基于matlab的准同期装置建模与仿真毕设本科学位论文

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SYNCHRONZATION DEVICES MODELING AND SIMULATION BASED ON MATLABAbstractIn the power system, synchronous generator, synchronous compensation and synchronous motor often parallel or disconnect from the Power Grid. The parallel operation of the synchronous generator inputting into the Power system or the two parts of Lifting of parallel operation is called parallel or synchronous operation. Generators parallel, whichever is tied for the synchronization, and tied for self-synchronizing, request veracity and fast. The veracity can ensure the safety and reduce the impact which caused by generator parallel operation, and the rapidity can quickly reduce the idling loss of generators. Whats more, self-synchronizing which can make impact current and disturb the power system, not only will cause the power system frequency oscillations, but also make voltage dropping caused by the defects.The synchronous operation, which is unsuccessful, not only will extend the time tied, but also affect the stability of the power system. And also, it may reduce the frequency if failed and not return to the normal frequency quickly and important equipments can be damaged sometimes. With the continuous development of the level of power automation system, the development and promotion of more advanced and convenient synchronization device was required.This paper gives a relatively detailed study to the simulation system of synchronization device. Firstly, I studied the working principle and various components of synchronization device, including the unit of voltage regulation, frequency modulation and closing. Then I used MATLAB/Simulink building a simulation model of synchronization device. Finally, I used three examples(voltage, frequency and phase) and made a dynamic simulation to the model built. The simulation results showed that the model of this synchronization device can correctly reflect its characteristics.Keywords: rendezvous