（控制理论与控制工程专业论文）柴油发电机组微机励磁控制系统的研究与实现.pdf

柴油发电机组微机励磁控制系统的研究与实现 摘要 柴油发电机组作为重要的主电源或备用电源在通信、军事、医院等众多领域 得到了广泛的应用，数字式励磁控制器精度高，动态响应快，是保证柴油发电机组 稳定运行的有效手段之二。 本文首先介绍了柴油发电机组和同步发电机励磁控制系统的现状和发展，分 析了同步发电机励磁系统的结构、原理及特点，研究了自励式励磁控制系统的主 回路接线方式、起励回路、短路保护、调差和灭磁等关键技术，并在此基础上， 提出了一种基于斩波调节器的无刷励磁控制方案，设计了励磁控制系统的主回路 和基于双c p u 构架的励磁控制器的结构及其功能，讨论了斩波调节器的工作原 理，完成了基于斩波控制器的励磁控制系统的主电路的设计。 根据双c p u 构架的数字式励磁控制器的结构，论文提出了一个采用单片机和 d s p 的硬件设计方案，并合理选择了c p u 的型号，为了实现单片机和d s p 之间 的通信，讨论了双口r a m 的通信方案并给出了具体的通信接口电路，根据励磁 控制系统的功能要求，论文设计了开关量输入输出，c a n 总线接口和模拟量输入 通道等外围接口电路。 本文最后讨论了励磁控制系统的软件设计，分析了励磁控制系统的数据采集 算法，介绍了采用傅立叶算法的交流采样技术并给出了具体的微机实现方案，为 实现励磁控制，论文选用了模糊p i d 控制算法，设计了具体的模糊控制器，并通 过仿真验证了使用模糊p i d 控制算法在改善发电机系统的动态和稳态性能等方面 均优于常规的p i d 控制系统。 关键词：柴油发电机组；同步发电机；励磁控制器；斩波调节器；双c p u 构架； 模糊p i d 控制算法 l i 磺士学位论文 a b s t r a c t a sa ni 黻p o f t a n t 搬a i 珏p o w e ro rb a c k u pp o w e rs u p p l y ，t h ed i e s e lg e 芏l e r a t o r sh a s b e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so ft h ec o m m u n i c a t i o n s ，t h em i l i t a r y ，t h eh o s p i t a l sa n d s oo n d i g i t a le x c i t a t i o nc o n t r o l l e rh a sh l g hp r e c i s i o na n df l a s td y n a m i cr e s p o n s e ， w h i c hh a sb e e no n eo ft h ee f f e c t i v em e a n st h a tc a ne n s u r et h es t a b l eo p e r a t i o no f d i e s e lg e n e r a t o rs e t s i nt h i st h e s i s ， t h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n to fd i e s e l g e n e r a t o rs e t s a n d s y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e da tf i r s t t h es t r u c t u r e ， p r i n c i p l ea n df i e a t u r e so fs y n c h r o n o l l sg e n e r a t o r e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y z e d t h ek e yt e c h n o l o g yl i k em a i nc i r c u i tc o n n e c t i o nm o d e ，s t a r te x c i t a t i o nl o o p ， s h o 瓜一c i r e u i tp f o t e e t i o na n df e a e t i v ec o l 矬p e n s a t i o na n dd e e x e i t a t i o no fs e l f _ e x c i t a t i o n e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sr e 8 e a r c h e d o nt h eb a s i so ft h a t ，ab r u s h l e s se x c i t a t i o n c o n t r o ip r o g r a 激m eb a s e do ne h o p p e fw a v er e g u l 鑫l 。