毕业设计论文单片机在发电机空气开关自动并网中的应用.docx

毕业设计论文单片机在发电机空气开关自动并网中的应用.docx

《毕业设计论文单片机在发电机空气开关自动并网中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文单片机在发电机空气开关自动并网中的应用.docx（58页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业设计论文单片机在发电机空气开关自动并网中的应用

全套设计.

摘要

同步发电机与电网进行并列的过程是一项非常重要的工作，为了使同步发电机准确、快速地与电网并列，本课题介绍了AT89C51的性能指标和工作原理并将AT89C51为核心控制器件设计一个自动并网控制系统，使其能够对电网电压、频率进行检测与监控。

系统主要由工作电源模块、单片机控制模块、电压信号调理模块、AD采样模块和MOSFET驱动模块等组成，另外此文还分析了该系统的硬件组成及软件设计。

该并列装置能够对发电机和系统之间的相序作出检测,通过软件程序的调节,使电压差、频率差和相位差尽可能小，并网时具有快速、准确等优点，保证了电网系统在发电机并网后正常稳定的运行。

关键词：

同步发电机；并网条件；自动；AT89C51；

Abstract

Synchronousgeneratorsandgridtiedsystemparalleledisthekeytoaveryimportanttask.Inordertoenablesynchronousgeneratorundertheconditionsinthelaboratory,ThistopicintroducestheperformanceindexesandoperationprinciplesofAT89C51,andwilluseAT89C51asacoretodesignagrid-connectedcontrolsystemwhichcoulddetectandmonitorthegridvoltageandfrequency.Thissystemiscomposedbyworkingpowersupplymodule,single-chipdevicecontrolmodule,voltagesignalconditioningmodule,ADsamplingmoduleandMOSFETdrivemodule.Besides,thispaperthehardwarecompositionandsoftwaredesignofthedevicearedescribed，itcanmakedetectionbetweenthegeneratorandthesystemphase,byadjustingthesoftwareprogram,sothevoltagedifference,frequencydifferenceandphasedifferenceassmallaspossibleit’svirtueofquicklyandaccurately,toensurethepowersystemgridafterthenormalandstableoperation.

Keywords:

SynchronousGenerator;GridConditions;Automatic;AT89C51;

中文摘要...............................................................................................................

英文摘要..............................................................................................................

1绪论.................................................................................................................1

1.1研究背景........................................................................................................1

1.2国内外发展状况............................................................................................1

1.3自动并网技术的优势与危害........................................................................4

2总体结构...........................................................................................................6

2.1系统方案概述.................................................................................................6

2.2系统总体设计................................................................................................6

2.3发电机并网过程简介....................................................................................7

2.4发电机..........................................................................................................11

3硬件电路.........................................................................................................15

3.1单片机..........................................................................................................15

3.2系统硬件设计..............................................................................................19

4软件设计.........................................................................................................35

总结.....................................................................................................................45

参考文献............................................................................................................46

致谢...................................................................................................................47

