【正文】 NT圖 412 脈沖故障檢測(cè)電路圖圖 412所示的脈沖故障檢測(cè)單元適用于三相橋式全控整流晶閘管觸發(fā)脈沖的故障檢測(cè)，主要部分為可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它由 555定時(shí)器構(gòu)成。由于本文設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的每一相晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)只需觸發(fā)一次，也就是說同一相的兩個(gè)連繼觸發(fā)脈沖的間隔約為 10ms，為保證在觸發(fā)脈沖正常發(fā)出時(shí)，脈沖故障檢測(cè)單元處于暫穩(wěn)態(tài)，電容 CC3 和 C5的充電時(shí)間必須大于10ms。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的核心，它關(guān)系到勵(lì)磁控制系統(tǒng)的性能及其功能的實(shí)現(xiàn)。（3）為了提高整個(gè)裝置的可靠性和穩(wěn)定性，在程序中加看門狗中斷。目前交流采樣的算法有很多種，分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)合如最大值算法、單點(diǎn)算法、半周期積分法、兩點(diǎn)采樣法、傅里葉算法和均方根算法等。本文設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器采用基本比例積分微分（PID）勵(lì)磁控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)原理圖如圖 52所示：比 例 P積 分 I微 分 DV / F 限 制綜 合放 大發(fā) 電 機(jī)脈 沖形 成可 控 硅主 回 路過 勵(lì) 限 制 欠 勵(lì) 限 制 過 壓 保 護(hù)同 步_fUg fUfUfUPQ++++圖 52 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 PID調(diào)節(jié)原理圖圖中 為機(jī)端電壓， 為電壓給定值，P、Q 分別表示發(fā)電機(jī)有功功率和fUg無功功率。（1）V/F 限制V/F限制也稱磁通限制或低頻過勵(lì)限制，它的作用主要是在機(jī)組解列運(yùn)行時(shí)，確保機(jī)端電壓與其頻率的比值不超出安全值。maxQ（4）欠勵(lì)限制欠勵(lì)限制是用來防止并網(wǎng)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)因勵(lì)磁電流過度減小而失去同步或因機(jī)組過度進(jìn)相引起發(fā)電機(jī)定子端部過熱。進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到允許強(qiáng)勵(lì)時(shí)間時(shí)，勵(lì)磁電流自動(dòng)地被減到其長期運(yùn)行允許的最大值。而增量型 PID只需計(jì)算增量，算法中不需要做累加，控制增量只跟最近的幾個(gè)采樣值景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）36有關(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得較好的控制效果，并且消除了當(dāng)偏差存在時(shí)發(fā)生飽和的危險(xiǎn)。則電壓各次諧波的實(shí)部和虛部分別為：實(shí)部： 122cos()NRniiun?????????虛部： 1()Xnii?當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù) 時(shí)，傅式算法計(jì)算公式為：32 （5016151732148303924051761267923cos()cos()8cos()cos()68RuuuuUuuu???? ???????? ??? ????? ?景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）339）（510）824151732148303924051761267923sin()sin()6816sin()sin()8IuuuuUuuu???? ??????? ??? ???? ?有功功率 為：P （511）ARIABRIBCRICUU???無功功率 為：Q （512）AIRAIBIRBICIRCI???發(fā)電機(jī)的輸出功率 為： （5SPjQ??13）功率因數(shù)為： （52cos??14） （2）均方根法在均方根方法中，將式（43）和式（44）離散化可近似表示為： （515）21NKUu?? （516）21KIi?由式（55）可見，有功功率是瞬時(shí)功率在一個(gè)電網(wǎng)周期 內(nèi)的平均值，而T瞬時(shí)功率是同一時(shí)刻電壓和電流瞬時(shí)值的乘積，對(duì)電壓、電流模擬量進(jìn)行離散采樣后，有功功率可表示為： （517）1NKPui??同理分析可知，電網(wǎng)線路中的無功功率可表示為：景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）34 （518）41NKQui???三相功率為各相功率之和。對(duì)于交流信號(hào)，本文通過交流采樣的方法得到。主程序包括系統(tǒng)初始化模塊、電量計(jì)算模塊、控制調(diào)節(jié)模塊和限制保護(hù)模塊等，中斷服務(wù)程序主要包括同步信號(hào)捕獲中斷、移相脈沖中斷、AD 轉(zhuǎn)換完成中斷等。 其它硬件模塊完成一個(gè)完整的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的硬件設(shè)計(jì)，出了上述介紹的各硬件模塊外，還應(yīng)包括液晶顯示、鍵盤、存儲(chǔ)等模塊。此后當(dāng)+A 相出現(xiàn)第一個(gè)觸發(fā)脈沖時(shí)，光電耦合器 UIA輸出端導(dǎo)通，電容 C1放電，當(dāng) C1放電至 小于 1/3VCC時(shí)，1CV555定時(shí)器置位，輸出為高電平，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。