（电力电子与电力传动专业论文）基于模糊控制的船舶电站自动调频调载装置的研究与设计.pdf

英文摘要 r e s e a r c ha n dd e s i g nf o rf r e q u e n c ya n dl o a da u t o m a t i cc o n t r o lo f m a r i n ep o w e rs y s t e mb a s e do nf u z z yc o n t r o l a b s t r a c t t h ea u t o m a t i o no fp o w e rs y s t e mi st h ek e yl i n ki ni m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t ya n d c o n t i n u a n c eo ft h ew h o l ep o w e rs u p p l y ，, s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tf o rr e s e a r c h i n gt h e a u t o m a t i o no fp o w e rs y s t e m d e s i g n i n gt h ec o n t r o l l e rw i t hm c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) i n s t e a do fs e p a r a t ec o m p o n e n t si st h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fm a r i n ep o w e rs y s t e m a u t o m a t i o n t h eo r i g i n a lt a k e st h em a r i n ep o w e rs y s t e ma sr e s e a r c ht a r g e t i nt h i s a r t i c l e ，p r o p o s e st oc o m b i n et h ef u z z yc o n t r o lw i t ht h ed s p ( d i # t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) c o n t r o lt e c h n i q u ei na ne f f o r tt of u l f i l lt h eo p e r a t i o n sr e q u i r e db yt h ef r e q u e n c ya n dl o a d a u t o m a t i cc o n t r o lf o rm a r i n ep o w e rs y s t e m b a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7t h a tp r o d u c e db yt ic o ，t h es y s t e mc h i e f l yc o m p l e t e s t h ed a t as y n c h r o n i z a t i o nc o l l e c t i n g , r e g u l a t i n ga n dc o n t r o l l i n go ft h ep o w e rs y s t e ma n d f u l f i l l st h ef u n c t i o no fa u t o m a t i cs h u t d o w na n df r e q u e n c ya n d1 0 a dc o n t r 0 1 c o m p o s i n g ad i s t r i b u t i n gn e t w o r ks y s t e mb yu s i n gc a nf i e l d - b u sw h i c hh a st h ea d v a n t a g e so f h i 曲r e l i a b i l i t ya n dh i g hs p e e dt r a n s m i s s i o n t h ep ci m p l e m e n t st h ef u n c t i o n o f m o n i t o r i n g , d i s p l a y sa n d c o n t r o l st h et w oc o n t r o l l e r s t h ep a r a m e t e ro fd i e s e l e n g i n ea n dg e n e r a t o ri sc h a n g i n ga l o n gw i t hl o n g - t e r m o p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m ，t h ec h a n g e sm a y i n d u c et