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准同期装置合闸单元仿真建模
肖恒
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发电机同期并列装置合闸控制单元设计题 目 二一一年六月毕 业 设 计(论文)院 系电力工程系专业班级电气化07K7班学生姓名肖恒指导教师刘兴杰华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）发电机同期并列装置合闸控制单元设计摘要发电机同期并列是将发电机与系统连接的断路器闭合使发电机投入电力系统运行的操作。控制发电机并列的装置为同期并列装置。本文基于模拟式同期并列装置的工作原理，主要对于其中的合闸控制单元进行设计。首先，对同期并列及同期并列装置进行简要介绍，对同期并列的重要性及并列的基本要求和方式等予以说明。然后探讨了准同期并列的基本原理及并列误差对并列的影响。本文的主要部分为合闸控制单元的设计，合闸控制单元由线性整步电压发生器、恒定越前时间电路、恒定越前相角电路、合闸逻辑电路、上电闭锁电路及合闸出口电路组成。根据各个电路所实现的功能及其基本原理，分别对其进行电路机构的设计及其电路参数的计算，然后再将设计完成的电路在Simulink上进行仿真调试，对电路的波形及数据进行观察与分析，以确保电路满足设计要求。最后，对于设计完成的电路，探讨其具有的优势，同时分析其存在的问题。在此基础上，简要介绍现代微机型同期并列装置的特点以及与模拟式同期装置相比其具有的优势。关键词：准同期并列；自动准同期装置；合闸控制单元；线性整步电压- 2 -A SPACECRAFT DOCKING SYSTEMBASEDON COMPUTER VISIONAbstractRendezvous and docking are two of the key techniques to develop an in-orbit space infrastructure. In this thesis, an automatic spacecraft docking system based on computer vision is studied in detail. First, the year tied for the same period a parallel device and a brief introduction, the importance of parallel and side by side over the same period the basic requirements and methods to be described. Then explore the basic principles of quasi-period tie, and tied the impact of errors on the side by side. The main part of this unit to switch on the control design, switch on the control unit by a full step linear voltage generator, the circuit time constant Echizen, Echizen constant phase angle circuit, closing logic circuit, latch circuit and power circuit closing export composition. According to the function of each circuit to achieve its basic principles, namely, its circuit design and organization of the calculation of circuit parameters, and then complete the circuit design simulation in Simulink to debug on, the circuit waveforms and data to observe and analysis to ensure the circuit meets the design requirements.Finally, the circuit design is completed, to explore its advantages, and analyzes its problems. On this basis, a