基于Simulink的并列恒定越前时间信号形成的仿真研究

基于Simulink的并列恒定越前时间信号形成的仿真研究

周陟，王秀叶

（武汉晴川学院，湖北 武汉  430204）

摘要：基于Simulink仿真平台，开展了一项关于电力系统自动化中并列恒定越前时间信号形成的详细研究。电力系统的自动化对于实现高效、可靠和可持续的电力供应至关重要。而发电机并列是提高电力系统负荷能力和供电可靠性的关键技术之一。利用Simulink软件构建了电力系统的仿真模型，并通过调整并列恒定越前时间信号形成的参数，如功率分配比例和相位差等，对系统的性能进行评估。结果显示，并列恒定越前时间信号形成在电力系统中具有显著优势，可以实现负荷均衡、故障备份和能源优化。通过该研究，可以更好地理解并列恒定越前时间信号形成在电力系统自动化中的应用潜力，为实际电力系统的运行提供参考，也有利于教学研究的进行。

关键词：电力系统自动化；发电机并列；恒定越前时间信号；simulink

Title: Simulation Study of Parallel Constant Lead Time Signal Formation in Power System Automation Based on Simulink

ZHOU zhi；WANG xiuye

（Wuhan Qingchuan University,Wuhan 430204,China)

Abstract: This paper presents a detailed study on parallel constant lead time signal formation in power system automation using the Simulink simulation platform. Automation in power systems is crucial for achieving efficient, reliable, and sustainable power supply. Parallel operation of generators is a key technology for enhancing the load capacity and reliability of power systems. In this research, a simulation model of the power system was constructed using Simulink software, and the performance of the system was evaluated by adjusting parameters such as power distribution ratio and phase difference in parallel constant lead time signal formation. The results demonstrate significant advantages of parallel constant lead time signal formation in power systems, including load balancing, fault backup, and energy optimization. This study enhances our understanding of the potential application of parallel constant lead time signal formation in power system automation, providing insights for practical power system operation and facilitating teaching and research endeavors.

Keywords: power system automation, parallel operation of generators, constant lead time signal, simulink

0引言

电力系统自动化在当今电力行业中具有重要地位。随着电力负荷的增长和能源需求的多样化，发电机并列成为实现供电可靠性和负荷均衡的关键技术之一。并列恒定越前时间信号形成是一种常用的控制策略，通过调整发电机的输出功率和相位来实现负荷分担和故障备份。本文将基于Simulink仿真平台，对并列恒定越前时间信号形成进行详细研究，并探讨其在电力系统自动化中的应用和优势。

电力系统的自动化旨在实现电力供应的高效、可靠和可持续。随着电力负荷的快速增长，传统的单台发电机已经无法满足系统的需求。发电机并列运行是一种常见的解决方案，通过将多台发电机连接在一起，实现协同工作，以满足不断增长的电力负荷需求。

并列恒定越前时间信号形成是一种控制策略，其核心原理是调整发电机的功率输出和相位差，以实现负荷的均衡和故障备份。在该策略下，发电机之间相互交流，通过相位调节来分担负荷并提高电力系统的可靠性。这种控制策略通常基于实时监测和分析电力系统的负荷变化，通过快速调整发电机的输出来实现对电力负荷的动态响应 [1-3] 。

Simulink作为一种强大的仿真工具，提供了对电力系统进行详细建模和仿真的能力。它可以模拟各种发电机、负载、传输线路和控制策略，使研究人员能够准确地模拟和评估并列恒定越前时间信号形成在电力系统中的运行情况。通过Simulink的仿真实验，研究人员可以调整参数、观察系统响应，并评估系统的性能和优势。

本文旨在通过Simulink仿真研究，深入探索并列恒定越前时间信号形成在电力系统自动化中的应用和优势。通过系统建模、参数调整和性能评估，可以了解该策略在提高供电可靠性、实现负荷均衡和故障备份方面的潜力。这将有助于指导实际电力系统中的应用，并为电力系统自动化技术的发展提供有益的参考和指导。

1在发电机并列中使用恒定越前信号的必要性

在并列运行中，需要确保各个发电机单元之间的同步性和稳定性，以避免发生电力系统不稳定或发电机之间发生冲突等问题。而恒定越前时间信号在发电机并列中的使用对于确保系统的稳定性、负载均衡和故障保护非常重要。它提供了一种有效的方法来协调并管理发电机之间的相位和频率，从而实现高效、可靠的发电机并列运行[4-6] 。

(1) 实现发电机同步

恒定越前信号是一种用于实现发电机并列同步的重要方法。通过在并列发电机中应用恒定越前信号，可以确保各个发电机单元之间的同步性，使它们以相同的频率和相位运行。这有助于减少发电机之间的相互干扰和不平衡，提高系统的整体性能和稳定性。

(2) 并联发电机的负载均衡

在发电机并列中，负载均衡是一个关键问题。恒定越前信号的应用可以帮助实现并联发电机之间的负载均衡。通过控制发电机的输出功率和频率，可以使每个发电机单元按照其额定功率贡献相应的电力，从而实现负载均衡。这有助于减少发电机过载或欠载的风险，提高发电系统的效率和可靠性。

(3) 提高系统响应速度

恒定越前信号的使用可以提高并联发电机系统的响应速度。通过控制恒定越前信号的大小和相位，可以实现快速调整发电机的输出功率和频率。这对于应对系统负荷变化或故障情况非常重要，能够快速稳定系统，并减少电力系统的振荡和不稳定。

