电力系统稳定器的设计毕业论文.doc

景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 电力系统稳定器的设电力系统稳定器的设 计毕业论文计毕业论文 目目 录录 1 引言 1 1 1 电力系统稳定器 1 1 2 电力系统稳定器国内外研究现状 1 1 3 电力系统稳定器发展趋势 2 1 4 本课题研究意义 2 2 电力系统低频振荡机理 4 2 1 电力系统低频振荡 4 2 2 电力系统数学模型分析方法 5 2 3 电力系统低频振荡分析模型 7 2 4 影响阻尼的因素及解决措施 9 3 电力系统稳定器的工作原理 10 3 1 电力系统稳定器抑制低频振荡的原理 10 3 2 电力系统稳定器的输入信号 11 3 3 PSS 的传递函数 12 4 电力系统稳定器的结构 13 4 1 电力系统稳定器的结构图 13 4 1 1 TMS320F2812 芯片介绍 13 4 1 2 TMS320F2812 引脚介绍 14 4 2 模拟量输入通道 14 4 2 1 交流信号采集调理电路 16 4 2 2 直流信号采集调理电路 17 4 2 3 ADC 采样模块 18 4 3 开关量输入输出单元 19 4 3 1 开关量输入通道 19 4 3 2 开关量输出通道 20 4 4 同步检测及移相触发单元 22 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 4 4 1 同步信号的检测 23 4 4 2 移相脉冲的形 24 4 4 3 脉冲功率放大电路 24 4 4 4 脉冲故障检测单元 25 4 5 其它硬件模块 27 5 电力系统稳定器的软件设计 28 5 1 电力系统稳定器软件总体设计思想 28 5 2 主程序设计 28 5 2 1 系统初始化模快 28 5 2 2 电量计算模块 29 5 2 3 控制调节模块 33 5 2 4 限制保护模块 35 5 3 中断程序设计 37 5 3 1 同步信号捕获中断 37 5 3 2 移相脉冲中断 40 5 3 3 AD 转换完成中断 44 5 4 软件可靠性设计 46 6 结论 47 致 谢 50 参 考 文 献 51 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 1 1 1 引言引言 1 1 电力系统稳定器电力系统稳定器 电力系统稳定器 power system stabilizer PSS 是一种安装在发电 机自动电压调节装置上用于改善电力系统动态稳定性的附加励磁控制装置 它 在励磁电压调节器中引入领先于轴速度的附加信号 产生一个正阻尼转矩去克 服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用 用于提高电力系统阻尼和解决 低频振荡问题 是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一 PSS 抽取与此振 荡有关的信号 如发电机有功功率 转速或频率 加以处理 产生的附加信号 加到电力系统稳定器中 使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩 1 2 电力系统稳定器电力系统稳定器国内外研究现状国内外研究现状 近年来 随着电力系统发展到大电网 大机组 超高压 高度自动化的阶 段以及微电子技术 计算机技术及控制技术的迅猛发展和日趋成熟 使得电力 系统稳定器的研究和设计成为一个非常活跃的领域 我国电力系统稳定器的研究和设计比较早 80 年代初就有一些电力科研单 位和高校开始研制电力系统稳定器 4 8 第一台投入现场运行的是南京自动化 研究所 现国电自动化研究院 研制的适用于大中型发电机的 WLT 1 型电力系统 稳定器 WLT 1 型电力系统稳定器以 8 位单板机为核心 采用 PID 调节方式 福州大学于 1990 年研制出 SMER C 型微机电力系统稳定器 采用 8 位 8051 单片 机 具有多种调节 控制和限制功能 用于福建省内的大部分中小型发电机组 中国电力科学研究院与南京自动化设备厂合作研制的 WKKL 1 型微机双自动电力 系统稳定器选用 16 位工业控制机 CCSDK 86 在控制规律上以 PID 调节为主 同时引入了电力系统稳定器 PSS 附加控制 清华大学与哈尔滨电机厂合作 研制了全数字式电力系统稳定器 采用 STD 总线结构或 8098 单片机结构 控制 规律采用 PID 调节方式 PSS 附加控制 线性最优励磁控制 LOEC 和非线性 励磁控制 NEC 四种调节规律具备完善的保护 限制 报警功能 华中科技 大学与东方电机股份公司和葛洲坝电厂能达通用电器有限公司合作 开发研制 了线性最优和自适应最优微机电力系统稳定器 经过多年的努力 国内的一些 院校 研究所和公司在电力系统稳定器的设计 生产和运行方面已经积累了丰 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 2 富的经验 电力系统稳定器的优良性能在实际生产运行中也日益显示出来 国外的电力系统稳定器进入实用也是在 20 世纪 80 年代 1989 年 7 月日本 东芝公司在日本八户发电所投运了双微机系统的数字式电力系统稳定器 1990 年 5 月加拿大通用电器公司 CGE 也开发出了电力系统稳定器 1993 年日本三 菱公司投运了 MEC5000 