brief introduction of modern microprocessor-based device features the same period in parallel and compared with analog devices over the same period it has advantages.Keywords: Rendezvous and docking; Computer vision; Nonlinear least squares; Nonlinear observer; Nonlinear controller 目 录摘要- -Abstract- -1绪论- 1 -1.1电网同期并列的重要性- 1 -1.2对并列的基本要求- 1 -1.3同期并列的方式- 1 -1.4自动并列装置的发展- 2 -1.4.1手动同期并列装置- 2 -1.4.2模拟式自动准同期装置- 2 -1.4.3微机同期装置- 2 -1.5本课题主要研究内容- 2 -2准同期并列- 3 -2.1准同期并列的理想条件- 3 -2.2准同期并列误差对并列的影响- 3 -2.2.1合闸电压幅值差对并列的影响- 3 -2.2.2合闸相角差对并列的影响- 4 -2.2.3合闸频率差对并列的影响- 4 -2.3恒定越前时间自动准同期并列- 5 -3合闸控制单元的设计调试- 6 -3.1总体方案设计- 6 -3.2线性整步电压（三角波）发生器- 6 -3.2.1线性整步电压的作用及特点- 6 -3.2.2线性整步电压发生器设计及仿真- 7 -3.2.2.1整形电路- 7 -3.2.2.2相敏电路- 10 -3.2.2.3滤波电路- 11 -3.3恒定越前时间电路- 14 -3.3.1恒定越前时间电路设计- 14 -3.3.2恒定越前时间电路的仿真调试- 17 -3.4恒定越前相角电路- 20 -3.4.1频差检测原理- 20 -3.4.2恒定越前相角电路设计- 21 -3.4.3恒定越前相角电路仿真调试- 22 -3.5合闸逻辑电路- 24 -3.5.1合闸逻辑电路原理- 24 -3.5.2合闸逻辑电路设计与仿真- 25 -结论- 30 -参考文献- 31 -致谢- 32 -1绪论1.1电网同期并列的重要性在电力系统中，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。将同步机投入电力系统并列运行的操作称为并列操作，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。当机组容量与系统容量相比足够大时，会对系统产生扰动，造成系统振荡。因此，为了保证电力系统的安全运行，如何更好地控制电网的同期并列就显得十分重要，并列操作是电力系统中最重要的操作之一。1.2对并列的基本要求电力系统中，并列分为发电机并列和系统并列两种。发电机并列是将发电机与系统连接的断路器闭合使发电机投入电力系统运行的操作。系统并列是将连接两个系统联络线上的断路器闭合使两个分开的系统并联运行的操作。对并列的基本要求是：a 并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能的小，其瞬时最大值不应超过1 2倍的额定电流。b发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动。 所谓冲击电流是指并列断路器合闸时通过断路器主触头的电流。一般情况下冲击电流的幅值较高而持续时间较短。发电机并列时冲击电流会在定子绕组中产生电动力，其值与冲击电流的平方成正比。冲击电流太大时，过大的电动力可能造成定子绕组损坏，如造成定子绕组端部开断等，过大的冲击电流还可能造成电力系统中其它设备的损坏或电力系统振荡。 这里所谓“进入同步运行”是指刚并入电力系统的发电机组与系统内的发电机组以相同的电气角速度旋转，或两个刚并列的系统内的发电机组以相同的电气角速度旋转。1.3同期并列的方式发电机并网方式分为准同期并列和自同期并列。准同期并列是指发电机在并列合闸前已投入励磁，当发电机电压的频率、相位、大小分别和并列点处的系统侧电压的频率、相位、大小接近相同时，将发电机断路器合闸。准同期又分为手动准同期、自动准同期，手动准同期指发电机的频率调整、电压调整、并列合闸操作由运行人员手动进行，只是在控制回路中装设了非同期合闸的闭锁装置（同期闭锁继电器），用以防止由于运行人员误发合闸脉冲造成的非同期合闸。自动准同期指由同期装置自动进行发电机的频率调整、电压调整、并列合闸。准同期并列用于发电机并入电力系统，也用于将两个分开的电力系统并联在一起运行。自同期是先将未励磁、接近同步转速的发电机投入系统，然后给发电机加上励磁，利用原动机转矩、同步转矩把发电机拖入同步。