（电机与电器专业论文）基于cip51微控制器数字式励磁调节装置的研究与开发.pdf

动报警单元、人机接口单元等。脉冲触发部分输出设计利用c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片的 可编程计数器阵列( p c a o ) 高速捕捉功能来实现，其硬件结构巧妙，而只需要 很少的c p u 干预。本励磁控制系统配备了完善的功能模块和控制算法，可达到 很好的控制效果和非常高的可靠性。 本文在硬件电路功能模块设计的基础上，完成了励磁控制系统的软件实现。 控制算法则提供了常规p i d 和引入机端电压反馈的非线性最优两种励磁控制算 法。其中对于非线性最优励磁控制装置中的技术关键点( 交流同步采样技术、 控制算法的实现和数字触发脉冲等) ，本文进行了硬件和软件设计实现。其中 对其对数字脉冲电路以及同步中断信号电路进行了仿真，验证了设计的可靠性； 对于控制算法的实现，本文借鉴了p i d 控制算法的思路，实现了具体的非线性 算法实现。 关键词：励磁控制器同步发电机非线性控制精确线性化同步采样仿 真c i p 5 1 r e s e a r c ha n d e x p l o i t a t i o no f t h ed i g i t a le x c i t a t i o n r e g u l a t i o nb a s e d o nc i p 5 1 m i c r o p r o c e s s o r m a j o r ：e l e c t r i cm a c h i n ea n de l e c t r i ce l e m e n t g r a d u a t e ：b a iw e i a d v i s o r ：z e n gc h e n g b i i nt h eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m ，t h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e ro fs y n c h r o n o u s g e n e r a t o rh a sas i g n i f i c e n ta f f e c tt ot h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs y s t e m n o to n l yc a l lt h ee x c e l l e n te x c i t a t i o nc o n t r o l ls y s t e ma s s u r et h ev o l t a g eq u a l i t y e f f e c t i v e l y , b u ta l s oe n h a n c et h eo p e r a t i o ns t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m t h e e x c i t a t i o nc o n t r o l l e ra l s oh a v es o m ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wi n v e s t m e n ta n ds i m p l e f a c i l i t y f o rt h ea i m a tt h ed e m a n do ft h ee x c i a t i o nm a n u f a c t u r ei nt h ea l t e r a t i o na n d n e w b u i l ta s s i g m e n to ft h em i d g e th y d r o - p o w e rp l a n t ，t h et h e s i ss t u d i e st h ed e s i g n a n di m p l e m e n to ft h ee x c i t a t i o nr e g u l a t o rb a s e do nt h ec i p 5 1m i c r o p r o c e s s o r t h i s e x c i t a t i o nc o n t r o l ls y s t e mi sm a d eu po fd i g i t a lf a c i l i t y ，w h i c hi sh a n d l e de x p e d i e n t l y , a n dp r o v i d e dw i t hl o wi n v e s t m e n t ，s t r o n gr e l i a b i l i t ya n de x c e l l e n tc o n t r o le f f e c t 。 