【正文】 外，還應包括液晶顯示、鍵盤、存儲等模塊。設計鍵盤可作為運行維護人員向電力系統(tǒng)穩(wěn)定器輸入數(shù)據(jù)及控制命令的輸入設備，采用顯示器可作為顯示運行狀態(tài)和運行結果的輸出設備。由于時間等方面的原因，這些模塊的詳細設計將不在本文中體現(xiàn)了。景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科生畢業(yè)設計（論文）295 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的軟件設計 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器軟件總體設計思想在完善的硬件裝置的基礎上，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的主要功能均通過軟件完成。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的軟件設計是整個勵磁控制系統(tǒng)的核心，它關系到勵磁控制系統(tǒng)的性能及其功能的實現(xiàn)。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的軟件設計中，主要的設計思想有三個方面：一是滿足控制的實時性要求；二是軟件要充分發(fā)揮 TMS320F2812指令和硬件特點；三是軟件要有很強的靈活性、通用性和可靠性。為了體現(xiàn)以上設計思想，本文中的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的軟件設計采取了以下措施：（1）電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的所有軟件設計均采用模塊化、子程序化設計思想。根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器所要完成的不同功能，將整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的軟件劃分為主程序和中斷服務程序。主程序包括系統(tǒng)初始化模塊、電量計算模塊、控制調節(jié)模塊和限制保護模塊等，中斷服務程序主要包括同步信號捕獲中斷、移相脈沖中斷、AD 轉換完成中斷等。（2）在程序設計中，能用中斷的盡量采用中斷方式。但進入中斷的時間不易過長，以避免在某一中斷處理程序中，因 CPU停留時間過長而導致不能及時響應其它中斷的請求，使程序出現(xiàn)控制錯誤。本文的軟件設計共使用了四個中斷程序完成了大部分主要工作，為 CPU節(jié)約了部分執(zhí)行時間。（3）為了提高整個裝置的可靠性和穩(wěn)定性，在程序中加看門狗中斷。 主程序模塊設計 系統(tǒng)初始化?？飚?TMS320F2812上電開始運行前，首先要對系統(tǒng)進行初始化，主要包括下面幾點：（1）TMS320F2812 系統(tǒng)時鐘的初始化和片內外設時鐘的初始化；（2）通用 GPIO的初始化；（3）中斷向量表的初始化；（4）ADC 模塊的初始化，主要包括：AD 的啟動、AD 時鐘頻率的選擇、采樣模式的選擇、采樣通道的設定以及 AD中斷程序的設定；（5）事件管理器模塊的初始化，主要包括捕獲單元的設定、通用定時器的景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科生畢業(yè)設計（論文）30設定和中斷程序的設定；（6）電壓給定值、勵磁電流給定值、PID 控制參數(shù)的設定等。主程序的設計流程圖如下圖所示：開 始系 統(tǒng) 初 始 化開 中 斷電 量 計 算控 制 調 節(jié) 模 塊限 制 保 護 模 塊等 待 中 斷清 除 看 門 狗返 回圖 51 主程序設計流程圖 電量計算模塊電量計算模塊須完成以下電量的測量：機端電壓、機端電流、電網(wǎng)電壓、勵磁電流、勵磁電壓和開關量輸入的檢測。對于勵磁電壓和勵磁電流可以通過ADC模塊對直流調理電路的輸出直接測量得到，開關量輸入可以通過TMS320F2812的 GPIO模塊對開關量調理電路的輸出直接測量得到。對于交流信號，本文通過交流采樣的方法得到。理想的電壓和電流為純正弦的交流信號 [4]，其表達式為： （51）()sin()mutUt???? （52）iI?景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科生畢業(yè)設計（論文）31其有效值分別為： （53）201()TUutd?? （54）20()TIit電網(wǎng)線路中某一相的有功功率和無功功率分別為： （55）0011()()TTPptdutid??? （56）2Qqt??