自同期并列过程短，操作简单，易于实现自动化，但是由于自同期并列时，发电机未经励磁，需要从系统中吸收很大的无功电流而导致系统电压降低，同时合闸时的冲击电流较大，对电力系统扰动大。所以自同期方式仅在电力系统事故、频率降低时在系统中的小容量发电机上采用。对大中容量的发电机的同期均采用准同期并列。1.4自动并列装置的发展1.4.1手动同期并列装置手动并列时操作人员必须熟悉一二次系统，严格遵守规章制度，正确使用同期设施与采取防止非同期并列的闭锁措施等。由于技术的提高，并列装置的自动化水平也逐渐提高，由手动并列到半自动并列到现在的自动并列，自动化水平的提高，使并列的要求更容易达到。1.4.2模拟式自动准同期装置要做到将同步发电机精确、快速并网，采用性能良好的自动准同期装置是关键。模拟式自动准同期装置在最初得到了广泛使用，但在检测同期条件和获得恒定越前时间上存在着缺陷，主要表现在不能很准确地保证越前时间的恒定性，不能满足快速调节和使机组稳定的要求。由于以上缺陷的存在，使得模拟式自动准同期装置难以担当大型发电机组同期并列的重任，于是产生了新的微机同期装置。1.4.3微机同期装置随着微型计算机技术的发展，微处理器的应用使自动准同期装置技术指标得以有很大的提升。导前时间问题、均频均压问题、捕捉第一次并网时机问题以及相关要求都可以通过对描述同步过程的数学模型进行求解来解决，即通过软件的办法来实现，既方便又灵活，并且具有较高可靠性和性价比。目前，微机自动同期装置正在以很快的速度普及，其主要研究集中在减少并列冲击和提高并列速度两个方面。1.5本课题主要研究内容本课题主要研究自动准同期并列装置中合闸控制单元部分，根据自动准同期并列的基本原理和ZZQ-5自动准同期装置的设计原理，分别对自动准同期装置合闸控制单元中线性整步电压发生器、恒定越前时间电路、恒定越前相角电路、合闸逻辑电路、上电闭锁电路和合闸出口电路进行设计，将其分立元件构成的基本电路改由集成电路实现，并结合集成电路的特点对部分电路作了改进，使其元件数量大为减少，结构更加清晰。并且对其中的电路参数进行计算，根据计算结果，通过在Simulink上的仿真调试检验其合理性，使其具有一定的实际应用价值。2准同期并列2.1准同期并列的理想条件 准同期并列时先将待并列双方的电压加到并列断路器主触头两侧，然后调整两侧电压，使电压幅值、频率和相角分别相等时闭合断路器主触头，使并列双方并联在一起运行。图2-1 发电机同期并列示意图（a）电路图；（b）向量图；（c）等值电路图2-1是发电机同期并列示意图。设并列前发电机电压的瞬时值为 uG=UGsin(Gt+0G)式中UG 发电机电压的幅值； G 发电机电压的角频率； 0G 发电机电压的初相角。系统电压瞬时值uX=UXsin(Xt+0X)式中UX 系统电压的幅值； X 系统电压的角频率； 0X 系统电压的初相角。 图2-1中UG、UX和US分别为发电机电压、系统电压和断路器DL主触头两侧电压差的向量。可以想象，如果调节断路器两侧电压的幅值相等、频率相同、相角一致，断路器两端的电压差US就会等于零。显然，在这种情况下闭合断路器主触头时冲击电流为零，且并列之后双方会立即同步运行。这无疑是同期并列的理想条件。将准同期并列的理想条件用数学式表达，即fG=fX，G=X，fS=fG-fX=0UG=UX，U=UG-UX=0（2-1）G=X，=G-X=0式中 G、X发电机电压和系统电压的相角。2.2准同期并列误差对并列的影响实际上，准同期并列合闸是很难使如前所述的三个条件同时成立，而会存在一定误差。下面分析电压幅值差、频率差和相角差对并列产生的影响。分析时，为了突出只要矛盾和便于分析，假设三个条件中两个条件同时满足，只有一个条件不满足。2.2.1合闸电压幅值差对并列的影响分析条件是：fG=fX，G=X，UGUX。此时的向量关系如图2-2(a)所示在这种情况下产生的冲击电流有效值 Ich=UG-UXXq+XX（2-2）式中 Xq 发电机胶州次暂态电抗； XX 电力系统等值电抗。图2-2 准同期并列条件分析向量图（a）fS=0，=0，UGUX；（b）U=0，fS=0，0在忽略待并发电机定子电阻和系统等值电阻的情况下，如图2-2(a)所示，冲击电流Ich滞后电压差U90。所以，在只存在电压差的情况下并列机组会产生无功冲击电流。为保证电网安全，在并列时要求电压差不超过510的额定电压。2.2.2合闸相角差对并列的影响分析条件是：fG=fX，UG=UX，0。此时的向量关系如图2-2(b)所示。在这种情况下发电机产生的冲击电流有效值 Ich=UG-UXj(Xq+XX)=Uj(Xq+XX) (2-3) U=2UGsin2(2-4)由于并列是一般都很小，Ich与UG基本上同相位，所以在只有相角差情况下并列是的冲击电流主要是有功分量。