withthecontinuousdevelopmentofthelevelofpowerautomationsystem,thedevelopmentandpromotionofmoreadvancedandconvenientsynchronizationdevicewasrequired.

Thispapergivesarelativelydetailedstudytothesimulationsystemofsynchronizationdevice.Firstly,Istudiedtheworkingprincipleandvariouscomponentsofsynchronizationdevice,includingtheunitofvoltageregulation,frequencymodulationandclosing.ThenIusedMATLAB/Simulinkbuildingasimulationmodelofsynchronizationdevice.Finally,Iusedthreeexamples（voltage,frequencyandphase）andmadeadynamicsimulationtothemodelbuilt.Thesimulationresultsshowedthatthemodelofthissynchronizationdevicecancorrectlyreflectitscharacteristics.

Keywords:

rendezvousparallel;synchronization;simulation;MATLAB;powersystem

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1课题的背景及意义1

1.2准同期装置仿真发展现状2

1.3本课题所完成的主要工作3

2准同期装置的基础知识4

2.1准同期装置的作用4

2.2准同期基本工作原理4

2.2.1合闸单元原理5

2.2.2均频均差部件9

2.2.3均压部件12

3MATLAB介绍14

3.1MATLAB综述14

3.2MATLAB/Simulink14

3.3常用模块15

4准同期装置仿真与建模19

4.1准同期装置模型与仿真分析19

4.1.1合闸单元19

4.1.2均频控制单元21

4.1.3均压控制单元23

结论27

参考文献28

致谢29

1绪论

1.1课题的背景及意义

在电力系统中，由于电网运行的需要，同步发电机、同步补偿机、同步电动机经常投入或退出电网。

同步发电机投入电力系统并列运行的操作，或者电力系统解列的两部分进行并列运行的操作，被称为并列或同期操作[1]。

并列操作是一项基本的操作，极为频繁。

随着电力系统容量的不断增大，同步发电机的单机容量也越来越大，不恰当的并列操作将导致严重后果。

常规的并列操作装置由集成电路或由单片机构成[2]。

不成功的同期操作，既要延长并列时间，又要影响电力系统稳定性，还可因故障而使频率降低，不能很快恢复正常频率，有时会损坏重要设备。

因此自动准同期装置，不但在发电厂中需要它，在电力系统中也需要它[3]。

至今，电力系统中广泛使用自动准同期装置进行并列，必须满足准同期装置同期操作各项要求，准确掌握同期时的各项技术而更进一步提高同期控制技术的性能指标，找到更好的同期控制方法[4]。

随着电力系统自动化水平的不断提高，对更先进、更方便的同期装置的研制和推广应用提出了要求[5]。

准同期装置是伴随着电力系统的发展应运而生的，它也经历了很长时间的发展历程。

单片机式、继电式、集成电路式再到今天的微机式。

传统的同期装置已经不再适应于现代电力系统的并网操作的需要，它存在许多先天不足和缺陷。

随着计算机技术，通信技术和电力电子技术的发展，同期装置的微机化、智能化是发展趋势，加之现代控制理论在同期装置上的应用，新一代微机型自动准同期装置（如SII-2C型）已经在电力系统得到了广泛的应用，积累了丰富的运行经验，并取得了良好的经济效益和社会效益。

微机型自动准同期装置是电力系统中对发电机与电网或电力系统解列的两部分进行并列操作的自动控制设备，它的核心任务是实现对并列双方电压的频率、幅值及相位的快速准确测量，以便在准同期并列条件满足时，发出恒定越前时间的并列合闸信号。

目前，自动准同期装置实现的方法主要有2种[6]：

一种用硬件电路测量并列双方电压频率和相位差；另一种通过交流采样用数值方法计算两电压频率和相位差。

前者运算简单,目前被相当一部分同期装置采用，但该方法需要频率测量和相角差测量硬件电路，其测量精度易受输入信号中的噪声、高次谐波和扰动影响；后者不需专用频率和相角测量电路，但测量精度及同期性能取决于频率、相位及幅值的微机算法。

