同步發(fā)電機數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)的設計

1、同步發(fā)電機數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)的設計發(fā)布時間：2011-11-16 來源：中國自動化網(wǎng) 類型：專業(yè)論文 520人瀏覽關鍵字：勵磁控制導讀：1課題的背景及意義國外微機勵磁控制器進入實用是在上世紀八十年代。這期間，日本東芝公司、加拿大通用公司、瑞士ABB公司、日本三菱公司、奧地利ELIN公司、德國SIEMENS公司、英國GEC公司和ROLLS-ROY公司等相繼生產(chǎn)出.1課題的背景及意義國外微機勵磁控制器進入實用是在上世紀八十年代。這期間，日本東芝公司、加拿大通用公司、瑞士ABB公司、日本三菱公司、奧地利ELIN公司、德國SIEMENS公司、英國GEC公司和ROLLS-ROY公司等相繼生產(chǎn)出

2、微機勵磁調節(jié)器，這些大公司均具有很強的科研開發(fā)能力，勵磁控制器所用的計算機系統(tǒng)都以高速微處理器為核心，采用自行研制的專用控制板組成，具有結構緊湊、可靠性高的優(yōu)點，其中許多產(chǎn)品已用于我國大型水電、火電和核電廠中，這些微機勵磁控制器大多采用PID控制，各種控制、限制功能較完善，裝置整體制造水平高。目前國內(nèi)微機勵磁控制器的研制和開發(fā)有多個單位開展了研制，其中南京自動化研究所、清華大學、華中科技大學研制的產(chǎn)品已在應用中，但其功能簡單，可靠性以及生產(chǎn)制造工藝與國外相比存在很大差距，而與本公司同行業(yè)的幾家大的電機廠均沒有自行研制的數(shù)字式電壓調節(jié)器或是使用功能簡單的由單片機組成的電壓調節(jié)器。我公司2002年

3、與湖南大學合作，研制了1套用于幾十千瓦的雙繞組發(fā)電機勵磁控制用的調節(jié)器。該調節(jié)器是用8098單片機組成，但功能簡單，僅作電壓調節(jié)用，無法用于其它同步發(fā)電機，因為作為現(xiàn)代數(shù)字式電壓調節(jié)器應具有以下基本功能：a)自動電壓調節(jié)（AVR）其穩(wěn)態(tài)電壓調整率達到較高值。b)穩(wěn)定性即PID參數(shù)應能針對不同發(fā)電機參數(shù)過行靈活設置。c)無功功率/功率因數(shù)控制用于發(fā)電機和電力系統(tǒng)并網(wǎng)。d)并列補償用于兩臺或多臺發(fā)電機并聯(lián)或并網(wǎng)運行。e)保護功能如過勵限制、磁場過電壓、過電流、發(fā)電機過電壓、勵磁機旋轉二極管故障等。f)通訊功能應能支持RS-485或CAN通訊。綜上所述，我公司以前研制的產(chǎn)品均未達到要求，又因技術都由

4、合作方控制，對我公司技術進步意義不大，其技術水平與國外比較差距較大。所以，為了提高同步發(fā)電機的控制水平以及公司的技術水平，研制新型數(shù)字式自動調壓器迫在眉睫。2 勵磁控制器的總體結構及工作原理如前所述，本文設計的勵磁控制器應用最成熟的PID控制算法實現(xiàn)對恒機端電壓的控制。勵磁控制系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。圖1勵磁控制系統(tǒng)總體結構框圖在自并勵勵磁控制系統(tǒng)中，勵磁電源取自發(fā)電機機端電壓，發(fā)電機正常運轉之前，不能提供勵磁電流，所以發(fā)電機起勵時要外加起勵電源，一般為提高勵磁電源的可靠性，選用廠用交流電和直流蓄電池兩路供電，對于前者經(jīng)過降壓整流后，供給勵磁繞組進行起勵。當程序判斷出機端電壓達到額定電壓時此

5、值可在線修改，自動發(fā)出一個控制信號，斷開接觸器，切斷起勵電源，進入正常調節(jié)升壓。在發(fā)電機正常工作時，勵磁電源由接在發(fā)電機機端的勵磁變壓器提供，經(jīng)三相全控橋整流后供給發(fā)電機勵磁電流?？刂撇糠重撠煂㈦娏坎杉腿隓SP芯片，經(jīng)過實時計算后送入控制器，經(jīng)過控制算法處理后輸出控制量，即三相全控橋的觸發(fā)角a，通過觸發(fā)角的改變來控制發(fā)電機勵磁電流的大小。 3勵磁控制器設計任務分析勵磁控制器作為同步發(fā)電機控制的一個重要輔助控制設備，由勵磁功率單元和勵磁控制器單元兩部分構成。本課題的研究基于勵磁控制器的需求和發(fā)展趨勢，充分利用所選單片機芯片豐富的外設資源，完成勵磁控制器各模塊的軟硬件設計，使勵磁控制器

6、的多個功能數(shù)字化地整合為一體，功能較為齊備，結構簡單，提高勵磁控制系統(tǒng)的可靠性。在對現(xiàn)有的國內(nèi)外勵磁控制裝置功能和結構研究的基礎上，確定該勵磁控制器的主要設計任務包括:(1)信號量采集單元:要想對發(fā)電機進行控制，首先應該得到發(fā)電機及電力系統(tǒng)當時的狀態(tài)，這些狀態(tài)量由一系列信號所表征。信號采集部分的任務就是要快速、準確的采集外部信號，為控制算法提供參數(shù)。模擬信號的采集需要保證數(shù)據(jù)采樣的精度和速度，并降低諧波等干擾因素的影響。開關信號的檢測需要注意強電電路部分與控制電路部分間的強、弱電隔離，并注意增強抗干擾能力，防止信號誤動作。(2)同步信號捕捉單元:電力系統(tǒng)的頻率是時刻變化的，勵磁控制器需要通過同

