（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的船舶电站自动控制装置.pdf

英文摘要 a b s t r a c t a u t o m a t i o no fs h i pp o w e rs t a t i o ni sa l li m p o r t a n tp a r ti nu n m a n n e de n g i n er o o m ， a n das u b j e c tt h a tr e s e a r c h e r sh a v es t r i v e dt os t u d yo nf o rd e c a d e s t h em a t u r ec o n t r o l m o d ee m p l o y e di nd e v e l o p e dc o u n t r i e si sa u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c ef o rs h i pp o w e r s t a t i o nc o o p e r a t i n gw i t hp l co rr e l a yc o n t r o lc i r c u i tt of o r mt h ea u t o m a t i cs h i pp o w e r s t a t i o n i nt h i ss t u d y ，t h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 af r o mt ic o m p a n yi su t i l i z e da st h ec o r e c o n t r o l l e rf o ra u t o m a t i cc o n t r 0 1d e v i c e w h i c hc o o p e r a t e sw i t hs i e m e n ss 7 2 0 0t h a t a c h i e v e st o pm a n a g e m e n tf u n c t i o nt oc o n t r o lt h es h i pp o w e rs t a t i o na u t o m a t i c a l l y ，a n d t h i si sam e a n i n g f u la t t e m p ta n de x p l o r a t i o nf o rt h er e a l i z a t i o na n dd e v e l o p m e n to f a u t o m a t i cs h i pp o w e rs t a t i o n t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h ea u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c ef o rs h i p p o w e rs t a t i o nb a s e do nd s pi si n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 ) t h e d e t e c t i o no fc o n d i t i o n sf o rp a r a l l e l i n g ，i n c l u d i n gt h ed e t e c t i o no fv o l t a g e ， f r e q u e n c y ，a n dp h a s ed i f f e r e n c e sa n dt h ec a l c u l a t i o no fe a r l yc l o s i n gt i m e ； 2 ) a u t o m a t i ca d j u s tf r e q u e n c ya n dl o a d ，i n c l u d i n gt h es p e e dg o v e r n i n g ， c o n s t a n t - f r e q u e n c ya p p r o a c ha n d t h er e a l i z a t i o no fa c t i v ep o w e rd i s t r i b u t i o n a n ds h i f t ； 3 ) a u t o m a t i cc o n n e c ta n dc u tp l a n t ，i n c l u d i n ga u t o m a t i cs t a r ta n da u t o m a t i cc u t ； 4 ) s e c u r i t yd e t e c t i o na n dp r o t e c t i o n , i n c l u d i n gt h ep r o t e c t i o nf o ro v e r c u r r e