【正文】 ，造成大面積停電，這種現(xiàn)象稱(chēng)為低頻振蕩。景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）42 電力系統(tǒng)低頻振蕩機(jī)理 電力系統(tǒng)低頻振蕩 由于電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，大型發(fā)電機(jī)普遍采用了由集成電路和可控硅組成的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，使自動(dòng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的時(shí)間常數(shù)從過(guò)去的幾秒縮短到幾十毫秒。由于這種振蕩的頻率較低，一般在 ，因此通常稱(chēng)之為低頻振蕩。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器發(fā)展趨勢(shì)隨著我國(guó)三峽水電站的竣工和我國(guó)西部煤炭資源的利用和開(kāi)發(fā)出現(xiàn)了西電東輸?shù)囊?，從減少大氣污染這個(gè)角度看也需要發(fā)電廠遠(yuǎn)離城市，這就造成了遠(yuǎn)距離重負(fù)荷輸電的局面，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的發(fā)展和應(yīng)用顯得更為重要！電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）也將朝著更智能，硬件結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，互換性好，使用維護(hù)更簡(jiǎn)單易行的方向發(fā)展 本課題研究意義電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題是電力系統(tǒng)的根本問(wèn)題。這些大公司均具有很強(qiáng)的科研開(kāi)發(fā)能力，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器所用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般以專(zhuān)用的高速可編程控制器為核心，采用自行研制的專(zhuān)用控制板組成，因而具有結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。華中科技大學(xué)與東方電機(jī)股份公司和葛洲壩電廠能達(dá)通用電器有限公司合作，開(kāi)發(fā)研制了線(xiàn)性最優(yōu)和自適應(yīng)最優(yōu)微機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。第一臺(tái)投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的是南京自動(dòng)化研究所(現(xiàn)國(guó)電自動(dòng)化研究院)研制的適用于大中型發(fā)電機(jī)的 WLT1型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，WLT1 型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器以 8位單板機(jī)為核心，采用 PID調(diào)節(jié)方式。它在勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中引入領(lǐng)先于軸速度的附加信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)正阻尼轉(zhuǎn)矩去克服原勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中產(chǎn)生的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩作用，用于提高電力系統(tǒng)阻尼和解決低頻振蕩問(wèn)題，是提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的重要措施之一。PSS 抽取與此振蕩有關(guān)的信號(hào)，如發(fā)電機(jī)有功功率、轉(zhuǎn)速或頻率，加以處理，產(chǎn)生的附加信號(hào)加到電力系統(tǒng)穩(wěn)定器中，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生阻尼低頻振蕩的附加力矩。福州大學(xué)于 1990年研制出 SMERC型微機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，采用 8位 8051單片機(jī)，具有多種調(diào)節(jié)、控制和限制功能，用于福建省內(nèi)的大部分中小型發(fā)電機(jī)組。