parallel; synchronization; simulation; MATLAB; power systemII华北电力大学本科毕业设计（论文）目录目 录摘要IABSTRACTII1绪论11.1课题的背景及意义11.2准同期装置仿真发展现状21.3本课题所完成的主要工作32 准同期装置的基础知识42.1准同期装置的作用42.2准同期基本工作原理42.2.1 合闸单元原理52.2.2均频均差部件92.2.3均压部件123 MATLAB介绍143.1 MATLAB综述143.2 MATLAB/SIMULINK143.3 常用模块154 准同期装置仿真与建模194.1准同期装置模型与仿真分析194.1.1合闸单元194.1.2均频控制单元214.1.3均压控制单元23结论27参考文献28致谢29华北电力大学本科毕业设计（论文）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。292 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。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1s28s（这个闭锁作用是通过R159和C109延时来实现的）。电压差、频率差合格时假定相角差由-向+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-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。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。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。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s0或s0。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s0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s0，所以ug.d1脉冲较us.d1的宽。当为零时，而us.d1又领先于ug.d1，us.d1的后沿先到时，C202的右端电位突然下降，此时二极管VD204的阴极还在ug.d1的脉冲电压范围内，于是V202截止，集电极电位提高，向双稳发出V208导通脉冲，V208集电极处于低电位。此后，ug.d1脉冲的后沿也相继到达，但此时us.d1脉冲已过，V202基极输入端电位为零，二极管VD202将V202集电极的电位钳住，使之不能升高，C201的反向电流也能被二极管VD201分流，并不能提高V201集电极电位，不致产生改变双稳原有状态的后果。所以V208的低电位一直要保持到为为止。因此，双稳V208输出低电位，既表示处于0区间，又表示s0，达到了区间判定与滑差方向判定的双重功能。通过类似的分析，可知双稳晶体管V207集电极也会在s0时，在0区间，一直保持低电位，所以由V207与V208组成的双稳，具有区间判定与滑差方向判定的双重功能。滞后鉴别是与此前的越前区间相对而言的。ZZQ-5在越前区间，进行了并列等控制，而用滞后于=0区间进行均频等控制，把不同的时间区间用于不同的控制功能，有利于增加可靠性。均频脉冲的产生电路有施密特触发器等构成，输入为三角波整步电压。当三角波电压值达到动作电平时，触发器翻转为高电平。当输入的三角波电压值低于触发器的动作电平时，晶体管V203截止，V205导通，电容C203也假定被充电完毕，晶体管V206处于导通状态，故R219输出高电平。当输入的三角波电压幅值达到动作值时，触发器翻转，晶体管V205截止，C203被反充电，因而晶体管V206仍处于导通状态，电阻R219上仍输出高电平。当输入的三角波电压值再次低于动作值时，触发器返回，V205重新导通。因而在电容C203与R216连接的那一端将产生一个正的电压跳变，跳变值近似于电源电压，所以二极管VD205被反置，晶体管V206立即截止，电阻R219输出低电平。仁厚电源经V205对电容C203进行反充电，随着反充电过程的进行，二极管VD205重新导通，晶体管V206又转为导通状态，R219重新输出高电平。由此可以看出，施密特触发器返回时刻，R219上的电平产生了一个短暂的负跳变，这个负跳变正发生在0区间，而在其余时刻，R219上的输出一直保持着高电平。2) 脉冲展宽回路脉冲展宽回路用于产生需要的均频脉冲宽度，分增速回路和减速回路，两回路工作原理相同，现用增速回路为例说明。增速回路由晶体管V211、V212和增速继电器2K组成。