电力系统智能稳定器PSS的毕业设计方案.doc
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1、中国地质大学(北京)现代远程教育专 科 实 习 报 告题 目 电力系统智能稳定器PSS设计 学生姓名 刘浩 批 次 1403 专 业电气工程及其自动化 学 号 68 学习中心 知金北京学习中心 3 月摘 要伴随社会发展,电力系统规模也在不停扩大,重负荷远距离输电线路也在不停增多,快速励磁系统和快速励磁调整器得到普遍利用,这些全部使得电力系统低频振荡问题日益突出,所以研究低频振荡问题对电力系统稳定产生影响也日渐关键。发电机励磁控制一直是受大家关注保障电力系统稳定运行关键手段。在此背景下,大家采取电力系统稳定器(Power System Stabilizers,即PSS)作为励磁系统附加控制。在发
2、电机励磁系统中,电力系统稳定器是其关键组成部分。它直接影响发电机运行特征,对电力系统安全稳定运行有着关键影响。电力系统规模不停增大,系统结构和运行方法日趋复杂,对发电机电力系统稳定器运行可靠性、稳定性、经济性和灵活性提出了更高要求。本文正是依据这些要求和电力系统稳定器中国外发展趋势,研究和设计了以TMS320F2812芯片为控制关键电力系统稳定器。基于TMS320F2812电力系统稳定器能够在较大电力系统运行范围内向系统提供充足阻尼,抑制低频振荡,提升系统稳定性。关键词: 电力系统稳定器 低频振荡 TMS320F2812 移相触发ABSTRACTWith the development of
3、the society, the size of power system is expanding.Heavy-load and long-distance transmission lines are increasing constantly , and the fast excitation system and AVR are widely used. All the development makes the problem of Power System Low Frequency Oscillation more and more significant .Therefore,
4、 it is important to study on how the low frequency oscillation in fluence, the power system stability.Excitation control has always been an important means of attention to the protection of power stability of the system. In this context, it is the power system stabilizer (Power System stabilizers PS
5、S) as an additional control of the excitation system.The generator excitation system, excitation controller is an important part. It affects the operation characteristics of generator directly and is very important to safe and stable operation of the power system. With the increasing power of the la
6、rge scale of the system and the system structure and operation mode of increasingly complicated, the power system requires that the generator excitation controller has higher reliability, stability, economy and flexibility. According to the these requirements, as well as the development trend both h
7、ere and abroad, this paper researches and designs excitation controller of generator by TMS320F2812 chip as the control center.within the limits of the system to provide adequate damping power system stabilizer based on TMS320F2812suppress low-frequency oscillation and improve the stability of the s
8、ystem.KEYWORDS: power system stabilizer Low-frequency oscillation MS320F2812 Phase-shift trigger 目 录1 引言11.1 电力系统稳定器11.2 电力系统稳定器中国外研究现实状况11.3 电力系统稳定器发展趋势21.4 本课题研究意义22 电力系统低频振荡机理32.1 电力系统低频振荡32.2 电力系统数学模型分析方法42.3 电力系统低频振荡分析模型52.4 影响阻尼原因及处理方法63 电力系统稳定器工作原理83.1 电力系统稳定器抑制低频振荡原理83.2 电力系统稳定器输入信号93.3 PSS传