n t ， l a c k - v o l t a g e ，r e v e r s ep o w e ra n dt h ea l a r mf o rv o l t a g ea n df r e q u e n c y a b n o r m a l ； 5 ) a n t i - j a m m i n gd e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ed e v i c ei ss u c c e s s f u l l yd e b u g g e db a s e do nt h ep l a t f o r mo ft w og e n s e t s ，a n di t h a sb e e na b l et or u ns t a b l ya n dr e l i a b l yi nt h el a b o r a t o r ye n v i r o n m e n ta n dm e e t st h e f u n c t i o nr e q u i r e m e n t s i na d d i t i o n , t h i sd e v i c ec a nb ea l s oa p p l i e dt os m a l la n d m e d i u m s i z e dp o w e rs t a t i o no nl a n dw i t hc o m m o n a l i t y k e yw o r d s ：s h i pp o w e rs t a t i o n ；a u t o m a t i o nc o n t r o l ；d s p ；p a r a f l e l ；a u t o m a t i c a d j u s tf r e q u e n c ya n dl o a d 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， 撰写成埔硕士学位论文 = = 基王旦墨鲍墼堑鱼堂自麴控鱼筮量：。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。 学位论文作者签名： 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有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权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。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 论文储虢红请导师躲突膨 日期：佣年彤日 基于d s p 的船舶电站自动控制装置 第1 章绪论 1 1 船舶电站自动化概述 机舱自动化从整个发展过程来看，大致为每1 0 年发生一次飞跃，2 0 世纪3 0 年代出现液压控制技术，2 0 世纪4 0 年代出现电气控制技术，2 0 世纪5 0 年代出现 电气一机械控制技术，并发展了单项自动控制设备，2 0 世纪6 0 年代出现气动控制， 并随着主机、辅机和各种自动化设备的可靠性日益提高开始发展遥控技术。1 9 6 1 年日本“金华山丸 号远洋货船交付营运，标志着船舶自动化的开始。 船舶电站自动化是机舱自动化中的重要组成部分之一。船舶电站自动化装置， 从6 0 年代采用继电器控制技术及其后来的晶体管分立元件控制技术到7 0 年代的 小规模集成电路及其后来的中大规模集成数字、模拟电路控制技术，至8 0 年代的 微处理控制技术，9 0 年代的p l c 控制技术，约在7 0 年代末已形成了比较完善的 船舶自动电力管理系统。 船舶电网失电会造成整船瘫痪，电站的可靠供电是全船所有设备正常运行的 必要条件，电站可靠供电的保证则取决于电站控制系统及电站机组、发电机控制 屏等方面。 船舶电站自动化管理功能按三大系统细分大概有： 控制系统： 1 ) 发电机组的自动起动控制； 2 ) 发电机组的自动并车操作； 3 ) 并联运行中功率的自动分配、转移和电网频率的自动调整； 4 ) 取决于负荷大小的发电机组运行台数管理； 5 ) 大功率负荷投入管理。 安全系统： 1 ) 发电机组机、电故障的自动处理与报警及负载自动分级重合闸； 2 ) 发电机组自动或故障状态下解列、停机控制； 3 1 发电机组的安全保护。 第1 章绪论 监视及报警系统： 1 ) 发电机组运行状态显示、故障监视、故障诊断及自动记录； 2 ) 运行中系统给定参数的监视与修改。 作为电站的重要内容之一的电压调节，迄今为止一般均未包含在自动电站管 理系统中，这是因为电压调节器通常与励磁装置组成一体，安装在发电机上。由 于励磁装置是由发电机剩磁电压建立起来的发电机电压供电的，所以它与外部电 压无关。另外电压调节器的功能有限，因此若将电压调节器组合于电力自动管理 系统中，并没有什么优越性，且发电机制造厂家己保证发电机电压及并联运行时 无功分配问题均得到令人满意的程度【1 】。 