电力系统稳定器的设计

PAGEPAGEI电力系统稳定器的设计目录摘要 IABSTRACT II1绪论 11.1研究背景 11.2研究意义 12相关概述 22.1PSS的原理 22.2PSS的类型 22.3电力系统稳定器的分类 33PSS2B的硬件设计 43.1电力系统稳定器的结构图 43.2模拟量输入通道 43.2.1交流信号采集调理电路 53.2.2直流信号采集调理电路 53.2.3ADC采样模块 63.3开关量输入输出单元 73.3.1开关量输入通道 73.3.2开关量输出通道 83.4同步检测及移相触发单元 93.4.1同步信号的检测 103.4.2移相脉冲的形成 113.4.3脉冲功率放大电路 114PSS2B的软件设计及仿真 134.1主程序模块设计 134.1.1系统初始化模快 134.1.2电量计算模块 144.1.3控制调节模块 174.2中断程序设计 184.2.1同步信号捕获中断 184.2.2移相脉冲中断 204.2.3AD转换完成中断 244.3模型运行仿真分析 25结语 28参考文献 29致谢 30摘要随着现代电力系统的发展，大电网的互联、远距离输电以及快速励磁装置的广泛应用已成为其显著的特点。这些因素不同程度地降低了系统的阻尼，从而增加了系统低频振荡的可能性。本文以TMS320F2812芯片为控制核心的电力系统稳定器。基于TMS320F2812的电力系统稳定器能够在较大的电力系统运行范围内向系统提供充分的阻尼，抑制低频振荡，提高系统的稳定性。本文设计了一种用于AD采样的信号调理电路。采用基于TMS320F2812的高速片上A/D变换器，避免了采样率和转换率过低引起的相电压电流角差，使计算的有功功率、无功功率、功率因数等参数更接近实际值。利用TMS320F2812芯片的事件管理器捕获单元和定时器，完成了发电机频率测量和同步信号检测。完成了电力系统稳定器基本功能的软硬件设计，给出了硬件原理图和软件流程图。采用模块化设计思想，结构简单明了。关键词：电力系统稳定器；低频振荡；TMS320F2812

ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofmodernpowersystem,theuniversalapplicationoflargepowergridinterconnection,heavyload,longdistancetransmissionandfastexcitationdevicehasbecomeitsremarkablecharacteristics,allthesefactorsreducethedampingofthesystemindifferentdegree,thusincreasingthepossibilityofsystemlowfrequencyoscillation.Inthispaper,TMS320F2812chipasthecontrolcoreofpowersystemstabilizer.ThepowersystemstabilizerbasedonTMS320F2812canprovidesufficientdampingtothesysteminthelargepowersystem,restrainthelowfrequencyoscillationandimprovethestabilityofthesystem.Inthispaper,thedesignofsignalconditioningcircuitusingADsampling,TMS320F2812high-speedon-chipA/Dconverter,avoidsthephaseanglebetweenthevoltageandcurrentcausedbysamplingandconversionrateistoolowforthepoor,sothatthecalculatedactivepower,reactivepowerandpowerfactorisclosertothetruevalue.ByusingthecaptureunitandtimerintheTMS320F2812chipeventmanager,thegeneratorfrequencymeasurementandsynchronizationsignaldetectionarecompleted.Thehardwareandsoftwaredesignofthebasicfunctionofthepowersystemstabilizeriscompleted,andthehardwareschematicdiagramandsoftwareflowchartaregiven.Keywords:powersystemstabilizer;lowfrequencyoscillation;TMS320F2812PAGE151绪论1.1研究背景我国经济的发展导致电力需求日益增长，电力系统需要相应的不断的发展和完善。互联电网具有区域电网之间易于调度、互利的技术经济优势，提高了发电和输电的经济性，同时也使大型电网的安全稳定更加突出。小的局部扰动也可能引起互联电网的恶性循环，甚至引发系统停电。低频振荡就是电力系统面临的重要稳定性问题之一。随着现代电力工业的发展，为了适应不断扩大的电力系统规模，更大容量的发电机组被投入运行。为了提高大型发电机组的暂态稳定性，高增益快速响应励磁系统在电力系统中得到了广泛的应用，在一定的运行方式下，它会降低系统的阻尼，使互联的大型电力系统容易发生振荡和失谐。在小扰动和缺乏阻尼的情况下，由并联发电机的旋转表现出来。子发电机之间发生相对摆动振荡，互联系统中的发电机转子角、转速、功率、母线电压、线功率等相关电量也随之摆动。其振荡频率范围一般在0.2Hz-2.5Hz之间，相较于系统工频而言振荡频率较低，故称为低频振荡。1.2研究意义低频振荡就是电力系统面临的重要稳定性问题之一。随着现代电力工业的发展，为了适应不断扩大的电力系统规模，更大容量的发电机组被投入运行。为了提高大型发电机组的暂态稳定性，高增益快速响应励磁系统在电力系统中得到了广泛的应用，在一定的运行方式下，它会降低系统的阻尼，使互联的大型电力系统容易发生振荡和失谐。在小扰动和缺乏阻尼的情况下，TEP是由并联发电机的旋转表现出来的。子发电机之间发生相对摆动振荡，互联系统中的发电机转子角、转速、母线电压、线功率等相关电量也随之摆动。低频振荡现象伴随着电网互联，已成为威胁电网安全稳定运行、限制大型互联电力系统输电能力的重要问题。因此，研究低频振荡的抑制措施，对保证电网安全稳定运行具有重要意义。

2相关概述2.1PSS的原理一般认为，低频振荡的根本原因是系统阻尼很小甚至是负阻尼。当然，解决这个问题的方法是向系统中注入更多的阻尼。因此，抑制电力系统低频振荡的主要途径是通过阻尼控制器。由图2.1可知，PSS实质上是关于P、n或f的反馈环节，使发电机励磁系统构成了双闭环系统，其内环是关于电压的控制环；外环是关于P、n或f的控制环。当t趋于无穷大时，PSS的输出为零。在过渡过程中，动态信号平稳传递，使PSS只在动态过程中起作用。超前—滞后环节可补偿励磁系统引起的相位滞后。放大环节的的放大倍数K确保ΔT有足够的幅值。限幅环节可确保大干扰时PSS的输出不会造成电机端电压的变化超标。图2.1PSS信号作用向量图2.2PSS的类型1.PSS1APSS1A，单输入PSS，两级超前滞后环节。最早的输入是频率。目前，功率P被广泛应用于通过矫直连杆获得ΔP，然后对ΔP进行超前和滞后处理，以达到抑制低频振荡的目的。PSS1A主要适用于火电厂，因为火电机组调负荷很慢，其有功变化频率不在PSS1A的频率范围，不会产生机组无功反调。PSS1A，简单可靠。所谓反调，就是发电机无功随有功增减而减增，显然不利于电力系统稳定，需要避免。2.PSS2BPSS2B是双输入PSS，一个输入量是ω，一个是P，三级超前滞后环节。其原理是利用μ和p计算发电机的机械功率Δpm和电磁功率pe。发电机的加速功率Δpa是通过减去这两者得到的。当机组单侧增减负荷时，加速功率等于零，PSS不工作，即无功功率反向调节。只有当机组有功增减变化即振动时，PSS才起作用，抑制系统低频振荡。3.PSS3BPSS3B也是一种双输入PSS。一个输入是ω，另一个是p，相当于一个ω输入的PSS和一个带p输入的PSS，在中国很少使用。4.PSS4BPSS4b是一个多波段PSS，它将ω分成三个频段，然后叠加在一起。它可以改善PSS在超低频范围的性能。