同步发电机数字式励磁控制系统的设计.docx

同步发电机数字式励磁控制系统的设计wangww导语：励磁系统是同步发电机的一个重要组成局部，它直接影响发电机的运行特性，对电力系统的平安稳定运行有重要的影响。1课题的背景及意义国外微机励磁控制器进入实用是在上世纪八十年代。这期间，日本东芝公司、加拿大通用公司、瑞士ABB公司、日本三菱公司、奥地利ELIN公司、德国SIEMENS公司、英国GEC公司和ROLLS-ROY公司等相继消费出微机励磁调节器，这些大公司均具有很强的科研开发才能，励磁控制器所用的计算机系统都以高速微处理器为核心，采用自行研制的专用控制板组成，具有构造紧凑、可靠性高的优点，其中很多产品已用于我国大型水电、火电和核电厂中，这些微机励磁控制器大多采用PID控制，各种控制、限制功能较完善，装置整体制造程度高。目前国内微机励磁控制器的研制和开发有多个单位开展了研制，其中南京自动化研究所、清华大学、华中科技大学研制的产品已在应用中，但其功能简单，可靠性以及消费制造工艺与国外相比存在很大差距，而与本公司同行业的几家大的电机厂均没有自行研制的数字式电压调节器或者是使用功能简单的由单片机组成的电压调节器。我公司2002年与湖南大学合作，研制了1套用于几十千瓦的双绕组发电机励磁控制用的调节器。该调节器是用8098单片机组成，但功能简单，仅作电压调节用，无法用于其它同步发电机，由于作为当代数字式电压调节器应具有以下根本功能：a)自动电压调节AVR其稳态电压调整率到达较高值。b)稳定性即PID参数应能针对不同发电机参数过行灵敏设置。c)无功功率/功率因数控制用于发电机和电力系统并网。d)并列补偿用于两台或者多台发电机并联或者并网运行。e)保护功能如过励限制、磁场过电压、过电流、发电机过电压、励磁机旋转二极管故障等。f)通讯功能应能支持RS-485或者CAN通讯。综上所述，我公司以前研制的产品均未到达要求，又因技术都由合作方控制，对我公司技术进步意义不大，其技术程度与国外比拟差距较大。所以，为了进步同步发电机的控制程度以及公司的技术程度，研制新型数字式自动调压器迫在眉睫。2励磁控制器的总体构造及工作原理如前所述，本文设计的励磁控制器应用最成熟的PID控制算法实现对恒机端电压的控制。励磁控制系统的总体构造如图1所示。图1励磁控制系统总体构造框图在自并励励磁控制系统中，励磁电源取自发电机机端电压，发电机正常运转之前，不能提供励磁电流，所以发电机起励时要外加起励电源，一般为进步励磁电源的可靠性，选用厂用沟通电和直流蓄电池两路供电，对于前者经过降压整流后，供应励磁绕组进展起励。当程序判定出机端电压到达额定电压时此值可在线修改，自动发出一个控制信号，断开接触器，切断起励电源，进入正常调节升压。在发电机正常工作时，励磁电源由接在发电机机端的励磁变压器提供，经三相全控桥整流后供应发电机励磁电流。控制局部负责将电量收集送入DSP芯片，经过实时计算后送入控制器，经过控制算法处理后输出控制量，即三相全控桥的触发角a，通过触发角的改变来控制发电机励磁电流的大小。装置收集的模拟量包括发电机机端电压、系统电压(电网电压)、定子电流、励磁电压、励磁电流。各电压互感器、电流互感器所得沟通信号，励磁电压、励磁电流经隔离后，进入模拟量输入通道转换成数字量，由主控系统滤波处理后，经过均方根算法，计算出机端电压、系统电压、定子电流的有效值、有功功率、无功功率、功率因数以及励磁电流、励磁电压的平均值，这些状态反应信号数据供控制器进展计算和分析使用，同时将A相电压经同步方波变换电路得到同步信号，供频率检测和同步脉冲触发使用。为了保证控制调节的实时性，程序在计算模块中首先对收集到的最新模拟量进展计算，按照控制算法推算出三相全控桥的移相触发角，然后将此触发角换算为定时器的计数值，到达定时值时利用DSP芯片上的电机控制PWM模块(后续章节简称PWM模块)产生控制脉冲，此脉冲经隔离和功率放大后去触发三相全控桥，来控制励磁电流的大小。当发电机机端电压的测量值低于给定值时，增大励磁电流，使机端电压上升:反之，减小励磁电流，进而到达控制和调节发电机机端电压和无功功率的目的。