該電路在F2812脈寬調(diào)制電路輸出的觸發(fā)寬脈沖基礎(chǔ)上，使之變成與之對(duì)應(yīng)的一系列窄脈沖，從而形成脈沖列輸出，經(jīng)功率放大后輸出到可控硅的門極，觸發(fā)相應(yīng)的可控硅導(dǎo)通。 在可控硅整流系統(tǒng)中，可控硅的觸發(fā)需要由脈沖移相和脈沖放大兩部分組成。因此，本文中所設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器采取單相同步方式。發(fā)出。而對(duì)于開關(guān)量輸出通道來說，當(dāng)其總線收發(fā)送器被選通后，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)通過總線收發(fā)送器被送到 74AHC373鎖存器的輸入端，并在 74AHC373的時(shí)鐘信號(hào)下降沿到來時(shí)，鎖存由 OUT指令送出的數(shù)據(jù)，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的指示燈和繼電器。同理，當(dāng)接在光電耦合器輸入端限流電阻外側(cè)的開關(guān)量為高電平時(shí)，光電耦合器輸出端的光電三極管就會(huì)導(dǎo)通，由于光電三極管飽和導(dǎo)通時(shí)，其 c～e 間的電壓很小，這時(shí)總線收發(fā)送器的A端引腳相當(dāng)于接地，即為低電平，然后 F2812控制器就接受外部的命令。本文中的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器采用了總線收發(fā)送器 74LV245作為 TMS320F2812的開關(guān)量輸入擴(kuò)展，每一路開關(guān)量經(jīng)光電耦合器隔離后與總線收發(fā)送器的 B端的一個(gè)引腳相連。用戶也可以對(duì)同一通道進(jìn)行多次采樣，從而實(shí)現(xiàn)過采樣算法，這樣得到的采樣結(jié)果比一般的采樣景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20結(jié)果分辨率要高 [6] [10]。勵(lì)磁電壓則通過變送器將其變換為 0～5V 的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過電阻分壓將其調(diào)整到0～3V 接入 ADCIN引腳。電壓互感器的輸出為 0～100V，電流互感器的輸出為 0～5A，由于電壓太高，電流太大，而 TMS320F2812的 AD輸入信號(hào)的范圍要求為 0～3V，所以需要添加交流信號(hào)的調(diào)理電路以滿足 AD的要求 [11][13]。該中 斷來自仿真系統(tǒng)，并通過 JTAG掃描定義為輸入/輸出 EMU1 仿真器引腳 1，當(dāng) TGST`為高電平時(shí)，此引腳輸出無效，用作中斷輸入。復(fù)位時(shí) XCLKOUT＝ SYSCLKOUT/4TESTSEL 測(cè)試引腳，為 TI保留，必須接地 TEST1 測(cè)試引腳，為 TI保留，必須懸空 TEST2 測(cè)試引腳，為 TI保留，必須懸空 TMS JTAG測(cè)試模式選擇端，有內(nèi)部上拉功能，在 TCK的上升沿 TAP控制器計(jì)數(shù)一系列的控 制輸入 TDI 帶上拉功能的 JTAG測(cè)試數(shù)據(jù)輸入端，在 TCK的上升沿，TDI 被鎖存到選擇寄存器、指 令寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中 TDO JTAG掃描輸出，測(cè)試數(shù)據(jù)輸出。注意：XRD`和 XWE`是互斥信號(hào) XR/W` 通常為高電平，當(dāng)為低電平時(shí)表示處于寫周期，當(dāng)為高電平時(shí)表示處于讀周期 XREADY 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備輸入，被置 1表示外設(shè)已為訪問做好準(zhǔn)備。此信號(hào)是異步輸入并與 XTIMCLK同步 XHOLDA`外部 DMA保持確認(rèn)信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器主要包括：模擬量輸入通道、開關(guān)量輸入輸出單元、同步測(cè)頻單元、移相觸發(fā)單元、脈沖故障檢測(cè)單元等。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的傳遞函數(shù)以 Δω 為輸入信號(hào)的 PSS 傳遞函數(shù)框圖如圖 25，PSS 一般由放大環(huán)節(jié)，復(fù)位環(huán)節(jié)，相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)，限幅環(huán)節(jié)組成，其輸出作為勵(lì)磁附加信號(hào)。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生低頻功率振蕩時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電功率增加，PSS 輸出負(fù)值會(huì)使勵(lì)磁電流減小，從而減小了發(fā)電機(jī)輸出電功率，發(fā)揮了阻尼振蕩的作用。就會(huì)位于第四象限，在 Δω 軸上的投影為負(fù)，因此出現(xiàn)了使得系統(tǒng)阻尼為負(fù)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。但是，當(dāng)采景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10用快速的電液調(diào)速器時(shí)，對(duì)振蕩頻率較低的低頻振蕩會(huì)產(chǎn)生一定的影響。如果發(fā)電機(jī)多送感性無功負(fù)荷，功角會(huì)減小，阻尼將增大，有利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定。39。39。