f i r s to fa l l ，t h et h e s i sa n a l y z ea n dd i s c u s st h eb a s i cc o n c e p t sa n dm e t h o d so f t r a d i t i o n a lp i da n dn o n l i n e a rc o n t r o l lt h e r o y a tt h es o m et i m e ，b a s e do nt h es t a t e e q u a t i o no fas i n g l eg e n e r a t o ri n f i n i t en e t ，t h et h e s i sm o s t l yd i s c u s st h ef e a s i b i l i t yo f t h en o n l i n e a rc o n t r o l le x c i t a t i o nw i t hv o l t a g ef e e d b a c k ，a n dd e d u c et h ep r a c t i c a l e x p r e s s i o nw i t c hi sb a s e do no u t s p r e a d i n go ft h et h a l e rs e r i e si nt h es m a l lr a n g eo f t h eo p e r a t i o np o i n t 。d u et oa v o i d i n gr e s o l v i n go ft h ep a r t i a ld i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n t e q u a t i o nw h i c hb a s e do nm u k i v a r i a b l e ，t h i sa r i t h m e t i cc a l lb eu s e di np r a c t i c a l a f t e r c o m p a r i n gt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l la r i t h m e t i cw i t hn o e c a r i t h m e t i ci nc o n t r o l c a p a b i l i t ya n ds i m u l a t i o nr e s u l t ，t h et h e s i si n t e g r a t ew i t hp r a c t i c eo ft h ew a t e r - p o w e r s t a t i o na n dc h o o s et h et r a d i t i o n a lp l i dc o n t r o l la r i t h m e t i ca n dn o e ca r i t h l n e t i cw i t h v o l t a g ef e e d - b a c ka st h ep r i m a r yc o n t r a la r i t h m e t i c si ng e n e r a t o rc o n t r o l l e r s e c o n d l y , t h et h e s i ss t u d i e st h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h ed i g d t a ie x c i t a t i o n r e g u l a t o rs y s t e mw h i c h i sb a s e do nt h ec i p 51 m i c r o p r o c e s s o r t h e c i p 51 m i c r o p r o c e s s o rh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h s p e p - x a n dp i p el i n e ，a n dp r o v i d et h e s o l v a b l es c h e m eo ft h ew h o l ed a t a s a m p l i n g a n d s y s t e nc o n t r o l ，w h i c h i s m a u f a c t u r e db yu s a c y g n a lc o i nr e c e n ty e a r s t h ee x c i t a t i o nc o n t r a ls y s t e m i sm a d eu po ft h ep o w e rp a r ta n de x c i t a t i o nr e u l a t o rp a r t ，w h i c hc a nc o n t r o lt h e e x c i t a t i o ne l e c t r i c a ls o u r c eo ft h eh y d r o e l e c t r i cm a c h i n ew i t hs e l f - r e g u l a t i o n t h e e x c i t a t i o n r e g u l a t i o nm o s t l yi n c l u d es o m ep a r t s ，f o re x a m p l e ，d i s p o s a l u n i to f i m p o r t i n gs i g n a l ，a dt r a n s f o a m au n i t ，e l e c t r i c a ls o u r