h el o a dv i b r a t i o nw h e nf r e q u e n c y a n dl o a dc o n t r o lu n i ti sv a l i d v i b r a t i o no fl o a dc a l lc a u s cb r e a k d o w no fp o w e rs y s t e m ， s oa i ma tt h i s ，t h i sp a p e rm a i n l yi n v e s t i g a t ss e v e r a la c t i v em e t h o d sa n di n t r o d u c ea m o d i f i e dv i r t u a ld i f f e r e n c em e t h o db a s e do nf u z z yr o l e t h i sp a p e rm a k e sas i m u l a t i o n s t u d yb ym a t l a b ，a n dv e r i f i e sf e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d t h em e t h o di sv a l i d a t e da t l a b ，a n dh a sa c h i e v e da na p p r o v i n gr e s u l t k e yw o r d s ：m a r i n ep o w e rs y s t e m ：f r e q u e n c ya n dl o a dc o n t r o l ：v i r t u a l d i f f e r e n c em e t h o d ；f u z z yc o n t r o l ：d s p 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 ：基王撞塑控剑的篮壁生塑自塾遢麴塑戴苤量的婴窒生逯 盐二- 。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人 或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：诎碘溅哕年；月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 一：紫君0 妒 日期：年湖f 师 基丁模糊控制的自动调频调载装置的研究与设计 第1 章绪论 1 1 课题的来源和现实意义 近年来，随着微机技术的飞速发展，微机控制系统在船舶上的应用越来越广 泛，先后出现过微机集中式自动化系统，分散式自动化系统和集散式自动化系统。 由于计算机的设计、制造与应用技术日益成熟，上世纪八九十年代世界上许多国 家相继研制出微机型电站自动化产品。船舶电站自动化的优点有：维持电站供电 的连续性和可靠性，增强船舶运行的生命力；提高船舶电站供电质量；改善船员 工作条件，减轻值班强度；提高劳动生产率，提高船舶运行的经济指标【“。 8 0 年代后期以来，国外各公司陆续推出了采用局域网络技术的船舶控制系统， 如德国西门子公司的未来型系统，丹麦s t l 公司的i s c 系统，美国s p e r r y 公司 的航行管理系统等。在上述系统中都包括电站计算机控制子系统。也就是说在这 些代表发展方向的系统中，电站都是由计算机控制的。w o o d w a r d 公司1 9 9 5 年 推出了专用于电站控制的计算机分散式( d c s ) 控制系统，完成柴油机控制，同步并 车，频载控制和系统监测等全部自动化任务。美国o n a n 公司也推出智能化电站 控制系统p o w e r c o m m a n d ，实现电站全自动化。而我国目前国内生产的船舶 电站自动化装置，未见有定型的、网络化集散式计算机控制产品的报道。 我国是船舶制造、维修、运输的大国，船舶制造、维修市场空间巨大，而我 国在船舶主要控制产品的国产化方面的发展与我国的船舶制造业的规模不相适 应，国产化的高科技含量的控制产品市场需求迫切，潜力巨大。为此，为了振兴东 北工业基地，拥有自主创新的品牌来替代国外产品，大连市经济委员会立项开发、 生产出具有自主知识产权的分布式船舶电站自动控制装置来替代国外产品，并将 其产业化，推广应用于我国的船舶制造、维修市场，市场的发展空间广阔。 船舶电站中自动调频调载是影响电站可靠性和稳定性的重要环节之一，对其研 究有十分重大的现实意义。本课题即束源于大连市经济委员会项目“网络化船舶 电站自动控制装置”，对电站自动化，尤其是自动调频调载装置进行了设计和研究。 1 2 本课题研究内容 第l 章绪论 在自动化程度要求较高的船舶上，船舶电站的调频调载是船舶电站自动化中 的一项重要内容。设置自动调频调载装置，可以提高船舶电站供电的可靠性。 本课题将国外产品的特点保留，但进行了突破：课题采用了分布式独立控制 器，即每个发电机组都有独立的控制系统；利用c a n 总线实现网络化和信息共享； 随着电站长期运行，电机出厂参数会发生变化，这样，原有的装置会存在负荷变 化时发生振荡、甚至无法稳定的现象，因此本课题的自动调频调载装置采用了模 糊控制，可以适应性的调整控制参数，保证较小的振荡次数，提高系统的稳定程 度。 