型系列微机电力系统稳定器 此外 奥地利 ELIN 公司 德国 SIEMENS 公司 英国的 GEC 公司等也都相继生产出微机电力系统稳定器 这些大公司均具有很强的科研开发能力 电力系统稳定器所用的计算机系统一 般以专用的高速可编程控制器为核心 采用自行研制的专用控制板组成 因而 具有结构紧凑 可靠性高的优点 其中 瑞士 ABB 公司的 UNTROL D 型多微机 电力系统稳定器在我国石洞口电厂 李家峡电厂等得到使用 三峡 700MW 机组 的电力系统稳定器由德国 SIEMENS 公司提供 加拿大 CGE 公司生产的 SILCO 双 通道型微机电力系统稳定器安装在我国隔河岩水电站的进口机组上 这些电力 系统稳定器多采用 PID PSS 控制 各种控制 限制功能较完善 装置整体制造 水平也较高 从整体上看 我国在电力系统稳定器的控制算法方面处于国际的先列 所 开发的电力系统稳定器的功能也非常强大 但装置所选用的元器件的可靠性以 及生产制造工艺水平与国外相比还存在一定的差距 1 3 电力系统稳定器发展趋势电力系统稳定器发展趋势 随着我国三峡水电站的竣工和我国西部煤炭资源的利用和开发出现了西电 东输的要求 从减少大气污染这个角度看也需要发电厂远离城市 这就造成了 远距离重负荷输电的局面 电力系统稳定器 PSS 的发展和应用显得更为重要 电力系统稳定器 PSS 也将朝着更智能 硬件结构更简单 互换性好 使用维护更简单易行的方向发展 1 4 本课题研究意义本课题研究意义 电力系统的稳定问题是电力系统的根本问题 电力系统发展初期 系统的 结构相对简单松散 其静态稳定问题通常表现为发电机与系统之间的非周期失 步 随着电力系统的不断扩大 出现了大型电力系统的互联 系统联系因此变 得越来越紧密 整个电力系统也变得越来越复杂 系统的静态稳定问题由此常 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 3 表现为发电机组之间的功率动态振荡 特别是在互联系统的联络线上 这种振 荡的表现更为突出 由于这种振荡的频率较低 一般在 0 2 2 SHz 之间 因此 通常称之为低频振荡 其振荡时产生的能量通过机电联系来传递 因此又称为 机电振荡 表现为发电机电功率和功角的变化 低频振荡严重时会导致系统解 列或失去稳定 是大型电力系统互联引起的最重要的影响系统稳定的问题之一 自 20 世纪 70 年代以来 美国 日本及西欧等电力系统在运行中均发生输电线 路低频功率振荡的事故 振荡严重时破坏互联系统之间的并列运行 造成联络 线跳闸引发大面积停电 近十多年来 我国各大电网也相继发生了联络线低频 振荡的现象所以为了解决低频振荡给电力系统带来的危害 研究电力系统稳定 器是很有必要的 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 4 2 2 电力系统低频振荡机理电力系统低频振荡机理 2 1 电力系统低频振荡电力系统低频振荡 由于电力系统规模的扩大 大型发电机普遍采用了由集成电路和可控硅组 成的电力系统稳定器 使自动电力系统稳定器的时间常数从过去的几秒缩短到 几十毫秒 快速励磁系统 晶闸管直接励磁或高起始响应励磁系统 的广泛采用 更使得励磁系统时间常数大为减小 从而降低了电力系统的阻尼 对联系较弱 的电网系统影响较大 使系统中经常出现弱阻尼 甚至是负阻尼 因此 许多 电力系统出现了每分钟几个至几十个周波的频率很低的自发性系统振荡 在这 种情况下 当振荡严重时会破坏互联系统之间的并列运行 造成大面积停电 这种现象称为低频振荡 在低频振荡研究领域世界各国的专家学者提出了一些不尽相同的低频振荡 产生机理 主要的观点有以下几种 23 1 欠阻尼原理 在对低频振荡的分析中 负阻尼机理相对来说是比较成熟的理论 得到学 界的广泛认可 20 负阻尼机理是由学者 F Demello 提出的 按照 F Demelfo 的 分析 励磁系统是一个惯性系统 如果电力系统稳定器的放大倍数有所增加 就可能会造成对应转子机械振荡的特征根实部从小于零的负值渐渐上升 这样 的情况下 再加上电力系统稳定器放大倍数过大的不利条件 特征根实部甚至 有可能达到正值 进而使得系统发生增幅振荡 所以 也可将低频振荡的原因 理解为励磁系统放大倍数过大引起了负阻尼增大 甚至将系统原先固有的正阻 尼抵消了 使系统呈现出负阻尼状态或者阻尼极小 这样的系统在扰动出现的 时候 就不能使扰动很快平息 反而会出现引起系统振荡的增幅振荡 负阻尼 机理是一种经过多年的研究完善以及实践检验的机理 可说是一种公认的理论 2 发电机的电磁惯性引起的低频振荡 文献 24 指出由于发电机励磁绕组具有电感 则由励磁电压在励磁绕组中产 生的励磁电流将是一个比它滞后的励磁电流强迫分量 而这种滞后的控制在一 定条件下将引起振荡 这种电磁惯性引起的低频振荡的产生条件目前还无定论 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 5 这一方向正处在研究阶段 3 参数谐振 电力系统受到外界周期性扰动 当扰动频率与系统的自然频率存在某种特 殊关系时 会产生谐振振荡 当其处于低频区时表现为低频振荡 4 非线性奇异现象 分歧现象 电力系统的分歧有静态分歧和动态分歧两种情况 文献 14 15 根据动态分 歧中的 Hopf 分歧理论指出系统在临界点附近发生亚临界分歧的条件是临界点 处的曲率系数 0 从而系统的动态行为出现了奇异 