这就意味着在发电机并列后与系统之间有能量交换。为了并列时不产生过大的电流，应在角接近于0时合闸，通常并列操作时允许的合闸相角差不超过10。2.2.3合闸频率差对并列的影响 待并电网并列时，频率不同，即fGfX，待并电网电压UG和系统电压UX各自以角速度G和X旋转，以当GX时，UG绕UX逆时针旋转；当GX，UG绕UX顺时针旋转。在UG旋转过程中，两电压之间的相角差由0180360变化，电压差值U的大小也相应由小大小的变化，产生的冲击电流大小也在从小大小变化，由于fGfX，并列会使电网振荡。根据运行经验，并列时频率差值不宜超过0.20.5的额定频率。2.3恒定越前时间自动准同期并列准同期并列时，调节发电机电压与系统电压的频率基本相等，在发电机电压与系统电压的相角差为零之前一个恒定时间向发电机断路器发出闭合信号，将发电机并入电力系统。这个越前时间等于发电机断路器的标称合闸时间。对于一个确定的断路器，它的标称合闸时间是恒定不变的。所以称这种同期并列方式为恒定越前时间准同期并列。图2-3 自动准同期并列的基本构成图2-3是恒定越前时间自动准同期并列的基本构成图。系统电压UX和发电机电压UG分别经过电压互感器降压后送入自动准同期装置。自动准同期装置由均频控制单元、均压控制单元和合闸控制单元三部分组成。均频控制单元自动检测发电机电压与系统电压频率差的方向，发出增速或减速信号送到机组调速器的“频率给定”环节，自动调节发电机电压的频率，使频差减小。均压控制单元自动检测发电机电压与系统电压的幅值差的方向，发出升压或降压信号送到发电机励磁调节器的“电压给定”环节，自动地调节发电机电压的幅值。在频率差和幅值差均小于整定值时，在相角差=0前一个发电机断路器的合闸时间发出合闸信号送到发电机断路器的控制回路，使断路器合闸。3合闸控制单元的设计调试3.1总体方案设计采用模拟式自动准同期装置原理设计，参考ZZQ-5自动准同期装置的设计原理，将其中的分立元件改为集成电路实现，以减少其装置元件数，使其结构更加清晰，使用更加方便。本课题主要完成自动准同期装置中合闸控制单元的设计。合闸控制单元的功能是：检测待并系统和运行系统之间的电压差和频率差；当两者都合格时按照恒定越前时间发出合闸命令，当两者中有一个不合格时就闭锁合闸出口。合闸控制单元由测量变压器、线性整步电压（三角波）发生器、恒定越前时间电路、恒定越前相角电路、合闸逻辑电路、合闸出口电路构成，其结构如图3-1所示。合闸命令压差闭锁信号USYUG合闸逻辑判别与出口电路恒定越前相角电路恒定越前时间电路三角波发生器测量变压器绕组1图3-1 合闸控制单元结构框图其中，测量变压器采用两个相同的单相变压器。每个变压器有四个绕组，其中原边电压100V，三个负边绕组电压分别为9V、12V和6V。9V绕组用来产生三角波，为合闸控制单元使用。UG和USY分别为发电机端电压和系统电压，要求发电机侧电压能在100V20V范围内调节，频率应能在50Hz1Hz范围内调节。3.2线性整步电压（三角波）发生器3.2.1线性整步电压的作用及特点现在电力系统中运行的模拟式自动准同期装置大都使用线性整步电压。线性整步电压如图3-2所示。图3-2 线性整步电压与相角差的关系由图3-2可以看出，整步电压UsL和时间t成线性关系。整步电压由相敏电路生成，其值只与发电机电压和系统电压的相角差有关，而与它们的幅值无关。线性整步电压UsL有如下特点：UsL不能表征发电机电压和系统电压之间的幅值之差U。UsL表征发电机电压和系统电压的相角差。UsL的上升段为 UsL=A+=A+St (t0，0)（3-1）UsL的下降段为 UsL=A-=A-St (t0，0)（3-2）式中 t时间，其零点在UsL的最大点； AUsL的最大值。UsL的周期TS表征发电机电压和系统电压频率差fS的大小。TS与fS的关系为TS=2S=22fS=1fS （3-3）式中 fS滑差频率。3.2.2线性整步电压发生器设计及仿真三角波发生器由整形电路、相敏电路和低通滤波器组成，其具体设计过程如下：3.2.2.1整形电路整形电路是两路由运放搭成的过零比较器。它将UG和USY的正弦波换成与主频率和相位相同的一系列方波，方波的幅值UG与USY的幅值无关。其设计电路如图3-3所示。图3-3 整形电路电路图VOVIVREF本电路是依据基本单门限电压比较器原理的改进电路。比较器是一种用来比较输入信号VI和参考电压VREF的电路。参考电压加于运放反向端，它可以是正值，也可以是负值，本电路中根据实际需要其为正值。输入信号则加于运放的同相端。由于VI从同相端输入且只有一个门限电压，因此是同相输入单门限电压比较器。这时，运放处于开环工作状态，具有很高的开环电压增益。当输入电压VI小于参考电压VREF时，即差模输入电压小于零时，运放处于负饱和状态，VO=VOL；当输入信号电压VI升高到略大于参考电压VREF时，即差模输入电压大于零，运放立即转入正饱和状态，VO=VOH。