劉軍華

(湘電集團(tuán)特種電氣事業(yè)部，湖南 湘潭 411101)

1 課題的背景及意義

國(guó)外微機(jī)勵(lì)磁控制器進(jìn)入實(shí)用是在上世紀(jì)80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(guó)SIEMENS公司、英國(guó)GEC公司和ROLLS－ROY公司等相繼生產(chǎn)出微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，這些大公司均具有很強(qiáng)的科研開發(fā)能力，勵(lì)磁控制器所用的計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，其中許多產(chǎn)品已用于我國(guó)大型水電、火電和核電廠中，這些微機(jī)勵(lì)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(guó)內(nèi)微機(jī)勵(lì)磁控制器的研制和開發(fā)有多個(gè)單位開展了研制，其中南京自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)研制的產(chǎn)品已在應(yīng)用中，但其功能簡(jiǎn)單，可靠性以及生產(chǎn)制造工藝與國(guó)外相比存在很大差距。

我公司2002年與湖南大學(xué)合作，研制了1套用于幾十kW的雙繞組發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制用的調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器是用8098單片機(jī)組成，但功能簡(jiǎn)單，僅作電壓調(diào)節(jié)用，無(wú)法用于其他同步發(fā)電機(jī)，因?yàn)樽鳛楝F(xiàn)代數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)具有以下基本功能:

(1)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)(AVR)——其穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率達(dá)到較高值。

(2)穩(wěn)定性——即PID參數(shù)應(yīng)能針對(duì)不同發(fā)電機(jī)參數(shù)過行靈活設(shè)置。

(3)無(wú)功功率/功率因數(shù)控制——用于發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)并網(wǎng)。

(4)并列補(bǔ)償——用于兩臺(tái)或多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)或并網(wǎng)運(yùn)行。

(5)保護(hù)功能——如過勵(lì)限制、磁場(chǎng)過電壓、過電流、發(fā)電機(jī)過電壓、勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)二極管故障等。

(6)通訊功能——應(yīng)能支持RS－485或CAN通訊。

綜上所述，為了提高同步發(fā)電機(jī)的控制水平以及公司的技術(shù)水平，研制新型數(shù)字式自動(dòng)調(diào)壓器迫在眉睫。

2 勵(lì)磁控制器的總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制器應(yīng)用最成熟的PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)恒機(jī)端電壓的控制。勵(lì)磁控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

在自并勵(lì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前，不能提供勵(lì)磁電流，所以發(fā)電機(jī)起勵(lì)時(shí)要外加起勵(lì)電源，一般為提高勵(lì)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(duì)于前者經(jīng)過降壓整流后，供給勵(lì)磁繞組進(jìn)行起勵(lì)。當(dāng)程序判斷出機(jī)端電壓達(dá)到額定電壓時(shí)此值可在線修改，自動(dòng)發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，斷開接觸器，切斷起勵(lì)電源，進(jìn)入正常調(diào)節(jié)升壓。

在發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，勵(lì)磁電源由接在發(fā)電機(jī)機(jī)端的勵(lì)磁變壓器提供，經(jīng)三相全控橋整流后供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流?？刂撇糠重?fù)責(zé)將電量采集送入DSP芯片，經(jīng)過實(shí)時(shí)計(jì)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α，通過觸發(fā)角的改變來控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小。

裝置采集的模擬量包括發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、系統(tǒng)電壓(電網(wǎng)電壓)、定子電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流。各電壓互感器、電流互感器所得交流信號(hào)，勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流經(jīng)隔離后，進(jìn)入模擬量輸入通道轉(zhuǎn)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(jì)算出機(jī)端電壓、系統(tǒng)電壓、定子電流的有效值、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)以及勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓的平均值，這些狀態(tài)反饋信號(hào)數(shù)據(jù)供控制器進(jìn)行計(jì)算和分析使用，同時(shí)將A相電壓經(jīng)同步方波變換電路得到同步信號(hào)，供頻率檢測(cè)和同步脈沖觸發(fā)使用。為了保證控制調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性，程序在計(jì)算模塊中首先對(duì)采集到的最新模擬量進(jìn)行計(jì)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(shí)器的計(jì)數(shù)值，到達(dá)定時(shí)值時(shí)利用DSP芯片上的電機(jī)控制PWM模塊(后續(xù)章節(jié)簡(jiǎn)稱PWM模塊)產(chǎn)生控制脈沖，此脈沖經(jīng)隔離和功率放大后去觸發(fā)三相全控橋，來控制勵(lì)磁電流的大小。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的測(cè)量值低于給定值時(shí)，增大勵(lì)磁電流，使機(jī)端電壓上升;反之，減小勵(lì)磁電流，從而達(dá)到控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和無(wú)功功率的目的。控制器還將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入的操作和狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行方式所需的勵(lì)磁調(diào)節(jié)和限制、保護(hù)、檢測(cè)、故障判斷等功能。