考慮有阻尼轉(zhuǎn)矩作用的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式，勵(lì)磁繞組的方程式以及自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的基本方程式，經(jīng)過對(duì)這些方程式線性化后可以得到用于研究低頻振蕩的同步發(fā)電機(jī)的完整模型，如圖 22所示。如果從實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)據(jù)中再采樣各點(diǎn)特征，將不涉及系統(tǒng)的參數(shù)階數(shù)等問題，并且這樣得出的分析結(jié)果具有如實(shí)反映系統(tǒng)狀態(tài)的特點(diǎn)。維數(shù)災(zāi)。隱式重啟動(dòng) Amoldi算法也可以被用于計(jì)算大型電力系統(tǒng)機(jī)電模式特征值，隱式重啟動(dòng) Amoldi算法可以在大型電力系統(tǒng)中計(jì)算出特征值，且具有收斂迅速，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)[24]。文獻(xiàn)[26]針對(duì)低頻振蕩的參數(shù)進(jìn)行分析得出了以下結(jié)論：(l)僅有阻尼而無周期性負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)混沌振蕩；(2)在周期性擾動(dòng)負(fù)荷的作用下，且當(dāng)擾動(dòng)負(fù)荷的值超過一定范圍時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)混沌振蕩；(3)在周期性負(fù)荷擾動(dòng)下，當(dāng)阻尼系數(shù)接近某一數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生混沌振蕩。所以，也可將低頻振蕩的原因理解為勵(lì)磁系統(tǒng)放大倍數(shù)過大引起了負(fù)阻尼增大，甚至將系統(tǒng)原先固有的正阻尼抵消了，使系統(tǒng)呈現(xiàn)出負(fù)阻尼狀態(tài)或者阻尼極小。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)從過去的幾秒縮短到幾十毫秒。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器發(fā)展趨勢(shì)隨著我國三峽水電站的竣工和我國西部煤炭資源的利用和開發(fā)出現(xiàn)了西電東輸?shù)囊螅瑥臏p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)更簡單，互換性好，使用維護(hù)更簡單易行的方向發(fā)展 本課題研究意義電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題是電力系統(tǒng)的根本問題。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，開發(fā)研制了線性最優(yōu)和自適應(yīng)最優(yōu)微機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。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題，是提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的重要措施之一。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。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 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)定器安裝在我國隔河巖水電站的進(jìn)口機(jī)組上。其振蕩時(shí)產(chǎn)生的能量通過機(jī)電聯(lián)系來傳遞，因此又稱為機(jī)電振蕩，表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)電功率和功角的變化。在低頻振蕩研究領(lǐng)域世界各國的專家學(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)來說是比較成熟的理論，得到學(xué)界的廣泛認(rèn)可 [20]。（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。景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6就這兩類方法來說，第一類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，因此這類方法會(huì)受到一定限制。它是通過迭代計(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，以備后來的研究所用。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。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)。dX?4 039。另外，聯(lián)絡(luò)線負(fù)荷增大，功角增大，阻尼減弱。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。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)阻尼的能力來進(jìn)行評(píng)價(jià)。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。(3) Δ? 為輸入信號(hào)PSS 的 Δ? 信號(hào)通常取自發(fā)電廠母線，由于在暫態(tài)過程中在系統(tǒng)各點(diǎn)的叮是不同的，在單機(jī)無窮大系統(tǒng)中，好的分母特性基本上與電壓沿線的分布是一致的，因此當(dāng)系統(tǒng)的聯(lián)系減弱時(shí)，以發(fā)電廠母線 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)致增益過大。由 1～3 個(gè)超前環(huán)節(jié)組成，