根据上述基本原理，考虑到后续电路中不应存在负向电压，因此对基本单门限电路进行改进，通过引入外加直流电源的方式，将其工作波形提升至正半周，如图3-4（a）所示。通过桥式电路，将参考电压设为外加直流电源的一半。当输入电压VI0时，则A点电压小于参考电压VREF；当输入电压VI0时，则A点电压大于参考电压VREF。通过这样的设计，就将原本的过零比较器改进为与一个正电压比较的只存在正向电压的比较器。AVREFVI图3-4 电压比较改进原理图及波形因为输入电压不存在负值，因此，可以选择单电源运算放大器。根据实际需要，选择运算放大器型号为LM358，其电源电压范围宽（在单电源时可在330V工作），直流电压增益高(约100dB)， 单位增益频带宽(约1MHz)。其具体工作数据可参考LM358数据手册。参照LM358的工作条件，可知要求输入电流在0.53mA之间。在本电路中，因为选择直流电源电压为15V，为了满足要求可估计选择电阻为10K，则可得： I=VDDR=1510103=1.5mA （3-4）由于1.5mA3mA，所以满足要求。因此可得R1=R2=R3=R4=10K。单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。为了提高其抗干扰能力，在其基础上加入正反馈网络。由于正反馈的作用，这种比较器的门限电压时随输出电压VO的变化而改变的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大挺高了。考虑正反馈对电路的影响，选择R5=10M，这样其对输出电压的影响为千分之一。通过上述论述，得出了整形电路的基本参数。根据得到的参数，在Simulink中进行仿真，得到波形如图3-5所示。图3-5 整形电路输入与输出波形根据仿真的波形和数据可以看出，输入的正弦波形经过如前所述的桥式电路，将原本在正负都有信号的正弦信号变换到只存在正向电压的正弦信号，以保证后续电路的使用需要。这个正弦信号同电压比较器的阈值电压相比较，由于是同相输入电压比较器，因此当正弦信号的电压大于阈值时，输出为正。通过电压比较器的输出，就得到了一组与输入正弦波相位和频率相同的方波信号。从仿真的结果来看，其满足了最初的设计要求。3.2.2.2相敏电路相敏电路是一个异或非门，它把两路方波信号变换成一列脉冲宽度与方波相角差成线性关系的变宽脉冲波。考虑到整形电路的输出电压，因此选择CC4077集成电路。CC4077包括四个独立的异或非门电路，具有异或非功能，电源电压范围为315V。其具体工作参数可参考标准数字电路4000 CMOS全系列数据手册。根据选定的异或非门，因为整形电路的输出电压约为15V，设定发电机电压和系统电压的频率差fS=0.1Hz，即滑差周期TS=10s，在Simulink中进行仿真，其电路结构及仿真波形如图3-6所示。从波形可以看出，两路正弦信号经过整形电路变换为两路与正弦信号频率和相位相同的方波信号。因为两路方波信号间存在一相角差，因此随着时间的变化，两路方波信号间的相对相位也在持续发生变化。将两路方波信号输入异或非门，根据异或非门的工作原理，当两个输入信号相同时，输出为1；当两个输入信号不同时，输出为0。因此，如图3-6所示，当在某一时刻两路方波信号的状态相同时，则异或非门就输出一正向脉冲。这样，就将两路方波信号转换成了一列脉冲宽度与方波相角差成线性关系的变宽脉冲波。图3-6 相敏电路波形及结构3.2.2.3滤波电路滤波电路采用两个运放搭成的四阶巴特沃斯有源低通滤波器构成，滤除变宽脉冲中的高频成分，得到电压大小与相角差成线性关系、幅值恒定的线性整步电压。滤波器的性能主要由其幅频特性衡量。巴特沃斯滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，但从通带到阻带衰减较慢。并且，巴特沃斯有源低通滤波器的阶数越高，则其幅频响应越优越。然而，阶数的增加也意味着电路结构将更为复杂，其造价也就相应地提升。因此，要根据需要合理地选择最低阶数。当给定了容许的最大通带衰减1和最小阻带衰减2，截止频率fC以及容许的最大过渡带TW，令则TW=1C，可计算出所需的最低阶数。假定巴特沃斯低通滤波器的1=3dB，则可由3-5式计算最低阶数n。 n=log102/10-12log1/C （3-5）通过计算可得n=4。四阶巴特沃斯有源低通滤波器是由两个二阶巴特沃斯有源低通滤波器级联而成。二阶巴特沃斯有源低通滤波器基本电路结构如图3-7所示。由图可知，二阶有源低通滤波电路由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。为了减少运放对滤波电路的负载效益，同时便于调整，选用LM324。