（电路与系统专业论文）基于DSP的微机励磁调节器的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 励磁控制器是励磁控制系统的重要组成部分，对电力系统的安全稳定运行有着 十分重要的意义。随着大规模集成电路技术及汁算机技术的发展，采f 】微处理器作 为硬件控制核心的微机励磁控制器将成为今后励磁控制器的发展方向。随着励磁控 制方法的不断改进与发展，对微机励磁控制器的运算速度和处理能力提出了非常高 的要求。d s p ( 数字信号处理器) 具有高速、卓越的数字信号处理能力以及丰富的 外部扩展功能，使其应用领域从通信行业拓展到工业控制领域。本文就是在这种背 景下，设计和实现以d s p 为控制核心的微机励磁调节器。 首先，本论文在讲述励磁调节系统在电力系统中所起的重要作用的基础上，详 细阐述励磁调节系统的组成，励磁调节器的发展概况，以及微机励磁调节器的优点。 说明励磁调节控制理论的发展使励磁调节器不仅具有调节电网电压稳定和无功功 率调配的作川，而且具有凋节电网稳定性的作用。同时，详细蜕明了微机励磁调节 器的相关上作原理，为本设计采用智能选择p i d ( 比例一积分一微分控制) + p s s ( 电 力系统稳定器) 和非线性最优控制的控制策略实现微机励磁调：耵器提供了必要的理 论支持。 e 次，洋述了_ 】d s p 实现微机励磁调节器的整个硬件平台的设计，包括电源和 后裔电源模块、采样模块、电平匹配模块、扩展s r a m 和f l a s hr o m 模块、s c i 和c a n ( 控制器区域网络) 通信模块、键盘和l e d 显示模块等各个模块的详细设 计。其后，讲述了与硬件对应的软件模块设计，包括s c i 通信模块、c a n 通信模 块、p w m 产生模块、f f t 算法实现模块的详细设计。并实录产生的p w m 脉冲和 c a n 通信传输的数掘说明相关硬件和软件设计的可行性。 最后，通过各种调试和仿真方法提取试验数据来进行分析。包括把d s p 运算 f f t 算法的数据结果，与m a t l a b 仿真的数据结果对照分析；实录同步采样的数 据；用m a t l a b 仿真p i d 控制算法，得到p i d 的整定参数，它们都证明了相关设 计的有效性。本文从设计的理论和整体软、硬件的实现结果都说明用d s p 实现微机 励磁调节器的可行性和有效性，对今后的研究工作具有较大的意义。 关键词：励磁调节器数字信号处理器( d s p ) 同步采样控制器局域网络( c a n ) 仿真 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i l ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a n di t h a sa s i g n i f i c a n tm e a n i n gt ot h ep e a c ea n ds t e a d i n e s so ft h ep o w e rs y s t e m w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h el a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i ta n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ee x c i t a t i o n c o n t r o l l e ri nw h i c ht h em i c r o p r o c e s s o ri st h ec o r ec o m p o n e n tw i l lb et h et r e n di nt h e f u t u r e w i t ht h ei m p r o v e m e n ta n d d e v e l o p m e n t i ne x c i t a t i o n sc o n t r o lm e t h o d ，t h eh i 曲e r r e q u e s ti no p e r a t i o na n dc a l c u l a t i o na b i l i t yo fe x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri sp u tf o r w a r d d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，w h i c hh a sh i g h s p e e d ，r e m a r k a b l ea b i l i t y i n d i g i t a ls i g n a l s p r o c e s s i n ga n da b u n d a n te x t e r n a le x p a n d e df u n c t i o n ，m a k ei t sa p p l i c a t i o ne x p a n df r o m c o m m u n i c a t i o nt r a d et ot h ei n d u s t r