自动准同期并网实验装置的设计_蒋炜华

河南机电高等专科学校学报

JournalofHenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege

Vo.l18l.2

Mar.2010

自动准同期并网实验装置的设计

蒋炜华,张志成

(河南机电高等专科学校,河南新乡453002)

*

摘要:传统的自动准同期实验装置多数采用分立元件来实现,体积大,速度及精度低。在保证原有实验效果的基

础上,为了减小体积,提高速度及精度,采用MSP430F149单片机与FPGA芯片搭接硬件电路,采用基于模糊控制的调压输出的设计方法。最后对整个设计进行了仿真分析,给出了仿真结果。关键词:自动准同期;MSP430;FPGA;合闸条件;仿真

中图分类号:TM407 文献标识码:A 文章编号:1008-2093(2010)02-0011-04

在电力系统中,发电机的并网操作是一项基本的操作,在系统正常运行时,随着负荷的增加,要求备用发电机迅速投入系统,以满足用户用电量增长的要求;在系统发生事故时,会失去部分电源,要求将备用机组快速投入电力系统制止系统崩溃。以上这些情况均需要进行并网的同期操作,将发电机组安全、可靠、准确、迅速地投入运行,确保系统的可靠、安全及

[1,2]

经济运行。

目前在实验教学上采用的自动准同期并网装置有:杭州天煌电力科技公司生产的基于模拟电路和数字电路的传统型设计方法的挂件式实验装置,它可以模拟自动并网过程中各个条件的测试验证,但并网速度慢、精度不高,体积大,参数漂移、调压调频脉冲不能很好地跟踪系统的变化等缺点。而目前市场上微处理器的应用可以大大改善这些缺点,本文立足于在满足实验教学的前提下,在传统的设计装置基础上将

某些复杂电路及复杂控制采用微处理器来实现(如合闸回路及调压回路),提高装置精度、并网速度,减小设备体积。

1 系统总体方案设计

1.1 设计要求

整个装置的设计主要包括三个部分:

1)硬件电路设计:合闸回路(压差回路、频差回路、相位差回路)等电路的实现、调压脉冲输出回路。

2)软件设计:MSP430程序设计,调压脉冲的模糊控制。

3)仿真测试:单片机控制的压差、频差、相差闭锁波形的测试等。1.2 设计方案系统框图

图1 设计方案系统框图

*收稿日期:2009-12-30

作者简介:蒋炜华(1981-),男,河南新乡人,助理实验师,硕士,主要从事电气工程及其自动化研究。

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原理分析:首先取一路发电机和系统电压信号,通过线性整步环节和导前时间生成整定电路产生导前时间脉冲TT4。同时另一路的发电机和系统电压信号经过隔离、滤波、整形经A/D转换进入单片机内部,通过单片机内部的捕获/比较寄存器捕获信号方波的上升沿,计算定时器值,得到频差值,同理也可得到相角差及电压差值,它们与事先设定好的电压差、频率差、相位差进行比较给出单片机是否发出闭锁信号,如果条件满足合闸要求,就发出低电平TT6、TT7、TT8,在导前时间的触发下,通过FPGA的逻辑运算功能进行合闸,产生合闸脉冲,使得合闸继电器得电,断路器合闸。如果不满足,就通过调频、调压装置进行调节,直到满足合闸要求,见图1。

2 硬件电路设计

2.1 合闸部分闭锁判断测量电路2.1.1 频率、相角差测量电路

测量所需要的并列点两侧电压来自系统侧和待

并侧的电压互感器,其一次绕组并联在一次电路中,额定电压与电网电压相同,二次绕组额定值为100V的交流电压。在送入CPU处理之前,通过小电流互感器对大电压交流电进行隔离,并进行电压转换。在互感器的二次侧先通过电阻R31限流,然后通过采用运算放大器LM124构成的电流电压转换器,运算放大器工作在放大状态。电容Cl用来滤除部分高次谐波。滤波放大后的正弦波电压信号引入由运算放大器构成的一个同相过零检测电路,将正弦波信号变为方波信号,然后通过光耦隔离及电压幅值变换。由于经光藕后的方波信号沿跳变不明显,所以需通过CD4046(带施密特触发的反相器)进行沿整形,变成规则的方波信号后引入MSP的捕获单元。机组频率信号引入到MSP的定时器A的捕获/比较寄存器0;电网频率信号的处理与机组频率信号的处理完全一致,反映电网频率的方波信号引入到MSP的定时器A的捕获/比较寄存器1,见图2。