經(jīng)過(guò)多年的努力，國(guó)內(nèi)的一些院校、研究所和公司在電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和運(yùn)行方面已經(jīng)積累了豐景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2富的經(jīng)驗(yàn)，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的優(yōu)良性能在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中也日益顯示出來(lái)。其中，瑞士 ABB公司的 UNTROL D型多微機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在我國(guó)石洞口電廠、李家峽電廠等得到使用；三峽 700MW機(jī)組的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器由德國(guó) SIEMENS公司提供；加拿大 CGE公司生產(chǎn)的 SILCO雙通道型微機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器安裝在我國(guó)隔河巖水電站的進(jìn)口機(jī)組上。電力系統(tǒng)發(fā)展初期，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單松散，其靜態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題通常表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間的非周期失步。其振蕩時(shí)產(chǎn)生的能量通過(guò)機(jī)電聯(lián)系來(lái)傳遞，因此又稱(chēng)為機(jī)電振蕩，表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)電功率和功角的變化?？焖賱?lì)磁系統(tǒng)(晶閘管直接勵(lì)磁或高起始響應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng))的廣泛采用，更使得勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)大為減小，從而降低了電力系統(tǒng)的阻尼。在低頻振蕩研究領(lǐng)域世界各國(guó)的專(zhuān)家學(xué)者提出了一些不盡相同的低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理，主要的觀點(diǎn)有以下幾種 [23]：（1）欠阻尼原理在對(duì)低頻振蕩的分析中，負(fù)阻尼機(jī)理相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較成熟的理論，得到學(xué)界的廣泛認(rèn)可 [20]。這樣的系統(tǒng)在擾動(dòng)出現(xiàn)的時(shí)候，就不能使擾動(dòng)很快平息，反而會(huì)出現(xiàn)引起系統(tǒng)振蕩的增幅振蕩。（3）參數(shù)諧振電力系統(tǒng)受到外界周期性擾動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)頻率與系統(tǒng)的自然頻率存在某種特殊關(guān)系時(shí)，會(huì)產(chǎn)生諧振振蕩，當(dāng)其處于低頻區(qū)時(shí)表現(xiàn)為低頻振蕩。上面的幾種觀點(diǎn)都從某一方面揭示了低頻振蕩的發(fā)生機(jī)理，欠阻尼原理研究的最早也最成熟，這主要得益于線(xiàn)性系統(tǒng)理論的成熟，目前已經(jīng)形成了一套比較完整的理論體系，并在工程上得到實(shí)際應(yīng)用。景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6就這兩類(lèi)方法來(lái)說(shuō)，第一類(lèi)方法只有建立了電力系統(tǒng)的全階數(shù)學(xué)模型才能使用，而電力系統(tǒng)的全階數(shù)學(xué)模型往往不易建立，因此這類(lèi)方法會(huì)受到一定限制。(2) 時(shí)域仿真法：這種方法是將全系統(tǒng)模型通過(guò)各個(gè)元件的模型在系統(tǒng)中所表現(xiàn)出來(lái)的拓?fù)潢P(guān)系建立，再將系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值和系統(tǒng)的潮流解作為運(yùn)算的初始條件，解出系統(tǒng)狀態(tài)量以及代數(shù)量隨著時(shí)間變化的曲線(xiàn)，最后根據(jù)得出的曲線(xiàn)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。它是通過(guò)迭代計(jì)算得到系統(tǒng)在機(jī)電模式下的特征根，但只計(jì)算部分能對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有重大影響的特征值。 。每當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)了異常情況，如擾動(dòng)等等，這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就會(huì)把擾動(dòng)情況和系統(tǒng)輸出情況等記錄下來(lái)，以備后來(lái)的研究所用。