即特征根仍在虚轴左侧 时系统就开始出现不稳 出现了增幅性的低频振荡 此时稳定域由于亚临界分 歧的出现而变小 不稳定区域扩到了左半平面 系统的稳定域变小 5 混沌振荡机理 文献 25 中指出 混沌现象是在完全确定的模型下产生的不确定现象 它 是由非线性系统中各个参数相互作用而导致的一种非常复杂的现象 目前人们 只是感性的认识到混沌现象的一些典型特征 文献 26 针对低频振荡的参数进 行分析得出了以下结论 l 仅有阻尼而无周期性负荷扰动时 系统不会出现混 沌振荡 2 在周期性扰动负荷的作用下 且当扰动负荷的值超过一定范围时 系统出现混沌振荡 3 在周期性负荷扰动下 当阻尼系数接近某一数值时 系 统发生混沌振荡 上面的几种观点都从某一方面揭示了低频振荡的发生机理 欠阻尼原理研 究的最早也最成熟 这主要得益于线性系统理论的成熟 目前已经形成了一套 比较完整的理论体系 并在工程上得到实际应用 谐振理论主要是在设计和制 造时加以考虑分歧现象主要用于低阶单变量系统 高阶多变量非线性系统的稳 定分析目前在理论上还没有得到很好的解决 主要是通过数值分析来判断 混 沌理论目前还停留在做理论上的探讨 在工程中目前难以应用 2 2 电力系统数学模型分析方法电力系统数学模型分析方法 到目前为止 电力系统低频振荡的分析方法大致上可以分为两大类 一类 分析方法是在建立电力系统全阶数学模型后 对该数学模型进行分析 即是基 于理论的研究方法 而第二类方法则是对系统进行实际测量 然后再对实际测 量得到的信号进行分析 即是基于实验的研究方法 21 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 6 就这两类方法来说 第一类方法只有建立了电力系统的全阶数学模型才能 使用 而电力系统的全阶数学模型往往不易建立 因此这类方法会受到一定限 制 基于电力系统数学模型的分析方法主要有以下几种 1 特征根分析法 特征根分析法也可称为复频域法 特征根分析法是指 对电力系统状态方程的特征根进行计算 并据此获得电力系统的所有振荡模式 然后对特征根灵敏度和特征向量进行分析和计算 还能过得更多有关振荡的信 息 QR 方法可以用于求解低维矩阵的特征值 也曾被用来求解电力系统的特征 值 但是在目前阶数常常达到上万的电力系统状态方程中己经显得不那么有用 了 取而代之的研究热点是降阶方法 隐式重启动 Amoldi 算法也可以被用于计 算大型电力系统机电模式特征值 隐式重启动 Amoldi 算法可以在大型电力系统 中计算出特征值 且具有收敛迅速 可靠性高的优点 24 2 时域仿真法 这种方法是将全系统模型通过各个元件的模型在系统中 所表现出来的拓扑关系建立 再将系统的稳态值和系统的潮流解作为运算的初 始条件 解出系统状态量以及代数量随着时间变化的曲线 最后根据得出的曲 线来对系统进行分析 时域仿真法分析的基础是经过仿真计算得出的系统时域 曲线 其优势在于不受系统规模限制 缺点在于由研究人员自己设定的扰动未 必能使研究工作获得全部振荡模式 同时该方法消耗较多计算资源 但是获得 的必要信息量不大 3 频域分析法 AESOPS 方法在此类方法中极具代表性 AESOPS 方法也 属于部分特征值法 它是通过迭代计算得到系统在机电模式下的特征根 但只 计算部分能对系统稳定性有重大影响的特征值 使用传递函数矩阵描述系统 通过代数方程代替微分方程描述输入输出关系 这样得到的传递函数矩阵维数 远远小于状态矩阵维数 避免了 维数灾 4 正规形理论分析法 所谓正规形方法是指某种转换非线性方程到线性 形式的方法 该方法可以从一定程度上描述出系统特性 比如某状态量与某些 振荡模式间的关系 而计及非线性 会发生什么变化等等 该方法可与特征根 法结合使用 另一类基于实验数据对低频振荡进行分析的方法 其具体含义就 是对实际测量所得到的数据进行分析 从而得到所研究问题的物理特征 再根 据这些特征提出理论假设 最后用实验对提出的理论假设进行检验不过电力系 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 7 统非常特殊 实验过程中应该以不对电力系统的正常运行造成影响为原则 因 此在电力系统运行时 现场往往会配备许多设备进行在线实时观测 每当系统 出现了异常情况 如扰动等等 这些现场设备就会把扰动情况和系统输出情况 等记录下来 以备后来的研究所用 这些真实有效的实验数据非常宝贵 它们 对我们检验理论假说提出理论假说的研究工作十分重要 现场实际测量得到的 数据可以帮助研究人员确定系统的振荡频率和振荡模式 有了这些分析结果 就能进一步对系统阻尼等问题进行定量分析 如果从实际测量得到的数据中再 采样各点特征 将不涉及系统的参数阶数等问题 并且这样得出的分析结果具 有如实反映系统状态的特点 目前有很多数学方法用于对低频振荡特征进行分 析 例如实时快速傅里叶变换 FFT 算法 wiener 一 Hopt 线性预测法 MatrixPeneil 法等等 27 在各种方法中 主要被使用的还是 Prony 方法 此 方法以实验为研究基础 又与理论结合进行分析 是一种具有科学态度的有效 方法 为低频振荡的研究提供了有力的工具 2 3 电力系统低频振荡分析模型电力系统低频振荡分析模型 图 2 1 单机无穷大系统 图 2 1 为单机无穷大系统的示意图 在研究同步发电机电磁转矩时 一般 将电磁转矩分解为两个分量 即同步转矩分量和阻尼转矩分量 同步转矩与发 电机转角增量 同相位 