式中， 、 分別表示電壓和電流的峰值；mUI 表示角速度；? 表示周期；T由于這些信號的瞬時值是隨時間變化的交變量，而在實際應用中，計算機所處理的信號均為離散的，因此要對連續(xù)的信號進行離散化，即對于周期為的連續(xù)信號，在一個周期內均勻采樣 點。所以需要根據(jù)不同的算法計算得N該信號的各個特征量，比如有效值、平均值、功率等。在勵磁系統(tǒng)中需要計算電壓和電流的有效值以及有功功率和無功功率。目前交流采樣的算法有很多種，分別應用于不同的場合如最大值算法、單點算法、半周期積分法、兩點采樣法、傅里葉算法和均方根算法等。前四種算法對輸入信號要求較高，在勵磁控制的采集電量非嚴格正弦（含高次諧波）的情況下誤差較大。下面對后兩種方法加以介紹：（1）傅氏算法 [[8] [19]在傅氏算法中，對于一個周期為 T的信號 ，在滿足一定的())ftT??條件下可展開為傅立葉級數(shù)，各次諧波為： （57）000()(cosin)2naft tbt??????式中，n 為自然數(shù)， 和 分別為 n次諧波的余弦和正弦的振幅。其中，n景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科生畢業(yè)設計（論文）322022020()()cos()inTTnTnaftdafttdbftt??????????因此基波分量即當 n=l時的余弦和正弦系數(shù)分別為： 21 021 0()cos()inTTafttdbftt?????于是 中的基波分量為：()ft （51010cosinatbt???8）對式（48）進行離散化，積分改為求和。則電壓各次諧波的實部和虛部分別為：實部： 122cos()NRniiun?????????虛部： 1()Xnii?當采樣點數(shù) 時，傅式算法計算公式為：32 （5016151732148303924051761267923cos()cos()8cos()cos()68RuuuuUuuu???? ???????? ??? ????? ?景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科生畢業(yè)設計（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，有功功率是瞬時功率在一個電網(wǎng)周期 內的平均值，而T瞬時功率是同一時刻電壓和電流瞬時值的乘積，對電壓、電流模擬量進行離散采樣后，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)陶瓷學院本科生畢業(yè)設計（論文）34 （518）41NKQui???三相功率為各相功率之和。式中， 表示采樣點數(shù)； 、 表示同一時第 K 點電壓、電流的采樣值；NKi 表示第( )采樣點電流的采樣值，比電壓采樣值 滯后電網(wǎng) 周期，4Ki?4? u14即相位上滯后 。2?比較上述兩種算法，考慮到傅立葉算法的系統(tǒng)開銷較大，相對均方根算法而言響應速度較慢，所以本文選用后者，采用 32點的均方根算法對 AD轉換結果進行計算。 控制調節(jié)模塊控制算法是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的核心，它在硬件支持下完成勵磁調節(jié)的數(shù)據(jù)采集、調節(jié)算法、控制輸出等主要任務。本文設計的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器采用基本比例積分微分（PID）勵磁控制算法實現(xiàn)對同步發(fā)電機的勵磁控制調節(jié)，其調節(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 機脈 沖形 成可 控 硅主 回 路過 勵 限 制 欠 勵 限 制 過 壓 保 護同 步_fUg fUfUfUPQ++++圖 52 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 PID調節(jié)原理圖圖中 為機端電壓， 為電壓給定值，P、Q 分別表示發(fā)電機有功功率和fUg無功功率。由圖可知，該電力系統(tǒng)穩(wěn)定器以發(fā)電機端電壓 作為反饋量，通過fUPID調節(jié)，從而達到維持發(fā)電機端電壓恒定的目的。