LM324为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。该运放可工作在332V的电源下，输入偏置电流低。其工作参数详见LM324数据手册。图3-7 二阶巴特沃斯有源低通滤波电路因为系统电压频率为50Hz，所以选定滤波器的截止频率为系统频率的十分之一，即fC=5Hz。根据电路要求，选定滤波电路的增益K=1。则根据有源滤波器精确设计手册中的设计步骤，具体设计过程如下：a找出归一化系数B和C。通过查表，得到四阶巴特沃斯低通滤波的归一化系数，一级电路中B=0.765367，C=1；二级电路中B=1.847759，C=1。b选定C2标称值，其值近似为（10/fc）F，则可得C2=10/5=2F。满足下式选定C1的标称化数值 C1B2+4CK-1C24C （3-6）将数值代入式3-6，可得一级电路中C10.29F，选择与其最接近的标准电容为0.27F，二级电路中C11.7F，选择与其最接近的标准电容为1.6F。由于K=1，则R3开路，R4短路。R1和R2依下式计算 R1=2BC2+B2+4CK-1C22-4CC1C2c （3-7） R2=1CC1C2R1c2 （3-8）将数据代入式3-7和3-8，并且选择与计算值最接近的标准电阻，可得一级电路中R1=32.4K，R2=59K；二级电路中R1=8K，R2=39.2K。 根据所计算得的参数，所得电路如图3-8所示。VOVI图3-8 四阶巴特沃斯低通滤波器将该滤波电路输入端接相敏电路输出，设定滑查周期为10s，在Simulink上进行仿真，得到波形如图3-9所示。 图3-9 滤波电路波形图从上图可以看出，在波形开始初期有一段波形并非三角波，因为在输入信号通过滤波电路的初期，电路自身有一个调整时间，在经过一个短暂的调整时间后波形恢复正常。该滤波器将相敏电路输出的一列脉冲信号滤波为幅值恒定，电压大小与相角差成正比的三角波信号，三角波的周期与滑查周期相同为10s，并且波形较为平滑。然而也可以看出，经滤波器滤波产生的三角波其线性度并不是十分良好，这个误差的存在可能对后续电路造成一定影响。3.3恒定越前时间电路3.3.1恒定越前时间电路设计恒定越前时间电路由比例-微分电路和电压比较电路组成。其中，比例微分电路由电位器及电阻和电容组成。其电路如图3-10所示。UsL图3-10 比例-微分电路示意图根据叠加原理，上述比例-微分电路可分解为如下电路kUSLC1UR2CR1USL（a）（b）UR2CR2R1R2+图3-11 比例微分电路叠加原理示意图1而图3-11（a）电路又可分解为如下电路图3-12 比例微分电路叠加原理示意图2由图3-11和3-12可知，比例微分电路输出电压UR2为分解电路中UR2、UR2和UR2叠加之和，于是可分别计算各个分电路，简化电路计算。在图3-12（b）中，由于电容器C的容量很小，形成的容抗很大，所以其作用可以忽略不计，则UR2=R2R1+R2USLm+st -st0 （3-9）在图3-12（c）中，若TsR1R2R1+R2c,则UR2=USLmStR1R2R1+R2C=dUSLdtR1R2R1+R2C -st0 （3-10） 在图3-11（b）中，由于电容器C的容量很小，形成的容抗很大，所以其作用可以忽略不计，则UR2=kUSLmStR1R2R1+R2C1=kdUSLdtR1R2R1+R2C 1 -st0 （3-11）在-st0区间内，若电平检测器翻转电平为R2R1+R2USLm，翻转时间为tYJ则动作的临界条件为：UR2+UR2+UR2=R2R1+R2USLm，即R2R1+R2USLm+st +USLmStR1R2R1+R2C+kUSLmStR1R2R1+R2C1=R2R1+R2USLm1+StYJ+SR1C+kSR1C1=1StYJ+SR1C+kSR1C1=0 tYJ=-R1C+kC1 （3-12）式3-12表明，时间t为只与阻容参数有关而与滑查S无关的恒定值，称为恒定越前时间。其大小由倍乘开关和电位器结合起来分档连续调节。电压比较器由运放搭成，其原理与整形电路相同，在此不再赘述。其中电压比较器的阈值由电位器RW1调整。当比例微分电压等于比较器的阈值时，比较器的输出Ut翻转。其电路如图3-13所示。图3-13 电压比较器电路由于要求恒定越前时间的整定范围为0.10.4s，如下表所示。表3-1 恒定越前时间定制表倍乘开关十圈电位器Rwt圈数0圈5圈10圈10.1s0.15s0.2s20.2s0.3s0.4s通过上表可知电位器在10圈时恒定越前时间是0圈时的两倍，所以可得 -R1C+C1=-2R1C+kC1 （3-13）由于C和C1相比其值很小，故可忽略不计，则可得k=0.5。所以，k应在0.51范围内可调。因为比例微分电路的输入电压USL约为15V，所以可选择Rwt=R=7.5k。