y c o n t r o l l e df i e l d u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h i st h e s i s s t u d i e st h ed e s i g na n d i m p l e m e n to fm i c r o c o m p u t e re x c i t a t i o nc o n t r o l l e rf o rs y n c h r o n o u s g e n e r a t o r b a s e do nd s e f i r s to fa l l ，o nt h eb a s i so fe x p a t i a t i n gt h ei m p o r t a n tf u n c t i o nt h a te x c i t a t i o ns y s t e m p l a y e di n t h ep o w e r s y s t e mt h i st h e s i se x p l a i nt h ef r a m e w o r ko fe x c i t a t i o ns y s t e ma n d e x c i t a t i o n c o n t r o l l e r , t h ed e v e l o p m e n to ft h e m ，a n dt h ea d v a n t a g eo ft h ec o m p u t e r e x c i t a t i o nr e g u l a t o r p r o v ee x c i t a t i o nc o n t r o lt h e o r ym a k ee x c i t a t i o nr e g u l a l o rn o to n l y r e g u l a t ev o l t a g es t a b i l i t ya n d a l l o c a t ei n a c t i v ep o w e r , b u ta l s oh a v ef u n c t i o no f r e g u l a t i n g t h es t a b i l i t yo ft h ep o w e rn e t w o r k m e a n w h i l e ，t h er e l e v a n to p e r a t i o np r i n c i p l e so ft h e m i c r o c o m p u t e re x c i t a t i o nr e g u l a t o r a r es h o w n ，a n d t h e y o f f e rt h ee s s e n t i a l t h e o r y s u p p o r t i n gi ni n t e l l i g e n ta d o p t i n gp i d ( p r o p o r t i o ni n t e g r a ld i f f e r e n t i a l ) + p s s ( p o w e r s y s t e ms t a b i l i z e r ) a n dn o n l i n e a rc o n t r o ls t r a t e g yt o r e a l i z e m i c r o c o m p u t e re x c i t a t i o n r e g u l a t o r s e c o n d l y ，t h e r e s e a r c hs u b j e c ti s c o n c e r n i n g t h e d e s i g n o fh ew h o l eh a r d w a r e p l a t f o r mr e a l i z i n gt h ec o m p u t e re x c i t a t i o nr e g u l a t o rw i t hd s p , w h i c hi n c l u d i n gp o w e r a n dr e s e r v ep o w e r m o d u l e ，s a m p l em o d u l e ，t h el e v e lm a t c h e sm o d u l e ，e x p a n ds r a m a n df l a s hr o m m o d u l e ，s c ia n dc a n c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，k e y b o a r da n dl e d s h o wm o d u l e ，e t c e a c hd e t a i l e dd e s i g no fm o d u l e t h e r e a f t e r , h a v ei o ! da n dd e s i g n e d w i t ht h e c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e m o d u l