目前有很多數(shù)學(xué)方法用于對(duì)低頻振蕩特征進(jìn)行分析，例如實(shí)時(shí)快速傅里葉變換(FFT)算法，wiener 一 Hopt線(xiàn)性預(yù)測(cè)法，MatrixPeneil法等等[27]。同步轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)角增量 Δδ 同相位，阻尼轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增量 Δω 同相位。圖中的上半部分為轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式的機(jī)械回路，下半部分為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器及系統(tǒng)的電氣回路。傳遞函數(shù)環(huán)節(jié)中 TA和 KA分別表示電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和總的 d0和 K3分別表示轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路的有效時(shí)間常數(shù)和放大倍數(shù)。039。dX?4 039。 039。另外，聯(lián)絡(luò)線(xiàn)負(fù)荷增大，功角增大，阻尼減弱。(2) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱對(duì)電力系統(tǒng)的阻尼有很大影響：當(dāng)電源與系統(tǒng)聯(lián)系較弱時(shí)，系統(tǒng)等值電抗 x越大，功角石越大，阻尼轉(zhuǎn)矩越小，嚴(yán)重時(shí)甚至成為負(fù)值，容易產(chǎn)生負(fù)阻尼和振蕩失步。當(dāng)勵(lì)磁機(jī)放大倍數(shù) KA在一定范圍內(nèi)增大時(shí)負(fù)阻尼將會(huì)增大。景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）113 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的工作原理 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器抑制低頻振蕩的原理電力系統(tǒng)穩(wěn)定器是通過(guò)采用轉(zhuǎn)速偏差、頻率偏差、電功率偏差、加速功率偏差這幾個(gè)信號(hào)中的一個(gè)或者幾個(gè)信號(hào)作為自動(dòng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(AER)的附加輸入，使得系統(tǒng)中產(chǎn)生正阻尼轉(zhuǎn)矩，以提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，從而達(dá)到抑制低頻振蕩的目的。所以，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的性能只能以其增加這種弱系統(tǒng)阻尼的能力來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。倘若在勵(lì)磁系統(tǒng)的相加點(diǎn)輸入一個(gè)和 Δω 同相位的信號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正的、位于第一象限的，幾乎與 Δω 同相位的電磁轉(zhuǎn)矩 ΔM ep，如圖 24所示。另外，由于噪聲以及發(fā)電機(jī)組本身扭動(dòng)振蕩頻率都很高，而以 Δω 為輸入信號(hào)的 PSS 使用的是超前網(wǎng)絡(luò)，超前網(wǎng)絡(luò)在高頻時(shí)放大倍數(shù)會(huì)增大，所以，對(duì)發(fā)電機(jī)組軸扭動(dòng)振蕩極為敏感，使扭動(dòng)振蕩現(xiàn)象更為加重。但是，當(dāng)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)使機(jī)械功率增加時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電功率也會(huì)增加，此時(shí)，PSS 會(huì)使勵(lì)磁電流減小，這對(duì)電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定是不利的，這就是反調(diào)現(xiàn)象。(3) Δ? 為輸入信號(hào)PSS 的 Δ? 信號(hào)通常取自發(fā)電廠母線(xiàn)，由于在暫態(tài)過(guò)程中在系統(tǒng)各點(diǎn)的叮是不同的，在單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)中，好的分母特性基本上與電壓沿線(xiàn)的分布是一致的，因此當(dāng)系統(tǒng)的聯(lián)系減弱時(shí)，以發(fā)電廠母線(xiàn) Δ? 