c eu n i t ，c p u ( a r i t h m e t i ca n d l o g i cu n i 0 ，d i g i t a ls y n c h r o n i z a t i o na n dd i g i t a li m p u l s ee x p o r t i n gu n i t ，a u t o m a t i c a l a r mu n i t , h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eu n i t ，e r e t h e r e i n t o ，d i g i t a li m p u l s ee x p o r t i n g u n i ti sr e a l i z e dw i t ht h eh i g h s p e e dc a p t u r i n gf u n c t i o no ft h ep e ai nc 8 0 5 1 f 0 2 0 s h i p ，w h i c hi sf e l i c i t yi ns l r u c t a r ea n do n l yn e e df e wi n t e r v e n t i o no ft h ec p u t h e e x c i t a t i o nc o n t r a ls y s t e mp r o v i d ew i t hp e r f e c tf u n c t i o nm o d u l ea n dc o i 删a r i t h m e t i c h a v ee x c e l l e n tc o n t r o lp r e c i s i o na n ds t r o n go p e r a t i o nr e l i a b i l i t y t h et h e s i sb a s e do nd e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i ta c c o m p l i s ht h es o f t w a r ed e s i g n o f 也ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m c o n t r o la r i t h m e t i ch a v et r a d i t i o n a lp i da r i t h m e t i c a n dn o e ca r i t h m e t i cw i t hv o l t a g ef e e d - b a c k t h ep a p e rg i v e st h em a i nt e c h n i q u e f o ri m p l e m e n t i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fe x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nn o e cw i t h v o l t a g ef e e d b a c k ，i n c l u d i n g a c s a m p l i n gt e c h n i q u e ， i m p l e m e n t a t i o no f c o n t r o la r i t h m e t i ca n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a l p u l s e t h e r e i n t o ，b ys i m u l a t i n g t h ec i r c u i to ft h e d i g i u di m p l u s e a n d d i g i t a l s y n c h r o n i z a t i o nb r e a k ，t h ep a p e rt e s t i f yr e l i a b i l i t y o ft h e d e s i g n ；t h en o n l i n e a r a r i t h m e t i ci si m p l e m e n t e dr e f e r r i n gt op i dc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r ，s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，n o n l i n e a re x c i t a t i o n e x a c tl i n e a r i z a t i o n ，s i m u l t a n e o u ss a m p l i n g ，s i m u l a t i o n ，c i p 5 1 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第一章绪论 1 1 引言 随着电网的扩大和电压等级的不断提高，电力系统的结构日趋复杂，电网 的运行方式也发生了较大的变化。安全可靠是电力系统运行的最基木条件，同 时电力系统也须具有合格的电能质量和良好的动态品质【l 】。