1 2 国内外研究现状 目前国内外在船舶电站自动控制器方面的研究主要是在控制器核心的选择以 及应用方面。一种是基于可编程控制器技术，这一新型控制设备以其独特的适应 性、灵活性以及较高的可靠性迅速地被应用到工作环境恶劣、可靠性要求高的船 舶领域，如德国西门子公司的船舶电站控制系统s i m o sp m a 5 3 。但用p l c 来实 现并车功能，其所需的信号仍需另行调理，如果功能稍复杂则需较昂贵的高数高 速计数模块及模拟模块，因此方案并不十分理想，此外由于p l c 的循环扫描的性 质导致的定时不准确，这在特定场合下是不允许的【2 1 。另一种是基于单片机控制 技术，目前单片机的集成度越来越高，可靠性以及稳定性方面有了很大改善，同 时在性价比方面较可编程控制器有明显优势，已经被越来越多的应用于船舶电站 自动控制器的设计，如国内的上海驷博监控控制技术工程有限公司的s b 9 8 d a i 船舶电站自动控制装置，控制单元为i n t e l8 0 c 1 9 6 中央处理器。 从目前掌握的情况来看，国外大公司较成熟的方案仍是将电站的自动控制功 能集中在基于微控制器的模块中，形成单独的装置，并与其它p l c 或继电器控制 电路结合，形成完整的自动化电站，并且电站控制器具有较多的保护功能，某些 功能与发电机主开关功能重合，形成多重保护，如d e i f 公司的g p c 系列电站自 动控制装置。 基于d s p 的船舶电站自动控制装置 1 3 本课题研究的主要内容 本课题基于d s p 的船舶电站自动控制装置，使用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为核心控制器，并与s i e m e n ss 7 2 0 0p l c 相配合，是一种集中控制的船舶电站 自动控制器。本研究和设计重点放在各自动单元的开发研究上，采用相关的控制 方法，达到自动船舶电站对于自动并车、自动调频调载、自动增减运行机组以及 故障检测和报警等性能的要求。 本课题主要研究以下几个方面的内容： 1 ) 分析研究船舶电站自动控制装置的整体结构，所要完成的主要功能，分析 技术难点并指出具体的解决方案。 2 ) 检测三个并车条件以及计算合闸提前量。特别介绍采用d 触发器的方式 实现并车时相位差的检测，检测角度的范围达到0 - 3 6 0 0 ，克服异或方式检测相位 差只有0 1 8 0 0 的缺陷，此种方法对于逆功检测和无功功率控制也具有重要意义。 3 ) 自动调频调载的设计。包括调速、恒频方法以及有功功率分配和转移的方 案。在多机组并联运行负载分配的实现上，本设计采用c a n 总线的解决方案， 利用c a n 总线实现在网机组之间的通信，交换功率信息从而实现负载分配和转 移。 4 ) 自动增减运行机组。为实现船舶电站经济合理运行，自动控制装置根据当 前电网功率以及设定参数做出判断，决定是否需要增加或解列机组。 5 1 装置抗干扰措施的研究。船舶上电磁环境复杂，为了提高装置运行的可靠 性，本设计在硬件以及软件上采取一定的措施减小外界电磁干扰对控制装置的影 响。 基于d s p 的船舶电站自动控制装置 第2 章基于d s p 的船舶电站自动控制装置硬件设计 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片概述 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 是为了满足控制应用而设计的，它把一个高性能1 6 位 的d s p 内核和片内外设集成在一个芯片上，体现了s o c 的技术发展趋势。其处 理速度为4 0 m i p s ，为诸多领域提供了先进的数字解决方案。d s p 芯片内含有丰 富的硬件资源，大大减少了用户硬件设计方面的工作。 该d s p 芯片有如下性能和特点： 由于采用了高性能的静态c m o s 制造技术，因此该d s p 具有低功耗和高 速度的特点。工作电压3 3 v ，有四种低功耗工作方式。单指令周期最短为2 5 n s ( 4 0 m h z ) ，最高运算速度可达4 0 m i p s ，四级指令执行流水线。低功率有利于 电池供电的应用场合，而高速度适用于电动机的实时控制。 片内集成了3 2 k 字的f l a s h 程序存储器、2 k 字的单口r a m 、5 4 4 字的双 口r a m ，因而使该芯片很方便地进行产品开发。可编程的密码保护功能能够充 分地维护用户的知识产权。 提供外扩展6 4 k 字程序存储器、6 4 k 字数据存储器、6 4 k 字i o 端口的能 力。 两个专用于电动机控制的事件管理器( e v ) ，每一个都包含：两个1 6 位 通用定时器；8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 输出通道；一个能够快速封锁输出的 外部引脚p d p i n tx ( 其状态可以从c o m c o nx 寄存器获得；可防止上下桥臂直 通的可编程死区功能；三个捕捉单元；一个增量式光电位置编码器接口。 可编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。 