基于DSP的發(fā)電機原動(dòng)系統仿真器設計與開(kāi)發(fā)
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關(guān)鍵詞：DSP；離散化處理；原動(dòng)系統；動(dòng)態(tài)特性
0 引言
原動(dòng)系統（包括其調速系統）是影響電力系統機電瞬時(shí)過(guò)程一個(gè)重要的因子，不僅可以影響系統頻率和發(fā)電機有功功率的調整，而且對電力系統的瞬時(shí)穩定和異步運行影響極大。因此，研制原動(dòng)系統仿真器，建立室內電力系統，在實(shí)驗室內對電力系統的真實(shí)原動(dòng)機（主要是水輪機和汽輪機）及其調速系統與自平衡特性進(jìn)行模擬，是對電力系統進(jìn)行研究的重要工具。早期的原動(dòng)機仿真系統，多采用模擬電路[1，2]，存在結構復雜、電子元器件容易老化、易受環(huán)境溫度影響和抗干擾能力差等缺點(diǎn)，且只能模擬原形系統的部分環(huán)節，難以模仿整個(gè)系統，準確度不高。本文所闡述的原動(dòng)機仿真系統中采用數字電路，利用計算機軟件去實(shí)現和取代相關(guān)模擬電路的功能，硬件結構簡(jiǎn)單、可靠；采用液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示各運行參數，用戶(hù)操作便捷，顯示直觀(guān)。
1 原動(dòng)系統仿真基本原理與數學(xué)模型
原動(dòng)系統模型原理框圖如圖1。
圖1 原動(dòng)系統原理框圖
各環(huán)節的傳遞函數[2]如下：
汽輪機 
水輪機 
2 控制電路硬件設計
同步發(fā)電機原動(dòng)系統仿真器的基本結構：用直流電動(dòng)機和晶閘管直流傳動(dòng)系統作為模擬發(fā)電機的原動(dòng)力。其硬件電路包括一次主回路和微機控制電路，主回路由整流變壓器、三相全控整流橋和電抗器等組成。微機控制電路以DSP(Digital Signal Processor)為控制核心。
本系統中DSP采用TI公司的32位浮點(diǎn) TMS320C6711B[3]。TMS320C 6711B采用改進(jìn)的哈佛總線(xiàn)結構，主頻為150MHz，內部集成硬件乘法器和累加器,采用流水線(xiàn)VelociTITM甚長(cháng)指令字(VLIW)指令,具有豐富的片上外設,并有專(zhuān)門(mén)針對數字信號處理的指令系統，運算能力可達1200MFLOPS，能滿(mǎn)足控制系統的要求。
3 微機控制系統的軟件設計
本系統把模擬式調速器轉化為數字式調速器，模擬式電流調節器轉化為數字式電流調節器。用單片機取代模擬運算放大電路，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現控制特性的仿真。主要包括主程序、調速器、數模轉換與數字的讀取、測速、液晶顯示、按鍵處理、電流調節器、移相觸發(fā)和繼電保護等子程序，各程序采用模塊化編程。其設計思想是首先獲得水輪機、汽輪機調速系統以及水汽管道和電流調節器的數學(xué)模型，再進(jìn)行離散化處理，寫(xiě)出對應的離散化方程，最后運用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言進(jìn)行編程。設計中將差分法運用到了PID控制中。這樣，選擇合適的采樣周期T后，若連續時(shí)間模型對應的是一個(gè)穩定系統，那么離散形式也對應一個(gè)穩定的系統。參考文獻[4]給出了錯油門(mén)環(huán)節、飛擺環(huán)節、油動(dòng)機環(huán)節、反饋環(huán)節的連續模型和離散化方程(差分方程)。
主程序分為兩個(gè)大的部分：開(kāi)機前的運行整定和開(kāi)機后的運行控制。即各運行控制參數的整定計算和存儲；打開(kāi)中斷，允許中斷服務(wù)程序調用汽輪機（水輪機）調速器對電動(dòng)機的運行進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；對電動(dòng)機的速度，電樞電流，電樞電壓，勵磁電流進(jìn)行循環(huán)采樣和監測保護；實(shí)時(shí)處理用戶(hù)的輸入，并根據用戶(hù)要求及時(shí)對電動(dòng)機的運行狀態(tài)進(jìn)行調整；將電動(dòng)機的運行參數在LCD上顯示出來(lái)，為用戶(hù)提供一個(gè)良好的人機接口。參考文獻[4,5]給出了主程序、數字調速器、數模轉換與數字的讀取、測速、液晶顯示、按鍵處理等子程序的設計思想及流程圖。
本文主要介紹電流調節器、移相觸發(fā)和繼電保護等子程序的設計。
3.1 電流環(huán)子程序
3.1.1電流調節器的差分方程
3.1.2電流環(huán)子程序
DSP芯片通過(guò)高速入口捕捉光學(xué)編碼器的脈沖信號，經(jīng)過(guò)軟件處理得到實(shí)時(shí)轉速，對速度環(huán)節，依差分方程得出原動(dòng)機的輸出功率Pm（K）, 以Pm（K）作為電流調節器的給定值，按圖3進(jìn)行流程計算，最后給出一個(gè)和晶閘管延遲角α相對應的控制量Uc（K）。