励磁控制系统是发 电机最重要的控制系统之一，它不仅控制发电机的机端电压，而且在某种程度 上，也控制着电力系统的运行状态。国内外大电网的运行经验表明，适当改善 发电机励磁系统及调节器的结构和性能，是一项经济而有效的提高电网安全和 稳定运行的技术措施，而且随着现代控制技术的发展及其在励磁控制方式中的 应用，使得电力系统暂态稳定性控制方法得到了较大的发展。这方面的研究工 作一直受到很大重视，许多工程技术人员在改进励磁调节器的结构和性能方面 作了大量的工作，已取得了明显的实际效果。从励磁系统的发展趋势看，它经 历了机械式、电磁式、晶体管式和微机励磁。 1 2 同步发电机励磁控制系统简介 励磁控制系统是同步发电机的重要组成部分，它的特性的好坏直接影响到 同步发电机运行的可靠性和稳定性。同步发电机励磁系统是由励磁功率系统和 励磁调节器( a v r ) 组成，如图l l 所示。励磁功率系统向同步发电机转子励磁绕 组提供励磁电流。励磁调节器采集发电机端电压、电流、励磁电压、电流、转 速以及功率等需要的信号，并与相关给定值比较，根据其差值按一定的控制规 律计算出控制量，并换算成与之相应的可控硅的触发角，从而改变整流桥的输 出电压，达到调整励磁电流，实现维持发电机机端电压恒定，调节发电机无功 功率。进一步达到提高系统运行的稳定性口j 。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 图i - i 同步发电机励磁控制系统构成示意图 号 1 3 励磁控制理论和算法的发展 励磁控制器算法的改进总是与控制理论本身的发展是息息相关的，控制理 论总的发展趋势是由单变量到多变量，由线性到非线性，最后到包含智能化的 控制方式。同样，励磁控制方式的发展也经历了一条与之完全相适应的过程。 从二十世纪四十年代至今。励磁控制方式大体经历了三个阶段p ”。 第一阶段是单变量设计阶段【3 】。2 0 世纪5 0 年代出现的自动电压调节器( a v r ) 体现了这一设计理论。它采用发电机机端电压的偏差进行调节的方式，即p 调节， p i 调节以及p i d 调节。运用经典控制理论中的频率响应法( f r e q u e n c yr e s p o n e m e t h o d ) 和根轨迹法( r o o tl o c u sm e t h o d ) 来确定控制器参数瞵j 。a v r 式励磁 控制器的基本功能是电压调节和无功功率分配，在定程度上提高了稳态电压 精度，但在改善系统的动态品质和提高系统稳定水平的效果不是很理想。 第二阶段是多变量设计阶段。二十世纪6 0 年代随着功率电子元件和技术的 发展，快速励磁系统得到了广泛应用，但快速励磁方式的采用使得电力系统特 性恶化，致使出现“负阻尼”情况，使电力系统发生低频振荡0 “。为了改善 p i d 式励磁控制器在稳定性以及在提供人工阻尼方面的不足，美国学者 f d d e m e l l o 和c c o n c o r d i a 采用古典控制理论中的耜位补偿原理，于1 9 6 9 年提 出了电力系统稳定器( p s s ) 的辅助励磁控制策略p j 。这种控制方式除了保留常规 p i d 调节外，还增加了一个以发电机转速偏差a 国、功率偏差必或频率偏差掣 作为输入信号的二阶超前校正环节。这样，励磁控制技术由单输入控弗m 系统发 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 展成为双输入控制系鲥”j 。 研究结果及运行经验表明，a v r + p s s 励磁控制方式对电力系统机电振荡的阻 尼、抑制系统振荡、提高系统静态稳定性以及维持发电机机端电压能力等方面 较之常规p i d 调节方式具有明显的优势【l ”。但是p s s 也存在一些不足，在实际的 输电系统上应用时，辅助量的增益、超前校正环节的参数需要使用实验的方法 加以调整，这种调整往往需要花费很大的精力；同时，p s s 的参数只能在某一正 常运行状态下调整到较好的配合数值；另外，p s s 的参数只能针对系统某个范围 的振荡频率调整到较好的数值，而系统振荡频率与这个范围有较大差别时，p s s 不仅不能发挥作用，反而会起到相反的作用。 2 0 世纪6 0 年代以后，随着现代控制理论的成熟，状态空间方法得到了飞速 发展，电力系统控制领域也有了新发展。其中线性最优控制理论于上世纪7 0 年 代被引入励磁控制的设计当中，线性最优控制是现代控制理论的一个重要组成 部分，也是将最优化理论用于控制问题的一种体现，是目前现代控制理论中应 用最多、最成熟的一个分支。由于考虑了电力系统多个控制目标的综合，并采 用最优化设计【i2 1 ，因而具有更好的动态性能，在鲁棒性和适应性上也有很大改 善。基于线性最优控制理论的线性最优励磁控制器可以使远距离输电系统的静 稳定极限大为提高，几乎达到机端电压恒定时的线路功率极限，同时具有改变 系统遭受小扰动的阻尼特性。但这种励磁控制器是针对电力系统局部线性化模 型来设计的，这样设计出的励磁控制器能保证在运行点附近具有良好的控制性 能，当偏离运行点时，控制性能就会变差，因此在强非线性的电力系统中对大 干扰的控制效果也不是很理想。 针对线性最优励磁控制所存在的不足，国内外提出了很多改进型的最优励 磁控制技术，其主要思路是对最优反馈增益进行实时跟踪，构成适应型最优励 磁控制器。同时，多机电力系统中的分散最优励磁控制器的设计方法也得到了 发展，值得指出的是，国内对最优励磁控制的研究是深入和持久的，在理论和 实践上都取得了丰硕的成果。