3 勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)任務(wù)分析

勵(lì)磁控制器作為同步發(fā)電機(jī)控制的一個(gè)重要輔助控制設(shè)備，由勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁控制器單元兩部分構(gòu)成。本課題的研究基于勵(lì)磁控制器的需求和發(fā)展趨勢(shì)，充分利用所選單片機(jī)芯片豐富的外設(shè)資源，完成勵(lì)磁控制器各模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，使勵(lì)磁控制器的多個(gè)功能數(shù)字化地整合為一體，功能較為齊備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高勵(lì)磁控制系統(tǒng)的可靠性。在對(duì)現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外勵(lì)磁控制裝置功能和結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，確定該勵(lì)磁控制器的主要設(shè)計(jì)任務(wù)包括:

(1)信號(hào)量采集單元:要想對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，首先應(yīng)該得到發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)，這些狀態(tài)量由一系列信號(hào)所表征。信號(hào)采集部分的任務(wù)就是要快速、準(zhǔn)確的采集外部信號(hào)，為控制算法提供參數(shù)。模擬信號(hào)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(guān)信號(hào)的檢測(cè)需要注意強(qiáng)電電路部分與控制電路部分間的強(qiáng)、弱電隔離，并注意增強(qiáng)抗干擾能力，防止信號(hào)誤動(dòng)作。

(2)同步信號(hào)捕捉單元:電力系統(tǒng)的頻率是時(shí)刻變化的，勵(lì)磁控制器需要通過同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(hào)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(shí)基和定時(shí)的起點(diǎn)。

(3)主控制單元:利用DSP豐富的片上資源和強(qiáng)大的控制處理能力，構(gòu)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(kuò)展。編寫控制程序完成調(diào)壓、模擬量的采集計(jì)算、測(cè)頻、勵(lì)磁限制等功能。

(4)脈沖觸發(fā)單元:PID控制算法計(jì)算所得的結(jié)果需要轉(zhuǎn)換為控制脈沖以驅(qū)動(dòng)功率器件加以執(zhí)行，實(shí)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(diào)制和功率放大部分的軟硬件設(shè)計(jì)。

4 勵(lì)磁控制器的硬件總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述的功能，勵(lì)磁控制器需具備有:電量測(cè)量、調(diào)節(jié)運(yùn)算、同步信號(hào)檢測(cè)、脈沖移相放大等基本單元。根據(jù)前文所述的勵(lì)磁控制器的基本要求，勵(lì)磁控制器也由以下幾個(gè)基本單元組成:主控制單元、模擬量輸入通道、開關(guān)量輸入輸出通道、同步測(cè)頻單元和脈沖放大單元等，勵(lì)磁控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

本文所設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制器首先利用DSP芯片的捕捉單元捕捉的電壓信號(hào)計(jì)算出發(fā)電機(jī)頻率，確定AD轉(zhuǎn)換的采樣周期:對(duì)發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、系統(tǒng)電壓、定子電流等模擬量進(jìn)行高速交流采樣，對(duì)勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓進(jìn)行直流采樣，采樣完成后，經(jīng)過均方根算法，計(jì)算出機(jī)端電壓、系統(tǒng)電壓、定子電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)，這些狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)供PID調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行計(jì)算和分析使用;當(dāng)同步信號(hào)到來后，利用DSP芯片的定時(shí)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(dá)到通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流來控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓或無(wú)功功率的目的。同時(shí)，勵(lì)磁控制器還將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入的操作和狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行方式所需的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、限制等功能。

5 勵(lì)磁控制器的軟件總體設(shè)計(jì)

硬件部分設(shè)計(jì)是勵(lì)磁控制的基礎(chǔ)，而軟件部分則是勵(lì)磁控制的靈魂，在硬件的基礎(chǔ)上，勵(lì)磁控制器的主要功能均由軟件來完成。勵(lì)磁系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)遵循結(jié)構(gòu)化、模塊化、自頂向下、逐步細(xì)化的編程思想。勵(lì)磁控制應(yīng)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(cè)計(jì)算、數(shù)據(jù)交流采樣計(jì)算和移相觸發(fā)等勵(lì)磁控制的主要功能，主程序完成主控制器及外圍擴(kuò)展電路的初始化等功能，為響應(yīng)中斷做好準(zhǔn)備。主程序流程如圖3所示。

圖3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖

DSP芯片增強(qiáng)的擴(kuò)展中斷處理能力為程序的設(shè)計(jì)帶來了極大的方便和好處，靈活地應(yīng)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(lì)磁控制器的控制功能需要進(jìn)行機(jī)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(jī)端電壓控制程序和各種勵(lì)磁限制程序的設(shè)計(jì)。

6 總結(jié)

勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它直接影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要的影響。一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)除電機(jī)本身特質(zhì)外，其優(yōu)良品質(zhì)很大程度決定于其勵(lì)磁系統(tǒng)，一個(gè)性能優(yōu)良的數(shù)字式自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)可極大地提高同步發(fā)電機(jī)的性能，同時(shí)也能提高其在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)能力。

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