同步发电机数字式励磁控制系统的设计

　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公司等相继生产出微机励磁调节器，这些大公司均具有很强的科研开发能力，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，具有结构紧凑、可靠性高的优点，其中许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，装置整体制造水平高。

　　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，可靠性以及生产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，因为作为现代数字式电压调节器应具有以下基本功能：

　　a)自动电压调节（AVR）——其稳态电压调整率达到较高值。

　　b)稳定性——即PID参数应能针对不同发电机参数过行灵活设置。

　　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——用于两台或多台发电机并联或并网运行。

　　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CAN通讯。

　　综上所述，我公司以前研制的产品均未达到要求，又因技术都由合作方控制，对我公司技术进步意义不大，其技术水平与国外比较差距较大。所以，为了提高同步发电机的控制水平以及公司的技术水平，研制新型数字式自动调压器迫在眉睫。

　　2 励磁控制器的总体结构及工作原理

　　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结构如图1所示。

图1励磁控制系统总体结构框图

　　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，一般为提高励磁电源的可靠性，选用厂用交流电和直流蓄电池两路供电，对于前者经过降压整流后，供给励磁绕组进行起励。当程序判断出机端电压达到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

　　控桥整流后供给发电机励磁电流。控制部分负责将电量采集送入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。
装置采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、电流互感器所得交流信号，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，这些状态反馈信号数据供控制器进行计算和分析使用，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采集到的最新模拟量进行计算，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，从而达到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作和状态信号进行逻辑判断，实现各种运行方式所需的励磁调节和限制、保护、检测、故障判断等功能。

　　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部分构成。本课题的研究基于励磁控制器的需求和发展趋势，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，结构简单，提高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结构研究的基础上，确定该励磁控制器的主要设计任务包括:

　　(1)信号量采集单元:要想对发电机进行控制，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。信号采集部分的任务就是要快速、准确的采集外部信号，为控制算法提供参数。模拟信号的采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注意强电电路部分与控制电路部分间的强、弱电隔离，并注意增强抗干扰能力，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，这一方面有利于提高信号交流采样的精度，另一方面为控制触发脉冲的产生提供时基和定时的起点。

　　(3)主控制单元:利用DSP丰富的片上资源和强大的控制处理能力，构造控制单元的核心部分，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、模拟量的采集计算、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。这部分需要完成移相脉冲的形成、整形调制和功率放大部分的软硬件设计。

　　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、脉冲移相放大等基本单元。根据前文所述的励磁控制器的基本要求，励磁控制器也由以下几个基本单元组成: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结构框图如图2所示。

图2励磁控制器的硬件总体结构框图