这是一个非常复杂且很少使用的问题，但是理论研究的前景是很有希望的。2.3电力系统稳定器的分类电力系统稳定问题是指系统在正常运行状态下受到一定扰动后，能否恢复到原来的运行状态或过渡到新的稳态运行状态。如果可以，则认为系统在正常运行状态下是稳定的。反之，如果系统不能回到原来的状态或建立新的稳定状态，则意味着系统的状态变量没有稳定值，而是随时间增加或振荡，系统不稳定。暂态稳定是指电力系统在一定的运行状态下，经过突然的大扰动后，通过暂态过程能否达到新的稳态或恢复到原始状态。这里所说的大干扰是区别与前面说说的小干扰而言的，比如短路、突然断开线路或发电机等。所以说如果一个系统在受到大干扰的情况下还能过恢复到以前的稳定运行状态，我们就说这个系统是暂态稳定的。相反，如果一个系统在受到大的干扰的情况下不能够恢复到以前的稳定运行状态，出现了诸如电压、电流、相角不断振荡的情况，我们就说系统在这个运行状态下不能够保持暂态稳定。由此可见，系统的暂态稳定与系统的运行状态和扰动有关。也就是说，系统在一定的运行情况和干扰情况下是稳定的，但在另一种运行或干扰情况下，系统可能是不稳定的。电力系统受到大的干扰，经过一段时间后，会逐步趋向稳定运行状态或者趋于失步状态。这种时间的长短和系统本身的的运行状况和扰动的大小有关系。在分析大扰动后的暂态过程有下列的三种不同的时间阶段分类：（1）起始阶段：指故障发生后的1s内，系统的保护和自动装置有一系列动作，如切断线的故障和重合闸、发电机的线路切断等。（2）中间阶段：在起始阶段后，大约持续5S左右的时间段。在此期间发电机组的调节系统已经发挥了作用。（3）后期阶段：中间阶段之后的时间。此时，电力设备的运行过程将影响电力系统的暂态过程。中间阶段之后的时间。此时，电力设备的运行过程将影响电力系统的暂态过程。此外，由于系统中的频率和电压降低，自动装置将切断部分负载和其他操作。3PSS2B的硬件设计3.1电力系统稳定器的结构图电力系统稳定器的硬件装置是整个励磁系统的关键，本文设计的电力系统稳定器主要包括：移相触发单元、模拟量输入通道、同步测频单元、开关量输入输出单元、脉冲故障检测单元等。其硬件总体结构框图如图3.1所示：图3.1电力系统稳定器的结构3.2模拟量输入通道TMS320F2812的ADC模块只能转换0～3V的模拟信号，模拟量输入通道的作用就是要将模拟量转换成TMS320F2812所能接收的数字信号。本文设计的电力系统稳定器模拟信号包括发电机端电压、发电机端电流、励磁电压、励磁电流、电网电压等。3.2.1交流信号采集调理电路发电机机端电压、电流信号分别取自发电机端的电压互感器和电流互感器。在自动控制设备中，常采用电量变送器对输入的模拟量进行测量。电量变送器是一种把某种形式的电量变换成与之成线性关系的直流信号的装置，它的输出通常为0～5V或4～20mA的直流信号。变送器接线简单，安装方便。通常情况下，为了保证输电精度，这些发射机会采取许多措施，如在发射机中增加整流、滤波、补偿等环节，但这会使整个装置的时间常数变大，这时励磁系统需要快速反应，这是非常不利的。电量变送器一般只能反映被测量的单一信息(如有效值)，丢失了很多有用的信息，不能用于需要采集交流信号瞬时值的控制系统。针对电量变送器的这些缺点，本文采用由运算放大器组成的电平抬升电路作为模拟量输入信号的调理电路，其电路原理图如图3.2、4-3所示： 图3.2电压输入调理电路图3.3电流输入调理电路如图3.2和3-3所示，第一级采用辐射级跟踪法提高电路的输入阻抗，第二级为逆变器，放大系数由可调电位器调节。第三级是第二级信号与1.5V参考电压的倒数和，输出信号调制为0-3V。3.2.2直流信号采集调理电路测量直流信号有多种方案，如采用隔离放大器、霍尔传感器等，本文采用隔离放大器进行测量。在励磁回路中，交流信号可由电压互感器与控制器回路隔离，直流信号励磁电流与电压不可由变压器隔离。直流信号通常由线性光耦或直流发射机分离。本文励磁电流采用线性隔离放大器SLC8000进行隔离,其隔离放大原理如图3.4所示：图3.4隔离放大电路原理图首先励磁电流经过分流器调整为0～75mV，再通过上图所示的隔离放大电路将其调整为0～3V的电压信号接入TMS320F2812的ADCIN取引脚。励磁电压则通过变送器将其变换为0～5V的电压信号，然后经过电阻分压将其调整到0～3V接入ADCIN引脚。