1 2 1 船舶电站自动化的功能 船舶电站自动化的功能主要包括以下几个方面【2 】： ( 1 ) 发电机组在接到启动指令后能自动启动； ( 2 ) 启动成功后，自动投入电网； ( 3 ) 电网电压、频率的自动调节； ( 4 ) 同步发电机的自动准同步并车及并联运行发电机组间有功功率和无功功 率的自动分配： ( 5 ) 按电站负荷情况实现对部分负载的自动切除或投入； ( 6 ) 负载转移和过剩机组自动解列； ( 7 ) 运行参数的控制、显示以及故障的监视处理。 自动化船舶电站系统中主要环节为：数据采集装置、自动并车装置、频载调节 装置、数据传输、显示、监控部分。所以课题主要围绕这几个环节展开。其中， 重点对自动调频调载装置进行设计和研究。 1 2 2 课题设计的基本思路 本课题采用c a n 总线组成了分布式控制系统，每个发电机组都有独立的d s p 控制器：并用c a n 总线实现网络化和信息共享。 课题分为以下几部分： ( 1 ) 数据采集系统。该部分是整个船舶电站自动调频调载装霄的基础，文中阐 基于模糊控制的自动调频调载装置的研究与设计 述了发电机运行时电网电流、电压、频率、相位差的采集的硬件电路，给出了软 件流程； ( 2 ) c a n 总线通信。实现了每个分布式控制器之间的通信。并利用p c i 卡实 现了各个控制器与上位机之间的信息传送。 ( 3 ) 调频调载装置。其控制方法为以模糊控制规则来修正虚有差法的控制参 数，并且通过m a t l a b 仿真对比验证了方法的可靠性和优越性。 根据以上三个方面的介绍，本课题的控制器采用了1 1 公司2 0 0 0 系列的 1 m s 3 2 0 i 砣4 0 7 a 型号d s p ，它是t i 公司为电机控制和其它嵌入式控制应用而设 计的。它具有如下主要特点：灵活的指令系统；灵活的操作性能；高速的运算能 力；改进的并行结构；很高的性价比。此外，与传统单片机相比，d s p 可以精确 实现复杂算法。 本装置就以该型号d s p 为中央处理器，本着分布式控制的思路，每个机组的 中央处理器分别对电流、电压进行采集，对相位，功率，频率进行计算；各个机 组的控制器独立，通过d s p 的c a n 总线模块进行通信，实现各个网结之间的控 制通信，从而实现数据共享，并将电力参数通过l c d 显示出来。在设计时，重点 对调频调载装置的控制方法进行了设计和仿真研究。通过比较，采用了模糊控制 方法。整个装置硬件电路简单，抗干扰能力较强，控制效果良好。 第2 章自动电站的基本功能及实现策略 第2 章自动电站的基本功能及实现策略 2 1 发电机组的并联运行 船舶电站为了满足船舶供电的可靠性和经济性均装有两台以上的同步发电机 组作为主电源，并且这些发电机可以通过母线向全船负荷供电，这就是并联运行【l j 。 通常将船舶同步发电机投入电力系统并联运行的操作称为并车操作；反之，将同 步发电机退出电力系统的操作称为解列操作。 2 1 1 并车种类1 3 1 ( 1 ) 准同步方法：这是目前船舶上普遍采用的一种并车方法它是在待并机组 和运行机组两者电压、频率和相位都调整到十分接近的时候，合上待并发电机主 开关。采用这种方法进行并车引起的冲击电流、冲击转矩和母线电压的下降都很 小，但要求必须严格小心的操作，这是它的缺点。 ( 萄自同步方法：这种方法是用原动机将未经调整的发电机转速带到接近同步 转速，即将发电机主开关会闸，并依靠立即给发电机上加上励磁以及机组问自整 步作用而拉入同步，使发电机与电力系统并联运行其优点是操作简单，合闸迅 速，但冲击电流和冲击转矩大，压降也大，而船上的电力系统容量又较小，这种 方法不能保证电能质量，因此较为少用。 2 1 2 准同步并车条件和分类 影响发电机投入并联的因素有三个：电压差、频率差和相位差。若待并发电 机与电网电压不等时投入发电机，将在两机组问产生一无功性质的环流；若频率 不等或相位不一致时，其差值将产生有功的整步电流；在发电机投入电网的瞬间， 发电机的电抗骤降会引起冲击电流。发电机投入时应限制这些差值，否则，产生 的冲击电流可能危及机组的安全，影响正常供电。 设待并发电机的瞬时电压为：u 。u 。s i n ( q t + m | o ) ，其中下标g 表示待并发 电机( i n c o m i n g g e n e r a t o r ) ：电网的瞬时电压为u 。u s i n ( c i ) , t + o ) ，其下标n 表示 电网( n e t w o r k ) ，为角频率，m 表示初相位，6 为相差角。那么待并机组与运行机 基于模糊控制的自动调频调载装置的研究与设计 组( 电力系统或电网) 之间并车需要满足的条件可表示为“1 ： ( 1 ) 待并发电机的电压与电网电压相等，即u 。- u 。； ( 2 ) 待并发电机的频率与电网频率相等，即f l - f o ； ( 3 ) 待并发电机组的相位与电网的相位相等，即6 一m 。一m 。- 0 。 若符合上述条件时并车，冲击电流为零，这是准同步并车的理想情况。但实 际上，要做到完全满足上述三个条件，达到理想的同步是不可能的，因此，只能 要求电压、频率和相位差都在一定的允许范围之内即可合闸并车。 通常在船舶电站并车操作中，电压差不得大于1 0 额定电压；相位差一般限制 在士1 5 。