应用于同期并列电参量测量的传统算法如傅立叶变换算法[7]和递推最小二乘算法[8]等，均要求对信号进行整周期采样（或称同步采样），否则会出现较大的误差[9]。

但并列装置测量的2个电压信号频率不等，且发电机电压的频率会在一个较大范围内变化，同时实现2个信号的整周期采样十分困难。

为此，在这些算法中，一般先只对发电机侧电压参数进行测量，且在发电机频率变化过程中，采用频率自适应技术不断调整采样频率，实现尽可能地整周期采样；只有在发电机和系统频率接近时，才同时对发电机、系统电压进行测量。

即使这样，由于两电压频率并列前不完全相等，测量还是存在一定的误差。

目前有人提出了一种基于加窗离散傅立叶变换（DFR）及频谱校正技术并利用相位进行频率校正的准同期并列测量新算法。

该算法在采样频率固定不变的情况下，可以对频率在较大范围内变化的信号进行频率、相位和幅值的较精确的测量。

应用该算法可同时对并列双方电压参数进行测量，计算量较小，实现简单。

目前，应用该算法研制的微机型自动准同期并列装置已试运行近一年，并通过了科研鉴定[10]。

随着同步过程中的理论研究的不断深入，一批先进的新型自动准同步装置将会不断地推出，它必将为高速发展的电力系统的并网操作提供更加高效、可靠、安全的有力保证[11]。

在目前的准同期装置中智能化越来越高，可视化程度也有了很大的提高，我们对准同期装置的工作过程有了进一步的了解。

为了能更好的了解准同期装置工作特性，以便研究设计新的准同期装置，我们需要借助一些工具，这就是本课题要研究的内容——基于matlab的准同期装置建模与仿真。

1.2准同期装置仿真发展现状

仿真技术是一门多学科综合的应用技术科学，也是一门近年来发展迅速的新兴学科。

仿真就是建立系统的模型（数学模型、物理效应模型或数学—物理效应模型）并在模型上进行实验。

为什么要进行仿真实验？

人类认识或研究、开发一个系统可以通过理论推演或实物实验的方法进行，但对于一些大的、复杂的系统，无法得到其数学模型的解析解，有的分系统其至无法得到可信的数学模型，而由于很多条件的限制，实物试验不能做或困难很大等，这样就只能借助模型试验（即仿真）来达到认识和研制一个系统的目的。

通常在下列情况之一时，应考虑仿真的方法：

1）系统不存在完整的数学模型，或没有一套解数学模型的方法；

2）虽然可以求得解析解，但数学求解过程过于复杂；

3）难以在实际环境中进行试验；

4）需要在相同条件下重复进行实验；

5）希望在较短的时间内观测到过程的全部历史，或需要对系统进行长期运行的比较，可以通过控制仿真时间，使实验加快或减慢；

6）真实试验费用过于昂贵。

仿真的优势是不言而喻的，但仿真过程中可能会遇到各种各样的问题，通常是需要将复杂的系统适当简化[12]。

准同期装置是一种复杂的装置，而且难于在实际的系统中进行各种实验，并且实验的费用昂贵。

对准同期装置的仿真完全符合仿真的前提条件。

目前，大部分准同期装置仿真系统都是针对测试和分析的目的来研制和开发的。

通过仿真能更好地了解准同期装置特性。

所有的准同期装置仿真系统并不能完全的仿真准同期装置，为了测试、分析或者培训目的，它们可以准确的实现准同期装置的大部分特性或者某些特性，从而分析和学习准同期装置的性能与特性提供了依据。

1.3本课题所完成的主要工作

本课题主要对准同期装置建模并进行仿真实验，分析该装置的特性。

与其他的系统仿真不同，本课题是在MATLAB/Simulink环境下进行动态仿真，可以模拟准同期装置各个单元的工作情况。

本课题主要做了如下工作：

1）在研究国内外保护仿真的基础上，结合准同期装置的特点，提出了整体的设计思想。

2）研究准同期装置的各个构成模块，选择合适的算法，并在MATLAB/Simulink环境下实现准同期装置的各个构成元件，搭建准同期装置的工作单元模块，实现动态仿真。