3.2.3ADC采样模块发电机端电压/电流经调理电路后变为峰值为0～3V的信号，接入TMS320F2812的AD通道。F2812的ADC模块有16个通道，可配置为两个独立的8通道模块，分别为事件管理器A和B提供服务。两个独立的8通道模块也可以级联形成一个16通道模块。TMS320F2812芯片的ADC模块的功能框图如图3.5所示：图3.5ADC模块的功能框图ADC模块有两种排序模式：单排序器模式（级联构成16状态）和双排序器模式（两个相互独立的8状态）。在这两种模式下，ADC都可以自动的进行一系列转换操作。每次当ADC收到一个开始转换请求，可以自动地完成多个转换。对于每个转换，都可以通过模拟复用器选择16个输入通道中的任一通道进行转换。转换结束后，数字结果将保存到相应的结果寄存器中。用户也可以对同一通道进行多次采样，从而实现过采样算法，这样得到的采样结果比一般的采样结果分辨率要高。ADC的工作模式有两种：同步采样模式和顺序采样模式。当使用同时采样模式时，一个管脚应取自ADCINA0至ADCINA7，另一个管脚应取自ADCINB0至ADCINB7。同时，对两个输入进行采样并保持偏移，注意结果寄存器中转换结果的顺序。3.3开关量输入输出单元电力系统稳定器的开关量输入/输出主要包括：（1）输入信号：开/停机信号、增/减磁信号、手动/自动开关、灭磁开关合闸信号等。（2）输出信号：励磁故障、励磁事故、PT断线信号等。开关量输入输出通道的主要任务是使TMS320F2812能对采集信号进行分析判断，并输出开关量信号，对指示灯、继电器、报警器进行控制。3.3.1开关量输入通道本论文中所设计的电力系统稳定器的开关量输入通道电路原理如图3.6所示：图3.6开关量输入电路这个开关量输入通道由总线收发器、光电隔离电路和数据缓冲组成。本文中的电力系统稳定器采用总线收发器74LV245作为TMS320F2812的开关量输入扩展。每个开关由光电耦合器隔离，并连接到总线收发器B端的一个插脚上。图3.6显示了其中一个开关输入。总线收发器74LV245的B口与TMS320F2812的数据总线相连，A口与光耦的输出口相连。总线收发器的使能器G由CS-KIN控制信号选择，该控制信号由地址解码器从外部扩展区域选择信号和地址线解码。根据控制电路的地址，分配电力系统稳定器开关量的输入输出通道。输入通道地址存储单元的16位有效数据对应于16位开关量。TMS320F2812通过访问外部I/O从地址单元读取相关的开关量状态进行判断和处理。在上拉电阻的作用下，总线收发器的A端插脚呈高电平，由TMS320F2812读取并存储在相应的开关状态变量中。同样，当连接到光电耦合器输入端限流电阻外侧的开关高时，光电耦合器输出端的光电晶体管将开启。当光电晶体管饱和时，C和E之间的电压很小。此时，总线收发器的A针相当于接地，即低电平，然后是F2812控制器接受外部命令。3.3.2开关量输出通道开关量输出通道电路原理如图3.7所示：图3.7开关量输出电路开关量输出通道同样也采用了总线收发送器74LV245作为TMS320F2812的开关量输出扩展。图3-7中只给出了控制一路指示灯和控制一路继电器的情况。总线收发器的B端口连接到数据总线，A端口连接到光耦的输入端，总线收发器的DIR终端连接到+5V电源。数据传输方向是从A到B。开关量输出通道中的总线收发送器的使能端G也由地址线及CS_Kout信号来控制。与开关量输入通道相比，开关量输出通道中多了一个74AHC373锁存器，用于锁存由TMS320F2812发出的数字开关量信号。3.4同步检测及移相触发单元电力系统稳定器的移相触发单元的组成一般包括同步、移相脉冲形成、脉冲功率放大等几个基本环节。如图3.8所示：图3.8移相触发单元组成框图同步信号的捕获和移相脉冲的形成由软件实现，而同步信号整形和脉冲功率放大由硬件电路实现。在现代大中型同步发电机励磁系统中，功率单元基本上都是采用晶闸管整流桥来控制励磁电流的大小。对于不同的接线方式的晶闸管整流电路，由于晶闸管在每个周期内导通的区间不同，故触发电路与主电路之间的相位配合关系也就不同。本文中的主回路采用三相全控桥，如图3.9所示：图3.9三相全控整流电路在整流操作中，共阴极组的晶闸管只能在阳极电位最高的区间内开启，因此该区间应发出共阴极组的触发脉冲。