9、输函数94 电力系统稳定器结构104.1 电力系统稳定器结构图104.1.1TMS320F2812芯片介绍.11 4.1.2TMS320F2812 引脚介绍. 114.2 模拟量输入通道134.2.1 交流信号采集调理电路134.2.2 直流信号采集调理电路144.2.3 ADC采样模块144.3 开关量输入输出单元154.3.1 开关量输入通道164.3.2 开关量输出通道174.4 同时检测及移相触发单元174.4.1 同时信号检测184.4.2 移相脉冲形. 194.4.3 脉冲功率放大电路194.4.4脉冲故障检测单元204.5 其它硬件模块225电力系统稳定器软件设计235.1电力系
10、统稳定器软件总体设计思想235.2 主程序设计235.2.1 系统初始化模快235.2.2 电量计算模块245.2.3 控制调整模块275.2.4限制保护模块295.3 中止程序设计315.3.1 同时信号捕捉中止315.3.2 移相脉冲中止335.3.3 AD转换完成中止375.4 软件可靠性设计38结论39致 谢42参 考 文 献43引 言1.1 电力系统稳定器电力系统稳定器(power system stabilizer, PSS)是一个安装在发电机自动电压调整装置上用于改善电力系统动态稳定性附加励磁控制装置。它在励磁电压调整器中引入领先于轴速度附加信号,产生一个正阻尼转矩去克服原励磁电
11、压调整器中产生负阻尼转矩作用,用于提升电力系统阻尼和处理低频振荡问题,是提升电力系统动态稳定性关键方法之一。PSS抽取和此振荡相关信号,如发电机有功功率、转速或频率,加以处理,产生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附加力矩。1.2 电力系统稳定器中国外研究现实状况多年来,伴随电力系统发展到大电网、大机组、超高压、高度自动化阶段和微电子技术、计算机技术及控制技术迅猛发展和日趋成熟,使得电力系统稳定器研究和设计成为一个很活跃领域。中国电力系统稳定器研究和设计比较早,80年代初就有部分电力科研单位和高校开始研制电力系统稳定器48。第一台投入现场运行是南京自动化研究所(现国电自动化
12、研究院)研制适适用于大中型发电机WLT-1型电力系统稳定器,WLT-1型电力系统稳定器以8位单板机为关键,采取PID调整方法。福州大学于1990年研制出SMER-C型微机电力系统稳定器,采取8位8051单片机,含有多个调整、控制和限制功效,用于福建省内大部分中小型发电机组。中国电力科学研究院和南京自动化设备厂合作研制WKKL-1型微机双自动电力系统稳定器选择16位工业控制机CCSDK-86,在控制规律上以PID调整为主,同时引入了电力系统稳定器(PSS)附加控制。清华大学和哈尔滨电机厂合作,研制了全数字式电力系统稳定器,采取STD总线结构或8098单片机结构,控制规律采取PID调整方法、PSS
13、附加控制、线性最优励磁控制(LOEC)和非线性励磁控制(NEC),四种调整规律含有完善保护、限制、报警功效。华中科技大学和东方电机股份企业和葛洲坝电厂能达通用电器合作,开发研制了线性最优和自适应最优微机电力系统稳定器。经过多年努力,中国部分院校、研究所和企业在电力系统稳定器设计、生产和运行方面已经积累了丰富经验,电力系统稳定器优良性能在实际生产运行中也日益显示出来。国外电力系统稳定器进入实用也是在20世纪80年代,1989年7月日本东芝企业在日本八户发电所投运了双微机系统数字式电力系统稳定器;1990年5月加拿大通用电器企业(CGE) 也开发出了电力系统稳定器;1993年日本三菱企业投运了ME
14、C5000型系列微机电力系统稳定器。另外,奥地利ELIN企业、德国SIEMENS企业、英国GEC企业等也全部相继生产出微机电力系统稳定器。这些大企业均含有很强科研开发能力,电力系统稳定器所用计算机系统通常以专用高速可编程控制器为关键,采取自行研制专用控制板组成,所以含有结构紧凑,可靠性高优点。其中,瑞士ABB企业UNTROL- D型多微机电力系统稳定器在中国石洞口电厂、李家峡电厂等得到使用;三峡700MW机组电力系统稳定器由德国SIEMENS企业提供;加拿大CGE企业生产SILCO双通道型微机电力系统稳定器安装在中国隔河岩水电站进口机组上。这些电力系统稳定器多采取PID+PSS控制,多种控制、
15、限制功效较完善,装置整体制造水平也较高。从整体上看,中国在电力系统稳定器控制算法方面处于国际先列,所开发电力系统稳定器功效也很强大,但装置所选择元器件可靠性和生产制造工艺水平和国外相比还存在一定差距。1.3 电力系统稳定器发展趋势伴随中国三峡水电站完工和中国西部煤炭资源利用和开发出现了西电东输要求,从降低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局面,电力系统稳定器(PSS)发展和应用显得更为关键!电力系统稳定器(PSS)也将朝着更智能,硬件结构更简单,交换性好,使用维护更简单易行方向发展1.4 本课题研究意义电力系统稳定问题是电力系统根本问题。电力系统发展早期,系统结