1 6 通道的1 0 位a d 转换器，具有可编程自动排序功能，四个起动a d 转换的触发源，最快a d 转换时间为5 0 0 n s 。 控制器局域网( c a n ) 2 0 b 模块。 4 1 个通用i o 引脚。 3 2 位累加器和3 2 位中央算术逻辑单元( c a l u ) ；1 6 位x 1 6 位并行乘法 第2 章基于d s p 的船舶电站自动控制装置硬件设计 器，可实现单指令周期的乘法运算：五个外部中断。 很宽的工作温度范围，普通级：- 4 0 。c 、8 5 。c ；特殊级：- 4 0 。c 1 2 5 c 3 1 。 2 2 基于d s p 的船舶电站自动控制装置系统结构 本设计的电站自动控制功能集中在基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的模块中，形 成单独的装置，并与s i e m e n ss 7 2 0 0p l c 配合，形成g p c + p l c 的控制模式，完 成对电站的自动控制，并且控制装置具有对电站的各种保护功能，与发电机主开 关对电站的保护功能形成冗余保护。 p l c 与电站自动控制装置在电站管理系统中完成不同的功能，p l c 完成上层 管理功能，如通过判断汇流排无电与备机顺序发出起动机组信号；电站自动控制 装置完成底层功能，如接收到来自p l c 的起动信号后，控制本台机组起动、并车、 调频调载等。同时，由于自动控制装置驱动能力不足以及抗干扰设计的要求，p l c 接收自动控制装置的信号并驱动相应继电器动作。另外，为了充分利用p l c 强大 的逻辑判断功能，减少自动控制装置的设计工作，p l c 完成部分逻辑判断功能。 i o 接口功能分配如下表所示： 表2 1i o 接口分配表 a b 2 1i od i s t r i b u t i o nt a b 本设计系统框图如图2 1 所示，并作相关说明如下： 一6 一 基于d s p 的船舶电站自动控制装置 汇 发 流 电 ! 排 发 机 n 、 电 组 控 发 机 状 制 电 电 态 信 机流 信 号 电 号 压 i| rll 信 信光光 号号耦耦 调调隔隔 理理离离 i j， ，jji 电并电 电 ! 一 压 电 生 流 流 有 压 相有 方 效 方 位效 波 值 波 差值 l一卜 r1 ， 之之 - 口 捕捕 。 碧雾垂 夸夸 转 捉 捉 转 换 口 口 换 口口 口口 tms320lf2407a ，ii ： 发发 报 电电 并 警 机组 奎 藏 g 旦 组加 解警 z 譬 起 减 列动 驱 拐 夏 停 速 信作 动 恕 8 信信 号信 器 号号 号 ii 9 液 z 晶 总 按 线 键 图2 1 基于d s p 的船舶电站自动控制装置系统框图 f i g 2 1a u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c eo fs h i pp o w e rs t a t i o ns y s t e md i a g r a m 一7 一 第2 章基于d s p 的船舶电站自动控制装置硬件设计 1 ) 电压、电流信号采集 d s p 需要采集汇流排、发电机电压以及发电机电流。变压器、电流互感器将 大电压电流信号转换为适合处理的二次信号，经信号调理电路转换为电压、电流 有效值以及电压方波。电压、电流有效值接d s p 的a d 转换输入口，经a d 转 换可得汇流排、发电机电压以及发电机电流有效值大小；电压方波接d s p 捕捉口， 经计算可得电压频率；发电机电压方波与汇流排电压方波经电路处理之后可得相 位差方波，此方波接d s p 捕捉口，可得并车所需相位差；发电机电压方波与发电 机电流方波经电路处理之后可得功率因数角方波，此方波接d s p 捕捉口，可得功 率因数角，具体电路见后叙所述。 2 ) d s p 接收的发电机组状态信号以及来自上层p l c 的控制信号 发电机组状态信号有a c b 开关状态等；来自p l c 的控制信号有发电机组的 起停控制信号以及手动自动模式选择信号等。由于控制信号为+ 2 4 v 开关信号， 为了保证d s p 的工作安全与稳定，必须经分压和光电隔离后才可接d s p 的i o 接口。 3 1d s p 发出的控制信号以控制机组运转 d s p 发出的控制信号主要有发电机组的启停、a n 减速、并车解列以及报警 报警动作信号，信号经过放大后直接驱动板载2 4 v 继电器，控制外部电路或者输 入到p l c ，由p l c 驱动相应外部继电器动作。 4 1d s p 与外部通信 机组间进行有功功率的分配时需要在网机组控制器之间通信，以取得各机 组所承担的有功功率。本设计采用c a n 总线的方式，进行控制器之间的通信。 d s p 本身具有控制器局域网( c a n ) 2 0 b 模块，接驱动芯片后与c a n 总线相连。 本设计采用液晶显示机组运行参数，通过按键输入所需参数，液晶显示与 按键由单片机a t 8 9 s 5 2 控制，参数的交互需要d s p 与a t 8 9 s 5 2 进行串行异步通 f 言 i 口o 为了控制装置掉电之后参数不至于丢失，本设计采用2 k 1 6 位串行e 2 p r o m a t 2 4 c 0 2 进行参数的存储，d s p 模拟i i c 总线与之交换信息。 