為信號(hào)的 PSS 對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角頻率的靈敏度反而增加，恰好補(bǔ)償了系統(tǒng)聯(lián)系減弱時(shí)傳遞函數(shù)增益的減小，因此以 Δ? 為信號(hào)的 PSS 在發(fā)電機(jī)負(fù)荷及系統(tǒng)聯(lián)系均在中等水平時(shí)調(diào)整，不必?fù)?dān)心在系統(tǒng)聯(lián)系增強(qiáng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致增益過(guò)大。圖 33 PSS 傳遞函數(shù)框圖主要環(huán)節(jié)的作用如下：放大環(huán)節(jié)：確保 ΔT *e有足夠的幅值。由 1～3 個(gè)超前環(huán)節(jié)組成，一個(gè)超前環(huán)節(jié)最多可校正 300～40 0。其硬件總體結(jié)構(gòu)框圖 [8]如圖 41所示：1 2 3 4 4P W M 1 ~ P W M 6X A 1 5 ~ X A 1 8X D 0 ~ X D 7X W EC A P 4 ~ C A P 6G P I O A 1 1 ~G P I O A 1 4A D C I NG P I O A 6G P I O A 7G P I O B 0 ~ G P I O B 7G P I O B 1 1 ~ G P I O B 1 5G P I O A 8 ~ G P I O A 1 0S C I T X D BS C I R X D BG P I O F 0 ~ G P I O F 1 4T M S 3 2 0 F 2 8 1 2脈 沖 功 率放 大 電 路六路觸發(fā)脈沖輸出同 步 信 號(hào)檢 測(cè) 電 路A 相 電 壓B 相 電 壓C 相 電 壓直 流 信 號(hào)調(diào) 理 電 路交 流 信 號(hào)調(diào) 理 電 路開(kāi) 關(guān) 量輸 入 電 路開(kāi) 關(guān) 量輸 出 電 路液 晶 驅(qū) 動(dòng)電 路液晶顯示鍵 盤(pán) 驅(qū) 動(dòng)電 路鍵盤(pán)存 儲(chǔ) 驅(qū) 動(dòng)電 路存儲(chǔ)串 口 通 信電 路串口通信脈 沖 觸 發(fā) 單 元同 步 檢 測(cè) 單 元模 擬 量 采 集開(kāi) 關(guān) 量 輸 入 輸 出液 晶 顯 示 單 元鍵 盤(pán) 單 元存 儲(chǔ) 單 元串 行 通 信 單 元?jiǎng)?lì) 磁 電 壓勵(lì) 磁 電 流勵(lì) 磁 變 壓 器二 次 側(cè) 電 流發(fā) 電 機(jī) 定 子電 壓發(fā) 電 機(jī) 定 子電 流開(kāi) 關(guān) 量 輸 入開(kāi) 關(guān) 量 輸 出景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15圖 41 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu) TMS320F2812 芯片介紹 德州儀器所生產(chǎn)的 TMS320F2812 數(shù)字訊號(hào)處理器是針對(duì)數(shù)字控制所設(shè)計(jì)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應(yīng)用，如數(shù)字電機(jī)控制(digital motor control, DMC)、資料擷取及 I/O 控制(data acquisition and control, DAQ)等領(lǐng)域。 TMS320F2812 引腳介紹TMS320F2812引腳詳細(xì)分析 XINTF信號(hào) XA[0]~XA[18] 19位地址總線(xiàn) XD[0]~XD[15] 16位數(shù)據(jù)總線(xiàn) XMP/MC` 1 微處理器模式 XINCNF7有效 0 微計(jì)算機(jī)模式 XINCNF7無(wú)效 XHOLD` 外部 DMA保持請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng) XINTF響應(yīng) XHOLD的請(qǐng)求時(shí) XHOLDA呈低電平，所有的 XINTF 總線(xiàn)和選通端呈高阻態(tài)。寫(xiě)選通信號(hào)是每個(gè)區(qū)域操作的基礎(chǔ)，由 XTIMINGX寄存器的 前一周期、當(dāng)前周期和后一周期的值確定 XRD` 讀有效。XREADY 可被設(shè)置為同步或異步 輸入。C28x 能夠使 用一個(gè)外部時(shí)鐘源，條件是要在該引腳上提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電平，為了適應(yīng) (VDD)，而不是 I/O電源(VLDIO)。在 TCK的下降沿將選擇寄存器的內(nèi)容從 TDO移出 TCK JTAG測(cè)試時(shí)鐘，帶有內(nèi)部上拉功能 TRST` 有內(nèi)部上拉的JTAG測(cè)試復(fù)位。在強(qiáng)噪聲的環(huán)境中需要使習(xí)附加上 拉電阻，此電阻值根據(jù)調(diào)試器設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)能力而定。