1绪论

发电机自动并网技术与我们的生活紧密相关，生活中的发电系统不管是风力发电、火力发电还是光伏发电都运用了并车控制系统。

以下以风力发电机并网为例，介绍自动并网系统的研究背景及国内外的发展情况。

1.1研究背景

随着世界上石油和煤炭等资源的大量消耗和环境保护问题的日益突出，风力发电正逐步成为21世纪全球能源利用的热点,并迅速成为一个新兴产业。

人们对电力的需求也主要由依赖火力发电渐渐地向清洁的可再生能源转移。

风能作为可再生绿色资源，凭借其巨大的商业潜力和环保效应，在全球的新能源和可再生能源行业中创造了最快的增速。

目前，风力发电在全国已经发展为年产值超过50亿美元的庞大产业。

当前开发利用风力发电是改善我国能源结构的重要途径，也是我国社会主义市场经济迅速发展对能源供应的需求更是人类保护地球环境的需要。

风力机/柴油机并网发电系统，既能获得稳定的电力供应，又能充分利用风能，还具有明显的节油效果，拥有相当高的可靠性。

风力机加上容量相当的“整流/蓄电池储能/逆变”装置与柴油机组相联，以实现连续供电。

风力机工作在变速工况下，工作风速范围大，可以最大限度地利用风能，达到更高的节油率。

在风况允许的情况下，使风力机并入电网，在风况不允许的情况下，使风力机给蓄电池充电。

风力机/柴油机并网发电系统的控制系统由单片微型机来完成，根据各种运行工况的要求实现自动控制各部件的起停，真正实现无人值守高效运行

。

1.2国内外发展状况

目前，随着世界经济的飞速发展，人类对能源的需求越来越大，使石油、煤炭等常规能源日趋紧张。

因此，世界范围内对风能等可再生能源的开发利用产生了极大兴趣，并取得了长足的进展。

特别是进入80年代以来，风能发电作为新能源利用的重要组成部分，已形成一个新兴产业。

但是风能有着很大的随机性，很不稳定，所以要采取适当的控制方式和运行方法来弥补上述缺陷，提高风力发电的质量。

从80年代起，一些发达国家着重开展了风力发电机组与柴油机发电机组联合运行的研究试验工作，试点运行的机组已获得了初步成功。

国际能源界普遍认为这种运行方式可以对用电量不大和以柴油发电机为供电电源的地区实行局部独立供电，既能获得稳定的电力供应，又能充分利用风能，是利用风力发电的重要方向之一。

特别是对发展中国家，如果在风力资源比较丰富的地区实行风力机/柴油机联合供电，将是很有实用价值的。

国外风电并网特点：

（1）国外风电发达国家都制定了严格的并网导则且强制执行。

并网导则明确规定了风电场应具备的有功/无功功率调节能力、低电压穿越能力等性能指标。

德国针对大规模风电并网制定了一系列的技术标准和规范，其要求高于国际电工委员会（IEC）的标准，对各种并网技术指标做出了明确规定，并通过《可再生能源法》等法律法规保障执行。

国际上趋于通过技术进步和制定强制性标准，使风电达到或接近常规电源性能。

（2）风电收购政策根据风电发展的不同阶段不断调整。

德国1991年颁布的《电力入网法》强制要求公用电力公司收购可再生能源电力，促进了风电产业的发展。

但1998年后德国电力行业市场化，销售电价整体下降，为了缓解发电企业和输配电企业面临的压力，2000年4月德国出台了《可再生能源法》（EEG2000），核心政策调整为可再生能源强制入网，采用固定电价优先购买，并建立了可再生能源电力成本全网分摊制度。

2009年1月，针对风电在电源结构中的比例不断提高、对电网安全稳定运行影响日渐突出等问题，又颁布了可再生能源法修正案（EEG2009），对部分情况下风电可不优先收购进行了规定，收购政策从全额无条件收购变为优先但有条件收购

。

（3）国外风电运行管理水平较高。

一是广泛开展了风电功率预测工作，如德国、丹麦、西班牙等国都实现了风电输出功率的日前预测，为电网的安全稳定和电力市场运营创造了条件。

西班牙规定风电出力预测误差超过20%时将被罚款，2006年，西班牙绝大多数风电场发电量都销售给了电网企业，只有不到5%的风电由于预测误差超过20%，发电企业不愿交罚金而采取了弃风措施。

