摘要：发电机并列是“电力系统自动化”课程的主要内容之一，其中的知识点与实际工程应用关系紧密但较抽象，教学中发现学生对其难以真正掌握。文章提出，在讲授发电机准同期并列基本原理的基础上，利用MATLAB仿真软件搭建仿真模型，并对模型搭建思路及图形化仿真结果进行分析讲解，可使学生直观地了解发电机并列的原理和实现方法。而将软件仿真手段引入课堂教学，并让学生课后自己动手搭建发电机并列运行仿真模型，不仅让学生真正掌握所授知识，而且可以提高其学习兴趣和工程实践能力。
关键词：电力系统自动化；发电机；准同期并列；软件仿真；仿真辅助教学
作者简介：郭谋发（1973-），男，福建福清人，福州大学电气工程与自动化学院，副教授；温步瀛（1967-），男，福建永泰人，福州大学电气工程与自动化学院，教授。（福建 福州 350108）
教改项目：本文系福州大学闽台高等工程教育研究项目的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）36-0193-02
“电力系统自动化”课程是电力系统及自动化专业选修课程，发电机并列是该课程的主要内容之一。发电机并列的知识点侧重于并列自动化设备所采用的原理、实现方法、运行规律等。内容比较抽象且涵盖的知识点较广，涉及专业知识、电力电子知识、电机知识、计算机知识等方面，此外，学生长期以理论学习为主，现场知识较少。采用传统的讲授方式学生会感到乏味且难于领悟准同期装置的原理、结构和功能。因此有必要对教学方法和手段进行改进，达到提高教学效果的目的。在讲授发电机准同期并列原理的基础上，通过搭建的软件仿真模型，用图形动态地展示发电机准同期并列基本原理及微机自动准同期装置的设计依据，并对图形化仿真结果进行分析讲解。使学生对这方面的知识有更进一步的感性认识，让学生真正掌握所授知识。
一、发电机准同期并列原理及教学难点
发电机准同期并列原理：发电机准同期并列前将发电机及系统双方的电压加到断路器主触头两侧，然后调整发电机电压，使两侧电压的幅值、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。并列时要求冲击电流不超过允许值，且尽可能小，且并列后应能迅速进入同步运行。[1]这个过程目前一般由微机型自动准同期装置实现，其完成的主要任务是：自动检测发电机和系统的压差、频差和相角差。控制发电机的电压和频率，使得发电机与系统的压差和频差被限制在一定的范围内，在相角差的周期性变化过程中，通过动态测量其变化率，根据开关导前时间（从合闸命令发出到断路器闭合需要一定时间）的大小，捕捉合闸脉冲的发出时机，从而控制断路器主触头在相角差过零点附近闭合，实现发电机的准确并网。[2]教授在部分内容的过程中，主要有以下2个教学难点。
1.准同期并列误差对并列的影响
为什么要在并列双方电压幅值、频率和相角分别相等时才能闭合断路器主触头？如果上述3个条件不满足，将产生怎样后果？也即准同期并列误差对并列有何影响。
理想情况下发电机电压向量和系统电压向量完全重合，即压差、频差及相角差均为零时，并列冲击电流为零。实际并列过程中3个条件难以同时满足。允许偏离一定的范围即存在一定的误差。有必要分析压差、频差和相角差对并列产生的影响。授课时，为了突出主要矛盾和便于分析，假设3个理想条件中有2个条件同时满足，仅1个条件不满足。仅存在压差时，对并列的影响为：在断路器主触头流过无功冲击电流；仅存在相角差时，对并列的影响为：在断路器主触头流过有功冲击电流；仅存在频差时，对并列的影响为：并列过程中发电机与系统间存在能量交换过程。教材中一般用公式及向量图描述冲击电流，不直观，学生难于掌握。
2.基于微机自动准同期装置的断路器合闸控制
微机型自动准同期装置在检测到压差及频差满足条件后，要实时检测发电机电压和系统电压的相对角速度和角加速度，并据此计算以目前的相对角速度和角加速度经过恒定越前时间以后相角差是否为零。若为零则发合闸脉冲，否则就不发合闸脉冲。[3]
发电机与系统的压差和频差，可分别由微机测得的发电机及系统的电压幅值和频率值相减获得。
若（1）式成立，则准同期并列的压差条件满足。
（1）
式（1）中为允许压差。
若（2）式成立，则准同期并列的频差条件满足。
（2）
式（2）中为允许频差。
若（3）式成立，则准同期并列的相角差条件满足。
（3）
式（3）中为从目前开始经过恒定越前时间后走过的相角，为目前测得的相角，为允许相角差。可由式（4）求得：
（4）
式中：
，为第和计算点求出的滑差角频率；
，为第和计算点求出的相角；
为相邻计算点之间的时间间隔，；
为系统电压的周期。
相邻两计算点间变化很小，一般经过若干次滑差角频率计算之后才计算一次，故：
（5）
为本计算点之前个计算点求出的值。
若式（1）、（2）及（3）均成立，且相位差从180°到0°变化，则发合闸命令，否则不发合闸命令。学生对和的区别往往难于掌握。
二、准同期并列图形化软件仿真及其在教学中的应用