3）对搭建好的模型用不同的算例进行验证，并根据仿真结果得出准同期装置的工作原理和特性。

2准同期装置的基础知识

2.1准同期装置的作用

准同期装置的动态仿真基本实现了准同期装置的功能，下面详细介绍该装置在电力系统中的作用。

发电机并入系统，两个不同系统并列，或一个系统分解为两部分，通过输电线路再连接等，所实施的操作称之为同步并列操作。

随着电力系统容量及发电机单机容量的不断增大，不符合同步并列条件的同步操作会带来极其严重的后果，可能引起发电机组损伤甚至系统的瓦解。

在发电厂，发电机在并入系统前与其他发电机组和电力系统是不同步的，存在着频率差、电压差和相角差。

通过同步操作，将发电机组安全、可靠、准确快速地投入，从而确保系统的可靠、经济运行和发电机组的安全。

在变电站或发电厂网控中，同步操作主要解决系统中分开运行的线路断路器正确投入的问题。

实现系统并列运行，以提高系统的稳定、可靠运行及线路负荷的合理经济分配。

2.2准同期基本工作原理

同步发电机准同期并列即是在并列断路器两侧的电压幅值差△u、频率差fs（或滑差

s）小于允许值时，提前发出合闸脉冲，使并列断路器在两电压相角差△

为零时合闸。

当并列条件不满足时，将发电机合闸并网会带来严重后果。

电压差主要会引起无功功率冲击，一般机组要求压差控制在额定值的5%～10%以内，国外大型机组要求在0.1%以内；相角差主要引起有功功率冲击，使机组的主轴受到扭矩，对汽轮机组的安全与寿命影响最大，机组越大，要求越严。

一般机组允许相角差为

～

，国外大型机组要求相角差为

～

，甚至不超过

；频差条件只要不超过最大允许值即可。

这三个条件，必须同时满足，将发电机并入系统，才是安全的。

最严重的情况是相角差过大时并网。

根据国外大机组误并列情况分析可知，误并列是机组承受单冲击的最危险情况，当相角差

时合闸产生的轴扭矩为最大，是负载时轴扭矩的7倍，将使主轴损坏，当相角差

时合闸，将使发电机定子线圈受到最大应力的作用。

因此大机组对准同期装置的可靠性要求高，对参数整定的精度要求高。

同步时存在较大相角差，对转子轴系绕组及机械体系的伤害是巨大的。

这是因为在断路器合闸的那一瞬间，系统电压施加在发电机定子上，由其产生的三相电流合成的以角速度

s旋转的旋转磁场将产生一个电磁转矩强迫发电机转子轴系的磁轴与其取向一致，这一拉入同步的过程是一个数百吨质量的转子轴系于极短时间内在定子电磁转矩作用下旋转一个角度就加于定子的过程。

在极短时间内，发电机转子受到很大的轴扭矩，必然造成转子轴系及机械体系的巨大损伤，从大量的发电机组的检修记录里可以找到极其相似的转子轴系致伤致残的症状，如绕组线棒变形松脱、联轴器螺栓扭曲、主轴出现裂纹等。