在鉴别区间，R219输出的电平未发生负跳变时，就一直维持在高电位上，通过二极管VD212，将晶体管V211的基极也箝在高点位上，使其处于截止状态；此时，+55V电源经R139、C207及二极管VD217，至+12V电源对电容C207充电，充电结束时，C207两端约为43V。由于晶体管V211截止，V212也随之截止，增速继电器2K不动作。由于s0时，类似动作由减速回路系统执行，最后由3K继电器发出减速脉冲。3) 滑差过小自动发增速脉冲回路为了在滑差为零或很小的情况下，加速并列过程，ZZQ-5附加了滑差过小自动发增速脉冲回路，回路由晶体管V213、V214和单晶管V401组成（见图4.20）。在0的区间，R219除输出一次均频脉冲外，R219一直输出高电平，通过二极管VD221、VD222对晶体管V213的基极电位进行钳制，使其截止，晶体管V214也截止。电容C208经电阻R247及R248充电。如果滑差周期Ts大于C208充电至单晶管峰点电压的时间，则在下一个R219均频脉冲到来之前，单晶管先导通，并以正脉冲电流供给晶体管V212的基极，使增速回路动作，发出一次增速脉冲。调节R248，可以改变C208的充电时间。 图-均频控制单元原理图图2-4 均频控制单元波形图2.2.3均压部件ZZQ-5的均压部分（见图2-5）由电压差测量，电压比较器及脉冲展宽和脉冲间隔调节等电路构成。其中电压差测量和电压比较器的工作原理已在“压差检查”部分说明，若晶体管V303输出低电平，表示系统电压高；若V303输出低电平，表示发电机电压高。利用V301和V303的动作状态，可鉴别电压差方向。脉冲展宽和间隔则有驰张振荡器控制，通过一个双稳触发器来实现。假定双稳中的晶体管V311截止，V310导通，二极管VD328导通，VD329反偏，电容C307只能通过R335、R336、V325充电，当C307上的电压达到晶闸管V402的峰点电压时，V402导通，输出一个正脉冲，通过“导向”门加在双稳截止管的基极上，双稳翻转，V311导通，V310截止，均压继电器返回。此时二极管VD329导通，VD328截止，电容C307通过R333和R334、V324充电，当C307上的电压再达到晶闸管V402的峰点电压时，V402再导通，双稳再翻转，V310导通，V311截止。此时，如果电压差仍未达允许值，均压继电器将动作，重复上述过程。晶闸管V402不断发出正脉冲使双稳不停地来回翻转，V311截止时间就是均压继电器接通时间，V311导通时间就是均压继电器断开时间。调整R335的阻值，可改变均压脉冲宽度；调整R333的阻值，可改变均压脉冲的间隔。为了防止升、降继电器同时动作，用4K和5K继电器常闭触点互相闭锁，以增加动作可靠性。 图2-5 均压单元原理图3 MATLAB介绍3.1 MATLAB综述Matlab(Matrix laboratory)语言最初是在1980年由美国的CleVe Moler博士研制的，其目的是为线性代数等课程提供一种方便可行的实验手段。Math Works公司在80年代发行使之成为著名数值型计算软件。Matlab具有编程效率高、程序设计灵活、图形处理功能强大等优点13。Matlab是一个高级的数学分析与运算软件，可以用作动态系统的建模与仿真。正如其名(矩阵实验室)，它非常适用于矩阵的分析与运算。MATLAB是一个开放的环境，在这个环境下，人们开发了许多具有特殊用途的工具箱软件，如控制系统、信号处理、最优控制、鲁棒控制及模糊控制工具箱等。其编程方便，并在图形显示、打印操作上亦很方便14。Matlab在电力系统建模和仿真的应用主要由电力系统仿真模块(Power System Blockset)来完成，Power System Block是由TEQSIM公司和魁北克水电站开发的。PSB是在Simulink环境下使用的模块，采用变步长积分法，可以对非线性、刚性和非连续系统进行精确的仿真，并精确地检测出断点和开关发生时刻，PSB程序库含有代表电力网络中一般部件和设备的Simulink程序块，通过PSB可以迅速建立模型，并立即仿真。通过PSB可以很方便迅速地建立电力系统的各种模型，并且可以利用这些模型建立复杂的系统仿真模型，其强大的计算能力和编程能力以及可视能力，为提高仿真计算的效率和灵活性，分析和仿真电力系统提供了一个强有力的手段15。3.2 MATLAB/SimulinkMatlab是一个功能强大的科学计算软件，自1980年问世以来，由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得MATLAB在众多领域都有着广阔的应用空间，特别是在MAT- LAB的主要应用方面科学计算、仿真建模以及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具。