1.软件仿真平台的搭建
由MATLAB软件[4]搭建隐极式同步发电机与无穷大系统并列的仿真模型。如图1所示。图中的并列控制模块用于检测机端电压与系统电压的向量，并实现并列条件判断与合闸控制。
采用简单三相同步发电机模型，额定值为50MVA、10.5kV、50Hz，连接方式为3线Y型连接，发电机的电阻取0.005 p.u.，电感取0.1p.u.，惯性时间常数取3s，阻尼系数取200。供给发电机的机械功率取0.8p.u.。采用三相断路器模型，由外部控制信号控制其合闸。断路器电阻取0.001Ω，缓冲电阻取1000kΩ。无穷大系统由三个相角相差120°的独立交流电压源Va、Vb、Vc替代。
仿真算法采用变步长刚性积分算法ode15s。
准同期并列模块构成如图2所示，有三个输入和一个输出。
发电机参数从IN0端口输入，经Demux模块读出发电机转速，通过公式，求出频率，并将其与无穷大系统的频率相减，得出频差，若满足式（2），则由频差判断函数发出“1”信号至AND模块。
发电机机端B相电压从IN1端口输入，无穷大系统B相电压从IN2端口输入，通过两个电压测量模块，可提取三相断路器两端的B相电压相量值，经快速Fourier变换，将其幅值与相位值分离出来并相减，则可得到发电机电压和系统电压间的压差和相角差。若式（1）成立，则由压差判断函数发出“1”信号至AND模块。
相角差由相角差判断模块进行判断，若式（3）成立，则发出“1”信号至AND模块。由于在仿真模型中，断路器的合闸不存在动作时间，故编制了一个信号延迟模块，用于设定恒定越前时间th。当频差、压差和相角差均满足合闸条件时，图1中的延迟0.1s模块收到合闸指令，经过0.1秒后，发送高电平信号至三相断路器的com端口，使断路器合闸。
2.并列误差对并列的影响仿真及分析
（1）通过设置发电机的输入参数E，使得发电机机端电压幅值与系统电压幅值存在差值0.15p.u.，在频差及相角差基本为零时，将断路器合上。得到发电机机端冲击电流与电压的波形，如图3所示。二者相位相差90°，断路器主触头流过无功冲击电流。（2）在相角差为10°左右，频差和压差基本为零时，将断路器合上。得到发电机机端冲击电流与电压的波形，如图4所示。二者相位相差180°，断路器主触头流过有功冲击电流。（3）设置发电机输入的机械功率Pm及阻尼系数，使得发电机的转速发生变化，在频差为1Hz左右，压差和相角差基本为零时，将断路器合上。得到发电机机端冲击电流与电压的波形。
通过发电机冲击电流及电压波形图，学生可以直观地了解到存在并列误差时对发电机产生的影响，弥补了公式及向量图在传统教学中存在的抽象、不直观等不足。课后，学生还可通过思考和自己动手搭建发电机并列仿真模型，验证所学的并列原理和难理解的问题，可以培养他们分析问题、解决问题的能力以及学习兴趣。
3.基于微机自动准同期装置的断路器合闸控制仿真及分析
如图6所示，求出相角差之后，根据式（4），求出角速度。在模型搭建上，采用Transport Delay模块，将相位延迟Ts时间，以得到，再除以时间，即可得到发电机电压和系统电压的相对角速度。角加速度求取方法类似。根据式（4）可计算得到越前角。将测量的相角与计算的相角（越前角）相减取绝对值，由式（3）判断相角差条件是否满足。
测量的相角、计算的相角及相角差的变化过程如图7所示，可以看出，压差和频差条件满足后，当测量的相角与计算的相角基本相等时，即式（3）成立时，发断路器合闸命令控制发电机与系统并列，发电机冲击电流与机端电压的波形。
测量的相角与计算的相角的区别以图形化的方式展示出来，改变了以往大部分学生靠记忆公式来掌握知识难点的状况，使学生真正掌握准同期并网条件及并网时机。学生对于将理论方法转化为微机准同期装置的实现公式有了深刻认识，有利于提高学生的工程实践能力。另外，利用仿真模型，可在上发电机并列实验课之前，使学生就充分掌握并列过程相关波形，然后在实验中进一步验证，大大提高了实验教学的实际效果。
三、结语
“电力系统自动化”是一门实践性很强的课程，在分析教材上关于发电机准同期并列的理论知识及难点的基础上，用软件仿真平台搭建模型并再现理论分析的结果，使学生直观地了解到发电机并列的原理和实现方法，激发了学生对电力系统自动化课程的学习兴趣，便于学生理解教学内容。教学实践证明，将仿真软件应用到发电机准同期并列的教学中可以达到良好的教学效果，也可推广用于相关课程的教学。
参考文献：
[1]商国才.电力系统自动化[M].天津:天津大学出版社,1999.
[2]卓乐友,叶念国,翁乐阳,等.微机型自动准同期装置的设计和应用[M].北京:中国电力出版社,2002.
[3]郭谋发,杨耿杰.双微机协同工作的自动准同期并网装置的研制[J].电气应用,2005,24(9):90-93.
[4]张葛详,李娜周. MATLAB仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2003.
（责任编辑：刘辉）