該中斷來(lái)自 仿真系統(tǒng)的輸入，通過(guò) JTAG掃描定義為輸入 /輸出 XRS` 器件復(fù)位(輸入)及看門(mén)狗復(fù)位(輸出)。該引腳的輸出緩沖器是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉(典型值 100mA)的開(kāi)漏緩沖器， 推薦該引腳應(yīng)該由一個(gè)開(kāi)漏設(shè)備去驅(qū)動(dòng) 模擬量輸入通道TMS320F2812的 ADC模塊只能轉(zhuǎn)換 0～3V 的模擬信號(hào)，模擬量輸入通道的作用就是要將模擬量轉(zhuǎn)換成 TMS320F2812所能接收的數(shù)字信號(hào)。在自動(dòng)控制設(shè)備中，常采用電量變送器 [6]對(duì)輸入的模擬量進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)電量變送器的這些缺點(diǎn)，本文采用由運(yùn)算放大器組成的電平抬升電路作為模擬量輸入信號(hào)的調(diào)理電路，其電路原理圖如圖 443 所示：景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18圖 42 電壓輸入調(diào)理電路圖 43 電流輸入調(diào)理電路如圖 42,43所示，第一級(jí)采用射級(jí)跟隨方式提高電路的輸入阻抗，第二級(jí)為反相器，通過(guò)可調(diào)電位器調(diào)節(jié)其放大倍數(shù)，第三級(jí)電路為對(duì)第二級(jí)的信號(hào)和 ，將輸出信號(hào)調(diào)解到 0～3V 直流信號(hào)采集調(diào)理電路測(cè)量直流信號(hào)有多種方案，如采用隔離放大器、霍爾傳感器等，本文采用隔離放大器進(jìn)行測(cè)量。 ADC 采樣模塊發(fā)電機(jī)端電壓/電流經(jīng)調(diào)理電路后變?yōu)榉逯禐?0～3V 的信號(hào)，接入TMS320F2812的 AD通道。每次當(dāng) ADC收到一個(gè)開(kāi)始轉(zhuǎn)換請(qǐng)求，可以自動(dòng)地完成多個(gè)轉(zhuǎn)換。ADC的工作模式有兩種：同步采樣模式和順序采樣模式。（2）輸出信號(hào)：勵(lì)磁故障、勵(lì)磁事故、PT 斷線(xiàn)信號(hào)等。圖 46所示的是其中一路開(kāi)關(guān)量輸入。根據(jù)控制電路的地址分配電力系統(tǒng)穩(wěn)定器開(kāi)關(guān)量輸入、輸出通道，開(kāi)關(guān)量輸入通道地址存儲(chǔ)單元的 16位有效數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng) 16位開(kāi)關(guān)量，TMS320F2812以訪(fǎng)問(wèn)外部 I/O的方式從該地址單元讀取相關(guān)的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)，以便進(jìn)行判斷處理。 開(kāi)關(guān)量輸出通道開(kāi)關(guān)量輸出通道電路原理如圖 47所示：圖 47 開(kāi)關(guān)量輸出電路開(kāi)關(guān)量輸出通道同樣也采用了總線(xiàn)收發(fā)送器 74LV245作為 TMS320F2812的開(kāi)關(guān)量輸出擴(kuò)展。與開(kāi)關(guān)量輸入通道相比，開(kāi)關(guān)量輸出通道中多了一個(gè) 74AHC373鎖存器，用于鎖存由TMS320F2812發(fā)出的數(shù)字開(kāi)關(guān)量信號(hào)。 同步檢測(cè)及移相觸發(fā)單元在勵(lì)磁系統(tǒng)中，移相觸發(fā)單元的任務(wù)是產(chǎn)生可以改變相位的脈沖，用來(lái)觸發(fā)整流橋中的晶閘管，使觸發(fā)脈沖的相位及控制角隨控制電壓的大小而改變，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁的目的。對(duì)于不同的接線(xiàn)方式的晶閘管整流電路，由于晶閘管在每個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的區(qū)間不同，故觸發(fā)電路與主電路之間的相位配合關(guān)系也就不同。共陽(yáng)極組的晶閘管只有在其陰極電位最低的一段區(qū)間內(nèi)才有可能導(dǎo)通，共陽(yáng)極組的觸發(fā)脈沖應(yīng)在這一段區(qū)間內(nèi)發(fā)出。 同步信號(hào)的檢測(cè)同步整形電路將交流同步電壓信號(hào)整形成同周期的方波信號(hào)，送入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的捕獲單元，當(dāng)捕獲到方波信號(hào)的上升沿時(shí)，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，作為移相觸發(fā)脈沖的起點(diǎn)。在勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，頻率的測(cè)量具有