基于DSP的發(fā)電機原動系統(tǒng)仿真器設計與開發(fā)
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關鍵詞：DSP；離散化處理；原動系統(tǒng)；動態(tài)特性
0 引言
原動系統(tǒng)（包括其調速系統(tǒng)）是影響電力系統(tǒng)機電瞬時過程一個重要的因子，不僅可以影響系統(tǒng)頻率和發(fā)電機有功功率的調整，而且對電力系統(tǒng)的瞬時穩(wěn)定和異步運行影響極大。因此，研制原動系統(tǒng)仿真器，建立室內電力系統(tǒng)，在實驗室內對電力系統(tǒng)的真實原動機（主要是水輪機和汽輪機）及其調速系統(tǒng)與自平衡特性進行模擬，是對電力系統(tǒng)進行研究的重要工具。早期的原動機仿真系統(tǒng)，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，且只能模擬原形系統(tǒng)的部分環(huán)節(jié)，難以模仿整個系統(tǒng)，準確度不高。本文所闡述的原動機仿真系統(tǒng)中采用數字電路，利用計算機軟件去實現(xiàn)和取代相關模擬電路的功能，硬件結構簡單、可靠；采用液晶顯示器實時顯示各運行參數，用戶操作便捷，顯示直觀。
1 原動系統(tǒng)仿真基本原理與數學模型
原動系統(tǒng)模型原理框圖如圖1。
圖1 原動系統(tǒng)原理框圖
各環(huán)節(jié)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)電機原動系統(tǒng)仿真器的基本結構：用直流電動機和晶閘管直流傳動系統(tǒng)作為模擬發(fā)電機的原動力。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(tǒng)中DSP采用TI公司的32位浮點 TMS320C6711B[3]。TMS320C 6711B采用改進的哈佛總線結構，主頻為150MHz，內部集成硬件乘法器和累加器,采用流水線VelociTITM甚長指令字(VLIW)指令,具有豐富的片上外設,并有專門針對數字信號處理的指令系統(tǒng)，運算能力可達1200MFLOPS，能滿足控制系統(tǒng)的要求。
3 微機控制系統(tǒng)的軟件設計
本系統(tǒng)把模擬式調速器轉化為數字式調速器，模擬式電流調節(jié)器轉化為數字式電流調節(jié)器。用單片機取代模擬運算放大電路，通過編程來實現(xiàn)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(jié)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(tǒng)以及水汽管道和電流調節(jié)器的數學模型，再進行離散化處理，寫出對應的離散化方程，最后運用匯編語言或C語言進行編程。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(xù)時間模型對應的是一個穩(wěn)定系統(tǒng)，那么離散形式也對應一個穩(wěn)定的系統(tǒng)。參考文獻[4]給出了錯油門環(huán)節(jié)、飛擺環(huán)節(jié)、油動機環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)的連續(xù)模型和離散化方程(差分方程)。
主程序分為兩個大的部分：開機前的運行整定和開機后的運行控制。即各運行控制參數的整定計算和存儲；打開中斷，允許中斷服務程序調用汽輪機（水輪機）調速器對電動機的運行進行實時控制；對電動機的速度，電樞電流，電樞電壓，勵磁電流進行循環(huán)采樣和監(jiān)測保護；實時處理用戶的輸入，并根據用戶要求及時對電動機的運行狀態(tài)進行調整；將電動機的運行參數在LCD上顯示出來，為用戶提供一個良好的人機接口。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(jié)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(jié)器的差分方程
3.1.2電流環(huán)子程序