实际上，在相角差不为零的情况下进行发电机并网，还可能诱发更惨重的后果—次同步谐振（扭振）。

因此，准同步操作时严格控制相角差是同步条件中最重要的一环。

另一方面，同步并列速度关系到系统运行的稳定性及电能质量，尽快完成并列操作，有利于系统的有功平衡，将节约可观的空载能耗，这一点过去往往被忽视。

还应当看到，并列操作是一项经济性的操作，它远比短路出现的几率高，尤其是那些担当调峰、调频任务的发电厂、并网频繁，多次不良并网造成的设备隐患很大。

因此，应当更加重视同步并网操作，尽量避免或杜绝不良并网。

这一点，对大型机组尤为重要。

由上文可知准同期并列的三个条件：

1）待并发电机电压与母线电压的幅值相等；

2）待并发电机频率与母线频率相等；

3）断路器主触头闭合瞬间发电机电压与母线电压间的瞬时相角差为零，即△

这三个条件是理想条件，而在实际中自动准同期控制是通过均压、均频控制使发电机电压和频率与系统接近，然后捕捉时机，当满足同期并列条件时刻到来时，发出合闸脉冲。

而实现这三个条件的即为自动准同期装置的均压单元、均频单元和合闸单元。

下面即以ZZQ-5晶体管型自动准同期装置为例，叙述均压单元、均频单元和合闸单元的原理。

2.2.1合闸单元原理

以ZZQ-5自动准同期装置为例，其并列部件的工作原理如下所述。

1）在图2.11中，恒定越前时间检测器的动作状态由晶体管V108集电极状态来表示。

反相器V109为“非”门。

晶体管V111和V112构成双稳触发器，其基极电位受“或”门1和V115的控制。

“或”门1由二极管VD112、VD113和VD114组成，“或”门2由二极管VD117、VD118、VD119和VD120组成。

上述各逻辑部件动作状态如下所述。

恒定越前时间检测器在未到达tD时，晶体管V108输出高电平，到达tD时刻，V108翻转为低电平;越前相角检测器在未达到其动作值时，晶体管V115输出高电平，当到达整定相角时，翻转为低电平。

高电平的“或”门1和“或”门2只有在各自所有的输入均为低电平时，输出才为低电平，如果输入量中有一个信号为高电平，则输出为高电平。

由晶体管V111和V112构成双稳触发器，其工作状态由晶体管V110和V115进行控制，分别通过电阻R129和R133控制双稳两个晶体管的的基极电位。

当V110和V115中有一个为高电平、一个为低电平时，则高电平控制的那个晶体管导通，另一个则截止；当输入的高电平转为低电平，即V110和V115均为低电平时，由于双稳中截止管可以继续向导通管提供足够的偏流，因而原来的状态继续保持不变；当原来受低电平控制的那个晶体管基极输入电平转变为高电平时，双稳状态就发生改变。

2）合闸回路的逻辑关系

合闸回路的逻辑关系对照其原理图2-1、逻辑回路框图和波形图2-2来说明。

①启动

为防止装置在投入工作时，因电容充放电等原因使继电器触电抖动而造成非同期合闸的危险。

在投入电源时，先发出一闭锁信号，使装置闭锁1s～28s（这个闭锁作用是通过R159和C109延时来实现的）。

②电压差、频率差合格时

假定相角差由-π向+π变化，由于电压差合格，晶体管V309输出低电平，因而V116截止，经过一段延时后，V117导通，输出低电平。

故“或”门1中二极管VD114和“或”门2中VD119、VD120均输入低电平，表示压差合格。

当相角差在-π至0区间时，假定尚未达到恒定越前时间tD和越前相角检测器动作时间tA，则晶体管V108和V115均为高电平，因而“或”门1输入有高电平，是双稳晶体管V111截止，V112导通。

故“或”门2输入有高电平，V118导通，V119截止，合闸继电器1K不动作。

由于滑差合格，故越前相角检测器将先于越前时间检测器动作，当达到tA时刻时，晶体管V115翻转为低电平，而V108仍保持高电平。

故“或”门1的三个输入量均为低电平，“或”门1输出低电平，因而V110翻转为高电平，双问状态转换，晶体管V111为低电平，V112为高电平。

但此时因tD时刻还未到达，故“或”门2仍保持输入为高电平，继电器1K不动作。

当tD到达时，越前时间检测器动作，V108翻转为低电平，“或”门1输入有高电平，晶体管V110翻转为低电平，此时V110和V115均为低电平，双稳状态保持不变。

而“或”门2的四个输入量，此时均为低电平。

“或”门2输出低电平，V118截止，V119导通，合闸继电器1K动作，发出合闸命令。

③电压差大于允许值时

若电压差大于允许值，晶体管V309输出高电平，V117输出高电平，因而“或”门2输入有高电平，V118保持导通，V119截止，这时，无论V108和V115如何动作，1K继电器不会启动，装置处于闭锁状态。