至今为止，线性最优励磁控制器己进入实用阶段， 成为兼有调节器a v r 和稳定器p s s 功能的励磁控制方案【】3 “】。 第三阶段是非线性多变量阶段。上述两个阶段中励磁控制方式中都存在着 一个共同问题，那就是励磁控制器的设计都是依据电力系统在某个特定状态( 潮 流) 下近似线性化的数学模型。当电力系统遭受大干扰使实际状态点偏离设计 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 所选的平衡点较远，继而产生较大幅值振荡时，控制效果就会大大地减弱，有 时甚至会导致系统失去稳定。因此在控制器设计过程中直接采用对于小干扰和 大干扰都是动态过程的精确电力系统非线性模型d 5 2 6 ，上述问题就可以得到很 好的解决。而菲线性控制理论的不断发展为我们采用非线性模型进行控制器设 计提供了理论基础，使我们有可能利用这些新理论进行设计】。 对于非线性控制问题，目前大体上有两大类处理方法。一类是将非线性系 统线性化，而线性化方法有常见的局部线性化和大范围线性化两种方法，前者 不适于大干扰情况；另一类是绕过分析而直接研究综合问题。就目前研究非线 性控制系统所使用的数学手段而言主要有两种，即微分方法和微分代数方法( 传 统方法和变结构控制除外) 【7 盈】。电力系统微分几何控制研究始于2 0 世纪8 0 年代， 目前形成了一门新的学科体系，即非线性控制系统几何结构理论休系，提出对 仿射型非线性控制系统实现大范围精确线性化，从而解决了电力系统遭受大干 扰的稳定问题。目前清华大学在非线性控制方而做了很多工作，卢强老师等人 较全面地总结了电力系统的微分几何控制的基本方法，并总结了该理论在电力 系统多个力面的应用状况与控制器设计方法，使我国在电力系统微分几何控制 方面居国际领先水平1 8 l 。文献 1 9 基于微分几何控制理论，将同步发电机机端 电压偏差量a v ，比例反馈环节引入，以改善机端电压的静态特性，提出一种既 能改善电力系统稳定性又能改善电压调节精度的非线性励磁控制器的设计方 法。文献 2 7 1 将非线性最优励磁控制器用于对华中电网的研究，表明非线性励 磁控制器改善系统稳定性能的有效性。 上述文献把非线性的电力系统控制问题，线性化成线性系统，再利用线性 控制理论加以分析与设计，克服了采用单点线性化模型产生的不足，对发电机 运行点的变化和系统网络结构的改变具有较好的适应能力。 与此同时，以( 滑模) 变结构控制、h 。控制为代表的鲁棒控制理论渊在同步 发电机励磁控制理论中也得到了应用。近年来，灰色控制、模糊逻辑控制、专 家系统、人工神经网络 2 9 , 3 0 1 以及遗传算法等智能化控制策略都被用于励磁控制 系统的设计当中。它们的基本特点是不依赖于对象系统韵精确数学模型，而是 基于某种智能概念模型将控制理论和人的经验及直觉推理相结合，具有处理非 线性、并行计算、自适应、自学习和自组织等多方面的能力和优点。其中，智 能技术既可以作为一种上层策略以实现在线或离线调整或优化原非智能控制器 4 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 的参数或结构，也可以作为一种底层控制规律来取代原有励磁控制的某一环节， 实现特定的控制算法或映射关系。 目前，鲁棒励磁控制理论和智能型励磁控制方法大多尚停留在仿真计算阶 段，少数应用实例也仅是一些简单的实验性尝试，欲推广应用，还有大量的实 际问题需要进一步的研究。 发电机励磁控制方式的发展，从一定意义上可以说是对电压调节性能和动 态稳定性之间矛盾的解决的发展，处于对电力系统安全考虑，在满足系统对动 态稳定性要求的前提下改善电压调节性能，显得很有实际意义。 1 。4 中国水电机组励磁装置的技术现状及发展趋势 励磁控制器硬件结构的发展轨迹也与励磁方式的发展有紧密的联系。早期 的励磁控制器为振动型和变阻器型，它们都具有机械部件，称为机电型励磁控 制器。由于它们不能连续调节，响应速度缓慢，并有死区，已早被淘汰。2 0 世 纪5 0 年代，电力系统广泛采用磁放大器和电磁元件组成的电磁型励磁控制器。 电磁型励磁控制器因为具有时滞性，调节速度比较慢，但是可靠性比较高，通 常用于直流励磁机系统。2 0 世纪6 0 年代，电力系统开始采用由半导体元件组成 的半导体励磁控制器。由于半导体元件几乎没有时滞，功率放大倍数也较高。 因此，半导体励磁控制器调节速度较快。得到了较大的发展。到2 0 世纪7 0 年 代，半导体励磁控制器己经广泛的应用于他励交流励磁机系统。上述电磁型、 半导体型励磁控制器均属于模拟式的控制器，所有功能均由硬件完成，若要增 加新的功能则必须增加新的硬件电路。因此模拟式的控制器结构复杂，操作繁 琐，维护困难”“。 随着大规模集成电路，数字控制技术和计算机技术的迅速发展和成熟，使 得以微处理器为主要特征的数字电子技术正逐步应用到现代励磁控制系统中， 取代传统的模拟式励磁控制器。微机励磁控制器除保留了模拟式励磁调节器的 全部功能外，还增加了很多以往在模拟式励磁系统中难以实现的控制功能。到 目前为止，微机励磁控制器采用的硬件结构己经具有多种形式，如单板机结构、 单片机结构、工控机结构以及可编程程序控制器结构等。微机励磁控制器的发 展为更复杂和高级的控制理论在励磁控制上的应用铺平了道路。 