同步發電機數字式勵磁控制系統的設計

　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公司等相繼生產出微機勵磁調節器，這些大公司均具有很強的科研開發能力，勵磁控制器所用的計算機系統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、可靠性高的優點，其中許多產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。

　　目前國內微機勵磁控制器的研制和開發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品已在應用中，但其功能簡單，可靠性以及生產制造工藝與國外相比存在很大差距，而與本公司同行業的幾家大的電機廠均沒有自行研制的數字式電壓調節器或是使用功能簡單的由單片機組成的電壓調節器。

　　我公司2002年與湖南大學合作，研制了1套用于幾十千瓦的雙繞組發電機勵磁控制用的調節器。該調節器是用8098單片機組成，但功能簡單，僅作電壓調節用，無法用于其它同步發電機，因為作為現代數字式電壓調節器應具有以下基本功能：

　　a)自動電壓調節（AVR）——其穩態電壓調整率達到較高值。

　　b)穩定性——即PID參數應能針對不同發電機參數過行靈活設置。

　　c)無功功率/功率因數控制——用于發電機和電力系統并網。

　　d)并列補償——用于兩臺或多臺發電機并聯或并網運行。

　　e)保護功能——如過勵限制、磁場過電壓、過電流、發電機過電壓、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品均未達到要求，又因技術都由合作方控制，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，為了提高同步發電機的控制水平以及公司的技術水平，研制新型數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控制算法實現對恒機端電壓的控制。勵磁控制系統的總體結構如圖1所示。

圖1勵磁控制系統總體結構框圖

　　在自并勵勵磁控制系統中，勵磁電源取自發電機機端電壓，發電機正常運轉

　　之前，不能提供勵磁電流，所以發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值可在線修改，自動發出一個控制信號，斷開接觸器，切斷起勵電源，進入正常調節升壓。

　　在發電機正常工作時，勵磁電源由接在發電機機端的勵磁變壓器提供，經三相全

　　控橋整流后供給發電機勵磁電流?？刂撇糠重撠煂㈦娏坎杉腿隓SP芯片，經過實時計算后送入控制器，經過控制算法處理后輸出控制量，即三相全控橋的觸發角a，通過觸發角的改變來控制發電機勵磁電流的大小。
裝置采集的模擬量包括發電機機端電壓、系統電壓(電網電壓)、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、勵磁電流經隔離后，進入模擬量輸入通道轉換成數字量，由主控系統濾波處理后，經過均方根算法，計算出機端電壓、系統電壓、定子電流的有效值、有功功率、無功功率、功率因數以及勵磁電流、勵磁電壓的平均值，這些狀態反饋信號數據供控制器進行計算和分析使用，同時將A相電壓經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使用。為了保證控制調節的實時性，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角，然后將此觸發角換算為定時器的計數值，到達定時值時利用DSP芯片上的電機控制PWM模塊(后續章節簡稱PWM模塊)產生控制脈沖，此脈沖經隔離和功率放大后去觸發三相全控橋，來控制勵磁電流的大小。當發電機機端電壓的測量值低于給定值時，增大勵磁電流，使機端電壓上升:反之，減小勵磁電流，從而達到控制和調節發電機機端電壓和無功功率的目的?？刂破鬟€將根據現場輸入的操作和狀態信號進行邏輯判斷，實現各種運行方式所需的勵磁調節和限制、保護、檢測、故障判斷等功能。

　　3勵磁控制器設計任務分析

　　勵磁控制器作為同步發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，使勵磁控制器的多個功能數字化地整合為一體，功能較為齊備，結構簡單，提高勵磁控制系統的可靠性。在對現有的國內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:要想對發電機進行控制，首先應該得到發電機及電力系統當時的狀態，這些狀態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。模擬信號的采集需要保證數據采樣的精度和速度，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:電力系統的頻率是時刻變化的，勵磁控制器需要通過同步捕捉單元來跟蹤電力系統的頻率變化，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脈沖的產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行，實現所需的控制功能。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

　　為實現上述的功能，勵磁控制器需具備有:電量測量、調節運算、同步信號檢測、脈沖移相放大等基本單元。根據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