fi sp 越南r w a 斑t 董l em a i ne i r e u i 专 o fe x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dt h es t r u c t u r eo fe x c i t a t i o n c o n t r o l l e rb a s e do n d u a l - c p ua f c h i l e e t u f ei sd e s i g n e d t h ew o f k i n gp f i n e i p l eo fe h o p p e rw 鑫v ef e g u l a 专o r i sd i s c u s s e d t h em a i nc i r c u i td 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 do nc h o p p e r 、v 鑫v ee o n l f o l | e fi s 鑫e h i e v e d 。 a c c o r d i n gt ot h ed u a l c p ua r c h i t e c t u r eo ft h ee x c i t a t i o nc o n t r o u e r ，ah a r d w a r e d e s i g 蕤p r 巧e e ti sp 疆l 内f w 2 瞪di 魏l 蠢i s 饿o s i s 。t h ef i g 蠹lc p u i se h o i e e d 薹毅o f d e f 专o a c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h em c ua n dd sp ， t h oc o m m u n i c a t i o n s p r o g 羚黻m eo fd 珏a l p o 砖r a mi sd 呈s e u s s e 莲。t 赫s p e e i 爨ee o 氍瞳毽糕i e 稚i o 致si 鲑e f 氩c e c i r c u i ti s g i v e n i na c c o r d a n c ew i t ht h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mf u n c t i o n a l f e 唾u i f e m e 廷专s ，专h ee x l e r 建a li n t e f a c ee i f e u 量ti 建c l u d i 珏g 饿es w i l 娩i n p u 专糍do u t p 越 c i r c u i t ，c a nb u si n t e r f a c ea n da n a l o gi n p u tc i r c u i ti sd e s i g n e d 1 珏也e 是致a lo f 也。p a p e 毛l h es o r w a r ed e s 逗娃o ft h ee x c i t a 童i o 觳c o n t f o ls y s l e 越i s d i s c u s s e d t h ed a t a s a m p l i n ga l g o r i t h mo ft h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y s e d a cs a l n p l i n gl e e h n o l o g yt h a t 纛d o p lt h ef o u 西e ra l g o r i t h mi si n t r o d u c e d 。a n dt h e c o n c r e t ec o m p u t e ri m p l e m e n tm e t h o di s g i v e n i no r d e rt oc a r r yo u tt h ee x c i t a t i o n c o n t r o l ，t h e z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h l 娃i ss e l e c t e d t h es p e c i 最cf u z z yc o n t f o l l e ri s 磁 柴油发电机组徽税励磁控翻系统的研究岛实现 d e s i g n e d s i 黻u l 采i o nf e s u l l ss 氛o w e 纛l h 糖p l dc o 撒la l g o f i t h 激i sb e 谯e fl h 鑫珏l h