阻尼转矩与发电机转子转速增量 同相位 如 果同步转矩不足 将发生滑行失步 阻尼转矩不足 将发生振荡失步 低频振荡的研究涉及到同步发电机的数学模型 考虑有阻尼转矩作用的转 子运动方程式 励磁绕组的方程式以及自动电压调节器的基本方程式 经过对 这些方程式线性化后可以得到用于研究低频振荡的同步发电机的完整模型 如 图 2 2 所示 图中的上半部分为转子运动方程式的机械回路 下半部分为电力 系统稳定器及系统的电气回路 机械回路转矩增量 T Te作为输入 转矩 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 8 角度增量 作为输出 M 为发电机转子惯性时间常数 D 为阻尼系数 0为 同步转速 电气回路的输入为附加励磁控制 UE与机端电压增量 Ut 之差 而输出为 发电机内部的暂态电势增量 Eq 该暂态电势的增量乘以常数 K2 即 K2 Eq 变为电气转矩 Te的一部分 Ut由 K5 占和 K6 Eq 两个分量组成 传 递函数环节中 TA和 KA分别表示电力系统稳定器和励磁机系统的时间常数和总的 放大倍数 Td0和 K3分别表示转子励磁回路的有效时间常数和放大倍数 K5K2K4 K6 K1 1 D SM S 0 Tm Tm Te E q K3 1 Td0K3S E d KA 1 TAS Ug UE Ut 图 2 2 单机无穷大系统传递函数框图 图 2 1 所示的同步发电机低频振荡模型写成矩阵形式为 2 1 fd q AAAAA ddd fd q E E TTKKTKK TKTTK MKMKMD E E 10 1 10 000 0 65 03004 0 21 2 2 0 0 0 0 0 0 2 1 0 1 cossin 0 ddqq qdq d qd qIXXE IXX XX XX U XX U IK K 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 9 2 3 3 K d d XX XX 4 K 0 sin dd dd XX U XX 2 4 0 0 0 0 0 0 0 0 6 5 0 1 cossin 0 t d q t q d d qd t q U U X U U X XX XX U XX U U U K K 式 2 l 是在系统某一典型运行点线性化后得到的 2 2 和 2 4 式中的 带下标 0 的标量表示系统典型运行点的数值 电力系统低频振荡的原因用图 2 2 的方框图可以得到解释 2 4 影响阻尼的因素及解决措施影响阻尼的因素及解决措施 影响系统阻尼的因素很多 包括电力系统的运行方式 负载情况 网络结 构 发电机励磁机参数 都能影响到电力系统的阻尼 l 运行方式的影响 当有功负荷较大 并且在电容性负荷情况下时 阻尼转矩变为负阻尼 容 易发生统低频振荡 另外 联络线负荷增大 功角增大 阻尼减弱 所以低频 振荡都在联络线功率较大时发生 一旦发生低频振荡 应该首先限制联络线输 送的功率 如果发电机多送感性无功负荷 功角会减小 阻尼将增大 有利于 电力系统稳定 2 网络结构的影响 网络结构的强弱对电力系统的阻尼有很大影响 当电源与系统联系较弱时 系统等值电抗 x 越大 功角石越大 阻尼转矩越小 严重时甚至成为负值 容 易产生负阻尼和振荡失步 加强系统结构虽然可以防止弱阻尼 但需要增加联 络线或加强系统电网联系这样会使投资费用增大 而且随着电力系统电网的不 断发展 原有弱联系电网加强后 又可能变成新的弱联系电网 3 励磁机的影响 当 较大时 K5为负 自动电力系统稳定器将提供负阻尼 当励磁机放 大倍数 KA在一定范围内增大时负阻尼将会增大 另外 励磁时间常数 KA及转子 绕组时间常数 Td0越小 负阻尼越大 4 调速器的影响 调速器对系统阻尼的影响一般没有自动电力系统稳定器明显 但是 当采 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 10 用快速的电液调速器时 对振荡频率较低的低频振荡会产生一定的影响 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 11 3 3 电力系统稳定器的工作原理电力系统稳定器的工作原理 3 1 电力系统稳定器抑制低频振荡的原理电力系统稳定器抑制低频振荡的原理 电力系统稳定器是通过采用转速偏差 频率偏差 电功率偏差 加速功率 偏差这几个信号中的一个或者几个信号作为自动电力系统稳定器 AER 的附加输 入 使得系统中产生正阻尼转矩 以提高电力系统的静态稳定性 从而达到抑 制低频振荡的目的 图 3 1 PSS 控制框图 图 3 2 PSS 控制向量图 电力系统稳定器的作用主要是假借加强发电机励磁控制的方法达到加强对 系统振荡的阻尼的效果 借此使电能传输的稳定极限上升 如果系统对振荡的 阻尼太弱 那么系统的输电能力在弱系统条件下就会被限制 所谓的弱系统条 件就是指远距离发电厂需要经长距离线路送电或者是连接大区域的联络线相对 较弱的系统条件 所以 电力系统稳定器的性能只能以其增加这种弱系统阻尼 的能力来进行评价 图 3 1 3 2 为电力系统稳定器的控制框图和向量图 励磁 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 12 系统为滞后单元 它由励磁机迟后角只和发电机磁场回路迟后角典组合而成 要是用 GES s 表示 Pe 的传递函数 可从图 3 1 得出 16 