l 、国内外现状 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 目前中国水电励磁装置从制造厂家来看，先是有多家外国制造商，如广州 抽水蓄能电站引进阿尔斯通的励磁装置，隔河岩电站引进加拿大通用电气公司 的励磁装置，马迹塘、五强溪电站引进奥地利伊林公司励磁装置，三峡水电站 采用西门子的励磁装置等等：也有引进技术的合作生产企业，如李家峡电站部分 机组由东方电机厂与a b b 合作完成；还有拥有自主知识产权的国营和民营科技 企业，如国电公司南京自动化研究所、广州电器科学研究所、国电公司电力科学 院、河北工业大学电工厂、华中理工大学等1 0 多个单位都开发了数字式调节器。 从水电励磁装置的技术状况来分，不论是原装进口，还是中国制造，都有与世 界水平同步的高端数字化产品，也有老、小水电站至今还沿用着的模拟分立器 件产品、磁放大器及磁场变阻器等励磁装置。机组状况不同，其励磁装置的技 术水平也参差不齐。技术开发的特点也各有侧重，各个特色，但也有不少产品技术 设计落后，元器件老化，制版工艺差，安装布线和焊接质量问题较多，励磁变 压器选配不当等等。 中小型水电站包括微型水电站其总量占绝大多数，从现在的市场情况看， 这一领域主要还是国产励磁装置的天下。老机组改造任务与新建项目各占一半。 这部分产品要求的特点是：基本功能具备、运行可靠、调试容易、价格低廉、 维护方便。 2 、发展趋势 由国内水电机组励磁调节器研究开发情况及国外励磁技术的发展情况看， 励磁装置开发的重点是调节器。新材料、新器件、新技术的应用，会促使励磁 装置向操作简单化、功能丰富、运行可靠等方面发展。 ( i ) 、微机励磁调节器的调节控制和限制保护等所有功能，均是通过软件 实现，随着硬件集成度的提高，c p u 功能愈来愈强，运算时间愈来愈短，硬件结 构可以做得越来越简单。 ( 2 ) 、在励磁方式上，采用自并励方式，反应速度快，动态品质优良。 随着大功率电力电子元件的发展，国外近期采用电子开关来代替机械式灭 磁开关。这是因为电子开关无机械触点、无火花和瞬时过电压、动作速度快、 易于维护，克服了机械开关动作频繁、触头易烧坏、机械调整复杂、易失控后 产生危险的转子过电压等缺点。 ( 3 ) 、励磁变压器、保护单元、功率单元、灭磁单元等励磁系统的基本组 6 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 件将会因标准化和用户的需要，而趋势向模块化和通用化。每个组件单元将具 备独立的、智能化的数字式监控接口，借此进一步提高励磁系统的可靠性。 针对中小型水电站的老机组改造任务与新建项目对产品要求的特点以及水 电机组励磁调节器技术的发展趋势，本文研制了这种使用简单、成本低，可靠 性高，性能优良的基于c i p 5 1 微控制器的非线性励磁装置型。 1 5 本文的主要工作 本文主要研究围绕成都立世电子公司为某水电站( 2 x 2 5 0 0 k w ) 励磁改造 项目开展工作，即把该水电站的半导体式励磁调节器改造为微机励磁调节器。 原来的励磁调节器采用模拟控制的励磁方式，其调压性能和系统的控制功能已 经难以满足电网对机组励磁控制的要求。本文基于该电站的实际，采用美国 c y g n a l 公司近年推出的c i p 5 1 微控制器( c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片) 作为核心，设计 了集控制、触发于一体的可控硅微机控制系统。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 微控制器是完全集成的混合信号系统级的m c u 芯片，具备高速、 流水线结构( 7 0 的指令的执行时间为一个或两个系统时间钟周期，速度高达 2 5 m i p s ) ，通用处理能力强，对外接口资源较多，周边支撑软硬件很多，编程 简单f 3 2 l 。在一定程度上它具备了与i ) s p 同样较强的数据采样与处理能力，同时 又具备了非常强的位处理能力强。以此微控制器作为核心的励磁控制系统，能 方便的实现p i d 、线性最优、非线性控制等控制算法，使其在中小水力发电机机 组上能实现先进的现代控制。在设计励磁控制装置这样一个多任务实时系统时， 在c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片内提供了完整的数据采集和控制系统解决方案，很具有开发 价值。 本课题以结构简单、使用方便的微机励磁控制器需求而展开，完成了励磁 装置的整体方案设计，硬件电路图设计，并在理论上对引入机端电压反馈的非 线性最优控制算法作进一步的研究，得出了实用的控制算法表达式。主要的工 作包括： l 、简要介绍了励磁调节系统、励磁调节器的意义、组成、特点和发展，并 概述了励磁控制理论以及励磁装置的发展及趋势。 2 、叙述了本微机调节器控制方式有关的基本理论原理，分析论证了基于引 入机端电压的的非线性励磁控制算法的可行性，并在运行点的小范围内对机端 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 电压进行泰勒级数展开，推导出了基于机端电压反馈的非线性最优控制算法的 实用控制规律表达式。 3 、基于c i p - 5 1 ( c 8 0 5 1 f 0 2 0 ) 微控制器特点，实现了全数字式励磁控制系 统各主要功能模块的电路设计。整个硬件电路设计包括s p i 通信扩展e e p r o m ( 参 数存储器) ，r a m 扩展，开关量输入输出通道，模拟量输入通道，数字同步及 脉冲触发( 包括同步采样实现) ，l e d 显示，按键以及电源等。文中还对同步脉 冲电路以及同步中断信号电路进行了仿真，验证了设计的可靠性。 