PID 控制算法主要有位置式景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科生畢業(yè)設計（論文）35和增量式兩種控制算法，下面將分別介紹：（1）位置式 PID[21] （50()()[()1)][(k)e1]2k dpi KTukKeejT???????19）式中， 表示 時刻的輸出控制量()k 表示 時刻的偏差值e 表示 時刻的偏差值(1)?表示 時刻的偏差值，ejj 0jk?:表示采樣周期T表示比例系數(shù)pK表示積分系數(shù)i表示微分系數(shù)d（2）增量式 PID ()1)[()1)][()1)][()21)(2)]2dpi KTukKekKekekekT?????????? （520） 式中， 表示 時的輸出控制量。(1)uk?增量式 PID和位置式 PID相比，有以下優(yōu)點：1)增量型 PID控制器只輸出增量，誤動作影響小，控制作用變化不會很明顯，必要時可用邏輯判斷的方法去掉；2)采用增量式 PID算法，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換；3)位置型 PID每次輸出與整個過去狀態(tài)有關，算式中要用到過去偏差的累加值，因而較易產(chǎn)生較大的積累誤差和積分飽和，從而影響控制效果。而增量型 PID只需計算增量，算法中不需要做累加，控制增量只跟最近的幾個采樣值景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科生畢業(yè)設計（論文）36有關，容易通過加權處理獲得較好的控制效果，并且消除了當偏差存在時發(fā)生飽和的危險?；谠隽啃?PID具有上述優(yōu)點，在電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設計中，本文采用了增量型 PID控制算法作為勵磁控制調節(jié)算法。 限制保護模塊勵磁限制 [24]是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的輔助控制環(huán)節(jié)。同步發(fā)電機出于安全穩(wěn)定運行的需要,要求現(xiàn)代電力系統(tǒng)穩(wěn)定器必須配備完善的勵磁限制保護功能，包括V/F限制、強行勵磁功能、過電壓保護、過勵限制、欠勵限制等。（1）V/F 限制V/F限制也稱磁通限制或低頻過勵限制，它的作用主要是在機組解列運行時，確保機端電壓與其頻率的比值不超出安全值。如果比值過高，則發(fā)電機及其相連的主變壓器的鐵芯就會發(fā)生磁飽和，使空載激磁電流過大，造成鐵芯過熱，因此有必要對比值加以限制，其特性曲線如圖 53所示：1FGU2FGUB4 5 4 7A0 5 0 f ( H z )逆 變圖 53 V/F限制關系圖當發(fā)電機空載頻率高于 47Hz 時， 電壓給定值不受限制；若頻率在45～47Hz 之間時，如圖中的曲線 AB，電壓給定值 ，其中1k(45)FGFGUf???為發(fā)電機頻率；當頻率小于 45 Hz 時，則逆變滅磁。f（2）強行勵磁功能為了防止發(fā)電機轉子勵磁繞組長期過負載造成轉子勵磁繞組發(fā)熱，應對發(fā)景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科生畢業(yè)設計（論文）37電機進行強行勵磁。當強勵時,其容許的強勵時間隨發(fā)電機的勵磁電流的增大而減小，勵磁電流成倍增大，勵磁電壓也會升高，長期作用會造成發(fā)電機損壞。進行強勵時開始計時，當達到允許強勵時間時，勵磁電流自動地被減到其長期運行允許的最大值。根據(jù)國家有關標準，勵磁系統(tǒng)允許強勵時間應不小于 10秒，最長持續(xù)時間可達 50秒，并在一次強勵后一小時內不再進行強勵。（3）過勵限制在發(fā)電機輸出一定的有功功率 P時，其允許輸出的最大滯相無功，受到允許的勵磁電流和允許的定子電流兩方面的限制。為保證發(fā)電機的安全運行，根據(jù)發(fā)電機的 PQ特性曲線，限制發(fā)電機在一定的有功功率 P下的輸出滯相無功負荷如圖 54所示：Q0 P x PmaxQ圖 54 過勵限制圖在設計時將 PQ曲線以表格形式存放，根據(jù)實際的有功功率 P，查 PQ特性曲線表格得到對應的最大允許無功功率 ，如果實際無功功率 且持maxQmaxQ?續(xù) 20s，則設置過勵限制標志，從而驅動過勵控制程序使無功功率限制在允許值 內。maxQ（4）欠勵限制欠勵限制是用來防止并網(wǎng)運行的同步發(fā)電機因勵磁電流過度減小而失去同步或因機組過度進相引起發(fā)電機定子端部過熱。欠勵限制曲線如圖 55所示：景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科生畢業(yè)設計（論文）38minQ0QP圖 55 欠勵限制曲