17 2 5 因为 GES s 的迟后作用 如果 K5小于零 此时电磁转矩劫岔 就会位于第 四象限 在 轴上的投影为负 因此出现了使得系统阻尼为负的不稳定现象 倘若在励磁系统的相加点输入一个和 同相位的信号 就会产生一个正的 位于第一象限的 几乎与 同相位的电磁转矩 Mep 如图 2 4 所示 Me 与 Mep相量相加得到总的电磁转矩 Me Me位于第一象限 其在 上的 投影变为正 这表明负阻尼转矩得到了有效补偿 电力系统稳定性得以提高 3 2 电力系统稳定器的输入信号电力系统稳定器的输入信号 1 为输入信号 对于以 为信号的电力系统稳定器 应该在发电机所带的负荷最重 电网联系最强时设计 PSS 参数 但是 当网络出现弱联系时 PSS 提供的正阻 尼作用反而减弱 而此时 电力系统正需要正阻尼 这一矛盾 需要采用别的 控制信号或采用自适应控制方法来解决 另外 由于噪声以及发电机组本身扭 动振荡频率都很高 而以 为输入信号的 PSS 使用的是超前网络 超前网 络在高频时放大倍数会增大 所以 对发电机组轴扭动振荡极为敏感 使扭动 振荡现象更为加重 因此必须采用窄频带的滤波器 以阻止扭振频率信号经 PSS 放大以后与发电机发生谐振 2 Pe为输入信号 以发电机输出电功率峨作为 PSS 输入信号 检测方便 所需的超前角度小 稳定性好 己得到广泛的采用 但是存在着反调现象 当电力系统发生低频功 率振荡时 发电机输出电功率增加 PSS 输出负值会使励磁电流减小 从而减 小了发电机输出电功率 发挥了阻尼振荡的作用 但是 当调节原动机使机械 功率增加时 发电机输出电功率也会增加 此时 PSS 会使励磁电流减小 这 对电力系统静态稳定是不利的 这就是反调现象 以发电机输出电功率为输入 信号的 PSS 对汽轮机和水轮机反调作用的影响是有差别的 对于水轮发电机 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 13 由于机械功率变化速度较快 反调影响较大 需要在改变原动机功率时 瞬间 闭锁 PSS 输出信号 而对汽轮发电机 由于机械功率变化速度较慢 反调现象 影响不大 3 为输入信号 PSS 的 信号通常取自发电厂母线 由于在暂态过程中在系统各点的叮 是不同的 在单机无穷大系统中 好的分母特性基本上与电压沿线的分布是一 致的 因此当系统的联系减弱时 以发电厂母线 为信号的 PSS 对发电机转 子角频率的灵敏度反而增加 恰好补偿了系统联系减弱时传递函数增益的减小 因此以 为信号的 PSS 在发电机负荷及系统联系均在中等水平时调整 不必 担心在系统联系增强时会导致增益过大 4 加速功率 Pm Pe 为输入信号 它具有电功率输入信号的优点 不存在反调现象问题 但需要增加机械功 率 Pm为输入信号 水轮发电机组可以取水门开度作为机械功率的信号 汽轮发 电机组可以取气门开度为机械功率的信号 3 3 电力系统稳定器的传递函数电力系统稳定器的传递函数 以 为输入信号的 PSS 传递函数框图如图 2 5 PSS 一般由放大环节 复位环节 相位补偿环节 限幅环节组成 其输出作为励磁附加信号 图 3 3 PSS 传递函数框图 主要环节的作用如下 放大环节 确保 T e有足够的幅值 复位环节 在过渡过程中使动态信号顺利通过 从而使 PSS 只在动态中起 作用 相位补偿环节 补偿 T d0及 TE引起的相位滞后 以便使附加力矩 T e和 同相位 由 1 3 个超前环节组成 一个超前环节最多可校正 300 400 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 14 限幅环节 防止大干扰时 PSS 的输出量对发电机端电压扰动过大而对 PSS 的输加以限制 4 4 电力系统稳定器的结构电力系统稳定器的结构 4 14 1 电力系统稳定器的结构图电力系统稳定器的结构图 电力系统稳定器硬件是整个励磁系统的关键 本论文的设计侧重基于电力 系统稳定器的需求和发展趋势 充分利用所选 32 位 DSP 芯片 TMS320F2812 丰富 的外设资源 完成电力系统稳定器各模块的硬件设计 本文设计的电力系统稳 定器主要包括 模拟量输入通道 开关量输入输出单元 同步测频单元 移相 触发单元 脉冲故障检测单元等 其硬件总体结构框图 8 如图 4 1 所示 12344 PWM1 PWM6XA15 XA18 XD0 XD7 XWE CAP4 CAP6 GPIOA11 GPIOA14 ADCIN GPIOA6 GPIOA7 GPIOB0 GPIOB7 GPIOB11 GPIOB15 GPIOA8 GPIOA10 SCITXDB SCIRXDB GPIOF0 GPIOF14 TMS320F2812 脉脉冲冲功功率率 放放大大电电路路 六六 路路 触触 发发 脉脉 冲冲 输输 出出 同同步步信信号号 检检测测电电路路 A相相电电压压 B相相电电压压 C相相电电压压 直直流流信信号号 调调理理电电路路 交交流流信信号号 调调理理电电路路 开开关关量量 输输入入电电路路 开开关关量量 输输出出电电路路 液液晶晶驱驱动动 电电路路 液液 晶晶 显显 示示 键键盘盘驱驱动动 电电路路 键键 盘盘 存存储储驱驱动动 电电路路 存存 储储 串串口口通通信信 电电路路 串串 口口 通通 信信 脉脉冲冲触触发发单单元元 同同步步检检测测单单元元 模模拟拟量量采采集集 开开关关量量输输入入输输出出 液液晶晶显显示示单单元元 键键盘盘单单元元 