以内；频差在0 5 i - l z 以内。在实际设计中，为了不出现逆功现象通常使待 并机组以正压差、正频差投入，即需要在上述条件的基础上再满足：u 。一u 。，0 ， f i 一 0 。 由于发出合闸信号的那一刻到主开关触头闭合需要经过一段时间，从为了使 待并机主开关的触头在6 0 时刻闭合，必须要求自动并车装置早一些送出合闸信 号。通常将给出合闸脉冲到发电机的电压相位与电网的电压相位重合时的这段时 间称为越前时问，将给出合闸脉冲时电压相位角的差称为越前相角。 自动准同步并车装置可分为两类【3 1 ： ( 1 ) 恒定超前时问的自动并车装置 发出合闸信号提前的时间恰好等于发电机主开关的动作时问，采用这种方法 的自动并车装置在理论上称作恒定越前时日j 的自动并车装置。这种方法可以做到 在发电机和电网的电压相位完全重合的条件下合闸。但实际上由于主开关的合闸 时间不固定，所以可能会稍有偏差【4 l 。 ( 2 ) 恒定越i j i 相角的自动并车装置 设用t o 表示越前时问，以6 0 表示越前相角，0 d l 为两发电机的角频差，则两者 之间的关系可用式2 1 表示。 此装置在给定的越i j 相角下发出合闸信号，此时越前时间并不是一个确定的 第2 章自动电站的基本功能及实现策略 6 0 = t o i t 。 ( 2 1 ) 数值，它取决于并车时的角频差。因此，这种装置在原理上就不能保证完全准确 的实现准同步并车的条件【3 l 。 一般而言，在发电机主开关合闸时间较小的情况下，上面两种自动并车装置 都可以得到很成功的运用。但是，当合闸时间比较长时就不再允许恒定越前相角 的并车装置，因为在这种情况下发电机投入并联运行时引起不能忽略的平衡电流 和平衡功率f ”，因此本课题采用的是恒定越前时闻的自动并车装置。 2 2 频率及有功功率的自动调整 2 2 1 频率变化的原因及对船舶电力系统的影响 发电机运行时，其功率的平衡方程为【3 l ： p , - p f “p + t c 詈 ( 2 - 2 ) 式中：e 一原动机供给发电机的有功功率； p f 一发电机负载所消耗的有功功率； p 一发电机通过负载电流时的机电损耗； t 一发电机的惯性时间常数； p 决定于发电机原动机的进油量，当该功率与发电机的负载功率和机电损耗 平衡时，塑d t 一0 ，也就是转速( 频率) 恒定；当功率平衡破坏时，( 如突加或突卸负 载时) ，即p f 增大或减小时，若油门开度不能相应变化，即e 未变，将导致频率下 降或升高，即出现粤。o 或粤，0 ，也就是频率会发生相应的变化。 d td t 如果电网频率低于额定值时，异步电机的转速下降，轴上输出功率和效率降 低。在电动机电压不变的情况下，由于磁化曲线的饱和特性，磁化电流增加要比 磁通增加多得多，进而会引起铁芯和绕组发热。当频率高于额定值时。电动机转 速升高，对于转矩不变的机械负载，其输出功率必然增加，使电动机过载，这样 基于模糊控制的自动调频调载装置的研究与设计 不仅会影响船舶设备的正常工作，而且更严重的是会使电动机运行恶化，对电力 系统运行的可靠性和经济性带来严重的影响【5 】。另外由于原动机是按额定转速发出 最大功率和最高效率设计的，当转速变化时，就会使原动机效率降低并使其零件 磨损加剧。几台发电机并联运行时，频率波动会引起各机组有功负载分配不均， 造成有的机组过载，严重时稳定运行会受到破坏，也使电力系统的运行不经济。 2 2 2 稳定性和经济性的有关规定 为了保证船舶电力系统运行的稳定性和经济性，运行中对原动机转速及发电 机频率的调整是十分重要的。钢质海船入级与建造规范规定，带动发电机的原 动机( 包括柴油机和汽轮机) 须装有调速器，其调速特性应符合如下规定：当突然卸 去额定负载时，其瞬时调速率不大于额定转速1 0 ，稳定调速率不大于额定转速 的5 ，稳定时n ( e p 转速恢复到波动率为士1 范围的时间1 不超过5 秒。 2 2 3 有功功率分配和调节的原则 发电机输出的有功功率是由原动机的机械功率转化来的，随着负荷的变化需 要经常调整原动机的转速，以保持电网电压的恒定。对并联运行的发电机，改变 发电机间的有功功率分配，是通过改变各台发电机原动机的油门大小，即单位时 间内进入气缸的燃油量来实现的。柴油机喷油量的大小，关系到柴油机在一定转 速下的输出功率。也就是说，单机运行时发电机的某一转速( 频率) 对应输出某一有 功功率；对并联运行的发电机，某一频率对应着每个发电机的输出功率。所以， 并联机组有功功率分配与电力系统频率调整密切相判1 i 。系统有功功率平衡被破坏 造成电网频率的变化。因此调节频率和凋节有功功率是直接相关的，二者的调节 归根到底都是调节原动机的是油门( 柴油机) 或汽门( 汽轮机) 的大小。 在同容量、同型号的发电机并联运行时，应将系统的总负荷平均分配给参与 运行的各台机组；当不同容量的发电机并联运行时，则将系统的总负荷按各台发 电机容量成比例的分配给运行的发电机，以增强并联运行的稳定性和经济性1 6 1 。 2 2 4 原动机调速器及其调速特性 在船舶电力系统中，频率的调整及有功功率分配依赖于原动机的调速器的调 第2 章自动电站的基本功能及实现策略 节。当柴油发电机组输出功率变化时，依靠柴油机调速器的固有特性自动改变油 门的开度，实现频率与机组间功率的分配及平衡的过程称为频率的一次调节。 