1990年Math Works软件公司为Matlab引入了Simulink。Simulink是在MATLAB仿真平台下的一种图形仿真工具，它可以和MATLAB通过求解器进行无缝连接。Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。Simulink与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。它与Matlab及其工具箱结合使用，可以完全对连续系统、离散系统、连续和离散混合系统的动态性能进行仿真与分析。Simulink是Matlab提供的模型可视化图形输入的动态仿真工具，它为用户提供了许多标准控制系统的仿真模块，基于建模方便，用户只要根据所建立的数学模型和一些具体的仿真要求，从模块库中调出合适的模块组合在一起，根据具体情况设置好参数即可实现系统的仿真，仿真的结果可通过Sinks(输出方式)模块库中的模块接受并显示出来。Simulink提供的模块库有Source(信号源)、Sinks(输出方式)、Continuous(连续)、Math Operations(数学操作)、SimPowerSystems(电力系统仿真)等，每个模块库又包含相应的功能模块，用户可以根据需要混合使用各库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块，自定义模块库。Simulink提供了动态系统建模、分析和仿真的交互环境，能够实现交互建模、交互仿真，并允许用户扩展仿真环境等功能。Simulink的专用模型库(Blocksets)提供了一些专用元件集，使得Simulink的功能进一步扩展。Simulink的功能如下：1) 交互建模Simulink提供了采用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形交互界面。Simulink在子模型块中提供了大量的功能模块，用户在建模时只需使用鼠标将功能模块拖放到模型编辑窗El，并将它们连接起来，就可以快速地建立动态系统仿真模型。2) 交互仿真Simulink框图提供了交互性很强的非线性仿真环境。用户可以通过下拉菜单执行仿真，或使用命令行进行批处理。仿真结果可以在运行的同时通过示波器或图形窗口显示。有了Simulink，你可以在仿真的同时，采用交互或批处理的方式，方便地更换参数来进行。3) 用户扩展Simulink的开放式结构允许用户扩展仿真环境。用户可以采用Matlab、Fortran和C代码生成自定义功能模块，并拥有自己的图标和界面。4) 专用模型库(Blocksets)Simulink的专用模型库包含有：Communications Blockset(通信模块库)、DSP Blockset(数字信号处理模块库)、Power System Blockset(电力系统模块库)等。专用模型库为解决具体的工程问题提供了更为快速、准确和简洁的途径，避免了用Simulink提供的基本模块来构造模型的繁琐。Power System Blockset（电力系统模块库)涵盖了电路、电力电子、电力系统等电工学科中的基本元件的仿真模型，它包括7个子模块库：电源、基本元件、电机、电力电子、连接、测量和附加模块库。在Simulink运行环境下，用户只需应用鼠标拖放的方式将所需电气元件的模块添加到模型编辑窗口，并将它们连接起来，就可以快速地组建仿真模型，实现电力系统的计算仿真17-19。状态流是一种图形化的设计开发工具，是有限状态机的图形实现工具，主要用于Simu- link中控制和检测逻辑关系的表示。用户可以在进行Simulink仿真时使用这种图形化的工具实现各个状态之间的转换，解决复杂的监控逻辑问题，本文正是利用这个特点进行研究。它和Simulink同时使用使得Simulink更具有事件驱动控制能力。状态流生成的监控逻辑可以直接嵌入到Simulink模型下，两者之间能够实现无缝链接。3.3 常用模块MATLAB/Simulink仿真中常用的模块如表3-1所示。表3-1 MATLAB/Simulink仿真常用模块模块名 (Source library)用途Band_Limited White Noise把白噪声加到连续系统中Chip Signal 产生一个频率不断增大的正弦波Clock显示和提供仿真时间Constant产生一个常值Digital Clock在规定的采样间隔产生仿真时间From File从文件读取数据From Workspace从工作面上定义的矩阵中读数据Pulse Generator在固定的时间间隔产生脉冲Random Number产生正态分布的随机数Repeating Sequence产生规律重复的任意信号Signal Generator产生各种不同的波形Sine Wave产生一个正弦波Step