一8 一 基于d s p 的船舶电站自动控制装置 2 3 船舶同步发电机组的并车条件以及实现方案 2 3 1 同步发电机组并联运行意义 随着船舶吨位的增加和电气化、自动化程度的提高，船舶电站容量在不断的 增加，因此主电站通常设有三台甚至更多的发电机组。根据船舶不同运行工况所 需用电量的不同，可以使用一台、两台或三台以上的发电机组通过主配电板汇流 排( 母线) 共同向全船负荷供电，这就是通常所说的并联运行。 同步发电机组的并联运行有许多优点： 能增加电站的可靠性； 能使发电机经常处于最佳运行状态； 能使电能得到合理地使用； 能减少备用发电机组的数量等。 2 3 2 同步发电机组的并车条件 一台发电机组在投入电力系统之前，它的某些参数必须要满足一定的要求， 才允许进行并车操作，而后进入并联运行。所以，待并发电机组在并车前要通过 并车装置进行适当的操作，使这些参数符合并车条件。 1 ) 理想并车条件 对于一个运行中的电站，三相同步发电机准确同步并车操作时，最理想的情 况是满足下面四个条件： 待并发电机组的电压与电网( 或运行机组) 电压的相序一致； 待并发电机组的电压与电网( 或运行机组) 电压的有效值大小相等，即 u g = u b 待并发电机组的频率与电网( 或运行机组) 频率相等，即f o = 厶； 待并发电机组电压的相位与电网( 或运行机组) 电压的相位致，即 晚= 磊。 符合上述四个条件，则待并发电机的电压相量与电网( 或运行机组) 的电压 相量完全重合。若在此瞬间将待并发电机主开关合闸投入电网( 并车操作) ，则 第2 章基于d s p 的船舶电站自动控制装置硬件设计 在待并机组与电网( 或运行机组) 间不会产生冲击电流，这是准确同步的理想情 况。 2 ) 实际并车条件 除第一个条件外，实际并车操作时，要达到理想并车条件是很困难的。以下 分析不满足任一并车条件时发生的情况，以及实际并车应该达到的条件。 假设待并发电机组与电网( 或运行机组) 的频率相等、相位致，但电压 大小不等时并车，即石= 六、名= 名但u u 2 。 当电压不等时投入待并机，则在发电机主开关a c b 两端就有电压差u 存 在，u 产生环流，h ，对两台发电机起均压作用。由于并车瞬间两台机组间呈现 的阻抗主要是发电机的超瞬变电抗五”，它比稳定时的发电机同步电抗z 小的 多。因此，不大的电压差也会产生很大的冲击电流。 假设待并发电机与电网电压大小相等、频率相等，但相位不致时并车， 即u l = u 2 、石= 六但名如。 如果待并发电机电压以的相位超前于运行发电机电压u 的相位为 磊= 4 。一氏，由于两者频率相等，所以这个相位差磊在并车前任何时刻均保持不 变，由于瓯的存在即使两台发电机组的电压数值相等，并车瞬间在待并机组主开 关a c b 的动、静触点之间仍有电压差u ，其大小为u = 2 u s i n 冬，从上式可 z 看出，当8 0 = 1 8 0 0 时，u = 2 u ，此时电压差为最大。 如果并车时的相位差较大，则过大的u 将在并车时产生很大的冲击电流， 在发电机轴上也会形成很大的冲击转矩。由于船用同步发电机转子的转动惯量不 大，在这种冲击转矩的作用下，两台机组的转子可能发生扭轴，也可能产生较大 幅度的相对摆动( 即所谓的“振荡”) ，或者由于自整步作用不足以克服两机组 间太大的相位差，终于失步而跳闸。 假设待并机组与电网电压大小相等、相位一致，单频率不等时并车，即 u = u 2 、名= 名但z 五。 基于d s p 的船舶电站自动控制装置 假设当合闸瞬间f = 0 时刻，两台机组的电压相量是重合的，但经过址时刻后， 由于石 石，所以相量超前u 相量一个万角，相位差万= 2 , r ( a 一：) f 同样产 生一个电压差a u ，其结果同前一情况类似，也会出现环流。如果并车时两机组 的频率相差不大，则由于自整步的作用，能互相拉入同步，但如果两机组频率相 差太大，自整步的作用又不够，将造成失步而跳闸，严重时可能会导致全船失电。 从上面分析可知，当并车的任一条件不满足时，发电机间必然将产生冲击电 流。当冲击电流在许可范围内时，它能帮助同步发电机并车，将两台机组拉入同 步。但当并车条件超出允许范围时，过大的冲击电流可能会导致并车失败或者使 系统电压下降，甚至出现跳电、损坏机组等事故，这些都是应该避免的【4 1 。 c b t315 2 9 2 船舶电站自动控制装置技术条件4 3 4 3 规定： “当采用自动准同期并联时，其主要性能参数为： a ) 允许电压差为5 1 0 额定值； b ) 允许频率差o 1 5 - 4 3 5 h z 可调； c ) 导前时间为o 1 0 3 5 s 可调。 实际并车条件应尽可能靠近理想并车条件即= u b 、芘= 兀、名= 名，因 此c b t3 1 5 2 9 2 规定的电压差5 一1 0 额定值可以认为仅规定最大电压差为 1 0 额定值，根据理想并车条件u g = u 。，最小电压差可以为零。 