调速器是柴油发电机组的一个重要部件，它的作用是维持发电机的转速在一 定的数值。调速器一般都是基于飞铁的离心力与弹簧的反力相平衡的原理而制成 的，也称为离心式调速器。 ( 1 ) 离心式调速器结构及工作原理 一个典型的调速器的结构如图2 1 所示。它的工作过程赳3 l ：柴油机的传动轴 1 将转矩传到轴2 ，使得飞铁3 绕轴2 旋转，飞铁在离心力的作用下有张开的趋势， 由此通过拨爪4 将滑套筒5 向上顶，直到与弹簧6 受到压缩后产生的反作用力取 得平衡。此时处于某一平衡位置的滑套筒5 再通过杠杆7 、拉杆8 将油门拉到一定 的开度，机组在一定转速下平稳运行。 若由于某种原因( 例如负载减小) ，机组的转速升高破坏了调速器的平衡，其调 节过程为：转速升高，飞铁的离心力增大，推动滑套筒5 向上移使油门减小同时 压缩弹簧6 取得新的平衡，机组在新的速度下再一次达到平衡。如果机组的转速 下降，调节过程与上述恰好相反，机组最后会平稳运行在一个相对较低的速度上。 l 拉杆 7 舡并 图2 1 离心式调速器示意图 f i g 2 1g e n e r a lv i e wo f c e n t r i f u g a lv e j o m e t e r 基于模糊控制的自动调频调载装置的研究与设计 ( 2 ) 调速器的特性 图2 2 中的直线1 是理想情况下的特性曲线，我们称之为无差特性，即转速不 图2 2 调速特性 f i g 2 2g o v c m o rc h a r a c t e r 随功率变化，直线2 称之为有差特性，可以看出转速随着功率的增大呈下降趋势， 之所以这样，我们在介绍调速器的结构特点时己经提及，这是由调速器本身的结 构决定的。 调速特性一般用k 。来表示： k 。一等一筹= 等吨a 亿s ， 式中，t g a 是转速特性斜率，n ，p 是转速和有功功率的标幺值。 当负载变动时，通过伺服电动机1 0 ，经蜗轮蜗杆传动可以将弹簧6 事先压紧 到一定的程度。如果需要保持转速不变而加大输出功率，可以加大弹簧预紧力， 此时油门加大，输出功率就会增加；如果要求增加转速，也应加大预紧力，滑套 筒下移使得油门加大转速升高。总之，加大预紧力可以使输出功率增加、频率升 高；而减小预紧力可以使输出功率减小、频率降低。可见弹簧预紧力的调节对于 频率和有功功率的调节十分重要，区别于调速器依靠本身的作用自动维持转速在 一定范围内的一次调节，我们称它为调速器的二次调节。 2 2 5 单机运行时频率的调整 一次调节具有有差特性，所以频率并不是恒定不变的。为了维持频率不变， 第2 章自动电站的墓本功能及实现策略 必须人为的改变调速器弹簧预紧力，进行二次调节。 以单机运行时，利用离心式调速器，手动调频的情况来进行讨论。 j 如图2 3 所示，假设当发电机运行于调速特性曲线1 时，负载有功功率为p o ， 此时频率为f n ，用a 点表示。若负载增大致p 】，在调速器的一次调节作用下，机 组将沿曲线1 的a 点变化到b 点，此时对应的频率将是f 1 。为了维持频率仍为f n ， 则必须对调速器作二次调节，使伺服马达调速旋钮向快的方向旋转，增加调速器 弹簧的预紧力，使得油门开度增大，特性曲线向上平移到曲线2 。当机组转速还没 来得及改变时，其频率仍为f 1 ，不过此时的工作点已经移到曲线2 上的c 点，对 应的机组输出功率为p ：，且有p ：，p l ，剩余的功率就会使机组沿特性曲线2 升速。 随着频率的上升，由于负载的调节效应，剩余的功率逐渐减小，最后达到新的工 作点d ，对应的功率为西，频率为f n ，这样就实现了频率的调节。 2 2 6 并联机组间有功功率的转移和频率调节 ( 1 ) 并联机组日j 有功功率的转移 当电网上第二台机组空载并入后，假设电网上己有第一台发电机带负载p 运 行，需要将有功负载转移一半给二号机，这个任务调速器不能自动完成，若无“自 动负荷分配”装置就必须手动操作。设电压和无功功率己由调压器保证了，因此 只讨论如何实现有功功率的转移和保持频率不变。 基丁二模糊控制的自动调频调载装置的研究与设计 j 图2 4 机组间功率转移 f i g 2 4p o w e rt r a n s f e rb e t w e e nt h eg e n e r a t o r s 如图2 4 ，设两台机组容量相同，开始时，一号机组运行于特性1 的a 点，对 应量为f n 和p ，并入的二号机组空载运行于特性2 的b 点，对应量为f n 和p 2 - 0 。 增大二号机组的油门，使特性2 向上平移到特性曲线2 2 ；同时减一号机组的油门， 使特性1 向下平移到特性曲线1 1 ，且与曲线2 2 相交于c 点。说明通过上面的调整， 两台机组的频率都为f n ，而各自承担的功率都为p 2 。以后就由调速器自动稳定 功率分配和调节电网频率1 3 1 。 ( 2 ) 机组并联运行时的均功和稳频 对于已处于并联运行的两台具有有差特性的发电机组，调速器通常采用有差 f 调节法实现功率分配和电网频率的稳定。 厶 _ ：f 图2 5 频率及有功功率分配示意图 f i g 2 5d i s t r i b u t i o n0 ff r e q u e n c ya n da c t i v ep o w e r 如图2 5 所示：设特性l 和2 分别表示两台发电机组的调速特性，其调差系数 第2 章自动电站的基本功能及实现策略 分别为k c l 和k c ：开始时，系统运行于a 点，即p l - p ：，频率均为f n 当系统负荷 增加p 时，电网的频率将下降，各机组的调节过程将沿各自的调速特性进行。