eo fh a r d w a r e ，i n c l u d i n gs c ic o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，c a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，p w mp r o d u c e dm o d u l e ，f f ra l g o r i t h mr e a l i z e d m o d u l ea n dp w m p u l s e a n dc a nd a t af r o mc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i tt h a t f a i t h f u l r e c o r dp r o v e f e a s i b i l i t yo f t h er e l e v a n th a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n 1 i 华中科技大学硕士学位论文 f i r l a l y ，t h et e s td a t ai sa n a l y z e db yu s eo fd i f f e r e n td e b u g a n ds i m u l a t i o nm e t h o d s c o m p a r e t h ed a t ar e s u l t e df r o mf f l la l g o r i t h mo p e r a t i n gi nd s pw i t ht h ed a t ar e s u l t e d f r o mr u n n i n gi nm a t l a ba n da n a l y z et h e m ，d r a wd a t af r o ms i m u l t a n e o u ss a m p l i n gt h a t t h ef a i t h f u lr e c o r d ，e m u l a t ep i dc o n t r o l l i n ga l g o r i t h m sw i t hm a t l a b ，g e t se x a c t l y p a r a m e t e ro fp i d t h e yh a v ea l lp r o v e dt h ev a l i d i t yo ft h ed e s i g n t h i sp a p e ri ss h o w n t h a ti ti s f e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yt h a ti m p l e m e n tm i c r o c o m p u t e re x c i t a t i o nc o n t r o l l e rf o r s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rb a s e do nd s pf r o mt h ef h cr ) i ? ( 1 v ；h 1 c , e a i i z a t i u nr e s u l to f s o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h er e s e a r c hw o r ki ss i g n i f i c a n ti nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：m i c r o c o m p u t e re x c i t a t i o n s i m u l t a n e o u ss a m p l i n g c o n t r o l l e r d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ( c a n )s i m u l a t i o n 独创性声明 本人卢j 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究j l q ：及以得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在义巾以明确方式标明。本人完全意u 到术声明的法律结果山本人承扣。 学位论文作者签名：区音生 e l 期：炒牛年牛月2 9h 学位论文版权1 吏用授权书 本学侥论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保科， f = 向阁家有关部门或机构送交论文的复e 1 f l ：和电子版，允许论文被查阅年” 借间。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掘 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编木学位论文。 本论史属于 保密口在 不保密囱。 ( 请征以上方框内打“”) 年解密后适用本授权书。 