16、构相对简单松散,其静态稳定问题通常表现为发电机和系统之间非周期失步。伴随电力系统不停扩大,出现了大型电力系统互联,系统联络所以变得越来越紧密,整个电力系统也变得越来越复杂。系统静态稳定问题由此常表现为发电机组之间功率动态振荡,尤其是在互联络统联络线上,这种振荡表现更为突出。因为这种振荡频率较低,通常在0.2-2.SHz之间,所以通常称之为低频振荡。其振荡时产生能量经过机电联络来传输,所以又称为机电振荡,表现为发电机电功率和功角改变。低频振荡严重时会造成系统解列或失去稳定,是大型电力系统互联引发最关键影响系统稳定问题之一自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
17、功率振荡事故,振荡严重时破坏互联络统之间并列运行,造成联络线跳闸引发大面积停电。近十多年来,中国各大电网也相继发生了联络线低频振荡现象所以为了处理低频振荡给电力系统带来危害,研究电力系统稳定器是很有必需。2 电力系统低频振荡机理2.1 电力系统低频振荡 因为电力系统规模扩大,大型发电机普遍采取了由集成电路和可控硅组成电力系统稳定器,使自动电力系统稳定器时间常数从过去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)广泛采取,更使得励磁系统时间常数大为减小,从而降低了电力系统阻尼。对联络较弱电网系统影响较大,使系统中常常出现弱阻尼、甚至是负阻尼。所以,很多电力系统出现了每分钟
18、多个至几十个周波频率很低自发性系统振荡。在这种情况下,当振荡严重时会破坏互联络统之间并列运行,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教授学者提出了部分不尽相同低频振荡产生机理,关键见解有以下多个23:(1)欠阻尼原理在对低频振荡分析中,负阻尼机理相对来说是比较成熟理论,得到学界广泛认可20。负阻尼机理是由学者F.Demello提出,根据F.Demelfo分析,励磁系统是一个惯性系统,假如电力系统稳定器放大倍数有所增加,就可能会造成对应转子机械振荡特征根实部从小于零负值逐步上升。这么情况下,再加上电力系统稳定器放大倍数过大不利条件,特征根实部甚至有可能达成正值,进而使得
19、系统发生增幅振荡。所以,也可将低频振荡原因了解为励磁系统放大倍数过大引发了负阻尼增大,甚至将系统原先固有正阻尼抵消了,使系统展现出负阻尼状态或阻尼极小。这么系统在扰动出现时候,就不能使扰动很快平息,反而会出现引发系统振荡增幅振荡。负阻尼机理是一个经过多年研究完善和实践检验机理,可说是一个公认理论。(2)发电机电磁惯性引发低频振荡文件24指出因为发电机励磁绕组含有电感,则由励磁电压在励磁绕组中产生励磁电流将是一个比它滞后励磁电流强迫分量,而这种滞后控制在一定条件下将引发振荡。这种电磁惯性引发低频振荡产生条件现在还无定论,这一方向正处于研究阶段。(3)参数谐振电力系统受到外界周期性扰动,当扰动频率
20、和系统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)电力系统分歧有静态分歧和动态分歧两种情况,文件14.15依据动态分歧中Hopf 分歧理论指出系统在临界点周围发生亚临界分歧条件是临界点处曲率系数0,从而系统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,出现了增幅性低频振荡,此时稳定域因为亚临界分歧出现而变小,不稳定区域扩到了左半平面;系统稳定域变小。(5) 混沌振荡机理文件25中指出,混沌现象是在完全确定模型下产生不确定现象,它是由非线性系统中各个参数相互作用而造成一个很复杂现象,现在大家只是感性认识到混沌现象部分
21、经典特征。文件26针对低频振荡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)在周期性扰动负荷作用下,且当扰动负荷值超出一定范围时,系统出现混沌振荡;(3)在周期性负荷扰动下,当阻尼系数靠近某一数值时,系统发生混沌振荡。上面多个见解全部从某首先揭示了低频振荡发生机理,欠阻尼原理研究最早也最成熟,这关键得益于线性系统理论成熟,现在已经形成了一套比较完整理论体系,并在工程上得到实际应用。谐振理论关键是在设计和制造时加以考虑分歧现象关键用于低阶单变量系统,高阶多变量非线性系统稳定分析现在在理论上还没有得到很好处理,关键是经过数值分析来判定。混沌理论现在还停
22、留在做理论上探讨,在工程中现在难以应用。2.2 电力系统数学模型分析方法到现在为止,电力系统低频振荡分析方法大致上能够分为两大类: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信号进行分析,即是基于试验研究方法21。就这两类方法来说,第一类方法只有建立了电力系统全阶数学模型才能使用,而电力系统全阶数学模型往往不易建立,所以这类方法会受到一定限制。基于电力系统数学模型分析方法关键有以下多个:(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特征根进行计算,并据此取得
23、电力系统全部振荡模式,然后对特征根灵敏度和特征向量进行分析和计算,还能过得更多相关振荡信息。QR方法能够用于求解低维矩阵特征值,也曾被用来求解电力系统特征值,不过在现在阶数常常达成上万电力系统状态方程中己经显得不那么有用了,取而代之研究热点是降阶方法。隐式重开启Amoldi算法也能够被用于计算大型电力系统机电模式特征值,隐式重开启Amoldi算法能够在大型电力系统中计算出特征值,且含有收敛快速,可靠性高优点24。(2) 时域仿真法:这种方法是将全系统模型经过各个元件模型在系统中所表现出来拓扑关系建立,再将系统稳态值和系统时尚解作为运算初始条件,解出系统状态量和代数量伴随时间改变曲线,最终依据得
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