当 频率下降到f z 时，若各机组发出的功率总和增加到与电力系统的负载在这一频率 f z 下吸收的功率相等时，则达到了平衡。这时，一号机工作于a l 点的二号机工作 于a 2 点，两机各自承担的功率将分别为p i 和p ：。 从调速特性图上不难得到下面的关系式。 一号机的功率增量为： a p l 一a f k d ( 2 4 ) 二号机的功率增量为： a p ：- a f k c ： ( 2 5 ) 式中：f 代表电网频率的变化量，k c 。，k c ：为一号机和二号机的调差系数。 根据功率平衡关系有： a p - a p l + a p ：- 一去一i - a f ( 2 6 ) 式中：k 。一为并联系统的平均调差系数。 各机组的功率增量可由下式得出： p li a p 丢 ( 2 ，) p 2i a p 乏 ( 2 - 8 ) 由此可见，在有差调节法中，当系统负荷发生变化a p 时，将引起系统频率的 变化。当各机组的调差系数不同时，功率分配也会变化，且各机组功率的变化量 与p 成正比，与各自的调差系数成反比。 通常，船舶电站采用同容量、同型号的机组并联供电，所以要使各机组能自 动平均承担系统的负荷，则应使各机组的调差系数k 。相等。实际上并联运行的各 基丁：模糊控制的自动调频调载装置的研究与设计 机组，当调速器的调差系数不可调时，要满足各个调差系数一致是很困难的。在 选用调速器时，应尽可能使k c 值互相接近，而不必追求较小的调差系数，从而增 强并联运行的稳定性。 综上所述，当采用有差调速特性的机组并联运行时，各机组可以有确定的功 率分配，频率也可以稳定在一定范围内。但是当总负载变化时，由于调差系数的 不一致和燃油控制系统的差异，功率分配一般是不均匀的。若想进一步减小频率 与功率分配的静态误差，必须依靠手动或利用自动调频调载装置进行二次调节才 能实现。 2 2 7 自动调频调载方法 自动调频调载装置维持电力系统频率恒定和有功功率按比例分配，实质上是 对原动机调速器的预紧弹簧压力作微量调节。方法归纳起来主要有以下四种【3 1 ： ( 1 ) 有差调节法 利用具有有差调速特性且调差系数相近的发电机组并联运行来实现频率稳定 及负载分配的频载调节方法。这种方法无自动调频调载装置，无法进行二次调节， 各机组只由具有有差特性的调速器来控制，因此不能很好地维持频率恒定，负载 分配一般也不均匀。此外，它不能自动转移负荷。 ( 2 ) 主调发电机法 这种方法是在并联运行的发电机组中选择一台作为“主调机”，当电网负荷 变化而出现频差时，由主调机组进行频率的二次调节，改变油门的开度，使电网 频率维持稳定，该主调机还承担电网负荷的变化量。而参与并联的其他机组则总 是带固定的负荷，称为“基载机”。主调发电机法原理简单，但缺点是使主调机和 基载机的功率因数不一致，且随负载的变化而变化，这样当负荷变化较大时，调 频过程就会很慢，因为只有主调机组在起调整作用。 ( 3 ) 主从控制法 主从控制法是在并联运行的发电机组中选择一台作为主控机，主控机的主要 作用是维持电网频率的稳定。它不断地把电网频率与给定频率相比较，当电网频 第2 章自动电站的基本功能及实现策略 率高于给定频率时，其调节器输出减速信号，通过主控机的调速伺服马达调小原 动机的油门：反之，则加大油门，力图维持电网频率的稳定，有时也称其为m a s t e r ， 相应地其余的机组称为s l a v e r ，专门负责负荷分配，对频率的变化则不过问。 ( 4 ) 虚有差法 虚有差法是在参与并联的每一台发电机上都装设按频差和功率分配差进行调 整的控制系统。在它们的控制下能经常地保持电网的频率为额定值，电力系统的 负荷则按给定比例进行分配。虽然每台发电机所装置的调速器仍为有差特性，且 调差系数都不为零，也不会影响调整结果。这就是“虚有差”这一名称的含义。 目前它在自动调频调载领域应用较为广泛。 ( 5 ) 积差法 积差调整法是按频差f 对时间的积分a f k f a f d t 来进行调频的，同时引入 ， 与各机组实际功率成正比的功率信号进行比较来校正负荷分配。它的特点是调整 结束时总是保持恒频和按比例分配负荷。 本文采用比较优越且应用广泛的虚有差法作为自动调频调载的方法，具体应 用方法见第5 章。 2 3 小结 本章先后介绍了自动同步并车、频率和有功功率、电压和无功功率的自动调 控等方面的基本原理和应用方法，在讨论了相应电站的特点基础上，分析、总结 出了对应控制策略。为下面的设计部分提供了坚实的理论基础，并且指明了设计 方向。 基于模糊控制的自动调频调载装置的研究与设计 第3 章基于d s p 的系统硬件的设计 3 1 系统整体结构及t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 介绍 3 1 1 系统整体结构 系统采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型号d s p 为主控单元，系统整体结构图如图3 1 所 示。 