Input产生一个阶跃函数Auto_Scale Graph Scope在MATLAB自动调整显示比例的图形窗口显示信号Graph Scope在MATLAB图形窗口显示信号Hit Crossing在规定值附近增加仿真步数Scope在仿真过程中显示信号Stop Simulation 当输入不为零时停止仿真To File把数据输出到文件中To Workspace把数据输出到工作面上定义的一个矩阵中XY Graph Scope在MATLAB图形窗口中显示信号的XY图Discrete-Time Integrator对一个信号进行离散积分Discrete-Time Limited Integrator对一个信号进行离散有限积分模块名 (Discrete library)用途Discrete State-Space建立一个离散状态空间模型Discrete Transfer Fcn建立一个离散传递函数Discrete Zero-Pole以零极点形式建立一个离散传递函数Filter建立IIR和FIR滤波器First-Order Hold建立一阶采样保持器Unit Delay对一个信号延迟一个采样周期Zero-Order Hold建立一个采样周期的零阶保持器Derivative对输入信号进行微分Gain对输入信号乘上一个常数增益Inner Product对输入信号进行点积Integrator对输入信号进行积分Matrix Gain对输入信号乘上一个矩阵增益Slider Gain以滑动形式改变增益State-Space建立一个线性状态空间模型Sum对输入信号进行求和Transfer Fcn建立一个线性传递函数Zero-Pole以零极点形式建立一个传递函数Abs输出输入信号的绝对值Backlash用放映的方式模仿一个系统的特性Combinatorial建立一张真值表Coulombic Friction在原点不连续而在原点以外具有线性增益Dead Zone提供一个死区Fcn对输入进行规定的表示模块名 (Nonlinear library)用途Limited Integrator在规定的范围内进行积分Logical Operator对输入进行规定的逻辑运算Look-up Table对输入进行分段的线性映射MATLAB Fcn定义一个函数对输入信号进行处理Memory输出本模块上一步的输入值Product对输入信号进行乘积运算Quantizer对输入信号进行量化处理Rate Limiter限制信号的变化速率Relational Operator对输入进行一定的关系运算Relay在两个值中轮流输出Reset Integrator在仿真中对积分器进行重新初始化Saturation对输入信号进行限幅Sign符号函数Swith在两个输入之间进行开关Transport Delay对输入信号进行一定的延迟2-D Look-Up Table对两个输入信号进行分段的线性映射Variable Transport Delay对输入信号进行不定量的延迟Demux把向量信号分开输出Inport给系统提供一个外部输出Mux把几个信号合并成向量形式Outport给系统规定一个输出Subsystem表示一个系统在另外一个系统中4 准同期装置仿真与建模4.1准同期装置模型与仿真分析准同期装置建模是按照模块化的方法进行设计，分别对均频均差部件、均压部件以及合闸控制回路进行建模，将其中的各个元件作为不同的模块单独设计，然后再组成一个完整的系统16-18。仿真结束时需要观察结果，可以直接用Scope显示波形，进行观察，运行后选中要显示的变量点击曲线波形即可。下面将对准同期装置动态仿真系统中的各个部分进行介绍。4.1.1合闸单元合闸单元逻辑模型图如图4-1图4-1 合闸单元逻辑模型图根据以上逻辑模型，使用MATLAB/Simulink建立仿真模型图4-2所示。图4-2 仿真模型仿真结果如下波形图4-3所示。根据ZZQ-5型装置中合闸部分的逻辑回路框图，运用Matlab中Simulink模块搭建了仿真系统，如图4-2所示。运用Ramp模块生成斜率和起始时间固定的直线，并经过Saturation模块和Sum 模块的处理产生三角波，模拟线形正步电压，其中前一个三角波的周期为4s，后以三角波的周期为6s。图中由Derivative、Gain、Sign1、bg109和非门组成的传递函数为恒定月前时间形成部分，当检测到恒定月前时间符合合闸条件时，非门的输出由高跳变到低，如波形图4-3中曲线3所示。图4-2中由Sign、Saturation5和bg115组成恒定越前相角检测部分，当检测到恒定越前相角满足条件时，由非门bg115的输出有高电跳变到低电平，如波形图4-3中曲线5所示。