三相触发脉冲按+A、+B、+C相的顺序依次相隔120°发出。共阳极组的晶闸管只有在其阴极电位最低的一段区间内才有可能导通，共阳极组的触发脉冲应在这一段区间内发出。3.4.1同步信号的检测同步整形电路将交流同步电压信号集成成同一周期的方波信号，发送给电力系统稳定器的捕获单元。当捕获方波信号的上升沿时，产生一个中断请求作为相移触发脉冲的起始点。同步方式可分为两种方式，即单相同步方式和三相同步方式。与三相同步相比，单相同步简化了硬件电路，减少了中断源，大大提高了系统的可靠性。广泛应用于实际操作中。因此，本文中所设计的电力系统稳定器采取单相同步方式。在励磁控制系统中，频率的测量具有重要的地位，实时准确地测量到系统频率是实现跟踪采样、脉冲形成以及限制保护的基础。本文中测频电路和同步电路采用同一电路，同步信号检测电路原理图如图3.10所示：图3.10同步信号检测电路该同步检测电路由滤波电路、LM358比较电路、TLP181高速光电隔离器件等元件组成。在同步电压输入到LM358之前，采用了低通滤波电路对输入的同步电压信号进行滤波，滤除同步电压中的高频干扰信号。通过LM358完成同步电压的过零点检测，形成同步方波信号，最后经过光电隔离器件TLP181与DSP进行隔离。此同步信号既可以作为可控硅触发脉冲的同步信号，又可兼做DSP电力系统稳定器电量采样的测频信号。同步电压通过电压比较器集成到方波中，通过光耦隔离连接到TMS320F2812的事件管理器捕获单元。当方波信号的上升沿被帽口捕获时，作为移相脉冲的同步信号；当再次捕获到方波信号的上升沿时，记下两次跳变的周期，从而得到当前系统频率。3.4.2移相脉冲的形成脉冲形成环节的作用是在决定了触发脉冲的起始时刻后，由单稳电路产生一定宽度的触发脉冲，并为下一次的触发作好准备，它最终影响着励磁控制系统的性能和安全可靠性。在可控硅整流系统中，可控硅的触发需要由脉冲移相和脉冲放大两部分组成。本文利用TMS320F2812芯片上的脉宽调制电路（PWM）实现了脉冲的形成和相移。脉宽调制脉冲的产生受片上比较器比较作用的影响。软件完成了相移触发脉冲的形成。3.4.3脉冲功率放大电路功率放大环节的作用是对前面产生的具有一定宽度的触发脉冲进行电流放大，以满足触发电路的要求。脉宽调制电路输出脉冲功率小，不能直接驱动晶闸管导通。为了保证晶闸管的可靠触发，触发脉冲应具有一定的陡度、幅度和宽度，因此功率放大必须增加功率放大模块。对于不同机组，其脉冲形成部分是相同的，但其功率放大部分是有所不同的。本文中采用的是三相全控桥式整流电路，具有六组结构相同的脉冲功率放大电路，每组脉冲功率放大电路原理图如图3.11所示：图3.11脉冲功率放大电路原理图图3-11中为防止干扰，光耦把励磁系统与外部隔离，R2、C1限流并使脉冲前沿变陡。脉冲变压器突然关断时，Dl起到续流的作用，D2与D3用于保护晶闸管触发极，R3为限流电阻，R4和发光二极管LED用于脉冲指示。该电路以F2812脉宽调制电路的触发宽脉冲输出为基础，将其转换成一系列相应的窄脉冲，形成脉冲串输出。功率放大后，电路输出到晶闸管的栅极，触发相应的晶闸管导通。

4PSS2B的软件设计及仿真4.1主程序模块设计4.1.1系统初始化模快当TMS320F2812上电开始运行前，首先要对系统进行初始化，主要包括下面几点：（1）TMS320F2812系统时钟的初始化和片内外设时钟的初始化；（2）通用GPIO的初始化；（3）中断向量表的初始化；（4）ADC模块的初始化，主要包括：AD的启动、AD时钟频率的选择、采样模式的选择、采样通道的设定以及AD中断程序的设定；（5）事件管理器模块的初始化，主要包括捕获单元的设定、通用定时器的设定和中断程序的设定；（6）电压给定值、励磁电流给定值、PID控制参数的设定等。主程序的设计流程图如下图所示：图4.1主程序设计流程图4.1.2电量计算模块电量计算模块须完成以下电量的测量：机端电压、机端电流、电网电压、励磁电流、励磁电压和开关量输入的检测。对于励磁电压和电流，直流调节电路的输出可以直接由ADC模块测量，开关量输入可以直接由TMS320F2812的GPIO模块测量。对于交流信号，本文通过交流采样的方法得到。