圖3 電流環(huán)子程序流程圖 圖4 移相觸發(fā)子程序流程圖
3.2移相觸發(fā)子程序
由單片機產(chǎn)生所需的晶閘管移相觸發(fā)脈沖,必須包括同步電壓檢測環(huán)節、移相延遲角定時(shí)環(huán)節、觸發(fā)脈沖時(shí)序分配環(huán)節等部分，與模擬電路實(shí)現的方法類(lèi)似。產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的控制軟件如圖4所示。
3.3繼電保護子程序
完善可靠的報警保護系統對于保證試驗過(guò)程中的人身和設備安全具有重要意義，本文重點(diǎn)研究和實(shí)現了完善的保護功能。主要包括：過(guò)速保護、過(guò)流保護、過(guò)壓保護、失磁保護、仿真器內部故障（包括CPU等）、紅外線(xiàn)測速裝置故障保護等六個(gè)方面的保護。保護動(dòng)作值可以根據需要進(jìn)行整定。計算機對檢測到的參數進(jìn)行判斷和處理，當檢測到控制系統出現過(guò)速、過(guò)流、過(guò)壓、失磁等故障時(shí)，立刻啟動(dòng)保護電路，使主回路跳閘、迅速切除故障，同時(shí)發(fā)出聲光提示信號并指明故障類(lèi)型。以下是采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的飛車(chē)（失磁）保護子程序。
ORG 3500H
Excition_lose: LD AX，#C7FFH ；送控制字地址，A1A0=11B
LDB BL，#92H ；輸入控制字，方式0
STB BL，[AX] ；將方式控制字送送端口
DEC AX ；指向C口，A1A0=10B
LDB BL，#04H ;
STB BL，[AX] ；Pc.3=1跳失磁出口保護繼電器
RET
4 現場(chǎng)測試及實(shí)驗結果分析
4.1靜態(tài)性能測試
切除調速器，使同步發(fā)電機有功至滿(mǎn)載運行，稍微改變負載，電動(dòng)機將出現自平衡狀態(tài)，由此可得到在額定轉速附近的M-n曲線(xiàn)，如圖5所示。
圖5模擬原動(dòng)機的機械特性
由圖5可見(jiàn)，模擬原動(dòng)機的機械特性在額定轉速附近基本上是線(xiàn)性的，斜率可通過(guò)調整電流和轉速的反饋比來(lái)實(shí)現，因此直流電動(dòng)機模型與真實(shí)原動(dòng)機相同。
4.2 動(dòng)態(tài)性能測試
將調速器投入，使模擬發(fā)電機正常啟動(dòng)，轉速升至額定值后滿(mǎn)負荷運行，突然100%甩負荷，記錄轉速的變化過(guò)程，水輪機的錄波圖（部分）如圖6所示。曲線(xiàn)與同步發(fā)電機甩負荷的轉速調節過(guò)程完全一致。改變某一參數重復上述試驗，然后進(jìn)行比較，可以得出：τ0和τs中任意一個(gè)加大，動(dòng)態(tài)特性變差，轉速過(guò)渡過(guò)程時(shí)間增長(cháng)；δ，τw和τrk 中任意一個(gè)加大，動(dòng)態(tài)特性變好，轉速過(guò)渡過(guò)程時(shí)間減少。錄波圖所顯示出的水輪機輸出波形的變化過(guò)程與實(shí)際情況相符，充分體現了電力系統動(dòng)態(tài)模擬試驗再現試驗對象真實(shí)物理過(guò)程的特點(diǎn)。
圖6水輪機突然100%甩負荷轉速的暫態(tài)響應錄波圖（部分）
5 結論
本文設計的同步發(fā)電機原動(dòng)系統仿真模型，以DSP芯片為控制核心，通過(guò)調速器模型與電流速度雙反饋，實(shí)現了對原型調速器、水汽管道以及自平衡特性的仿真。錄波圖所顯示出的原動(dòng)系統仿真模型動(dòng)態(tài)特性波形的變化過(guò)程及其基本規律與實(shí)際調速系統情況相符；改變調速系統仿真模型的參數值，達到了對原型調速器不同參數下動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模擬的預期目的，充分顯示了電力系統動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗再現試驗對象真實(shí)物理過(guò)程的特點(diǎn)。錄波圖證明：該原動(dòng)系統仿真器具有動(dòng)態(tài)性能好、響應快的優(yōu)點(diǎn)，較為準確地反映了變化參數對原動(dòng)系統帶來(lái)的影響。
本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：（1）采用DSP芯片取代相關(guān)模擬電路或80C196KC芯片的控制功能，突破傳統模擬控制與數?；旌峡刂颇Ｊ?，簡(jiǎn)化了硬件構成，并實(shí)現對原動(dòng)系統仿真器的全數字控制。（2）采用液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示各運行參數，用戶(hù)操作便捷，顯示直觀(guān)。
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