由或门、非门bg110和RS触发器构成逻辑判断和触发电路，根据合闸的逻辑过程，由波形图4-3知，当恒定越前时间和恒定越前相角均满足条件时，非门Bg110输出为高电平，根据触发器的变化规律，当量控制极均为低时，触发器的输出保持不变，当由原来受低电平控制的那个极电平转换为高电平时，双稳态就发生转换，输出波形如图4-3中曲线7所示。或门2将电压查检测和触发器的输出进行或运算，当有触发脉冲并且电压满足条件时，或门2输出电平变低（如图4-3中曲线8所示），启动合闸继电器。图4-3 仿真结果波形图4.1.2均频控制单元均频单元逻辑模型如图4-4所示。 图4-4 均频单元逻辑模型根据以上逻辑模型所建立的仿真模型如图4-5所示。图4-5 均频单元仿真模型结果分析及仿真波形当中，用sine wave模拟发电机电压波形，sine wave1模拟系统电压，将二者电压送入Sub System处理后，产生一三角波电压，通过比例微分模块和后面由sing1、Gain2、Saturation3和Derivative2和Saturation2 组成区间鉴别电路，用于使曾减速脉冲在区间内发出，使系统在时发出一个触发脉冲，如图4-6所示。图4-6 脉冲图图4-5中有sign2，Gain3、Saturation1、Derivative1和Saturation组成超前鉴别环节，当发电机电压频率高于系统电压频率时，输出电平为高。并经过与超前相鉴别电路输出的触发脉冲进行与运算，当二者均满足条件时，发出触发脉冲，表示系统需要减速。由Sign3、Gain4、Saturation6、Derivation3和Saturation4组成另一路超前相鉴别电路，当发电机频率低于系统电压频率时，Saturation4输出高电平，经过与区间鉴别电路输出的触发脉冲的与运算，当二者均满足条件时，有与门Logical Operator2输出出发脉冲，表示系统需要增速。4.1.3均压控制单元均压单元逻辑模型如4-7所示图4-7 均压单元逻辑图根据以上逻辑模型所建立的仿真模型如图4-8所示。 图4-8 均压单元仿真模型在仿真电路中，用模拟发电机和系统的电压，并经过Abs和besself的滤波作用，将系统电压转化成与其成正比的直流电压。将发电机电压和系统电压经过Add模块相减，得出二者的电压差。本系统中设定电压偏差超过0.5时，应进行调整，在仿真图中，将电压差信号经Abd处理后与0.5通过Sum模块的处理，并经过Sign1和bg100得出表征是否需要调整电压的信号，并送入示波器见曲线1。当幅值为1时，表示需要调整，相反，为0时则不需要调整。在判断发电机电压与系统电压的大小关系上，将有Add模块输出的信号经Smu与0进行比较，并经Sign2和bg1 的处理，得出表征二者大小关系的信号并送入示波器，见曲线2。当幅值为1时，表示发电机电压高于系统电压，为0时，发电机电压低于系统电压。减压单元设计，将bg100和bg1的输出通过1号AND模块进行与运算，波形见示波器中曲线3，当输出为1 时，表示减压继电器应动作。升压单元设计，将bg1的输出经过3号NOT模块进行非运算后再与bg100的输出经过2号AND进行与运算，波形见示波器中曲线4，当输出为1时，表示升压继电器应动作。当发电机电压为2，系统电压为1时，仿真波形如图4-9所示。图4-9图中曲线1的输出为1，表示需要调压，曲线2输出为1表示发电机电压高于系统电压，曲线3的输出为1，表示降压继电器应动作，曲线4为0表示升压继电器不动作。仿真结果与电压的设定值相符合。当发电机电压为1，系统电压为2时，仿真波形如图4-10所示。图4-10图中曲线1输出为1，表示发电机需要调压；曲线2输出为0，表示发电机电压低于系统电压；曲线3输出为0，表示降压继电器不动作；曲线4输出为1 ，表示升压继电器动作。仿真结果与电压的设定值相同。当发电机电压为1.4，系统电压为1时，仿真波形如图4-11所示。图4-11曲线1的输出为0，表示发电机不需要调压；曲线2的输出为1，表示发电机与系统之间存在电压差；曲线3输出为0，表示降压继电器不动作；曲线4输出为0，表示升压继电器不动作。仿真结果与电压的初始设定值相同。当发电机电压为1，系统电压为1时，仿真波形如图4-12所示。图 4-12曲线1的输出为0，表示发电机不需要调压；曲线2的输出为零，表示发电机与系统电压相等；曲线3的输出为0，表示降压继电器不动作；曲线4的输出为0，表示升压继电器不动作。仿真结果与电压的出示设定值相同。结论本文用MATLAB/Simulink自动准同期装置进行仿真设计，并且结合ZZQ-5模拟式自动准同期装置对自动准同期装置的原理、逻辑关系进行的研究。总体来说，仿真程序可以实现自动准同期装置的功能，但是由于是在计算机上的模拟仿真，很多实际情况不能得到体现，比如均压和均频单元的均压、均频控制，由于计算机控制准确，可以使和非常小，几乎为零，但在实际中很难实现。还有实际中，获得正在运行中的系统和待并列的发