7、步捕捉單元來跟蹤電力系統(tǒng)的頻率變化，這一方面有利于提高信號交流采樣的精度，另一方面為控制觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生提供時基和定時的起點。(3)主控制單元:利用DSP豐富的片上資源和強大的控制處理能力，構造控制單元的核心部分，配置I/0空間，提供較好的外圍接口電路以便于系統(tǒng)硬件擴展。編寫控制程序完成調壓、模擬量的采集計算、測頻、勵磁限制等功能。(4)脈沖觸發(fā)單元:PID控制算法計算所得的結果需要轉換為控制脈沖以驅動功率器件加以執(zhí)行，實現(xiàn)所需的控制功能。這部分需要完成移相脈沖的形成、整形調制和功率放大部分的軟硬件設計。4勵磁控制器的硬件總體設計為實現(xiàn)上述的功能，勵磁控制器需具備有:電量測量、調節(jié)運算、同步信號

8、檢測、脈沖移相放大等基本單元。根據(jù)前文所述的勵磁控制器的基本要求，勵磁控制器也由以下幾個基本單元組成:主控制單元、模擬量輸入通道、開關量輸入輸出通道、同步測頻單元和脈沖放大單元等，勵磁控制器的硬件總體結構框圖如圖 2所示。圖2勵磁控制器的硬件總體結構框圖  本文所設計的勵磁控制器首先利用DSP芯片的捕捉單元捕捉的電壓信號計算出發(fā)電機頻率，確定AD轉換的采樣周期:對發(fā)電機的機端電壓、系統(tǒng)電壓、定子電流等模擬量進行高速交流采樣，對勵磁電流、勵磁電壓進行直流采樣，采樣完成后，經(jīng)過均方根算法，計算出機端電壓、系統(tǒng)電壓、定子電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)，這些狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)供PID

9、調節(jié)裝置進行計算和分析使用;當同步信號到來后，利用DSP芯片的定時器及PWM模塊產(chǎn)生移相觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)過功率放大單元觸發(fā)三相整流橋，達到通過控制發(fā)電機轉子勵磁電流來控制和調節(jié)發(fā)電機電壓或無功功率的目的。同時，勵磁控制器還將根據(jù)現(xiàn)場輸入的操作和狀態(tài)信號進行邏輯判斷，實現(xiàn)各種運行方式所需的勵磁調節(jié)、限制等功能。5勵磁控制器的軟件總體設計硬件部分設計是勵磁控制的基礎，而軟件部分則是勵磁控制的靈魂，在硬件的基礎上，勵磁控制器的主要功能均由軟件來完成。勵磁系統(tǒng)的軟件設計遵循結構化、模塊化、自頂向下、逐步細化的編程思想。勵磁控制應用程序由主程序和中斷程序兩部分組成，其中中斷程序完成頻率檢測計算、數(shù)據(jù)交

10、流采樣計算和移相觸發(fā)等勵磁控制的主要功能，主程序完成主控制器及外圍擴展電路的初始化等功能，為響應中斷做好準備。主程序流程如圖3所示。DSP芯片增強的擴展中斷處理能力為程序的設計帶來了極大的方便和好處，靈活地應用中斷可以方便地解決許多其它方法難以解決的問題。為了完成勵磁控制器的控制功能需要進行下列程序設計:機端頻率捕捉程序、數(shù)據(jù)交流采樣程序、脈沖移相觸發(fā)程序、恒機端電壓控制程序、各種勵磁限制程序。圖3勵磁控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖6總結勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的一個重要組成部分，它直接影響發(fā)電機的運行特性，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有重要的影響。一臺同步發(fā)電機除電機本身特質外，其優(yōu)良品質很大程度決定于它

11、的勵磁系統(tǒng)，一個性能優(yōu)良的數(shù)字式自動勵磁系統(tǒng)可極大地提高同步發(fā)電機的性能，同時也能提高其在市場中的競爭能力。       裝置采集的模擬量包括發(fā)電機機端電壓、系統(tǒng)電壓(電網(wǎng)電壓)、定子電流、勵磁電壓、勵磁電流。各電壓互感器、電流互感器所得交流信號，勵磁電壓、勵磁電流經(jīng)隔離后，進入模擬量輸入通道轉換成數(shù)字量，由主控系統(tǒng)濾波處理后，經(jīng)過均方根算法，計算出機端電壓、系統(tǒng)電壓、定子電流的有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)以及勵磁電流、勵磁電壓的平均值，這些狀態(tài)反饋信號數(shù)據(jù)供控制器進行計算和分析使用，同時將A相電壓經(jīng)同步方波變換電路得到同步信號，供頻率檢測和同步脈沖觸發(fā)使用。為了保證控制調節(jié)的實時性，程序在計算模塊中首先對采集到的最新模擬量進行計算，按照控制算法推算出三相全控橋的移相觸發(fā)角，然后將此觸發(fā)角換算為定時器的計數(shù)值，到達定時值時利用DSP芯片上的電機控制PWM模塊(