理想的电压和电流为纯正弦的交流信号，其表达式为：（4-1）（4-2）其有效值分别为：（4-3）（4-4）电网线路中某一相的有功功率和无功功率分别为：（4-5）（4-6）式中，、分别表示电压和电流的峰值；表示角速度；表示周期；由于这些信号的瞬时值是一个随时间变化的变量，在实际应用中，计算机处理的信号是离散的，因此连续信号应该离散化，也就是说，对于一个周期T的连续信号，采样N点应该是一段时间内统一取样。所以需要根据不同的算法计算得该信号的各个特征量，比如有效值、平均值、功率等。在励磁系统中需要计算电压和电流的有效值以及有功功率和无功功率。目前应用于不同场合的交流采样算法主要是最大采样法、单点采样法、半周期积分法、两点采样法、傅立叶采样法和均方根采样法。前四种算法对输入信号要求较高，在励磁控制的采集电量非严格正弦（含高次谐波）的情况下误差较大。下面对后两种方法加以介绍：（1）傅氏算法在傅氏算法中，对于一个周期为T的信号，在满足一定的条件下可展开为傅立叶级数，各次谐波为：（4-7）式中，n为自然数，和分别为n次谐波的余弦和正弦的振幅。其中，因此基波分量即当n=l时的余弦和正弦系数分别为：于是中的基波分量为：（4-8）对式（4-8）进行离散化，积分改为求和。则电压各次谐波的实部和虚部分别为：实部：虚部：当采样点数时，傅式算法计算公式为：（4-9）（4-10）有功功率为：（4-11）无功功率为：（4-12）发电机的输出功率为：（4-13）功率因数为：（4-14）（2）均方根法在均方根方法中，将式（4-3）和式（4-4）离散化可近似表示为：（4-15）（4-16）由式（4-5）可知，有功功率是电网周期T内瞬时功率的平均值，瞬时功率是瞬时电压和瞬时电流的乘积。在对电压和电流类似物进行离散采样后，有功功率可以表示为：（4-17）同理分析可知，电网线路中的无功功率可表示为：（4-18）三相功率为各相功率之和。式中，表示采样点数；、表示同一时第K点电压、电流的采样值；表示第()采样点电流的采样值，比电压采样值滞后电网周期，即相位上滞后。通过对上述两种算法的比较，考虑到傅立叶算法的系统开销较大，响应速度慢于均方根算法，本文选择后者，并采用32点均方根算法计算AD转换结果。4.1.3控制调节模块控制算法是电力系统稳定器的核心，它在硬件支持下完成励磁调节的数据采集、调节算法、控制输出等主要任务。本文设计的电力系统稳定器调节原理图如图4.2所示：图4.2电力系统稳定器PID调节原理图图中为机端电压，为电压给定值，P、Q分别表示发电机有功功率和无功功率。由图可知，该电力系统稳定器以发电机端电压作为反馈量，通过PID调节，达到维持电压稳定的目的。PID控制算法主要有位置式和增量式两种控制算法，下面将分别介绍：（1）位置式PID（4-19）式中，表示时刻的输出控制量表示时刻的偏差值表示时刻的偏差值表示时刻的偏差值，表示采样周期表示比例系数表示积分系数表示微分系数（2）增量式PID（4-20）式中，表示时的输出控制量。增量式PID和位置式PID相比，有以下优点：1)增量型PID控制器只输出增量，误动作影响小，控制作用变化不会很明显，必要时可用逻辑判断的方法去掉；2)采用增量式PID算法，易于实现手动到自动的无冲击切换；3)每个基于位置的PID输出都与整个过去的状态相关。公式中采用了以往偏差的累积值，容易产生较大的累积误差和积分饱和，影响控制效果。增量PID只需要计算增量，算法不需要累加。控制增量仅与最近的采样值相关。通过加权处理容易获得较好的控制效果，并消除了偏差存在时的饱和风险。基于增量型PID具有上述优点，在电力系统稳定器的设计中，本文采用了增量型PID控制算法作为励磁控制调节算法。4.2中断程序设计本励磁系统除主程序外，还包括中断服务程序。中断的本意是打断正在进行的工作，转向处理更紧急的时间。本文中中断服务程序主要包括同步信号捕获中断、AD转换完成中断、移相脉冲中断等。4.2.1同步信号捕获中断同步信号采集中断服务程序必须实现测频、启动AD和移相角延时的预处理功能，以下重点对机器端部频率的检测。同步测频信号的精度直接影响电力系统稳定器的性能。它关系到频率的测量是否准确，模拟量的采集是否准确，相移是否可靠。这是保证晶闸管导通可靠、准确的基础。ATOR终端电压。理想情况下，发电机端电压的频率或周期应为50赫兹或20毫秒。但实际情况并非如此。发电机运行时，频率不断变化。为了保证在发电机频率发生变化时，可控硅能够可靠、准确地触发，有必要对发电机端电压和频率进行测量。