本设计的电站自动控制装置对于实际并车条件的检测如下： a ) 允许的最大电压差为o 5 额定值，即一2 + 2 v ； b ) 允许的频率差为+ o 1 - - - + 0 3 i - i z ，即待并机频率大于电网频率0 1 o 3 h z ； c ) 导前时间为0 0 1 - 4 3 5 s 可调。 2 3 3 本设计实现同步发电机组并车的方案 以下具体介绍检测并车三个条件硬件电路： 1 ) 频差检测 第2 章基于d s p 的船舶电站自动控制装置硬件设计 3 l l 器 图2 2 方波转换电路 f i g 2 2s q u a r e - w a v ec o n v e r s i o nc i r c u i t 频率的检测是依靠d s p 对方波信号跳变的捕捉功能，因此首先要将采集的正 弦波信号转换为方波信号，图2 2 为本设计采用的方波转换电路，此电路主要包 括三部分：二阶滤波、过零比较与电压跟随。 为了消除干扰并防止可能的波形畸变，同时考虑滤波性能与设计难度，电路 中加入二阶低通滤波电路，v c v s 式低通滤波器典型电路如图2 3 所示( k f = 1 ) 。 c c l 工 图2 3k f = i 滤波电路图 f i g 2 3k v = if i l t e rc i r c u i t 截止频率石与c 的对应关系如表2 2 所示。 u o 表2 2 f o 与c 的对应关系 t a b 2 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n f oa n dc f o ( 1 4 z )c ( t f ) l ( h z ) c ( ，) 1 0 1 0 2 1 0 11 0 4 1 0 5 1 0 3 1 0 2 1 0 2 1 0 30 1 o 0 11 0 5 1 0 61 0 2 1 0 本设计滤波电路输入电压波形频率范围为0 - 5 0 h z ，查表选取电容c = 0 1 t f 。 k r = 1 时墨= 1 4 2 2 k q ，r 2 = 5 3 9 9 k f 2 ，c l = 0 3 3 c ，因此本设计采用的k f = 1 的 基于d s p 的船舶电站自动控制装置 二阶滤波电路参数选取如下所示： r i = 1 4 k q ，r 2 = 5 3 k f 2 ，c = 0 1 d f ，c 1 = o 0 3 3 t f 二阶滤波必然导致时间延迟，并车相位检测电路中使用二阶滤波必须考虑此 时间延迟对相位捕捉的影响。 其中 2 丽12 而萧霖菰击丽纛蒜萧2 6 3 吡6 = 圭c 蜃+ 鹰与1 c 代入传递函数可得 5 3 x 1 0 3 0 0 3 3 1 0 呻f 1 4 x 1 0 3 o 0 3 3 1 0 。0 、，、， 1 4 1 0 3 0 1 1 0 _ o5 3 1 0 0 1 1 0 _ o 7 一+ j i = i ， 1 一+ 2 0 7 兰 + 1 6 3 9 0 6 2 6 3 9 0 6 1 兰： + 2 2 1 0 4 s + 1 4 0 8 3 9 7 6 8 3 6 w o = 2 n f = 2 ，r x 5 0 = 1 0 0 x 代入上式 g ( j w o ) 2 百桶 么：；：0 9 9 7 6 1 1 + 0 0 7 2 口：a r c 协业：4 0 0 4 。 l 同时，根据自动控制理论，线性连续系统正弦稳态响应是一个与输入信号同 频率的正弦信号，但幅度变为原来的h 倍，相位改变么p 。 输入信号儿= 5 s i n ( 1 0 0 r o t ) 输出信号y o u , = 5 x 0 9 9 7 6 xs i n ( 1 0 0 m + 4 0 0 4 ) 幅值衰减可忽略不计，时间延迟乃= 4 0 0 4 。3 6 0 。幸2 0 m s = 0 2 2 2 m s ，相对于 一1 3 一 第2 章基于d s p 的船舶电站白动控制装置硬件设计 主开关l o o m s 左右的动作时间o 2 2 2 m s 的时间延迟对并车的影响可忽略不计。 图23 与图2 5 为二阶滤渡效果图，其中输入电压信号模拟发电机电压波形畸 变以显示滤波效果。 蓁匡蓁霾“翥亭三；三妻主垂三三三三妾 图2 5 二阶滤波输出电压信号 f i g , 25s e c o r t d - o l x i e r f i l t e r o u t p u t v o l t a g es i g n a l 利用图2 2 所示电路，分别取得待并机a b 线电压与汇流排a b 线电压方波， 并接入d s p 捕捉口，经d s p 计算可得待并机与汇流排电压频率，当待并机电压 频率大于汇流排电压频率01 - 4 ) 3 1 - 1 z ，即达到并车条件对于频率的要求。 2 1 电压差检测 对于交流电的电压测量。我们采用单片集成的有效值变换器a d 5 3 6 a j ，将 经过变压器降压的交流电信号转换为精确的直流信号，送d s p 进行模数转换后 完成对电压有效值的采集，经计算可得并车时电压差，当待并机电压与汇流排电 压相差+ - - 05 额定电压以内，即可达到并车条件对于电压的要求。电压有效值测 量电路如图2 6 所示。 