控制器还将根据现场输入的操纵和状态信号进展逻辑判定，实现各种运行方式所需的励磁调节和限制、保护、检测、故障判定等功能。3励磁控制器设计任务分析励磁控制器作为同步发电机控制的一个重要辅助控制设备，由励磁功率单元和励磁控制器单元两局部构成。本课题的研究基于励磁控制器的需求和开展趋势，充分利用所选单片机芯片丰富的外设资源，完成励磁控制器各模块的软硬件设计，使励磁控制器的多个功能数字化地整合为一体，功能较为齐备，构造简单，进步励磁控制系统的可靠性。在对现有的国内外励磁控制装置功能和构造研究的根底上，确定该励磁控制器的主要设计任务包括: (1)信号量收集单元:要想对发电机进展控制，首先应该得到发电机及电力系统当时的状态，这些状态量由一系列信号所表征。信号收集局部的任务就是要快速、准确的收集外部信号，为控制算法提供参数。模拟信号的收集需要保证数据采样的精度和速度，并降低谐波等干扰因素的影响。开关信号的检测需要留意强电电路局部与控制电路局部间的强、弱电隔离，并留意增强抗干扰才能，防止信号误动作。 (2)同步信号捕捉单元:电力系统的频率是时刻变化的，励磁控制器需要通过同步捕捉单元来跟踪电力系统的频率变化，这一方面有利于进步信号沟通采样的精度，另一方面为控制触发脉冲的产生提供时基和定时的出发点。 (3)主控制单元:利用DSP丰富的片上资源和强大的控制处理才能，构造控制单元的核心局部，配置I/0空间，提供较好的外围接口电路以便于系统硬件扩展。编写控制程序完成调压、模拟量的收集计算、测频、励磁限制等功能。 (4)脉冲触发单元:PID控制算法计算所得的结果需要转换为控制脉冲以驱动功率器件加以执行，实现所需的控制功能。这局部需要完成移相脉冲的形成、整形调制和功率放大局部的软硬件设计。4励磁控制器的硬件总体设计为实现上述的功能，励磁控制器需具备有:电量测量、调节运算、同步信号检测、脉冲移相放大等根本单元。根据前文所述的励磁控制器的根本要求，励磁控制器也由以下几个根本单元组成:主控制单元、模拟量输入通道、开关量输入输出通道、同步测频单元和脉冲放大单元等，励磁控制器的硬件总体构造框图如图2所示。图2励磁控制器的硬件总体构造框图本文所设计的励磁控制器首先利用DSP芯片的捕捉单元捕捉的电压信号计算出发电机频率，确定AD转换的采样周期:对发电机的机端电压、系统电压、定子电流等模拟量进展高速沟通采样，对励磁电流、励磁电压进展直流采样，采样完成后，经过均方根算法，计算出机端电压、系统电压、定子电流、有功功率、无功功率、功率因数，这些状态反应数据供PID调节装置进展计算和分析使用;当同步信号到来后，利用DSP芯片的定时器及PWM模块产生移相触发脉冲，此脉冲经过功率放大单元触发三相整流桥，到达通过控制发电机转子励磁电流来控制和调节发电机电压或者无功功率的目的。同时，励磁控制器还将根据现场输入的操纵和状态信号进展逻辑判定，实现各种运行方式所需的励磁调节、限制等功能。5励磁控制器的软件总体设计硬件局部设计是励磁控制的根底，而软件局部那么是励磁控制的灵魂，在硬件的根底上，励磁控制器的主要功能均由软件来完成。励磁系统的软件设计遵循构造化、模块化、自顶向下、逐步细化的编程思想。励磁控制应用程序由主程序和中断程序两局部组成，其中中断程序完成频率检测计算、数据沟通采样计算和移相触发等励磁控制的主要功能，主程序完成主控制器及外围扩展电路的初始化等功能，为响应中断做好预备。主程序流程如图3所示。DSP芯片增强的扩展中断处理才能为程序的设计带来了极大的方便和好处，灵敏地应用中断可以方便地解决很多其它方法难以解决的问题。为了完成励磁控制器的控制功能需要进展以下程序设计:机端频率捕捉程序、数据沟通采样程序、脉冲移相触发程序、恒机端电压控制程序、各种励磁限制程序。图3励磁控制系统软件主程序流程图6总结励磁系统是同步发电机的一个重要组成局部，它直接影响发电机的运行特性，对电力系统的平安稳定运行有重要的影响。一台同步发电机除电机本身特质外，其优良品质很大程度决定于它的励磁系统，一个性能优良的数字式自动励磁系统可极大地进步同步发电机的性能，同时也能进步其在市场中的竞争才能。0