产何沦文作者签名：诬干生指导教师签名： 1 _ l l j 】：) 卯孕年年月) g 同 日期：洳牛年叶月榴日 口q加f。 名 、乏 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 励磁调节系统的重要意义 随荷f 刚网的扩大和电压等级的不断提高，电力系统的结构趋复杂，电网的运 行方一随之发牛了较大的变化。安全可靠是电力系统运行的最基本条仆，同时电力 系统须具有合格的电能质量和良好的动态品质。我国电力。j 二业已步入大电网、高电 j 和人机组时代，装机容量3 ( ) 6 0 万k w 的大型机组已成为我国的骨干机组，从而 对电力系统稳定安全性要求也越来越高。早在4 ( ) 年代和5 0 年代，有些学者就强凋 地指mr 同步发电机磁场的调节对提高电力系统稳定性的重要作用。此后这方面的 研究1 ：作直受到很大重视。研究工作的主要内容包括两个方面，一是着力于主励 系统本身即励磁方式的改进；另一方面是着力于励磁控制方式( 策略) 的改进。 1 2 励磁调节系统的种类和构成 励磁调节系统是同步发电机的一个重要组成部分，它通常山两部分组成：第一 部分是励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提供可调节的直流励磁电流；第 i 部分足励磁调节器，它根据发电机及电力系统运行的要求，自动调节功率单元输 n 的励磁电流i ”。 励磁调节系统的种类： ( 1 ) 直流励磁机系统 5 0 年代初期，汽轮发电机的励磁主要采用直流励磁机系统。直流励磁机的容量 受机械强度和换向电压等电气参数的影响，对于励磁功率大于6 0 0 k w 的汽轮发电 机，无法采 日同轴直流励磁机系统。 ( 2 ) 他励交流励磁机系统 对r 他励交流励磁机系统，励磁功率电源取自发电机以外的独立的并与其同轴 旋转f f j 交流励磁机，故称之为他励。根据交流励磁机的数量以及整流器是旋转的还 华中科技大学硕士学位论文 是静l l 的，分为以f 几种： 1 1 他励静止硅整流励磁系统； 2 1 他励静止可控硅整流励磁系统； 3 ) i i g 励旋转硅整流励磁系统； 4 1 他励旋转可控硅整流励磁系统。 ( 3 ) 自励和自复励静止励磁系统 对于自励和自复励静止励磁系统，其励磁功率电源，采用发电机系统静止的变 压器作为电压源，采用发电机系统静l 匕的变流器作为电流源。由电压源或电流源构 成的励磁系统，统称为自励静止励磁系统，如图1 1 所示；由电压源和电流源复合构 成的励磁系统，称为自复励静止励磁系统。根据电压源、电流源的不同连接方式自 励和自复励静止励磁系统分为： l 、自励可控硅励磁系统； 2 1 桐补偿自复励励磁系统； 3 ) 交流侧串联自复励励磁系统； 钔茵流侧并联自复励励磁系统。 图1 - 1 自励静止励磁系统原理图 2 华中科技大学硕士学位论文 1 3 励磁调节器的类型和特点 ( 1 ) 早期的调节器为振动型利变阻器型，都具有机械部f - i ，称为机电型调竹 器。 ( 2 ) 5 0 f ：代，磁放大器“5 观历，f 乜力系统广泛采用磁放大器和t f l 磁7 b , i , i ：r i j 毙 的i 乜磁型调节器。 ( 3 ) 6 ( ) 年代初期，随着半导体技术的发展，f 包力系统，r 始采用山半导体元r l ： 组成的! | ，= 导体调常器。7 0 年代初期，半导体渊节器已获得广泛应用，通常川于他励 交流励磁机系统。 上述的电磁型、半导体型调节器，均属于模拟式( 即模拟量控制) 的调节器， 其f 乜压偏差的测量、综合放大、移干h 触发和调差环节，全出相应的硬件( 电气器件) 完成。要实现自动升压、低励限制、过励限制、系统稳定器p s s ( p o w e rs y s t e m s t a b i l i z a t i o n ) 等多种控制功能，必须增d n t 应功能的硬件电路。所以，其元器件将大 夫增加、r n 踏将更复杂、运行操作更繁琐、维护更困难。 ( 4 ) f ：l 丽，f t 门：火规模集成i 匕路和微机技术的迅猛发展，山硬f l ：_ 手l l 软什组成的微 _ j i ( n i l 数! 鼠控制) 励磁凋节器。 微； ! l 渊：耵器电压偏差的计算、移相触发、调差环二i 3 、自动零起升压( 或降压) 、 低励限制、过励限制、p s s 等控制功能，都l 叮以山相应的软件来完成，不需增_ f i 【i 相 成功能的硬件电路。同时。鑫种控制功能都可以根据需要随意的组合，十分灵活。 可见，在模拟式调节器中很难实现甚至无法实现的某些控制功能，在微机式调节器 巾则很容易实现| 2 j 口 14 数字式励磁调节器的优点 ( 1 1 复杂的控制策略可以在励磁控制巾得到实现。除了可以实现模拟式调节器的 p i dfp r o p o r t i o ni n t e g r a ld i f f e r e n t i a l ) 明l ? 、i s s 衔舶控制脚线。舀二最仉控制外，还可 实现模拟式渊节器难以实现的自校r 调节、非线性控制、自适应控制及模糊控制等 川。 3 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 调节准确、精度高、在线改变参数方便。在数字式励磁调节器中，信号处理、 调节控制规律都山软件来完成。简化了控制装置，信号处理能力强和控制精度高。 