(4) 降低发电机损耗

恒定越前信号的应用还可以降低并联发电机的损耗。通过控制恒定越前信号的大小和相位，可以优化发电机的运行状态，减少不必要的电流流动和电力损耗。这有助于提高发电机的效率，并延长其使用寿命。

综上，通过恒定越前信号的控制，可以提高并联发电机系统的稳定性、效率和可靠性。因此，在发电机并列运行中，使用恒定越前信号是一种重要的技术手段。

2仿真原理

由于发电机并列的理想条件为并列断路器两侧电源电压的三个状态量全部相等，即频率相等，电压幅值相等以及相角差为0。而滑差周期分离整定技术即对频率差及相角差进行研究，可将滑差周期从自周期及叠加周期中分离，有利于投切或并列动作的进行。经过滑差分离整定技术后，可得到三角波如图1所示，可将滑差周期分离整定的输出端作为恒定越前时间信号的输入端[8]。

待并联端口之间的滑差电压波形；三角波由分别取发电机端电压的频率()及系统端电压频率()为50Hz、55Hz整定而来，三角波周期同滑差周期。将此三角波作为输入信号，通过电压互感装置输送至恒定越前时间信号系统中[8]。

通过对滑差周期分离整定的研究，如图1所示。幅值变化的正弦波形为待并列发电机与系

图1恒定越前时间信号的输入信号

2.1 仿真模型

图2 恒定越前时间信号电路

图3 经RC并联电路后的输出波形

由图2可知，第一级集成运放的负极虚地。三角电压波经过输出的电流波形与相同；电容C支路的电流波形可知为经过零点的方波(三角波正负周期斜率固定)，其输出波形分别如图3所示。

根据电流叠加定律将此两个波形进行叠加，再经由第二级集成运放器进行反向放大，消除第一级产生的反向比例，同时控制电路整体放大倍数。

2.2 输出波形分析

电流叠加后，根据虚短、虚断定律推测可知，图2输出端电压与两侧电压相同，如公式(1)：

(1)

式中，为经过的支路电流；为经过C支路的电流；为两级放大电路的整体放大倍数；为待并列端口之间电压的滑差周期。

令，则可解得特解如公式(2)：

(2)

式中，为波形过零点时刻；为整定的恒定越前时刻。由此即可得：

(3)

由公式(3)可知，调整即可整定。

3模型仿真及波形验证

本研究使用Simulink软件构建了电力系统的仿真模型。通过调整并列恒定越前时间信号形成的参数，如功率分配比例和相位差等，分析并评估系统的性能指标，如供电可靠性，冲击电流的大小等。

3.1仿真模型

如图4，基于Simulink/foundation中的模块对图2电路进行模型搭建。

受控电压源的输入信号为滑差周期分离整定的三角波；“”为引入的解决方案模块，再经过电路模型，最后加入转接头接入，则可输出仿真波形。其中，解决方案模块的引入进行算法调制，使得该电路能够成功实现仿真。

图4恒定越前时间信号电路模型

3.2 仿真模型

由于经过RC并联电路后的电路仅对改电路进行比例和微分运算，再经电平检测电路，即可实现恒定越前时间信号，则本文所讨论的参数设置主要为RC并联电路。

为验证恒定越前时间信号的形成，以前置滑差周期分离整定中的发电机频率、系统频率分别取50Hz、55Hz为前提，的输出信号如图5所示。

取三组数据进行验证恒定越前时间信号的形成，其中取电容的值为固定值，其电容大小为，等效串联电阻大小为5Ω。取分别为：①100Ω；②200Ω；③500Ω。

（a）100Ω对应输出波形

（b）200Ω对应输出波形

（c）500Ω对应输出波形

（d）输出波形对比

图5 不同下输出的波形

由图5(d)可知，改变R的值，整体波形呈现出被拉伸或被压缩的形状。随着R增大，过零点的整定时间向左偏移，达到了时间整定的目的。

4结论

本研究基于Simulink的仿真研究表明，并列恒定越前时间信号形成在电力系统自动化中具有重要的应用和优势。通过合理调整参数，可以实现负荷均衡、故障备份和能源优化等目标，提高电力系统的可靠性和效率。未来的研究可以进一步优化并列恒定越前时间信号形成的算法，并在实际电力系统中进行验证和应用，以推动电力系统自动化技术的发展。

参考文献：

[1]孙启建.发电机自动准同期装置并列参数分析[J].广西电力,2018,41(05):73-74+85..

[2]宋娜娜,袁哲,刘旭东.发电机非同期并列运行的危害及防范[J].数字通信世界,2018(06):197.

[3]郭谋发,温步瀛,李敏昱.图形化软件仿真在发电机准同期并列教学中的应用[J].中国电力教育,2011(36):193-194+201.

[4]郝正航. 双馈风电机组的暂态行为及其对电力系统稳定性影响[D].天津：天津大学,2011.

[5]田建设,米增强,王国斌,等.一种用于实验教学的发电机同期仿真系统[J].实验室研究与探索,1996(01):41-43.

[6]王维俊,杨静,廖勇,等.小型单相同步发电机并列条件仿真分析[J].重庆大学学报,2011,34(09):142-147.

[7]丁坚勇，胡志坚. 电力系统自动化[M].北京：中国电力出版社，2015.

[8]周陟，王秀叶. 基于Simulink的滑差周期分离整定技术的仿真研究[J].中国科技期刊数据库 工业A，2023(7):151-154.

作者简介：周陟（1995-）， 男，湖北武汉人，硕士研究生， 讲师， 研究方向为电力系统自动化。