图3 1 系统整体结构图 f i g 3 1f r a m eo f t h ew h o l es y s t e m 在每台发电机中，以d s p 为控制核心的节点模块负责电网电压、发电机电压、 电流、频率、功率、相位等信号的采集处理，然后根据相应控制算法对发电机发 出加、减速信号、控制主开关的刀：合闸，实现发电机组的自动并车、调频调载等 功能。并且通过串口通信，利用由单片机控制的液晶显示模块显示相应的数据， 发电机组通过c a n 总线和上位机连接起来构成局部网络系统，可以把工作状况的 参数通过c a n 网络发送到上位机中，实现监控、显示、控制功能。 3 2t i a s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 介绍 ( 1 ) d s p 在电机控制领域的应用 自d s p 问世以来，电机控制就是d s p 主要应用领域之一。特别是随着控制理 论的发展和高性能控制的需求，一般的单片或多片微处理器不能满足复杂而先进 第3 章墓丁d s p 的系统硬件的设计 的控制算法时，更使得d s p 成为这种应用场合的首选器件。 为了更好的应用于电动机控制器，除了微处理器，还需要专用门阵列组合， 以及相应的存储器和外围芯片，这就使得芯片数量增加，软件复杂，价格提高。 针对这一问题，美国a d 和1 r i 公司相继研制成功了以d s p 为内核的集成电机控制 芯片一1 1 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列，a d 公司的a d m c 系列等。这些控制器不但 具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构、抗干扰能力强等特点，而 且有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备 7 1 。随着经济的发展，能 源和环保的要求和对控制器的体积要求越来越高，d s p 必然会得到更加广泛的应 用。 ( 2 ) t m 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片概述 ，| 搬谴牲 图3 2t m 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的功能结构框图 f i g 3 2h i n c l i d i a g r a mo f t m 3 2 0 l f 2 4 0 t a 基下模糊控制的自动调频调载装置的研究与设计 t m 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是t m 3 2 0 l f 2 4 x 系列中功能比较高的一款d s p ，功能结构框 图如图3 2 所示。以下是对其主要单元的简介【7 1 1 8 】： t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 核心c p u ：3 2 位中央算术逻辑单元( c a l f 0 ；3 2 位累加器； 1 6 位1 6 位的3 2 位输出能力并行乘法器；3 个定杯移位器；8 个具有专用算术单 元的1 6 位辅助寄存器可以用于内存的间接寻址。 内存：5 4 4 字x 1 6 位片内数据程序双存取r a m ；3 2 k x1 6 位f l a s he p r o m ： 2 2 4 k 1 6 位最大可寻址空t 司0 4 k 字的程序空间、6 4 k 字的数据空间、6 4 k 字的i o 空间和3 2 k 字的全局空间】；具有软件等待状态发生器、1 6 位地址总线和1 6 位数 据总线的外部内存接口模块支持硬件等待状态。 程序控制：4 级流水线操作；8 级硬件堆栈；5 个外部中断( 2 个驱动保护、1 个复位和2 个可屏蔽中断1 。 指令集：和c 2 x c 2 x x c s x 定点d s p 在源代码级别上保持兼容：单指令重复 操作；单周期乘加指令；具有内存块移动指令用于程序数据管理；间接寻址能力。 耗电：高性能静态c m o s 技术，3 3 v 的f l a s h 编程电压；四种省电模式可进 一步减少电能损耗。 速度：2 5 n s 的指令周期( 4 0 m m s ) 且大多数指令都是单周期指令。 事件管理器：1 2 路比较，脉冲宽度调制( p w m ) i 臣道；4 个1 6 位通用定时器可工 作于六种工作方式，包括连续向上计数模式和连续上下计数模式；6 个1 6 位比较 单元具有产生死区的能力；6 个捕捉单元，其中两个有与正交编码器脉冲接口的电 路。 双1 0 位模数转换器。2 8 个独立可编程复用的l ，o 引脚。基于锁相环( p u 0 的 时钟模块。具有实时中断监视定时器：( w a t c h d o g ) 模块。串行通信接口( s c l ) 模块，1 6 位串行外部设备接【3 ( s p i ) 模块，有利于实现与其它控制器之间的连接。控制器局 域网( c a n ) 。 3 2 数据采集部分的硬件电路 3 2 1 电压信号采集电路 第3 章墓了d s p 的系统硬什的设计 本系统对电压以及电流的采样是用d s p 内部的a d c 模块来实现的，所以首 先介绍一下a d c 模块。 