DSP芯片通過高速入口捕捉光學編碼器的脈沖信號，經過軟件處理得到實時轉速，對速度環(huán)節(jié)，依差分方程得出原動機的輸出功率Pm（K）, 以Pm（K）作為電流調節(jié)器的給定值，按圖3進行流程計算，最后給出一個和晶閘管延遲角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(jié)、移相延遲角定時環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖時序分配環(huán)節(jié)等部分，與模擬電路實現(xiàn)的方法類似。產生觸發(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(tǒng)對于保證試驗過程中的人身和設備安全具有重要意義，本文重點研究和實現(xiàn)了完善的保護功能。主要包括：過速保護、過流保護、過壓保護、失磁保護、仿真器內部故障（包括CPU等）、紅外線測速裝置故障保護等六個方面的保護。保護動作值可以根據需要進行整定。計算機對檢測到的參數進行判斷和處理，當檢測到控制系統(tǒng)出現(xiàn)過速、過流、過壓、失磁等故障時，立刻啟動保護電路，使主回路跳閘、迅速切除故障，同時發(fā)出聲光提示信號并指明故障類型。以下是采用匯編語言編寫的飛車（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(xiàn)場測試及實驗結果分析
4.1靜態(tài)性能測試
切除調速器，使同步發(fā)電機有功至滿載運行，稍微改變負載，電動機將出現(xiàn)自平衡狀態(tài)，由此可得到在額定轉速附近的M-n曲線，如圖5所示。
圖5模擬原動機的機械特性
由圖5可見，模擬原動機的機械特性在額定轉速附近基本上是線性的，斜率可通過調整電流和轉速的反饋比來實現(xiàn)，因此直流電動機模型與真實原動機相同。
4.2 動態(tài)性能測試
將調速器投入，使模擬發(fā)電機正常啟動，轉速升至額定值后滿負荷運行，突然100%甩負荷，記錄轉速的變化過程，水輪機的錄波圖（部分）如圖6所示。曲線與同步發(fā)電機甩負荷的轉速調節(jié)過程完全一致。改變某一參數重復上述試驗，然后進行比較，可以得出：τ0和τs中任意一個加大，動態(tài)特性變差，轉速過渡過程時間增長；δ，τw和τrk 中任意一個加大，動態(tài)特性變好，轉速過渡過程時間減少。錄波圖所顯示出的水輪機輸出波形的變化過程與實際情況相符，充分體現(xiàn)了電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗再現(xiàn)試驗對象真實物理過程的特點。
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)電機原動系統(tǒng)仿真模型，以DSP芯片為控制核心，通過調速器模型與電流速度雙反饋，實現(xiàn)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系統(tǒng)仿真模型動態(tài)特性波形的變化過程及其基本規(guī)律與實際調速系統(tǒng)情況相符；改變調速系統(tǒng)仿真模型的參數值，達到了對原型調速器不同參數下動態(tài)特性進行模擬的預期目的，充分顯示了電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗再現(xiàn)試驗對象真實物理過程的特點。錄波圖證明：該原動系統(tǒng)仿真器具有動態(tài)性能好、響應快的優(yōu)點，較為準確地反映了變化參數對原動系統(tǒng)帶來的影響。
本文作者創(chuàng)新點：（1）采用DSP芯片取代相關模擬電路或80C196KC芯片的控制功能，突破傳統(tǒng)模擬控制與數?；旌峡刂颇Ｊ?，簡化了硬件構成，并實現(xiàn)對原動系統(tǒng)仿真器的全數字控制。（2）采用液晶顯示器實時顯示各運行參數，用戶操作便捷，顯示直觀。
[參考文獻]
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[3] 陳仕高,姜久春,牛利勇.DSP在直流無刷電機中的應用[J].微計算機信息,2006，24（1-2）: 143-145.
[4] 劉覺民,顏小君,付振宇.模擬原動機調速器的數學模型與程序設計[J].低壓電器,2006（3）.
[5] 劉覺民,付振宇,譚立新，等.發(fā)電機原動系統(tǒng)仿真器程序設計[J]，湖南大學學報，2005，32（1）:29-32.
[6] IEEE Committee Report Dynamic Models for Steam Hydro Turbines in Power System Studies[J]. IEEE Trans,1974,89(1):1904-1915.
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