电压给定、放大倍数、时问常数等控制参数都由数字设定，调整参数更准确，稳定 性高，凋节方便，速度快。 ( 3 1 可以在励磁控制中实现完备的限制及保护功能、通_ l 而灵活的系统功能、简 - v 伴j 撺；仵以及锣i l t 的维修j u 试验r 段。 ( 4 ) 可靠性高，无故障工作时间长。由于可以采用双微机自动跟踪，两个通道互 为热需用，可实现自动切换。可在正常运行情况下检修备用机，在软件中实现自诊 断和舟复归功能。由于调节控制规律 扫软件实现，减少了硬件电路，减少了因调节 器故障维修而带来的停机时间。 ( 5 1 通信方便。可以通过通信总线、串行接口或常规模拟量方式方便灵活地接入 电厂的计算机监控系统，便于远方控制和实现发电机组的计算机综合协调控制一l 二 位计卿：机可商接改变机组给定电压值，非常简便地实现全厂机纽的无功成组涧商及 母线f f m 0 实删控制。 1 5 励磁调节器的控制方式的发展过程 第一阶段中主要采用的是按发电机机端电压的偏差进行调节的方式，即p 调节， p i 嗣节以及p i d 凋常。 第i 阶段是6 0 年代随着功率电子元f l - - , n 技术的发展，快速励磁系统得到广泛 应用，增加人1 二阻尼的问题在欧美些网络互联比较紧密的电网电变的突出起来， 于是p s s 应运而生，即p i d + p s s 控制方式i “。 第一- 阶段是随着现代控制理论的发展，线性最优控制理论与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，至今为止，线性最优励磁控制器已进入实用阶段，成为兼有调节器a v r ( a u t o m a t i v ev o l t a g er e g u l a t o r ) 和稳定器p s s 功能的励磁控制方案酗】。 笫叫阶段是随着电力工业的不断发展，目前的电力系统已发展为一个巨维数的 4 华中科技大学硕士学位论文 典型动态大系统，它具有很强的非线性，时变性和参数不确切性，含有大量的未建 模的动态部分一【二述三种励磁控制器的设计方法都是基于在工作点线性化后得到的 ，| | ! q ! 程，足引对线性定常系统，很显然，这j f l f i i 某。特定状态x o f 被近似线性 | f t , f f , j 数学模型，l 能在实际运行状态x ( t 川分接近x 0 是才比较准确。换言之，当实 际状态x ( t ) 偏离x o 较远时，那种近似线性化的数学模型并0 i 能正确表述实际的控 制系统，因此在电力系统遭受大干扰，系统运行点发生大变化时，上述三种方法的 控制效果就会变差，甚至不能正确工作。为了提高电力系统大干扰的稳定性，自适 应控制、非线性控制以及模糊控制、神经网络控制相继被引入到励磁控制系统的设 计之l _ l 】1 7 , 8 , 9j 。 其巾，随着微分几何等现代数学理论的发展，非线性控制理论趋于成熟，它与 近代微分几何方法的结合，形成了一门新的学科体系，即非线性控制系统几何结构 理论体系，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i 而做了很多工作，卢强 老师等人较全丽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 f i l 力系统多个力面的应用状况与控制器设计方法，使我围在电力系统微分几何控制 方面西国际领先水平1 1 0 , 1 1 i 。 发电机励磁控制方式的发展，从一定意义一卜可以说是对电压调节性能和动态稳 定性之问矛盾的解决的发展，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 6 数字式励磁调节器的国内外发展情况 我国数字式励磁调节器的研制开发比较早，8 0 年代初就有一些电力科研单位和 高校丌始研制数字式励磁调节器。首先投入运行的是电力部南京自动化研究所( 现 电力部电力自动化研究院) 于1 9 8 5 年研制的适用于大巾型发电机的w l t - 1 型励磁 调节器。w l t - 1 型励磁调节器以8 位单板机为核心，采用p i d 调节。1 9 9 0 年4 月、 南京自动化研究所又推出w l t - 2 型数字式励磁调节器，该调节器采用i n t e l 公司 的1 6 位i s b c 系列计算机模板，有两个独立的自动通道，互为热备用，在一个通道 华中科技大学硕士学位论文 发生故障的时候可以自动切换到另一个通道1 ：作，同l 付增加了线性最优励磁控制和 p s s 附加励磁控制【1 2 】。 原4 挣【1 1 科技大学和东方电机厂合作研制了双数学式励磁调节器。该调节器由两 套c c s d k 8 6 微型计算机构成，采用i n t e l 8 0 8 6 c p u 和线性最优励磁控制策略。 电力部电力科学研究院与南京自动化设备j 一合作研制了w k k l - 1 型微机双自 动励磁调：柯器，于1 9 9 1 年在湖南宋阳电厂投入运行。它选用1 6 位工业控制机 c c s d k 8 6 ，在控制规律上以p i d 调节为主，同时引入了p s s 附加控制【1 3 j 。 武汉洪山电工技术研究所研制开发的h w j t 型单片机数字式励磁调节器于 1 9 9 3 年在邯郸热电厂投入运行，它选用8 0 9 8 单片机为主机型，具有多种调节、控 制和限制功能。 