图2 频率、相角差测量电路

2.1.2 电压测量电路

如图3,其中AA点引入的信号是频率测量中AA点信号,即反相放大的正弦波信号。经过上面的全波整流电路变成直流信号后送入MSP的A/D口。机组电压和电网电压的测量电路完全相同,其中,机组电压引入到MSP的AO口,电网电压引入到MSP的Al

口,MSP中ADC12是12位精度的A/D转换模块,具有通用的采样/保持电路,可选择软件、采样定时器或其他片内定时器来控制采样周期,ADC12工作时可以用内部参考电平,或者外部参考电平,也可以是两者

[3,4]

的组合。

图3 电压测量电路

12蒋炜华等:自动准同期并网实验装置的设计

2.2 基于模糊控制的调压输出电路

发电机发出的交流电经过整形隔离、A/D转换送入单片机中,与从系统过来的系统电压进行比较,得到一个电压差,如果电压差大,不满足整定要求,此时通过控制器去调节发电机的励磁电流,使发电机的电压在最快的速度内跟随系统电压,减小两者的差值。

计算得到的电压差根据模糊控制规则得到一个调节发电机励磁的电压信号,此信号经过D/A转换用一个0~10V的电压控制TCA785芯片的9管脚,调节单相可控整流电路的触发角去控制励磁电压(110~250V),用于调整发电机输出电压满足要求,见图4。

图4 模糊控制的调压输出电路

3 软件部分设计

3.1 MSP430程序设计

图5显示的是整个软件实现的主程序流程图。3.2 模糊调压控制

模糊控制的基本思想是模拟人脑的功能。人脑的思维不能用一个确切的数学函数来表达,而是基于靠实践经验所建立的一些模糊概念之上的,模糊控制

理论是依据模糊数学的知识来作出模糊决策。一般模糊控制器是根据被控制量的偏差E及偏差的变化率C按模糊推理规则确定控制量U。

其一般步骤:I/O变量的选取)))模糊化)))隶属函数确定)))模糊算法)))模糊判决)))解模糊。

本次设计中我们得到一张模糊控制查询表,见表1。偏差E及偏差的变化率C论域取[-3,+3]。

表1 模糊控制查询表

4 电路仿真测试

1)频差闭锁波形的测试。

频差检测是检测相角差的变化率,即检测滑差角频率,然后与设定值相比较,来确定频差是否闭锁。当频差电压大于整定值时,TT7处为高电平,发出闭锁信号;反之频差电压小于整定值时,TT7处为低电平,不发闭锁信号。频差闭锁在三角波后半周期-2范围内起作用。通过测试验证频差满足小于0.3Hz的技术指标,见图6。

2)压差及相差闭锁测试波形在此省略,经验证其也满足实验技术要求。

图5 主程序流程图

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5 结束语

图6 频差闭锁与整定波形图

参考文献:

[1]冯彦钊.变电站同期并网存在的问题及分析[J].云南电力技术,

2006,34(6):15-17.

[2]李业兴,邓志杰,李文慧.基于DSP的自动准同期装置的设计与实

现[J].电气应用,2006,25(8):27-29.

[3]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2002.

[4]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机[M].北京:北京航空

航天大学出版社,2001.

本装置是基于实验教学用的准同期并网装置,它

完全立足于实验环境,立足于让学生掌握自动准同期各个并网条件测试。设计的自动准同期装置是在传统的基于分立元件的基础上结合了微处理器(单片机)、FPGA芯片、TCA785芯片的各自的特点、先进的模糊控制技术设计开发的一套装置,其速度,精度都得到了较好的提高。(责任编辑 吕春红)

DesignofanExperimentalDevicefor

AutomaticQuasi-synchronizationwithGrid

JIANGWei-hua,etal

(HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege,Xinxiang453002,China)

Abstract:AnExperimentalDeviceforAutomaticQuasi-synchronizationoftraditionalusingdiscretecompo-nentstoachieve.Ithavelargevolume,speedandlowaccuracy.Onthebasisoftheoriginalexperimentaleffective-ness,inordertoreducethesize,improvespeedandaccuracy,ThispaperuseMSP430F149andtheFPGA-chiptodesignhardwarecircui,tusingfuzzycontrolmethodstodesigntheoutputvoltage.

Finally,theentiredesignusingthesimulationanalysis,givingthesimulationresults.Keywords:automaticsynchronization;MSP430;FPGA;closingconditions;simulation

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