存存储储单单元元 串串行行通通信信单单元元 励励磁磁电电压压 励励磁磁电电流流 励励磁磁变变压压器器 二二次次侧侧电电流流 发发电电机机定定子子 电电压压 发发电电机机定定子子 电电流流 开开关关量量输输入入 开开关关量量输输出出 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 15 图 4 1 电力系统稳定器的结构 4 1 14 1 1 TMS320F2812TMS320F2812 芯片介绍 德州仪器所生产的 TMS320F2812 数字讯号处理器是针对数字控制所设计 的 DSP 整合了 DSP 及微控制器的最佳特性 主要使用在嵌入式控制应用 如 数字电机控制 digital motor control DMC 资料撷取及 I O 控制 data acquisition and control DAQ 等领域 针对应用最佳化 并有效缩短产品开 发周期 F28x 核心支持全新 CCS 环境的 C compiler 提供 C 语言中直接嵌入 汇编语言的程序开发介面 可在 C 语言的环境中搭配汇编语言来撰写程序 值 得一提的是 F28x DSP 核心支持特殊的 IQ math 函式库 系统开发人员可以 使用便宜的定点数 DSP 来发展所需的浮点运算算法 F28x 系列 DSP 预计发展 至 400MHz 目前已发展至 150MHz 的 Flash 型式 4 1 24 1 2 TMS320F2812TMS320F2812 引脚介绍 TMS320F2812 引脚详细分析 XINTF 信号 XA 0 XA 18 19 位地址总 线 XD 0 XD 15 16 位数据总线 XMP MC 1 微处理器模式 XINCNF7 有效 0 微计算机模式 XINCNF7 无效 XHOLD 外部 DMA 保持请求信号 XHOLD 为低电平时请求 XINTF 释放外部总线 并把所有的总 线 与选通端置为高阻态 当对总线的操作完成且没有即将对 XINTF 进行访问时 XINTF 释放总线 此信号是异步输入并与 XTIMCLK 同步 XHOLDA 外部 DMA 保 持确认信号 当 XINTF 响应 XHOLD 的请求时 XHOLDA 呈低电平 所有的 XINTF 总线和选通端呈高阻态 XHOLD 和 XHOLDA 信号同时发出 当 XHOLDA 有效 低 时外部器件只能使用外部总线 XZCS0AND1 XINTF 区域 O 和区域 1 的片选 当访 XINTF 区域 0 或 1 时有效 低 XZCS2 XINTF 区域 2 的片选 当访 XINTF 区域 2 时有效 低 XZCS6AND7 XINTF 区域 6 和区域 7 的片选 当访 XINTF 区域 6 或 7 时有效 低 XWE 写有效 有效时为低电平 写选通信号是 每个区域操作的基础 由 XTIMINGX 寄存器的 前一周期 当前周期和后一周期 的值确定 XRD 读有效 低电平读选通 读选通信号是每个区域操作的基 础 由 xTIMINGX 寄存器的前 一周期 当前周期和后一周期的值确定 注意 XRD 和 XWE 是互斥信号 XR W 通常为高电平 当为低电平时表示处于写 周期 当为高电平时表示处于读周期 XREADY 数据准备输入 被置 1 表示 外设已为访问做好准备 XREADY 可被设置为同步或异步 输入 在同步模式中 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 16 XINTF 接口块在当前周期结束之前的一个 XTIMCLK 时钟周期内要求 XREADY 有效 在异步模式中 在当前的周期结束前 XINTF 接口块以 XTIMCLK 的周期作为周期 对 XREADY 采样 3 次 以 XTIMCLK 频率对 XREADY 的采样与 XCLKOUT 的模式无关 JTAG 和其他信号 X1 XCLKIN 振荡器输入 内部振荡器输入 该引脚也可 以用来提供外部时钟 C28x 能够使 用一个外部时钟源 条件是要在该引脚上 提供适当的驱动电平 为了适应 1 8V 内核数字电源 VDD 而不是 3 3V 的 I O 电源 VLDIO 可以使用一个嵌位二极管去嵌位时钟信号 以保证它 的逻 辑高电平不超过 VDD 1 8V 或 1 9V 或者去使用一个 1 8V 的振荡器 X2 振荡 器输出 TMS320F2812 引脚详细分析 XCLKOUT 源于 SYSCLKOUT 的单个时 钟输出 用来产生片内和片外等待状态 作为通用时 钟源 XCLKOUT 与 SYSCLKOUT 的频率或者相等 或是它的 1 2 或是 l 4 复位时 XCLKOUT SYSCLKOUT 4TESTSEL 测试引脚 为 TI 保留 必须接地 TEST1 测试引 脚 为 TI 保留 必须悬空 TEST2 测试引脚 为 TI 保留 必须悬空 TMS JTAG 测试模式选择端 有内部上拉功能 在 TCK 的上升沿 TAP 控制器计数 一系列的控 制输入 TDI 带上拉功能的 JTAG 测试数据输入端 在 TCK 的 上升沿 TDI 被锁存到选择寄存器 指 令寄存器或数据寄存器中 TDO JTAG 扫描输出 测试数据输出 在 TCK 的下降沿将选择寄存器的内容从 TDO 移 出 TCK JTAG 测试时钟 带有内部上拉功能 TRST 有内部上拉的 JTAG 测试复位 当它为高电平时扫描系统控制器件的操作 若信号悬 空或为 低电平 器件以功能模式操作 