清华大学分别与哈尔滨电机厂和北京重型电机厂合作，研制了全数字式励磁调 节器，采用s t d 总线结构或8 0 9 8 单片机结构，控制规律采用比例积分微分( p i d ) 调节、电力系统稳定器( p s s ) 附加控制、线性最优励磁控制( l o e c ) 和非线性励磁控 制( n e c ) ，四种调节规律由用户选择，具备完善的保护、限制、报警功能。 国内经过1 【) 多年的努力，在设计、生产和运行方面已积累了丰富的经验，数 字式励磁调节器的优良性能在实际生产运行中日益显示出来。 在国外，a b b 公司、加拿大g e 公司、奥地并i j e l i n 公司以及德国s i e m e n s 公司 等均可提供数字式励磁调节器。这些大公司具有很强的科研开发能力，数字式励磁 调节器用的硬件一般自制专用控制板。a b b 公司曾为我国石洞口电厂、李家峡电厂、 哈尔滨电厂等提供数字式励磁调节器。加拿大g e 公司生产的s i l i c 0 5 型数字式励磁 调节器安装在我国隔河岩水电站的进口机组上，奥地：f i j e l i n 公司生产的数字式励磁 调节器应用于十三陵抽水蓄能电站。这些数字式励磁调节器大多采用p i d 调节，各 种调节、限制功能较完善。 总而言之，随着控制理论的发展和新技术、新器件的不断出现，励磁调节方式 从手动发展到了自动；凋节功能从单一电压调节发展到多功能的励磁控制：调节反 馈参谚从单一的电压偏差发展到以i 乜压锅差为主、附j | i 电功率、角速度、发电机 电流、励磁电流或励磁电压的偏差或它们的恰当组合；调节规律从简单的比例反馈 华中科技大学硕士学位论文 凋节发展到p i d 调= 肖、p s s 附加控制、用线性最优控制原理设计的多参量反馈调节； 从线性励磁调节发展到自校正励磁调节、自适应励磁控制、模糊励磁控制等非线性 励磁调节；在实现手段一e ，从机电式或电磁式发展到晶体管式或集成电路式等模拟 调节器，直至今天数字式励磁调节器( 基于微处理器的励磁调节器或微机励磁凋：壮 器) 已逐步投入运行，在新投运的发电机组上大都采用数字式励磁调节器1 5 m 】。 1 ，7 课题的背景和本文的章节安排 1 7 1 课题的背景 本项研究工作是围绕着和湖北省罗f ；l 县天堂水电站合作的改造项目，即把原来 的半导体式励磁调节器改造为微机励磁调节器，而进行的研究。原来的励磁系统设 计于1 9 7 9 年，由两台4 m w 的同步发电机组成。它的励磁系统采用直流侧并联自复 励方式，配置半导体励磁调节器，功率输出部分采用三相桥式半控整流电路，如图 1 - 2 所示。发电机的转子励磁电流山硅整流桥与可控硅整流桥并联供给。硅整流桥 山励磁变流* $ g l h 供电，可控硅桥由励磁变压器u j 供电。l b 并接于机端，g l h 串 接丁发f 乜机l 侧或中性点侧。发电机空载时由可控砖桥单独供给励磁电流，发电 机负载时，由可控硅桥与硅整流桥共同供给励磁电流。其中硅整流桥的输出电流与 发电机定予电流成正比，可控硅桥的输出电压受励磁调节器的控制，起电压校难作 用。 同步蹬电栩。 图1 - 2 直流侧白复励系统原理图 华中科技大学硕士学位论文 1 7 ，2 本课题的工作情况和本论文的章节安排 本课题的工作情况： ( 1 ) 2 0 0 2 年9 月- - 2 0 0 3 年4 月，进行资料收集，课题可行性论证，并已经设计出以 m o t o r o l a i p 片机m c 6 8 h c 9 0 8 g p 为微处理器的励磁调节器的原理图。 f 2 ) 2 0 0 3 年4 e l - - 2 0 0 4 年3 月，丌始转入以d s p 为微处理器的励磁调节器的研究， 完成了祭体方案设计，硬件原理图设计，实现了硬件平台的电路板制作；已经调试 通过r 全部的硬件模块，编写了几个主要的软件模块，并调试通过，取得试验数据： 在m a t l a b 基础上进行了几个方面的仿真，取得的有意义的指导数据。 特别指出的是：硬件平台还考虑了作为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 的开发调试板的 设计，所以平台卜还包括有由d a 转换器d a c 7 6 2 5 组成的d a 转换模块，外部扩展 n 模块和l e d 指示模块，并且都已经通过调试，取得试验数据。由于本论文主要叙 述“荩于d s p 的微机励磁调节器的设计与实现”，所以对这一部分的工作在后面都 没有媳体说明。 术论文的内容安排： ( 1 ) 简要介耋 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 了励磁控制理论的发展。 ( 2 ) 介绍了与励磁调节器有关的基本工洚原理。并土要叙述本设计方案选取的控 制策略，即在p i d + p s s 和非线性最优控制之间智能选择的理论依据。 ( 3 ) 在介绍微机励磁调节器整体硬件设计的基础上，分别介绍了各个模块的组 成。 ( 4 ) 介绍了励磁调节器几个主要模块的软件实现及得到有关数据、图表。 ( 5 1 介绍了试验得到的数据和用m a t l a b 仿真得到的数据，并进行了分析，得出 对今后有指导意义的结果。 ( 6 ) 对本论文的工作进行了总结，并对今后的工作提出了建议。