基于d s p 的船舶电站自动控制装置 图2 6 电压有效值测量电路 f i g 2 6v o l t a g er m sm e a s u r e m e n tc i r c u i t 图中的r 1 和r 2 为偏置电阻，两电阻的公共连接端接到a d 5 3 6 a j 的c o m ， 由于a d 5 3 6 a j 的c o m 内部为c m o s 电路，阻抗较高，流经c o m 端的电流仅 为数d a 。c i n l 为输入隔直电容，c a v l 为平均电容，它与内部的电阻r ( 2 5 k q ) 构成低通滤波器，以获得平均值电压，有效值电压通过a d 5 3 6 a j 的第8 脚输出。 传统的有效值变换器大多为近似有效值计算，对于复杂信号和大动态范围 的信号存在着转换精度不高的缺点。真r m s d c 转换器a d 5 3 6 a j 根据数学表达 v r m s = 么曙( 所聆2 ) = a v g ( v i n 2 v r m s ) 计算的是真有效值，得到了精度的保证。 本设计选用的芯片a d 5 3 6 a j 的最大转换误差为o 2 ，按本装置需检测的最大电 压4 0 0 v 计算，可得a d 5 3 6 a j 电压采集最大误差为4 0 0 v xo 2 = 0 8 v 。 3 1 相位差检测与合闸提前量的确定 对于相位差检测现普遍解决方案是将汇流排和发电机交流电压波形成方波， 两路方波相异或得到相位差波形的方法，这种方法的优点是每个周期可以产生两 次相位波形，因而对减少并车时间有利，缺陷是其检测相位的范围只有1 8 0 0 ，因 而不能区分相位是超前还是滞后，因此如果并车后没有及时调整功率，则易导致 发电机逆功而跳闸，这在汇流排频率处于波动的情况下更易发生。为了克服检测 相位的范围只有1 8 0 0 的缺陷，本自动装置设计的相位检测采用d 触发器的方式， 电路如图2 7 所示。 第2 章基于d s p 的船舶电站自动控制装置硬件设计 口霪受塾匿 口壁匦豳匿 = f 图2 7 相位差检测电路 f i g 2 7p h a s es l i p sd e t e c t i o nc i r c u i t 经上述电路产生的相位波形如图2 8 所示。 l 汇流排 电压 i 发电机 电压 l 相位差 图2 8 电压与相位波形图 f i g 2 8p h a s ea n dv o l t a g ew a v e f o r m 由图2 8 可见相位羞的检测范围相位可达3 6 0 0 。相位差波形信号送到 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的捕获端口，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的捕获口能设为上升沿或下降沿 捕获。初次设为上升沿捕获，在上升沿捕获的中断服务程序里设置捕获端口下次 为下降沿触发中断，而在下降沿的中断服务子程序里再将下次中断的触发方式为 上升沿，因此读出两次中断对应在捕获端口f i f o 里的值相减即可得到相位差波 形的时间长度从而得到相位差。在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 时钟频率为2 0 m h z ，捕获频 率为1 1 1 2 8 分频，电压频率为5 0 h z 时相位的分辨率可达 基于d s p 的船舶电站自动控制装置 1 2 8 土1 0 - e 型l 一3 6 0 。0 11 5 。 2 0 1 0 叫 换算成角度则最大可测角度为o 1 1 5 0 6 5 5 3 5 = 7 5 3 6 0 。对于频率的测量也是 利用捕获口，不难计算此时频率的测量范围约为2 4 h z 1 m h z 。 图2 9 曲线与曲线分别表示异或方式与d 触发器方式检测相位差范围。 发电机主开关具有固有动作时间t k ，因此合闸信号必须在相位差为零之前发 出，如果提前的时间t z 恰好等于开关的固有动作时间t k ，那么开关正好是在两 个电压相位一致的时候闭合，从而达到了准确同步的目的，所以计算因主开关固 有动作时间导致的合闸提前量t z 是并车时刻捕捉的关键。 差频三角波理论波形是线性的，即使差频正弦波在接近0 0 的小角度内有近似 的线性关系【5 】即图2 9 曲线所示的差频三角波具有线性关系。基于差频三角 波波形线性理论，可以认为相位差与时间存在线性关系。因此，本设计采用d 触 发器方式检测的相位差与时间同样存在线性关系，即图2 9 曲线是线性的，己 知相位差最大值为3 6 0 0 ，只要另知周期1 厂即可得具体的线性关系，图2 9 为合 闸提前量捕捉示意图。 + 。- _ 、+ + - 。+ _ - 。 1 、 歹 t a r 卜i p。 图2 9 合闸提前量捕捉示意图 f i g 2 9b r e a k e rd e l a ys c h e m a t i cd i a g r a m 其中a f = g e n f r e - b a r 一丹p ( 2 1 ) 基于线性特性，可以利用如下公式计算oy j ：， 第2 章基于d s p 的船舶电站自动控制装置硬件设计 o y j = 3 6 0 。