使用捕获单元时首先需要对捕获单元的寄存器进行设置，操作的步骤是：（1）初始化FIFO状态寄存器，并将相应的状态位清0（2）设置所选通用定时器的操作模式（3）设置相关通用定时器的比较寄存器和周期寄存器（4）设置相应的捕获控制寄存器则相应的初始化设置如下段初始化程序所示：Voidinit_Eva(void){/﹡EVA初始化程序：为配置通用定时器2（T2）和捕获单元1(CAP1)﹡///初始化FIFO状态寄存器，并将相应的状态位清0EvaRegs.CAP1FIFOA.bit.CAP1FIFO=0；//CAP1FIFO状态位清0IER|=M_INT3；//允许中断优先级3,CAP1中断为INT3.5EvaRegs.EVAIMRC.bit.CAP1INT=1；//使能CAP1中断EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1；//写1清捕获中断标志位//InitializeEVATimer2EvaRegs.T2PR=0xFFFF；//设定T2周期EvaRegs.T2CNT=0x0000；//T2计数器清0//TMODE=10连续增计数模式//Timerenable,输入时钟32分频EvaRegs.T2CON.all=0x1540；//设定并启动T2//CAP12EN=01,CAP12TSEL=0,CAP1EDGE=10bEvaRegs.CAPCONA.all=0x2050；//使能捕获单元1，选择参考时钟为T2，//定义检测沿为上升沿PieCtrl.PIEIFR3.bit.INTx5=0；//清INT3.5CAPINT1终端标志位PieCtrl.PIEACK.all=PIEACK_GROUP3//允许再次中断响应PieCtrl.PIEIER3.all=0x0010；//允许CAPINT1中断}在同步信号采集中断服务程序中，第一步是确定引起采集单元的CAPI中断的信号的上升沿是否为同步方波信号的第一上升沿。如果是这样，则将通用计时器t2的计数寄存器t设置为0，并将通用计时器t2从0开始计数。当CAP1再次捕获到同步方波信号的上升沿时，CPU响应其中断，进入捕获单元CAP1中断处理程序，其程序框图如图3.6所示。图4.6CAP1中断处理程序中断服务程序在中断发生时读取由cap1捕获的通用定时器t2的计数值，并将其存储在周期测量结果的变量中。同时，它将通用定时器t2的计数寄存器设置为0，并启动t2。此时，周期测量结果的变量值为发电机端电压频率对应的周期值N。如果设计数脉冲的频率为fc，则发电机频率f为：（4-21）4.2.2移相脉冲中断如前几章所述，移相触发单元是控制器的关键部件之一。移相脉冲可以通过锁相环的硬件电路实现，也可以通过软件定时实现。本文采用三相全控桥式整流桥作为励磁电路，采用软件定时的方法，采用单相同步实现脉冲移相触发。完成了电力系统稳定器的触发脉冲形成和移相任务。移相原理如下：首先通过调节运算，得到控制量，根据控制量和移相角之间的关系便可求出移相角。两者的关系式如式（4-24）所示，依据所测得的发电机频率f，将控制角换算成对应的延时时间，然后转换相应计数器的计数脉冲数m，计数脉冲数如下（4-25）。最后，计数器对延时进行计数，完成数字移相任务。（4-22）（4-23）式中：表示比例系数表示计数器计数频率在前面介绍的TMS320F2812中，介绍了TMS320F2812芯片具有两个事件管理器，每个事件管理器具有六个比较的PWM通道、两个16位通用定时器和三个完全比较单元。利用DSP芯片实现脉冲形成和移相的方法很多。常用的方法是利用全比较单元产生任意的脉宽调制波形，形成移相触发脉冲。在本文中，晶闸管触发脉冲的形成和移相使用了其中的通用定时器T1、捕获单元CAPI以及三个全比较单元CMP1、2、3。TMS320F2812的全比较单元是专为电机控制而设置的，通过它可产生任意的PWM波形。下面简单介绍一下全比较PWM波形的工作原理：在TMS320F2812中，每个完整的比较单元由三个寄存器控制：比较寄存器（cmprx）、比较控制寄存器（comcon）和动作控制寄存器（actr）。每个完整比较单元有两个CMP/PWM输出引脚。每个引脚的输出逻辑（高效、低效率、高强制、低强制）可由actr中相应的位设置。