当倍乘开关为1档，十圈电位器为0圈时恒定越前时间为0.1s，则通过前面推导出的恒定越前时间与阻容系数的关系，可选择R1=91k，R2=12k，C=220nF，C11=C12=2.2F。于是可以得到比例微分电路的输出电压幅值为：R2R1+R2USL1.5V （3-14）为了使电压比较器的阈值能够在1.5V上下调整，则可选定R4=13 k，RW1=1 k，R5=1 k，考虑到正反馈的影响，可选择R6=1M 。通过上述论述初步得到了电路参数，因为其中部分参数为通过关系式得到的估计值，因此有可能存在一些不合理的问题。所以，接下来要在Simulink中进行仿真调试，通过实际测量对电路参数进行修正。3.3.2恒定越前时间电路的仿真调试根据上节得到的电路参数，在Simulink中运行仿真。利用信号发生器产生三角波作为输入信号，三角波幅值为1V，设定滑查周期TS=10s，即三角波周期为10s，首先观察比例微分电路的输出波形，得到波形如图3-14所示。三角波信号经过比例微分电路后，其幅值下降至约为0.7V，与计算值略有偏差，是由于实际的输入信号幅值以及实际电路并不能如计算值一样准确，存在一定的误差。图3-14 微分电路波形当确定微分电路输出波形正确后，继续观察恒定越前时间电路仿真结果，如图3-15所示。图3-15 恒定越前时间电路波形当比例微分电路的电压大于电压比较器的阈值电压时，则电压比较器输出一低脉冲，其脉冲宽度即为恒定越前时间。这是由于在仿真时采用信号发生器直接产生三角波信号，避免了通过滤波产生的三角波信号其非线性造成的误差。因此此波形是在理想状况下得到的。在实际电路中，还应考虑由于三角波发生器所生成三角波信号并不理想所产生的误差。通过调试，可得最终恒定越前时间电路参数及电路如图3-16所示。图3-16 恒定越前时间电路3.4恒定越前相角电路3.4.1频差检测原理频差检测原理可以用图3-17说明。UXUG 图3-17 频差检测示意图首先选定一个角度，令=syth=sytyq（3-15）式中 sy允许滑差角频率； th断路器合闸时间，对于选定的断路器及其合闸回路，th是已知的； tyq自动准同期装置恒定越前时间，tyq=th。对于确定的发电机及其断路器，是一个确定的已知值。然后，检测发电机电压UG一滑查角频率S相对系统电压UX转动时走过角度所咏的时间。走过多用的时间长，则S小；时间段，则S大。将此用数学式表达，有St=sytyq=（3-16）式中 S实际滑差角频率； t以速度S走过角度所用的时间。根据式3-16有ttyq=syS（3-17）式3-17说明：如果t= tyq，则S=sy；如果ttyq，则Ssy；t tyq，则Ssy。这样，就将检测发电机电压和系统电压之间滑差角频率S大于、小于或等于sy的问题，变成了比较走过给定角度所用时间t小于、大于或等于恒定越前时间tyq的问题了16。3.4.2恒定越前相角电路设计根据上述频差检测原理，在实现频差检测是首先要做一个角度发生器，产生角度。因为这个角度越前=0，所以也称产生角度的电路为恒定越前相角电路。恒定越前相角电路由运放搭成的电压比较器构成。当输入的三角波与该电压比较器阈值相等的时刻，比较器输出的电压U翻转。比较器的阈值由电位器RW整定，即恒定越前相角A由RW整定，要求整定范围约为045。其电路如图3-18所示。图3-18 恒定越前相角电路由于要求整定范围为045，即要求电压比较器的阈值能在0.8751倍的输入电压USL之间调整。USL约为15V，考虑到其波动性，加入电位器RW2，通过调整RW2的阻值，使输入电压和电压比较器电压的幅值相同。为了使运放输入电流不超过允许值，则可以得到RW2+RW+R1=15。由分压原理，考虑到输入电压的波动范围，可选择RW2=1k。RW应能有0.125USL的调节范围，则RW=0.12515=1.875 k，选择与计算值最接近的标准电阻为1.9 k。选定RW2和RW后，可得R1=12.1 k。考虑到正反馈对电路的影响，R2=1M。通过上述论述，初步得到了恒定越前相角电路的基本参数。3.4.3恒定越前相角电路仿真调试依照上节得到的电路参数，对初步设计的恒定越前相角电路在Simulink中进行仿真调试。通过信号发生器产生的三角波作为输入信号，输入电压为1V，周期为10s，即模拟滑查周期TS=10s。如前所述，恒定越前相角在三角波与越前相角电压比较器的阈值想交点处产生。本电路恒定越前相角整定范围为045，要求给定某一点时，定值误差不超过3.6。为保证次整定范围和精度，要进行调整。具体方法步骤如下：a将整定恒定越前相角的电位器RW调整到5圈位置。滑差周期调整为4s。b测试此时的越前相角值A1。调节电位器RW2，直到把A1调到约22.5。c将RW分别调到10圈和1圈位置，测试相应的越前相角值A2和A3。