4 、在硬件电路功能模块设计的基础上，完成了励磁控制系统的软件实现。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第二章微机励磁调节系统原理 2 1 引言 目前在微机励磁控制器上投入实用的控制理论有p i d 、线性最优、非线性 最优等，本章将基于单机无穷大母线输电系统的数学模型对常规p i d 和非线性 最优这两种理论作详尽的说明，分析论证了引入机端电压的发电机的非线性最 优励磁控制器可行性，并在运行点的小范围内对机端电压进行泰勒级数展开， 推导出了基于机端电压反馈的非线性最优控制算法的实用控制规律表达式。 2 2 励磁控制系统的任务和要求 无论电力系统在正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁控制系统都起 着重要的作用。通过上章的分析我们可以看出，一个好的励磁控制系统不仅要 求保证同步发电机的可靠运行，提供合格的电能，还要求有效的提高电力系统 的稳定。根据同步电机运行的要求，励磁控制系统应承担以下的任务【3 9 1 ： 1 、在稳态运行时( 小干扰) ( 1 ) 、保持同步发电机运行中机端电压或系统中某一点处的电压恒定； ( 2 ) 、并列运行时，改善电网的功率因数，调节无功功率的分配： ( 3 ) 、提高静态稳定极限，保证闭环控制系统的稳定性和良好的动、静态 性能指标；增加输电线路维持稳定的长度。 2 、在暂态过程中( 大干扰) ( 1 ) 、抑制切断负荷时同步发电机机端电压的升高； ( 2 ) 、提高系统的暂态稳定性。 3 、对励磁及其控制的要求 为了充分发挥同步发电机励磁控制系统的作用，完成其各项任务，对励磁 功率单元和励磁调节器的性能有包括高度可靠和快速响应等方面的要求【3 3 】： ( 1 ) 、同步发电机的励磁及其控制应当能保证在各种运行状态下的可靠性， 包括：起励状态、空载状态、负荷状态、强励状态、灭磁状态等； ( 2 ) 、正常工作状态时同步发电机的电压控制和无功功率控制应当得到 很好的响应，并有足够的调节范围。 ( 3 ) 、励磁控制系统应当能够快速动作，在故障时能够迅速强励。将励磁 9 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 电压迅速上升至其顶值电压值，即应当有大的强励倍数和电压上升速度。 ( 4 ) 、电磁暂态和机电暂态过程中应当具有足够的阻尼以保证良好的稳定 性能。故障消除后，同步发电机的机端电压应当能够很好的恢复。 2 3p l d 励磁调节控制原理 许多年来。在工业自动控制领域中，按照偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 进行控制的p i d 是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在2 0 世纪4 0 年代以前， 除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。随着科学技术 的发展特别是计算机技术的发展，涌现出许多新的控制方式，然而直到现在， p i d 控制由于它自身的优点在工业生产过程中仍得到广泛的应用。即使在科技发 达的日本，p i d 控制的使用率在8 4 5 ni - t 圳。这是由于p d 控制具有结构简单， 容易实现，鲁棒性强和可靠性好的特点。同步发电机励磁调节系统的p i d 调节是 指发电机的端电压u 。、无功功率q 、功率因数c o s p , 励磁电流f 。均可按比例积 分微分( p i d ) 调节规律进行调节。p i d 调节是连续系统控制理论中技术成熟、应 用广泛的一种控制方法，它既能保证静态调节精度，又能同时保持动态调节品 质，也广泛应用于计算机数字控制系统中，这种算法可由软件来实现。 2 3 1p i d 控制原理 比例一积分一微分( p d ) 控制是依据古典控制理论的s 域进行设计的。为了 兼顾与协调静态误差与保证系统暂态稳定性两方面的要求，将励磁调节器的增 益分为两部分。一部分为无时滞的暂态增益，另一部分为有时滞的稳态增益， 其控制器原理为：用参考输入和系统输出的误差及其微分、积分的线性组合来产 生控制信号，其控制规律为3 5 】： 冲，卜毒虮瓦铡 亿。， = k p e ( t ) + 女f 丘e ( t ) d t + k dd e ( t ) 式中：正一积分时间常数： 乃微分时间常数；k p - - 比例放大系数 1 0 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) t 。= 一积分系数；k = 七，乃微分系数。 i 在微机励磁控制中，由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时 刻的偏差值计算控制量，因此式( 2 1 ) 中的积分和微分项只能用数值计算的方法 逼近3 1 。在采样时刻f = i t ，式( 2 1 ) 所表示的p i d 调节规律可用差分方程进行离 散化时有下述关系式： “( 盯) = _ m ( 胛) + 吾窆= 0 e ( 盯) + 孚【( 。( 盯) 一e ( 盯_ 1 ) 1 ( 2 2 ) f 式中：了一采样周期；e ( k r ) 一第k 次采样时系统得偏差值；u ( k t ) 一第k 次采样时计算机的输出控制量。 