二是对风电场进行有效调控，如西班牙成立可再生能源电力控制中心（CECRE），对风电场进行有效监控和有序调控，以提高风电机组接入后电网的安全稳定水平。

我国风电发展存在的主要问题，截至2010年底，我国风电并网容量达到2956×104kW，“十一五”期间年均增速接近100%。

风电在持续快速发展中已逐步暴露出一些问题，主要表现在：

（1）风电开发缺乏统一规划，配套电网建设难度较大。

一方面，各地方政府在编制风电开发规划时，主要依照当地风能资源情况确定风电的开发规模和建设时序，导致地方规划风电装机规模普遍大于国家规划。

另一方面，风电投资者热情很高，风电开发存在无序现象，风电项目拆批现象比较普遍，建设布局和规模随意性较大，加上电网项目核准和建设周期远长于风电场的建设周期，难以实现风电与电网统筹规划和协调发展，风电项目的建设速度超前于电网建设项目的问题较为突出。

（2）随着风电的大规模发展，系统面临的调峰能力不足问题日益严重。

我国电源结构以火电为主，至2009年底，煤电装机占全国发电总装机的74%，而在煤电装机中，供热机组又占了20%以上。

在我国风能资源丰富的“三北”地区，供热机组占火电装机的比重更大（如2009年吉林达74%、蒙西达57%）。

受电源结构的制约，长期以来我国电力系统调峰能力不足，夏季丰水期弃水、供热期采用机组启停调峰等现象一直存在。

随着风电的大规模发展，尤其是风电的反调峰特性明显增加了电网调峰的难度。

由于调峰容量不足，2009年吉林、蒙西、蒙东等电网都出现了负荷低谷时段弃风的情况。

（3）电网建设滞后于电源建设，尤其是跨大区电网的互联规模不足，不利于风电在更大范围内消纳。

长期以来，我国电力发展以分省分区的区内平衡为主，省区间的电网互联规模有限，互相调节的能力不足。

由于我国风能资源的分布特点，风电开发主要集中在“三北”偏远地区，受当地电力负荷水平和系统规模的约束，风电消纳能力不足。

同时，受跨大区电网互联规模有限和交换能力不足的约束，当地无法消纳的风电难以送到更大范围内消纳，不利于风电的大规模开发利用。

（4）风电技术和运行水平较低，风电发展相关政策有待完善。

我国目前已经并网的风电机组多数不具备功率调节、低电压穿越等功能，风电场没有建立支持调度运行的风电集中监控平台、风功率预测系统。

另一方面，国家制定了可再生能源发电全额保障性收购政策，在实际运行过程中，调峰手段受限的电网在低谷时段必须采取特别措施（如火电机组深度压出力或部分火电机组停机等），方能保证风电电量的收购，所付出的代价很大，并且存在一定的系统安全运行风险。

此外，风电送出工程、调峰调频等辅助服务相关政策也有待完善

。

就我国而言，自80年代开始在开发利用风能方面做了大量的工作，取得了很大成就，产生了显著的经济与社会效益，特别是百瓦级小型风力机组的开发与生产已达到相当成熟的地步，并大量投入生产和销售，为无电地区散居的近10万农牧民家庭提供了日常生活用电，受到普遍欢迎和认可。

但是，随着经济的发展和社会的进步，仅仅满足生活用电是远远不够的。

特别是那些无电的村庄、农牧场、边防哨所、沿海岛屿等居民集中点，百瓦级小风力机组是不适宜的，而且这些集中点在全国就有几万个。

一方面他们迫切需要生活用电以提高科技文化水平和改善文化娱乐生活，同时，为发展经济，他们更迫切需要解决生产用电，从而对农副渔业产品进行再加工，来提高经济效益、改变经济落后面貌。

从我国经济实力而言，在今后一个相当长的时期内还不可能为边远无电地区建设电网提供常规用电，必须由各级地方政府及用户分别解决各自的用电问题，最常见的办法是采用柴油发电。

根据我国能源部统计，至“八五”末期，全国县以下单位的柴油发电机组总容量达520万千瓦，每年消耗柴油在450万吨左右，占全国柴油总销售量的1/8以上，这个数字是相当惊人的。

另一方面，这些地区，特别是“三北”地区的边疆地带和沿海岛屿，又有着相当多的风能资源，设法利用这些无代价的风能资源发电来补充柴油发电是一个非常有经济实效的途径。

这既可以充分利用风能，有可最大限度地节省柴油，还可以减少环境污染，可谓“一举多得”