瓦a f( 2 2 ) 由于d s p 通过检测相位差方波高电平时间来达到检测相角的目的，因此必须 将oy j 转换成与之对应的相位差方波高电平时间t f ，公式如下： 弓= o y j b a r 一乃p 3 6 0 0 ( 2 3 ) 将式( 2 2 ) 代入式( 2 3 ) 可得 耳= 3 6 0 。瓦x 矽b a r 一乃p 3 6 0 0 = 瓦矽b a r 一丹p ( 2 4 ) 本设计主开关固有动作时间t k = l o o m s ( 可进行参数设定) ，在a f = o 1 h z ， b a r 一肌= 5 0 h z 的情况下，根据公式( 2 4 ) 可得： 耳= 1 0 0 m s x 0 1 h z 5 0 h z = 0 2 m s 此时o y j = 3 6 0 。1 0 0 m s x 0 1 舷= 3 6 。 当d s p 检测到相位差方波高电平时间等于t f 的时刻即为合闸提前量t z 所要 求的时刻，此时发出合闸脉冲可达到准确同步的目的。 2 4 船舶电站调频调载原理及实现方案 调频调载的基本功能： 1 ) 应当能自动维持电网的频率为额定值； 2 ) 按参与并联运行各机组的容量以既定的比例或其他既定的方式自动控制 负荷分配； 3 ) 接收“解列”指令时，能自动控制负载转移。 自动调频调载装置实质是针对原动机调速器的二次调节，但是调频调载装置 不能改善调速器的动态性能，当动态过程结束，系统稳定后，由于调速器的有差 特性及其不一致等原因，系统的频率和功率分配就会显示出静差，自动装置只是 根据这个静差来进行校正。为使装置避开动态过程，一般采用延时来实现【5 1 。 2 4 1 频率调整及有功功率分配的意义 频率是衡量电能质量的主要指标之一。船舶电力系统的频率波动，会对电力 系统运行的可靠性和经济性带来严重的影响。它不仅影响无线电通信、航海仪器 等电子设备的正常工作，而且更严重的是使电动机运行恶化。如果电网上同时有 基于d s p 的船舶电站自动控制装置 几台发电机并联运行时，当各机组的频率波动时，将引起各机组有功负载分配不 均匀，甚至使有的机组过载，有的机组转入电动机状态工作，即发生逆功率的情 况，最终导致保护装置动作，使主开关跳闸。 船舶主电站通常都是由几台容量不太大的同容量、同型号的同步发电机组成 的。当采用多台机组并联供电时，几乎都是将系统的总负荷( 包括有功功率和无 功功率) 平均地分配给参与并联运行的各台机组；当不同容量的发电机并联运行 时，则是将系统的负荷依照各台发电机的容量按同一百分比来进行分配，这样有 利于发挥并联运行各机组容量。否则，当一台机组的功率接近额定值，另一台机 组的功率甚小时，若系统的负荷再增加，两机的负荷功率都将增加，这就可能使 一机组过载，而另一机组离满载还较远，显然这是不利的1 5 】。 2 4 2 调速器及其调速特性 并联运行发电机组间有功功率的分配与各机的调速特性有关。调速器是根据 原动机的实际转速与给定转速之间的差值，对转速进行自动调整的装置。由于电 力系统要求供电电压的频率维持恒定，因此调速器应为定速调速器，即通过调速 器调节维持原动机转速不变。调速的种类很多，先后出现了机械式、电液式、电 子调速器等多种型式，但无论哪种型式，都包括测量比较、执行等环节，其工作 原理都是测出转速偏差后，根据偏差的大小和符号去调节原动机。 柴油机的转速刀( 或电网的频率厂) 与柴油机输出的功率p 之间的关系，称 为柴油机的调速特性。当调速弹簧的预紧力为一定时，可得出一条调速特性曲线。 在一定的负载转矩下，通过手动或调速器伺服电动机压紧或放松弹簧，使套筒下 移或上移，油门开度增大或减小，转速将变高或降低。当负载转矩改变时，则将 在新转速基础上依不变的斜率使转速随之改变。故调速特性是一族连续可调的平 行特性曲线，如图2 1 0 所示。由于一次调节不能保持转速恒定，为维持额定转速 和频率，就必须人为地( 手动或自动) 调节调速弹簧的预紧力，使特性曲线平行 下移或上移，这种操作称为二次调节【纠。 第2 章基于d s p 的船舶电站自动控制装置硬件设计 上j p n 图2 1 0 调速特性曲线 f i g 2 10a d j u s t m e n tc h a r a c t e r i s t i cc u r v e 2 4 3 并联运行机组间有功功率的转移和分配 调节并联运行发电机的功率就是改变发电机输入的机械功率。船上多采用同 容量、同型号的发电机，因此，希望并联运行时各机组承担的有功功率相等。现 阻两台发电机组并联运行为例，说明如何进行有功功率的转移操作。 p 2 p p 图2 11 有功功率转移示意图 f i g 2 11a c t i v ep o w e rs h i f td i a g r a m 设1 稃发电机运行与a 点，输出的有功功率为p ，2 拌发电机为并入发电机，浮 接在电网上，处于空载状态，运行于b 点，两机的频率一功率特性分别如 图2 1 3 曲线1 和曲线2 所示。要实现有功功率的转移，具体操作步骤如下： 其方法是通过操作调速器伺服电动机的控制开关( 在发电机控制屏上) ，使伺 基于d s p 的船舶电站自动控制装置 服电动机正转或反转，改变调速弹簧的预紧力，使其调速特性曲线向上或向下平 移。在转移负载时，为保持电网的频率不变，必须