通用定时器TL给出了全比较单元的时基和相关脉宽调制电路的时基。当全比较单元处于脉宽调制模式并启用其比较操作时，比较寄存器的值与时基计数器的值连续比较。当两个值匹配时，相关的输出电路将根据actr设置的输出逻辑跳转。当第二场比赛结束，或者T1周结束时。在周期结束时，相关输出中会发生另一跳变，产生输出脉冲。图4.7显示了当通用定时器T1处于连续递增计数模式时，以及当定时器的周期值和完全比较单元1的比较值不同时，全比单元1的CMP1/PWM1引脚的输出波形。图4.7全比较/PWM波形在本文中，就是根据全比较单元这种产生PWM波形的原理来实现可控硅触发脉冲的移相和形成。本文中由通用定时器T3实现六路移相脉冲，通过TMS320F2812的引脚GPIOAO～GPIOAS发出,GPIOAO～GPIOAS分别对应整流桥中1号～6号可控硅。在系统初始化时对通用定时器T3进行初始化。初始化内容包括：设定通用定时器T3的计数频率为1.5MHz，使能T3的比较操作。电力系统稳定器根据控制调节单元和各种保护限制计算相移触发角。根据计算出的端频率，由下式计算相移触发角CNT1和60度电角CNT2的计数值。（4-24）（4-25）式中：表示触发角表示机端频率表示T3计数频率本文的移相触发原理是在捕获同步信号时，将比较器t3cmpr和t3的周期寄存器t3r设置为cnt1和cnt2，并中断比较器t3。当t3匹配时，启动T1并启用PWM（1）输出，重置t3并启用t3循环中断。当达到预先设定的脉冲序列数时，停止T1，同时关闭PWM（L）输出，完成第一个触发脉冲。当t3循环匹配发生时，TL重新启动，并将PWM输出启用为PWM（2）。当预定中频脉冲序列的数目时，TL停止，PWM输出关闭，从而完成第一个触发脉冲，依此类推，直到所有六个脉冲都发出，T4停止。这样就充分利用了TMS320F2812的片上资源，不需要外扩硬件电路，很方便的就是实现了的移相触发脉冲。移相触发脉冲形成流程图如图4.8所示：图4.8移相触发脉冲形成流程图在上述的程序流程图中：count代表所发的是几号脉冲，PWM(l)代表脉冲PWM1和PWM6，PWM(2)代表PWM2和PWM1，PWM(3)代表PWM3和PWM2，PWM(4)代表PWM4和PWM3，PWM(5)代表PWM5和PWM4，PWM(6)代表PWM6和PWM5。当触发角时，此方法可实现六路触发脉冲全部发出，但是当时，然后根据这种方法，触发脉冲将丢失。这种情况是不允许的。因此，我们应该在程序中做出相应的判断，并确定触发顺序。操作方法如下：1)当时，按照正常顺序定时角时间先发PWM(1)，然后延迟发PWM(2)，再延迟发PWM(3)，直至发完所有的脉冲。2)当时，延迟()先发PWM(6)，然后延迟发PWM(1)，接下来的步骤同以上方法所述。4.2.3AD转换完成中断如上所述，在电力系统稳定器中，需要TMS320F2812芯片完成模拟信号的采集。需要在一个周期内完成N（本文中的32倍N）对每个信道信号的AD转换。每次转换后，应及时将各通道电力系统稳定器软件设计的转换结果从结果寄存器中删除。读出，存储在变量中，然后通过均方根算法得到所需模拟量的输入值。ADC转换完成中断服务程序流程图如图4.9所示。图4.9ADC转换完成中断服务程序流程图本文中启动AD的每次转换，采用的是通用定时器T1定时。首先在系统初始化时对ADC模块、事件管理器EVA及通用定时器T2进行初始化。对ADC模块的初始化内容主要包括：设置相应的中断屏蔽和使能寄存器，使能CPU响应AD采样完成中断；通过将ADC模块设置为同步采样方式，可以得到同一相电压、电流的瞬时值，消除同一相电压、电流的AD采样引起的相位差；设置排序器的工作模式为级连模式；设置AD时钟和采样保持获取时间窗；使能ADC由EVA启动。4.3模型运行仿真分析在powergui里设置采用略去直流分量和其他滤波分量计算的Phasors法,可显著地加快仿真速度。模型运行时间设置为10S,单机无穷大系统在电压出口端1S时发生三相接地短路，1.1S时故障消失。观察加入PSS和不加入PSS时电机无穷大系统同步发电机的pe和功角变化。结果如下：图4.10未加入PSS电机仿真波形图4.11未加入PSS的功角仿真波形图4.12未加入PSS时波形图4.13加入PSS的仿真波形图4.14