。

正是基于对以上问题的共识，我国政府在制定“八五”科技规划时，将“风力发电/柴油发电联合系统研究开发”列为“八五”科技攻关项目的一个重要专题。

投入大量的人力财力来研究开发这类产品，目的是尽快使之达到商品化产业化，以满足市场需求。

1.3自动并网技术的优势与危害：

并网运行的优势，电网供电比单机供电有许多优点：

（1）提高了供电的可靠性，一台电机发生故障或定期检修不会引起停电事故；

（2）提高了供电的经济性和灵活性，例如水电厂与火电厂并联时，在枯水期和丰水期，两种电厂可以调配发电，使得水资源得到合理使用。

在用电高峰期和低谷期，可以灵活地决定投入电网的发电机数量，提高了发电效率和供电灵活性；

（3）提高了供电质量，电网的容量巨大（相对于单台发电机或者个别负载可视为无穷大），单台发电机的投入与停机，个别负载的变化，对电网的影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。

电网对单台发电机来说可视为无穷大电网或无穷大汇流排。

同步发电机并联到电网后，它的运行情况要受到电网的制约，也就是说它的电压、频率要和电网一致而不能单独变化

。

发电机非同期并网的原因及其带来的危害。

根据以往实际经验总结出，发电机非同期并网的原因：

（1）电压不等。

（2）电压相位不一致。

（3）频率不等。

（4）自动准同期并列时同期装置故障。

（5）自动准同期并列时操作人员未按操作票操作。

（6）手动并网时操作人员未按操作票操作。

（7）手动准同期并网时同步表故障

。

发电机非同期并网的危害：

非同期并列时，将会对发电机造成巨大影响，具体如下，

（1）电压不等的情况：

并列瞬间发电机内产生冲击电流。

如果电压差很大，则冲击电流过大，将会使发电机定子绕组发热，或定子绕组端部在电动力的作用下受损。

（2）电压相位不一致的情况：

相位不一致比电压不一致的情况更为严重，此时从系统吸收有功功率。

如果

很大（在l80度范围内），则冲击电流很大，其有功分量在发电机轴上产生冲击力矩，使设备烧毁，或使发电机大轴扭屈。

特别是

=

时，近似等于机端三相短路电流的两倍，损坏最严重。

（3）频率不等的情况：

发电机在频率差较大的情况下并入系统，立即带上较多正的（或负的）有功功率，对发电机转子产生制动（或加速）的力矩，将使发电机产生机械振动，严重时导致失步，造成并列不成功

。

2总体结构

2.1系统方案概述

以达到对发电机进行并网运行为目的，设计出实验电路，首先要对发电机的几项相关的的电气参数进行测量，与电路信号就行对比，若满足并网的条件，即可完成并网运行。

此系统主要对发电机的电压进行测量，之后再运用C语言编写的程序进行推算，算出频率与相位。

之后，将数据送入单片机中进行比较，若误差在允许的范围内，则从单片机的一个引脚输出控制信号驱动MOSFET，使其开通，完成并网工作，否则MOSFET关断，退出并网工作

。

2.2系统总体设计

2.2.1系统的硬件设计方案

根据测试系统的功能，系统硬件可以分为工作电源模块、信号调理模块、单片机控制模块、MOSFET驱动模块。

系统硬件流程图和电路框图分别如图2.1、图2.2。

被测信号在经过霍尔传感器进行电气隔离以及信号调理电路差分放大，被引入到A/D芯片把被测的模拟信号变成数字信号，送入AT89C51单片机中进行数据采集，由单片机中的CPU对该数字信号进行处理和分析。