测试复位信号被忽略注意 TRST 上不要用上拉 电阻 它内部有上拉部件 在强噪声的环境中需要使习附加上 拉电阻 此电阻 值根据调试器设计的驱动能力而定 一般取 22K 即能提供足够的保护 因为有 了这种应用特性 所以使得调试器和应用目际板都有合适且有效的操作 EMU0 带上拉功能的仿真器 I O 口引脚 0 当 TGST 为高电平时 此引脚用作中断 输入 该中 断来自仿真系统 并通过 JTAG 扫描定义为输入 输出 EMU1 仿真器引脚 1 当 TGST 为高电平时 此引脚输出无效 用作中断输入 该中断 来自 仿真系统的输入 通过 JTAG 扫描定义为输入 输出 XRS 器件复位 输入 及看门狗复位 输出 器件复位 XRS 使器件终止运行 PC 指向地址 0 x3FFFCO 当 XRS 为高电平 时 程序从 PC 所指出的位置开始运行 当看门狗 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 17 产生复位时 DSP 将该引脚驱动为低电平 在看门向复位期间 低电平将持续 512 个 XCLKIN 周期 该引脚的输出缓冲器是一个带有内部上拉 典型值 100mA 的开漏缓冲器 推荐该引脚应该由一个开漏设备去驱动 4 24 2 模拟量输入通道模拟量输入通道 TMS320F2812 的 ADC 模块只能转换 0 3V 的模拟信号 模拟量输入通道的 作用就是要将模拟量转换成 TMS320F2812 所能接收的数字信号 本文所设计的 电力系统稳定器所要输入的模拟信号包括 发电机机端电压 机端电流 励磁 电压 励磁电流 电网电压等 4 2 14 2 1 交流信号采集调理电路 发电机机端电压 电流信号分别取自发电机端的电压互感器和电流互感器 电压互感器的输出为 0 100V 电流互感器的输出为 0 5A 由于电压太高 电 流太大 而 TMS320F2812 的 AD 输入信号的范围要求为 0 3V 所以需要添加交 流信号的调理电路以满足 AD 的要求 11 13 在自动控制设备中 常采用电量变送器 6 对输入的模拟量进行测量 电量 变送器是一种把某种形式的电量变换成与之成线性关系的直流信号的装置 它 的输出通常为 0 5V 或 4 20mA 的直流信号 电量变送器接线简单 安装方便 通常这些电量变送器为保证变送电量的精度 会采取很多措施 如在变送器中 加入了整流 滤波 补偿等环节 但是这样做使得整个装置的时间常数变大 对于需要快速响应的励磁系统来说是非常不利的 电量变送器一般只能反映被 测量的单一信息 如有效值 丢失了很多有用的信息 不能用于需要采集交流 信号瞬时值的控制系统 针对电量变送器的这些缺点 本文采用由运算放大器 组成的电平抬升电路作为模拟量输入信号的调理电路 其电路原理图如图 4 2 4 3 所示 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 18 图 4 2 电压输入调理电路 图 4 3 电流输入调理电路 如图 4 2 4 3 所示 第一级采用射级跟随方式提高电路的输入阻抗 第二 级为反相器 通过可调电位器调节其放大倍数 第三级电路为对第二级的信号 和 1 5V 电压基准进行反相求和 将输出信号调解到 0 3V 4 2 24 2 2 直流信号采集调理电路 测量直流信号有多种方案 如采用隔离放大器 霍尔传感器等 本文采用 隔离放大器进行测量 在励磁电路里 交流信号可以通过电压互感器将主回路 与控制器电路隔离开来 而直流信号励磁电流和励磁电压不能通过互感器 直 流信号一般采取线性光耦或直流变送器来进行隔离 本文励磁电流采用线性隔 离放大器 SLC8000 进行隔离 其隔离放大原理如图 4 4 所示 图 4 4 隔离放大电路原理图 首先励磁电流经过分流器调整为 0 75mV 再通过上图所示的隔离放大电 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 19 路将其调整为 0 3V 的电压信号接入 TMS320F2812 的 ADCIN 取引脚 励磁电压 则通过变送器将其变换为 0 5V 的电压信号 然后经过电阻分压将其调整到 0 3V 接入 ADCIN 引脚 4 2 34 2 3 ADCADC 采样模块 发电机端电压 电流经调理电路后变为峰值为 0 3V 的信号 接入 TMS320F2812 的 AD 通道 F2812 的 ADC 模块有 16 个通道 可配置为 2 个独立的 8 通道模块 分别服务于事件管理器 A 和 B 两个独立的 8 通道模块也可以级联 构成一个 16 通道模块 TMS320F2812 芯片的 ADC 模块的功能框图如图 4 5 所示 12 位位 ADC 模模 块块 S H A S H B C28x 模模拟拟复复用用开开关关 系系 统统 时时 钟钟 高高速速预预订订标标器器 系系统统时时钟钟输输出出 结结果果寄寄存存器器 结结果果寄寄存存器器 0 结结果果寄寄存存器器 1 结结果果寄寄存存器器 14 结结果果寄寄存存器器 7 结结果果寄寄存存器器 15 ADCENCLKHSPCLK 70A8H 70AFH 7087H S W EVB ADC 控控 制制 寄寄 存存 器器 SOCSOC排排序序器器 1 排排序序器器 2 S W EVA GPIO XINT2 ADCSOC ADCINB7 ADCINB0 ADCINA7 ADCINA0 图 4 5 ADC 模块的功能框图 ADC 