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 励磁调节器的有关工作原理 2 1p id 调节原理 p 1 d i 周i i _ 了器可用传递函数框图表示，如图2 1 所示【1 7 l 。 图2 1p i d 调节器的传递函数框图 在连续的模拟系统中，p i d 可以用微积分方程表示为 “( f ) = 群【p ( f ) + - _ 1 - f e ( t ) d t + 掣】 ( 2 1 ) 对上式进行拉氏变换可得 u ( s ) = k ，e ( s ) + 鲁墨乒+ k ? t d e ( s ) s ( 2 _ 2 ) 在离散系统巾，典型的p i d 调节可以表示为位置式和增量式。位置式的表达式 为 睢耻晦 徊h l 驴k 丁鹇p ( k t 卜c k t 删】 协s ， 睢耻晦 。( 灯) + 日磊划丁) + 扣 卜“ 。” 。3 增量式的表达式为 “( k r ) 一k p 【e ( k 丁) 一e ( k t r ) + 砟寺e ( k 丁) + 群孚 c ( k r ) 一2 e ( k t t ) + e ( k t 一2 丁) ( 2 _ 4 ) u ( k t ) a u ( k t t ) + h u ( k t ) ( 2 5 ) 在上而的这些式子r l t _ 聚样周期，e ( k 丁) 一第k 次采样时系统的偏差值，e ( k t 一7 1 ) 一第k 一1 次采样时系 华中科技大学硕士学位论文 统的偏差值，e ( k t 一2 r ) 第k - 2 次采样时系统的偏差值，“( 脚) 一第k 次采样时计 算机的输控i i i l l 量，k ，一比例放大倍数，l 一积分l h 问常数，微分时问常数。 从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳念精度等各方面特性来考虑，k ，、l 、 比例系数k 。的作用在于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。增大比 例系数彪。，“般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但 过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 积分时间常数正的作用在于消除系统的稳态误差。增大积分时间l ，有利于减 小超凋，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。 微分时间常数k 的作用在于改善系统的动态特性，抑制偏差向任何方向变化， 对偏差的变化提f i i i $ , j 动。增大微分时问瓦，亦有利于加快系统响应，使超调量减小， 稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。 位置式和增量式p i d 算法在本质上是一样的。增量式p i d 算法只不过将计算机的 一部分累加功能转化为由执行机构去完成。但在结合到具体的系统应用中就有以下 的差别： ( 1j 位置式p i d 算法，其输出u ( k t ) 是全量输出，是绝对值大小，它表示执行机 构所要达到的位置( 如可控硅触发角) ，它与过去的状态有关。它的计算机工作量 较大，需要对e ( k t ) 作累加。而且如果计算机故障时，很可能使u ( k t l 发生大幅度 变化，危及乍产安全。 ( 2 ) 增量：7 p i d 算法中只输出增量，所以当计算机误动时造成的影响较小，控制 的作用不会发生大幅度变化。手动、自动切换时冲击也小；算法中不需作累加，增 员 跟最近几次采样值有关，容易获得较好的控制效果。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 2 p s s 的工作原理 按i l 压负反馈原理构成的励磁调节器，从本质卜削弱了机组平息振荡的能力， 即具：百降低功率阻尼系数d 的弱点；而且当励磁控制系统开环放大倍数k 高达一- 定值后，功率m 尼系数d 变为负值，此叫发电机受到微小扰动，就可能激发低频振 荡，这种现象不论对哪种励磁控制系统，都是存在的。但对于快速( 指可控硅氘接 作_ ：i 于发电机励磁绕组中的系统) 励磁控制系统，只有存远距离送电，无地方负荷 的情况f ，当负荷较重，功率角6 较大时，爿会发生振荡失步；而对1 二常规( 指具 有交流或直流旋转励磁机的励磁系统) 励磁控制系统，不仅在重负荷情况下，就是 在轻负荷下也会发生振荡失步。根据励磁控制系统动态稳定的要求，如果kz 大于 允许值时，就必须采用补偿措施，否则i 叮能出现小。f 二扰下不稳定的问题i l l 8 】。 励磁调节器可能产生负阻尼是由于d 的变化引起反馈电压一u 变化，因为发 ! l j j | l 磁场等的惯 ，t ，使内电动势蚯。变化( l 包就是r 乜磁转矩a m 。：) 滞后于一u 变 化，因而产生了负阻尼转矩分量。 砌磁控制系统是一个有约束的控制系统，它有一些约束条件是! 凶须满足的，同 样要求p s s 的设汁满足这些约束条1 ，l ：，这，约束条竹最，l ，乜矧”l ： ( 1 ) 必须保征发电机励磁调节系统的空载稳定性。即在发电机空载时，励磁控 制系统必须足稳定的。 ( 2 ) 必须保证发电机端电压的调节精度在国家标准规定的范围内。 ( 3 ) 当空载稳定性和调压精度发生矛盾时，就必须采用校正环节。可采用p i d 蜩节( 又称串联校j t ) 或转子电压软负反馈( 又称并联校正或励磁系统稳定器) 。 ( 4 ) 发电机端电压必须保持在容许的范围内。 电力系统稳定器( p s s ) 的附加励磁控制技术是指，在励磁电压调节器中，引 入领先_ j 二轴速度的附加信号，芦”生一个正阻尼转矩的作用，去克服原电压调节器产 ，卜的负阻尼转矩作用。p s s 是通过励磁控制系统，抑制电力系统低频振荡( 或抑制 发i 乜机有功功率摆动) 的装置。它的输入信号有发电机轴速度偏差( a w ) 、机端 华中科技大学硕士学位论文 = ；一= 电压频率偏差( f ) 、电功率偏差( 址：) 和过剩功率( 越：) 及它们的组合等。 感器 高频女艘器 1 口朴雠器 桐位补偿器 触夫器和冲珧器 v ，。“ 图2 2p s s 传递函数方框图 i ：1 皋1 2 2 所示为美困电力电子工程协会( i e e e ) 于1 9 9 0 年推荐的种p s s 传递函 数方框图。j 后于1 9 9 6 年，它同时被国际电工委员会所推荐，只是它的高频滤波器 改为双- 次滤波器而已【2 0 】。 p s s 搬山信号变换器，领先，滞后环节，增蕴调整环节，隔直环节和限幅环节 纰成。数宁武p s s 中，量测滤波和隔直环节都可省去，因为它们在数据采集系统叶1 已得到了解决。 发i 乜机在稳态运彳亍点的转子运动方程可以表示为 乃告；已一皿一d h o )( 2 - 6 ) 对卜式两边微分，并整理可得 告只= 丢必2 岳只一t 参。一d 鲁6 ( 2 7 ) 式中 只= 乞一巴。，。只一e 。，a “；。一t o o ； 艺o ，p d ，稳态运行点的机械功率、电功率和角速度； d 一电机同有阻尼系数。 在稳态小值振荡下，并忽略发电机的固有阻尼d ，可得 鲁= a , a c o + 监d t( 2 8 ) 此时，p s s 的传递函数为 华中科技大学硕士学位论文 6 p ( s m + 志 对h e 进 j 舣线性z 变换，得到 离散化后一r j 得 ( 2 9 ) g 邸m + 舞 。! 矍t + 2 t i , 冀兰t + 。2 望7 j , ! ( 2 - 1 0 ) 2 1 了夏可r y ( k r ) ；! 坠二擎p ( k t ) + ! 坠二挚p ( k t 一丁) 一r - 2 t ，p ，v t 、k t r ) ( 2 一t 1 ) 计算机仿真和动模试验表明【3 1 ，以电功率微分为输入的p s s 在各种情况下都能 为低频振荡提供合适的阻尼，它不仅克服了以电功率为输入的p s s 的反调现象，而 目省去了p s s 的隔直环节，简化了p s s 结构。在微机实现时，电功率微分信号的测量 和处理较转速信号、过剩功率信号都简单。因此，以电功率微分为输入信号的p s s 是一种性能优良的电力系统稳定器。 2 3 非线性最优控制工作原理 山f 乜力系统及其发电机的模型，可列写出具有快速励磁控制的单机无穷大输电 系统状态力釉! 为 6 = 0 3 一 西= 鲁( 已一只) 一 一) ( 2 1 2 ) 。= 一吉e ，+ 击等k c 。s 6 + 击_ 式t | 1 6 为转r 电角速度，m 发电机转子运行角，。为发电机转子同步角速度， e q 为q 辅暂态电势，h 为机械转动惯量，d 为阻尼系数 x 。为发虮机同步电抗，h 为发电机d 轴瞬态电抗，为发电机励磁电压 k 为系统r 山医，疋。为发电机定子丌路时励磁绕组时间常数，l ，。= 疋。等为 华中科技大学硕士学位论文 发 i 机定予c j j 路时励磁绕组时间常数，已为发电机机械功率，为发电机电磁功 率，x a2 = x 。+ j ，+ z 。，z 。z 。= _ 1 + z ，+ z 。，x ，为变压器电抗，x c 为线路电抗。 e = 等s i n n 譬意y s i n z a x d ： z x d z z 目 ( 2 1 3 ) 如果忽略瞬变凸极效应，即假定h = ，则可表示为 只；华s ；e q l ( 2 - 1 4 ) d z 式中 ，。为发电机定子电流q 轴分量。 i 非线性励磁控制系统的微分几何设计方法，可以找到如下的坐标变换 和非线性控制 z l = 6 ；- z 6 0 等= a f t 一鲁舻 v h t d 。( o o l 弘等i o qg qq ( 2 1 5 ) ( 2 。1 6 ) 将式( 2 1 2 ) 代表的发电机非线性励磁控制系统变换为完全可控的线性系统 其线性最优控制规律为 v = 一墨z l k 2 2 2 一k s z 3 式中k ，、k ：、k s 为最优反馈增益系数。 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 把式( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 6 ) ，最后可得到发电机非线性励磁控制规律为 1 4 龟矿 = j = l 2 3 zzz ，_-_，-_l 华中科技大学硕士学位论文 _ = 等( k i a 6 + k 2 a w - 玛鲁噬) 一丁t d o e q o e 。 协 多机非线性励磁控制规律与单机系统控制决策对于单机无穷火系统而者是究 全等价的，其 e 线性最优励磁控制规律为 岭扑+ 警肛叫啊等垮丧+ 协：。， 等酬m