最后，经过比较输出控制信号，传入MOSFET控制其开通或者关断。

通过检测被测信号的频率（被测信号频率远大于电路信号），在检测出过零点，得到精确的波形，由此推算出周期、频率、峰值。

2.1系统硬件设计流程图

图2.2硬件电路框图

2.2.2系统的软件设计方案

本次设计的电气参数自动测试系统软件的功能主要是控制单片机AT89C51对被测模拟信号采集，并对采集的信号进行分析和计算等功能。

本系统采用C语言编制数据采集程序和数据分析计算程序。

在整个软件的开发中，采集到的被测信号的数据分析计算是其中的重点。

在选择计算机算法时，要充分利用电气参数测试理论的研究成果，不仅要考虑到精度的要求，而且考虑到单片机控制系统的实际运算能力。

下图本测试系统软件的总体结构图。

图2.3系统软件总体结

2.3发电机并网过程简介：

2.3.1电机并网：

（1）传统并列方法

传统的实验室验证发电机并列的主要装置是直流电动机—三相同步发电机组，直流电动机在这里类似于原动机，它和三相同步发电机同轴连接直接给发电机提供机械能，其接线示意图如图2.4所示。

图2.4同步发电机并列接线示意图

调节原动机的转速即可改变发电机输出端电压的频率及相位。

由于直流电动机在这里相当于原动机，按照直流电动机转速公式：

（1）

式

（1）中，

—直流电动机端电压；

—直流电动机电枢回路电阻；

—直流电动机励磁磁通量。

由式

（1）可知，可以通过调节直流电动机的端电压、电枢回路电阻大小和励磁回路的磁通量来调节直流电动机的转速，从而达到调节发电机端电压的频率大小及相位。

由发电机的空载特性可知通过调节发电机励磁电流大小可以达到改变发电机端电压的大小，传统的并列方法有暗灯法和灯光旋转法。

（2）自动并列装置设计

本文采用频率差和电压差的自适应控制方法以及单向频率差并列原则，以提高微机自动并列装置的性能。

单向频率差和单向相角差的并列原则

一般的微机自动并列装置对频率差和相角差条件的判别采用下式：

（2）

式

（2）中:

为频率差整定值，

为发合闸命令时实测相角差，

为越前合闸相角，

是实际应用中为便于确定合闸脉冲而设定的偏角差。

式

（2）存在绝对值符号，发电机频率既可能高于也可能低于系统频率，合闸瞬间发电机电压相量既可能超前也可能滞后于系统电压相量。

但在合闸瞬间，如果发电机电压相量滞后于系统电压相量，则暂时从系统吸收有功功率，这种情况对系统缺乏有功时不利。

为此，我们提出采用单向频率差和单向相角差的并列原则，保证发电机并列后（包括并列瞬间）总是向系统输出少量有功功率。

根据这一原则并列条件应为：

（3）

式（3）中：

Toc为越前时间，△Toc为越前时间误差，

为发合闸脉冲时的实测滑差频率。

由于越前时间可正可负，按式（3）整定可能出现当越前时间误差为正时合闸瞬间的冲击电流为传统整定方法的2倍，为此将式（3）中的频率差整定值设为式

（1）的1/2。

自动并列装置的硬件设计

根据系统实际需要和产品性价比，选用ATMEL公司生产的AT89C51。

它是CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术生产兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

系统由电压、电流互感器、单片机、模数转换器、直流电动机及励磁驱动电路等组成，硬件结构示意图如图2.5所示。

图2.5系统框图

自动并列装置前向通道设计

数据采集系统中,由于电网、发电机参数变化较快，因此要加入采样保持器，再送到A/D转换器中。

设计中我们选用12位逐次逼近型快速A/D转换器AD574，其转换速度最快为35us，其转换误差±0.05%,是目前应用较为广泛、价格适中的A/D转换器。

由于AD574内部含三态锁存器，故可直接与单片机数据总线接口连接。

设计中使AD574工作于单极性输入方式，采用12位左对齐输出格式，因此将低4位DB0～DB3接至高4位DB11～DB8上。

读出时，先读高8位（D