④电压差合格而滑差不合格时

在电压差合格而滑差不合格时，晶体管V108将先于V115翻转。

当到达tD时刻，V108翻转为低电平，而V115仍保持高电平。

故“或”门1输入仍有高电平，V110仍为低电平，双稳状态不变，而V111输出高电平。

因而“或”门2一直保持输入有高电平，此时虽然恒定越前时间已到达，但1K继电器并不动作，表示因滑差不合格，装置处于闭锁状态。

以后越前相角检测器动作（tA时刻），晶体管V115和V110均为低电平，双稳状态不变，“或”门2仍输出高电平，合闸继电器仍不动作。

当相角差过零值后，越前时间检测器首先返回，双稳随即翻转，但因此时V108输出高电平，“或”门2仍输出高电平，继电器1K仍处于闭锁状态。

当整补线性电压低于越前相角检测器的定值时，检测器返回，V115转变为高电平。

双稳又随之翻转，晶体管V111为高电平，V112为低电平至此各逻辑部件均返回到初始状态，准备好下一次动作。

⑤发出合闸脉冲后，发电机突然产生一反向加速时

若发出合闸脉冲之后，发电机突然产生一反向加速度，即发生“回车”现象。

若断路器在“回车”的情况下闭合，就有可能出现非同期合闸的危险，应采取相应的保护措施。

ZZQ-5在发生“回车”现象时，线性整步电压由上升随即变为下降，因而越前时间检测器返回，“或”门2重新输出高电位，使继电器1K失磁复归，收回已发出的合闸命令。

因此，ZZQ-5合闸逻辑回路具有“回车闭锁”的功能。

图2-1合闸电路原理图

图2-2合闸部分波形图

2.2.2均频均差部件

均频的部分主要由滑差方向检测、脉冲展宽等部分构成，根据待并发电机组频率的方向，来决定对发电机是发出减速脉冲还是增速脉冲，以使发电机频率尽快接近母线频率，加速自动并列的过程。

考虑到滑差为零而相角差不为零时，将无法并列，当滑差很小时，并列时间也将拖得很长。

因此，在上述情况发生时，ZZQ-5的均频部分可自动发出一个调节脉冲，以加速并列过程。

均频控制单元原理如图2-3所示，均频控制单元波形图见图2-4。

1）滑差方向的检测

ZZQ-5的滑差方向的检测是利用Ug超前或滞后于Us，来判定

s>0或

s<0。

ZZQ-5应用该原理时，是通过区间鉴别与滞后鉴别两种措施来实现的。

其中区间鉴别是均频的核心部分，它不但能判定当时

是否处于0～π区间，而且可以利用Ug与Us的关系，判定滑差的方向，即同时完成了双重任务，原理接线如图2-3所示，它所执行的双重判定结果，表现在由晶体管V207与V208组成的双稳的状态上。

由图2-3可知，V207与V208的基极分别受控于V201与V202的集电极。

其中发电机电压方波ug.d1经R201-C201微分回路加至V201的基极；系统电压方波us.d1经微分回路R202-C204加至V202的基极。

但需要指出的是，晶体管V201的基极输入电位受到系统电压方波us.d1的钳制，而晶体管V202基极电位则受到发电机电压方波ug.d1的钳制，当无信号输入时，V201和V202均被偏置于饱和导通状态。

图2-4表示了当

s<0的均频原理。

当有方波脉冲输入时，由于R-C电路的微分作用，其前沿会在两个基极中先产生正向电流，向电容充电，这对已经饱和的V201和V202的状态不会产生影响。

但当某个脉冲的后沿先到达时，如图2-4所示，由于

s<0，所以ug