由3 1 节介绍的t m 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片结构可知，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 有两路相对 独立的a d c 模块，具有内置采样保持的1 0 位a d c 内核。主要特点【9 】： 转换时间快，可达到3 7 5 n 。s ：每路各带有一套采样保持电路和8 路模拟输入信 号的选通电路，共可输入1 6 路模拟信号；两路a d c 模块可以同时工作，即两个 模拟信号可被同时转换，亦可采用单次转换方式或连续转换方式，且具有自动排 序能力，最多一次可以执行1 6 个通道的自动转换，而每次要转换的通道可以通过 编程来选择；转换启动可以由软件、内部事件或外部事件触发；含有可单独访问 的1 6 个两级转换结果寄存器( r e s u l t 0 r e s u l t l 5 ) n - 可存放两个连续的转换结果； 两个可编程的a d c 模块控制寄存器，支持中断查询的操作。灵活的中断控制允许 在每一个或每隔个序列的结束时产生中断请求。 通过上述对a d c 特点的介绍，可以应用该模块对电压、电流进行采样，在使 用时必须注意：a d c 输入引脚的采样信号电压必须满足该型号d s p 的输入电压范 围( o 3 3v ) ，最大不能超过3 9 v ，否则将导致a d c 模块损坏。 在电压采样部分的硬件设计中，将发电机和电网的电压信号，分别经过一个 电压互感器将外部电网的高压与控制电路进行隔离隔离降压得到正弦交流电压 信号后整流成为脉动的直流电压，通过滤波电路进行虑除直流纹波，接稳压电路， 维持输出直流电压稳定。然后再把直流电压通过电阻分压成o 3 3 v 的电压信号， 然后再将结果送到d s p 的模数转换器( a d c ) 中，d s p 2 4 0 7 有1 6 个模拟输入通道 ( a d c i n 0 - a d o n t s ) ，可以满足系统需求。检测的结果与降压前电压具有很好的线 性关系。电压信号采集电路如图3 3 所示。 3 2 2 电流信号采集电路 对电流信号的采集，首先通过电流互感器测量发电机电流信号，经过 c t 0 4 - 5 2 5 型精密电流互感器将配电板提供的标准电流互感器输出的电流变成 o 2 5 m a 的电流信号，转换后的电流信号与原信号之日j 具有很好地隔离效果，可 基于模糊控制的自动调频调载装置的研究与设计 图3 3 电压信号采集电路图 f i g 3 3c i r c u i to fv o l t a g ea c q u i s i t i o n 以隔离外部的大电流对采样电路的冲击。然后采集输出端精密电阻的端电压，这 样就将电流信号转化为了电压信号，然后参照对电压信号的采集处理方法，因此， 电流信号采集也是应用了d s p 的a d c 模块。 图3 4 电流信号采集电路图 f i g 3 4c i r c u i to f c t l r r e n ta c q u i s i t i o n 3 2 3 频率及相位差信号采集电路 系统通过d s p 的捕获单元对频率信号进行采集，捕获单元是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中事件管理器模块( e v ) 中的一个功能模块，它有其自身的中断逻辑系统，功能很 强大，共有六个捕获单元，分别在两个事件管理器中，每一个捕获单元都有一个 相对应的捕获引脚。捕获单元的特点： 1 个1 6 位的捕获控制寄存器c a p c o n x ( 对e v a 为c a p c o n a ，对e v b 为 c a p c o n b x 可读写) ；一个1 6 位的捕获f i f o 状态寄存器c a p f i f o x ( 对e v a 为 c a p f i f o a ，对e v b 为c a p f i f o b ) ：可选择通用定时器1 2 ( 对e v a ) 或者3 4 ( 对 e v b ) 作为时基；3 个1 6 位两级深度的f i f o 堆栈( c a p x h f o ) ，每个捕获单元一个； 第3 章基于d s p 的系统硬件的设计 可由用户定义的跳变检测方式( 上升沿，下降沿，或上升下降沿) 可屏蔽的中断标 志位，每个捕获单元对应一个标志位。 ( 1 ) 频率信号采集 在采集测量电压的频率过程中，取出经电压互感器输出的正弦波电压信号， 经过电压比较器l m 3 3 9 的过零检测电路转换成方波信号后，再送到d s p 的捕捉脚 ( c a p x ) 中。如图3 5 所示。 一 ( 2 ) 相位差信号采集 利用与图3 5 同样的信号采集电路分别将电压和电流互感器输出的正弦信号 转换成方波信号，送到异或门7 4 h c 8 6 中比较两个方波信号，把7 4 h c 8 6 输出的信 号并送到d s p 的c a p x 中，就可检测计算出相位差，并可以进一步算出相位差所 对应的余弦值。再根据前面求出的电压和电流的值就能够算出发电机的有功功率。 r 厂 广 f 广 厂 厂 厂 r lr lr lr lf lr lr 圈3 6 相位筹l 鳘i 示 f i g 3 6p i c t u r eo fp h a s ed i f