如果A2为453.6，A3为4.53.6。则调整结束；否则应当更换固定电阻R1。A偏大时需要增大R1阻值，偏小时减小阻值。更换后重复上述步骤。恒定越前相角电路波形如图3-19所示。图3-19 恒定越前相角电路波形由图3-19中可以看出，恒定越前相角电路的相角由输出脉冲的宽度反应。在Simulink中，通过输出的波形，可以得到以以速度S走过角度所用的时间t，然后通过下式将时间换算为角度 =tTS360 （3-18）这样就能得到恒定越前相角。然后按照前述调整步骤，对电路进行调试，最终得到得到的电路如图3-20所示。图3-20 恒定越前相角电路 由于在仿真时，输入信号并非是由线性整步电压发生器所产生的，而是直接由信号发生器产生的，因此减少了因三角波信号不稳定造成的误差。3.5合闸逻辑电路3.5.1合闸逻辑电路原理合闸逻辑电路逻辑框图如图3-21所示。根据逻辑框图可以看出，当并列条件检测元件测得的信号均符合允许并列时，即频率差、电压差都在允许范围内，当越前时间信号TYJ测得的瞬间，就发出合闸控制信号；当不符合并列条件时，即频率差或电压差两个条件中任一条件不符（超出允许值），它就发出闭锁信号，阻值TYJ信号输出，不让发出合闸信号，即不允许并列。图3-21 合闸控制逻辑框图 逻辑判别电路的关键是双稳电路，其由两个或非门（同或）组成，其逻辑图及真值表分别如图3-21及表3-4所示。表3-4 双稳电路真值表SRQQ锁存器状态00不变不变保持01010101011100不确定图3-21 双稳电路逻辑图3.5.2合闸逻辑电路设计与仿真根据合闸逻辑电路的原理，可得电路图如下。根据滑差检测原理可知，当滑差S不合格时，Ut先于U变低；当S合格是，Ut后于U变低。Ut和U动作次序上的先后，由双稳电路记忆识别。表3-5给出了S不合格与合格两种情况下电路逻辑状态的真值表。表3-5 合闸逻辑滑差检测部分真值表时刻UtAUBEFS不合格Ut（先）011010U（后）010010S合格U（先）100100Ut（后）010101UUUGUtFEBA图3-22 合闸逻辑电路图由表3-5可以看出：只有在S合格的情况下，Ut下降后，F点才为“1”。如果此时电压差也是合格的，及压差闭锁信号UU=0，则合闸逻辑电路输出G=1，发出合闸允许信号。对上述电路在Simulink中进行进行两种情况的仿真，可以得到如图3-23、图3-24所示波形。图3-23 合闸逻辑电路波形图（S不合格时）图3-24 合闸逻辑电路波形图（S合格时）由图3-23、图3-24可以看出，在S合格的情况下，Ut下降后，F点才为“1”。如果此时电压差也是合格的，及压差闭锁信号UU=0，则合闸逻辑电路输出G=1，发出合闸允许信号。如下图3-25所示的合闸逻辑电路波形图，可以很清楚的区别出在S合格与不合格两种情况下是否发出合闸信号。图3-25 合闸逻辑电路波形图逻辑图中的阻容元件R1、C1的功能是“上电闭锁”，家 在装置刚接通电源时，利用电容电压不能突变的特点，短时闭锁合闸出口，防止在上电初期的过渡过程中误发合闸命令。根据电路结构要求其能在上电初期的0.20.5s内闭锁合闸出口，则可以使R1=200k,C1=2F。结论通过对此课题的研究，最终得到的模拟式自动准同期装置合闸单元电路，基本符合设计要求。本电路采用集成元件，原理电路图简洁清晰，可观性强，具有一定的实际应用价值。并且通过在Simulink上的仿真，观察其电路的生成波形以及通过测试其电路数据，各个电路均能达到设计要求，其误差均在允许范围之内。由于该装置采用模拟的方式，因此不可避免地存在一些模拟式自动准同期装置所存在的问题。例如，不能准确保证越前时间的恒定性。虽然线性整步电压在理论上十分合理，无懈可击，然而在实际装置中，由于模拟电路本身条件所限，无法产生完全线性的整步电压，所以使得由此整步电压获得的恒定越前时间并不恒定。相同的，以此三角波为基础的滑查检测结果也无法成立，因为线性整步电压的滤波效果不是很好，所以在仿真恒定越前时间、恒定越前相角及合闸逻辑电路时改用三角波发生器作为低通滤波后的三角波。模拟式自动准同期装置中，滑查是否合格，无法计算出具体数值，而是通过比较恒定越前时间电平检测器与恒定越前相角电平检测器翻转的先后顺序，从逻辑上进行判断的。由于恒定越前相角电路是直接对线性整步电压进行电平检测，而三角波发生器不能得到标准的三角波，因此，恒定越前相角电路的检测结果有可能发生错误。这就是模拟式自动同期装置的缺陷所在。之所以在仿真过程中越前时间的恒定性得到了保证，是因为仿真电路是各个子电路分开仿真，采用信号发生器作为信号源，而信号源产生的三角波具有良好的线性度，因此避免了因三角波的非线性而产生的误差。在实际的模拟
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