频率差控制中逻辑判断法的SIMULINK仿真在教学中的应用研究

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摘要：作者探讨了一种利用倒相微分及双稳态触发器构建的频差方向判别逻辑法，并根据原理电路由SIMULINK仿真系统运行。仿真结果表明，作者所讨论的频率差控制中的逻辑判断法可在SIMULINK中实现，进而更有利于学生直观学习逻辑判断法的原理，加深理解。

关键词：频率差控制；逻辑判断法；SIMULINK仿真；仿真教学应用

0 引言

同步发电机自动并列中需要调整频率差，使得待并发电机的频率与电网频率接近，即频率差不超过0.2%-0.5%（0.1-0.25Hz），由此，可实现发电机的并列。若并列频率差较大，满足其他条件下，发电机需经历加速或减速过程，才能实现同步。加速或减速力矩会对机组造成冲击，情况严重下，甚至会导致失步。当待并发电机的频率低于电网频率，则频率差控制单元发升速脉冲使发电机升速。当待并发电机的频率高于电网频率，则频率差控制单元发减速脉冲使发电机减速。据此，频率差单元可由频率差方向检测环节和频率调整环节组成，此两部分共同实现发电机并列。而发电机并入电网后，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，同期操作时调速控制通常应只限于在区间内进行。

频率差检测通常采用相位差鉴别法和逻辑判断法。相位差鉴别法只适用于短期的频率差控制，而本文将利用SIMULINK仿真实现使用逻辑判断法的频率差控制，从而实现待并发电机与电网的并列。

1 逻辑判断法原理

由于电网频率与发电机频率不同，则会形成两条快慢不等的波形。经过两条快慢波形的相对运动后，则快波的下降沿在慢波的正周期，即在变化区间内，频率高的电压由正到负的过零点总在频率低的电压的正半周期内，因而可以判断应当加速或减速及进行相应的电路设计进行频率差控制。本文所探讨的即利用该原理设计逻辑判断法的原理电路的SUMILINK仿真研究。

如图1所示为频率差方向判别逻辑法原理电路。假设待并发电机频率大于电网频率，即，首先将与正弦波整形为方波，通过倒相微分后的信号与另一经方波整形的信号同时输入至与门运算，输出结果为一系列正脉冲，使得双稳态触发器D置位。而双稳触发器输入信号同为0或同为1则稳定，即可将离散信号转变为连续信号，进而进行进一步的运算，从而实现应当加速或减速的判断。

由于同期操作时调速控制通常应只限于在区间内进行，而输入线性整步电压首先经电平检测及脉冲形成电路后可以在该区间内形成一个有一定宽度的触发脉冲M，M脉冲控制与门，只能在内的某一段开放，允许发出调速脉冲。在上述假定的条件下，与门A5将在区间内输出调速信号，与门A6始终闭锁无输出信号。即双稳触发器的输出信号与正周期进行与运算，进而判断为加速或减速。

当时，则情况相反。

2 仿真设计

2.1倒相微分模块

如图2为倒相微分模块，利用选择开关模块SWITCH等模块后进行判断选择输出。该倒相微分电路可分为倒相及微分两部分。微分电路可实现高通，其输出波形为正向的脉冲，而SWITCH模块为选择开关模块，再经过DIVIDE等模块运算，最终形成由正到负过零点的正脉冲。

2.2 双稳触发器

S-R触发器是一个双稳态电子电路，即它有两个稳定状态：高电平或低电平。由于触发器是双稳态元件，它的输出保持在任一稳定状态，直到应用外加触发信号作用下，触发器书法状态才可能发生变化，其真值表如表1所示。

3 仿真研究

打开SIMULINK，搭建仿真电路，进行调试运行。

在仿真系统中输入两个频率不等的信号，假定，设定振幅同为1，脉冲宽度为50%，此时发电机的电压有正到负过零点总在频率低的电压的正半周期内。如图3所示为经方波整形后波形。

由原理电路图1可知，经方波整形后需进行倒相微分，如图2为在SUMULINK中依据倒相微分原理搭建的模块，即在SIMULINK中利用SWITCH等模块搭建系统进行仿真研究。经倒相微分后最终可将方波转变为由正到负过零点的正向脉冲，从而进行与门运算。如图4所示为倒相微分模块运行后的输出信号。

如下图5为SIMULINK中倒相微分模块及其后续部分系统搭建，下图6为经过倒相微分及与门后，双稳触发器的输入脉冲，即为一系列正脉冲，使得双稳触发器D置位。而在区间内，则使得双稳触发器反向端置位。由表1可知，当输入信号同为0或1时，双稳触发器输出信号为连续信号，即可将离散信号转为连续信号。下图7为经双稳触发器后的输出信号。

最终，将双稳触发器的输出信号与M脉冲进行与运算，从而判断加速或减速。

4 结论

作者讨论的该SUMILINK仿真研究能够很好的实现逻辑判断法，且其仿真结果表明，逻辑判断法可实现频率差控制。而频率差控制有利于调整带待并发电机的频率，使频率差趋于并列条件，从而促成并列的实现。此研究对于逻辑判断法的原理简洁直观，有利于增强学生知识理解能力，提升学生仿真搭建水平，深化学生探索精神建设，对课堂教学具有一定的现实意义。

参考文献

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