如果采样周期，取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续控制 过程十分接近，这种情况被称为“准连续控制”。 式( 2 2 ) 表示的控制算法提供了执行机构的位置u ( 1 c r ) ，所以称为数字控制 p i d 的位置式控制算法。位置式控制算法的每次输出与过去所有采样值有关，占 内存多；如果计算有误，将使输出的积累误差很大，影响安全生产。故p i d 调节 多采用增量式算法d 1 。 增量式p i d 算法只输出增量，计算机误动时，控制的作用不会发生大幅度 的变化；手动、自动的切换时冲击较小；算法中不需要作累加，增量只是最近 几次采样值有关，容易获得较好的控制效果。由式( 2 2 ) 可得增量的p i d 算法【3 ，7 1 。 u ( c t ) - u ( k t 一7 ) = 血( 腰) = k 。f 【e ( k t ) 一e ( k t - t ) 】 ( 2 3 ) + 吾钾) + 扣( 胛卜2 e ( c r 埘) + e ( k t 删 故有： u ( c r ) = u ( k t 一丁) + a u ( k t )( 2 4 ) 基于以上分析，从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面特 性来考虑，p i d 控制器各校正环节的作用如t s , 3 5 1 ： 比例环节：即时成比例的反应控制系统的偏差信号e ( f ) ，偏差一旦产生，控 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 制器立即产生控制作用，以减小误差。比例系数七。增大，可以加快系统响应速 度，减小系统稳态误差，提高控制精度。但是七。过大会产生较大超调，甚至导 致不稳定；若七。取得过小，能使系统减少超调量，稳定裕度增大，但会降低系 统的调节精度，使过渡过程时间延长。当输入偏差b ( f ) = 0 时，控制作用也为0 ， 因此比例控制是基于偏差进行调节的，即有差调节。 积分环节：通过对误差记忆，提高系统的抗干扰能力，主要用于消除静差， 提高系统的无静差度。但是它存在滞后现象，使系统的响应速度变慢，超调量 变大，并可能产生振荡。积分作用的强弱取决于积分时间常数7 = ，z 越大。积 分作用越弱，反之则越强。因此，加大积分系数k i ( 减小积分时间常数t ，) 有利 于减小系统静差，但过强的积分作用会使超调加剧，甚至引起振荡：减小积分 系数岛( 增大积分时间常数正) 虽然有利于系统稳定，避免振荡，但又对系统消 除静差不利。 微分环节：反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并在偏差信号值变得太大 之前，向系统中引入个有效的早期修正信号，从而加快系统的响应速度，减 小调节时问，减小超调量，改善系统的动态特性。其不利之处是微分作用对扰 动敏感，使系统抑制干扰能力减弱。若微分作用k 过大，会使响应过程过分提 前制动而延长调节时间；反之若缸过小，调节过程的减速就会滞后，超调量增 加，系统响应变慢，稳定性变差。 从时间的角度讲，比例作用是针对系统当前误差进行控制，积分作用针对 系统误差的历史，而微分作用反映系统误差的变化趋势，这三者的组合是“过 去、现在、未来”的完美组合。 由上述分析可以看出，经典p i d 控制器具有原理简单，使用方便，鲁棒性强 等优点，此外其调节整定很少依赖于系统的具体模型，目前在电力系统控制方 面有着较为广泛的应用。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 2 3 2 励磁控制系统p i d 调节方式 p i d 调节仍然是目前励磁调节方式的主要控制方式，按发电机端电压偏差的 比例、积分、微分调节的传递函数为： u 鲥 电压给定 图2 1 自动电压调节( a v r ) 数学模型 l 是电压测量环节的时间常数，约为0 0 2 s 。调节器的输入是实际值和给定 值之差，输出的是用于移相控制的控制信号。至于五，和瓦。参数可根据机 组参数由离散z i c g l e r - n i c h o l s 方法 3 5 , 3 6 1 进行整定，由调试软件进行修改。按电压 偏差的p i d 调节方式，完全能满足电压精度的要求，也有助于改善发电机电压的 动态和静态稳定。 2 4 非线性最优励磁控制 2 4 1 非线性最优励磁控制的基本理论( n o e c ) 当前我国电力系统在提高小干扰条件下的稳定性和抑制低频振荡等方面 均取得了长足的进展，影响电网安全运行的主要问题已由小干扰转移到大扰动 暂态稳定性方面。为此。发展直接按多机系统精确非线性模型设计出最优励磁 控制器已成为迫切的需要。基于微分几何理论设计的非线性控制器，自2 0 世纪 7 0 年代以来，已经形成了较完善的理论体系，在诸多领域中得到应用。微分几 何属于反馈线性化方法的一种，其基本原理是利用微分几何的数学工具对受控 系统的数学模型进行必要的坐标变换，进而求得非线性反馈，在此非线性反馈 作用下将原来的非线性系统映射为一个积分型的精确线性系统，而经过坐标变 换后系统的控制特性仍保持不变”o 射。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 非线性控制策约的基本思路是假定非线性电力系统的特性具有f 列表达式： x = ，( 工) + 委g 一( z ) ；( 2 5 ) 咒= 呜，i = l 。2 ，3 ，历 应用微分几何原理求得