模块有两种排序模式 单排序器模式 级联构成 16 状态 和双排序器 模式 两个相互独立的 8 状态 在这两种模式下 ADC 都可以自动的进行一系 列转换操作 每次当 ADC 收到一个开始转换请求 可以自动地完成多个转换 对于每个转换 都可以通过模拟复用器选择 16 个输入通道中的任一通道进行转 换 转换结束后 数字结果将保存到相应的结果寄存器中 用户也可以对同一 通道进行多次采样 从而实现过采样算法 这样得到的采样结果比一般的采样 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 20 结果分辨率要高 6 10 ADC 的工作模式有两种 同步采样模式和顺序采样模式 ADC 可以同时采样 保持两个 ADC 输入引脚的能力 再分别对采样保持器进行转换 这样就可以同 时采集到同一相电压和电流的瞬时值 在采用同时采样模式时应保证一个引脚 取自 ADCINA0 ADCINA7 另一个引脚取自 ADCINB0 ADCINB7 同时这两个输入 要有同样的采样保持偏移 也要注意转换结果在结果寄存器中的次序 4 34 3 开关量输入输出单元开关量输入输出单元 电力系统稳定器的开关量输入 输出主要包括 1 输入信号 开 停机信号 增 减磁信号 手动 自动开关 灭磁开关 合闸信号等 2 输出信号 励磁故障 励磁事故 PT 断线信号等 开关量输入输出通道的主要任务就是让 TMS320F2812 能够获取现场的各种 开关状态 以便进行分析判断 并输出相应的开关信号去控制指示灯 继电器 及发出报警等 4 3 14 3 1 开关量输入通道 本论文中所设计的电力系统稳定器的开关量输入通道电路原理如图 4 6 所 示 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 21 图 4 6 开关量输入电路 这个开关量输入通道由总线收发器 光电隔离电路和数据缓冲组成 本文 中的电力系统稳定器采用了总线收发送器 74LV245 作为 TMS320F2812 的开关量 输入扩展 每一路开关量经光电耦合器隔离后与总线收发送器的 B 端的一个引 脚相连 图 4 6 所示的是其中一路开关量输入 总线收发送器 74LV245 的 B 端 口接于 TMS320F2812 的数据总线上 A 端口接于光电耦合器的输出端 由于总 线收发送器 74LV245 具有双向传送数据的功能 其传送方向由 DIR 端控制 而 在开关量输入通道中信号只需要单方向传送 因此在开关量输入通道中 总线 收发送器的 DIR 端接电源 令总线收发送器的数据传送方向为 A 到 B 总线收 发送器的使能端 G 由外部扩展区片选信号和地址线经地址译码器译码后得到的 CS Kin 控制信号选通 根据控制电路的地址分配电力系统稳定器开关量输入 输出通道 开关量输入通道地址存储单元的 16 位有效数据对应 16 位开关量 TMS320F2812 以访问外部 I O 的方式从该地址单元读取相关的开关量状态 以 便进行判断处理 整个开关量输入通道工作原理是 正常工作条件下 当接在光电耦合器输 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 22 入端限流电阻外侧的开关量为低电平时 光电耦合器的输入端的发光二极管未 承受正向电压 故不发光 从而导致其输出端的光电三极管不导通 这时在上 拉电阻的作用下 总线收发送器的 A 端引脚呈现为高电平 该电平状态经 TMS320F2812 读取后存入相应开关量状态变量 同理 当接在光电耦合器输入 端限流电阻外侧的开关量为高电平时 光电耦合器输出端的光电三极管就会导 通 由于光电三极管饱和导通时 其 c e 间的电压很小 这时总线收发送器的 A 端引脚相当于接地 即为低电平 然后 F2812 控制器就接受外部的命令 4 3 24 3 2 开关量输出通道 开关量输出通道电路原理如图 4 7 所示 图 4 7 开关量输出电路 开关量输出通道同样也采用了总线收发送器 74LV245 作为 TMS320F2812 的 开关量输出扩展 图 3 7 中只给出了控制一路指示灯和控制一路继电器的情况 总线收发送器的 B 端口接于数据总线上 A 端口接于光电耦合器的输入端 总 线收发送器的 DIR 端接 5V 电源 其数据传送方向为从 A 到 B 开关量输出通道 中的总线收发送器的使能端 G 也由地址线及 CS Kout 信号来控制 与开关量输 入通道相比 开关量输出通道中多了一个 74AHC373 锁存器 用于锁存由 TMS320F2812 发出的数字开关量信号 当 TMS320F812 通过 OUT 或 IN 指令访问 开关量输入输出通道时 IS 控制线由高变低 与此同时地址线也变成与 OUT 或 IN 指令中的 I O 空间地址相对应的状态 经地址译码器译码后 选通与 I O 地 址相对应的总路收发送器 对于开关量输入通道来说 当其总线收发送器被选 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计 论文 23 通后 来自光电耦合器的开关量输入信号将通过总线收发送器被送到数据总线 上 并在 IN 指令的作用下被保存到相应的数据存储器单元 而对于开关量输出 通道来说 当其总线收发送器被选通后 数据总线上的数据通过总线收发送器 被送到 74AHC373 锁存器的输入端 并在 74AHC373 的时钟信号下降沿到来时