a t c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o ls y s t e mi ni m p r o v i n gt h ed y n a m i ca n ds t e a d y s t a t e p e f f 6 f 越鑫n e e 鑫s p e c 毫so f 专h eg e 建e r 鑫塞o fs y s e 薹珏 k e y v 1 d s ：攮ed i e s e lg e 珏e r 逢o s ；s y 拄e h f o 纛o u sg | e 黢e f i 睡o r ；e x e i 专2 睦i o 魏c o n l f l l e r ；e h o p p e r w a v er e g u l a t o r ；d u a l - c p ua r c h i t e c t u r e ；f u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h m 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：2 彩年f 月二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：别乃参 导师签名：丑殳争 日期：加驴年f 月上日 日期：加年月砂日 硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 柴油发电机组作为一种常用的交流供电设备被广泛应用于通信、军事、医院 等众多领域。近年来，由于经济发展和资源分布不均衡而造成的电力紧缺现象突 出，使柴油发电机组在国民经济发展中的作用更为明显。从2 0 世纪6 0 年代使用 手启动、有人值守的普通机组，7 0 年代研制成功自启动机组、无人值守机组，8 0 年代研制成功微型计算机控制的自动化机组，到9 0 年代开始低排放、低噪声机组 的应用研究，柴油发电机组的技术设备水平在不断地提高。现代柴油发电机组具 有灵活、方便、自动化程度高、噪声小和排放低等特点。随着科学技术的不断发 展，一些新技术、新成果的应用使得现代柴油发电机组具有更高的强化性、可靠 性、稳定性及良好的排放特性等，不断满足现代社会对其更高的要求。 自6 0 年代以来，模拟式励磁调节器在应用中一直占主导地位，其功能也基本 上满足了大型同步发电机对励磁控制的要求，但是，模拟式励磁调节器也有诸多 不足之处，由于模拟式励磁调节器是采用i c 模拟控制部件以及功能部件构成，为 了保证控制性能的可靠性，需要对检测运算部分的特性进行定期的检查，而且当 需要改善功能时，模拟式励磁调节器必须改变硬件和设定值，为此，需要设置多 种专用功能组件以满足不同的控制要求，对于日益发展的新电机技术来说，模拟 电路励磁控制系统不利于实现高精度、强适应性的励磁控制。随着数字化微处理 器技术的飞速发展，采用模拟技术的传统励磁调节器逐步开始向数字化方向转变。 数字式励磁系统并非只是模拟装置的数字变型，而是提供了更加完善的复杂的控 制功能。数字式励磁控制器精度高，反应快，控制算法适应性强，对于不同特性 的电机只要通过调整程序参数就能适应，甚至可以实现更高端的自适应智能控制 算法，因此数字式励磁控制器在近几年来逐步成为了励磁控制器系统的主流。 本课题是受湘潭电机股份有限公司特种电机事业部委托开发的柴油发电机组 数字式微机励磁控制器。 1 2 柴油发电机组的现状和发展 1 2 1 柴油发电机组的优点 柴油发电机组应用的如此广泛，是因为它具备了其它发电机组所不具备的突 出优点： ( 1 ) 热效率高，燃油消耗率低，某些机组的热效率高达4 5 ，而燃油消耗率为 柴演发电辘组微机藏磁控制系统的研究麓实现 1 9 眙朋饶，甚至更低。 ( 2 ) 运行费用低，可使用多种燃料，对燃油品质要求低，适用燃用粘度较高的 重油，而重油的价格远低于轻柴油。 ( 3 ) 可靠性较高，发出电力稳定，通常发电功率按额定功率的9 0 运行。 ( 4 ) 负荷适应能力强，机组负荷在5 0 1 0 0 变化时燃油消耗率变化较小， 因此调峰时经济性好。适应的负荷交动范围大。 ( 5 ) 机组起动迅速，并能很快达到全功率，柴油机的起动一般只需几秒钟，在 应急状态下可在6 0 s 内达全负荷，在正常状态下( 9 0 0 1 8 0 0 ) s 达到全负荷。 ( 6 ) 单机容量较小，运行操作技术较简单，便于般运行人员掌握。维护简单， 保养方便，所需操俸人员少，在备用期闻的保养量小。 ( 7 ) 对匹配高增压、中速柴油机的发电机组而言，其结构紧凑( 单位体积功率 大) 。 ( 8 ) 易于实现自动化，振动、噪声等得到有效控制。 e l l 此可见，在移动电站中柴油发电机组的应用前景良好【l l 。 1 2 2 柴油发电机组的研究现状 因内柴油发电机组在枧械性能、电气性能、操作性髓、可靠性、豳常维护和 使用寿命上与国际先进水平相比，还存在着很大的差距，主要表现在： ( 1 ) 机组种类较少、选择余地较小。 ( 2 ) 动力性、经济性、可靠性等技术性能指标偏低，结构不够紧凑，振动噪声 高。 ( 3 ) 柴油褫中新技术的应用较少，智能化、自动化程度很低。 这使得国产柴油发电机组已不太适应目前新建船舶的要求。因此只好采取引 进国终多种型号的船耀柴油机、发电视、空气断路器及电表等生产技术的方法， 来满足国内船舶工业的需要。 困产柴油发电机组主要存在的闷题为： ( 1 ) 柴油发电机组型号多而杂，标准化、系列化程度低，不同产品之间的通用 性差，基础件、零配件质量差，集成性差，安装和维修难度大。与匿外先进机组相比， 柴油机的经济性、动力性、结构紧凑性、可靠性、耐久性、振动噪声等指标差距 较大；而发电机的结构紧凑性、零部件的通用性、动态和稳态调压性能、可靠性、 使用寿命和电磁兼容能力等方面差距也很臻显。 ( 2 ) 新技术、新工艺应用缓慢。新技术和新工艺最能提高柴油机的动力性、 经济性，降低振动噪声和废气的含量，提高产品的质量和寿命。如多气门进气系统、 稀薄燃烧、电控喷射、增压中冷技术等，不但可提高压缩比、提高进气质量、减小 进气隰力，使燃烧更充分，提高柴油机钓输出功率，降低燃油消耗率，而且可以改善 2 硕士学位论文 排放，降低尾气中的烟度等【l 】。 ( 3 ) 在2 0 世纪8 0 年代引进的柴油机和发电机技术，虽经企业消化和吸收， 并提高了国产化程度，增加了自制件的比例，但忽视了在消化吸收的基础上进行改 进和创新，所以产品性能和质量多年保持在原有水平上。随着国外新产品和新机型 的不断发展，原有的引进产品已失去了市场竞争力。 ( 4 ) 在柴油发电机组的电气设备中，电子与电器元件是最薄弱环节之一，以 至于影响了发电、配电和控制装置的性能和可靠性，这是国产柴油机组目前应重点 解决的问题。就柴油发电机组中电气设备而言，节能高效应该是发展方向。 1 2 3 柴油发电机组的发展趋势 随着科学技术的不断发展，柴油发电机组的可靠性和经济性程度不断提高， 总的发展趋势为： ( 1 ) 提高机组的可靠性。所采取措施有：通过在线监控以确保机组正常工 作；对正在发展中的故障早期预警，并采取相应处理对策：显著提高低负荷运行能 力。 ( 2 ) 提高对排放的控制。如优化排放性能，以符合当地的排放标准。 ( 3 ) 降低燃油和润滑油的消耗，如在所有工况下优化柴油机的油耗，采用机 电一体化并实现气缸润滑的定量、定时控制。 由于国产柴油发电机组的整体性能与国外先进水平差距较大，因此国内的柴 油发电机组工业需要发展，且步伐必须加快，起点要高，以适应社会主义市场经济发 展的需要【。需要从以下几个方面加以改进和提高： ( 1 ) 大力开发和应用新技术、新工艺以提高柴油机的整体性能。 ( 2 ) 在消化吸收的基础上。改进和提高发电机的整体性能。 ( 3 ) 重视和加强电子元器件的研制和生产，提高其技术指标、可靠性和使用 寿命，以保证电气和自动控制装置的可靠和安全运行【l 】。 1 3 励磁控制系统的现状和发展 1 3 1 励磁控制系统的研究现状 向同步发电机的转子励磁绕组供给励磁电流的整套装置叫做励磁系统。励磁 控制系统是同步发电机的重要组成部分，对发电机的运行可靠性、经济性及其它 特性有直接的影响。大型同步发电机励磁控制研究长期以来一直是一个非常活跃 的领域，经过多年的探索，在理论和实践上，都已取得了丰硕的成果，而在目前 和将来，随着电网规模的不断扩大及其安全稳定性水平要求的提高，以及控制理 论的推陈出新，这一领域的研究将继续深入发展。 自5 0 年代以来，随着时代的进展，不论是在控制理论还是在电子器件的研制 柴油发电机组微机励磁控制系统的研究嗣实现 和实际应用方面，均取得长足的进展，这些成果进一步促进了励磁控制技术的发 展。 在5 0 年代初期，自动电压调节器的主要功能是维持发电机电压为给定值，当 时应用的电压调节器多为机械性的，其后又发展为电子型或者电磁型。 在5 0 年代后期，随藩电力系统的大型化和发电机单机容量的增长，出于提高 电力系统的稳定性的考虑，自动电压调节器的功能已不再局限于维持发电机电压 恒定这一要求上，而更多的体现在提高发电机的静态及动态稳定性方面，这标志 着对励磁控制器的功能要求已有了很大的转变。 在5 0 年代期间，有一点须说明的是关予强行励磁的作用问题。当时有一种观 点认为，在系统事故时，应当限制强励的作用，以防止发电机定子电流过载。但 是，前苏联的学者经过实验及实践表明：采用强行励磁可加速切除系统事故后电 压的恢复，并可缩短定予电流过负载的时间，这对于缩短事故蜃系统电压的恢复 时闻及系统稳定性都是极为有利的【2 】。 自5 0 年代至今，励磁控制技术也有了极大的发展。概括地说，励磁控制方式 的演绎大致经历了单变量输入及输出的比例控制方式、线性多变量输入及输出的 多变量反馈控制方式以及伴隧控制理论发展起来的非线性多变量控制方式等几种 主要的演绎阶段，下面以励磁控制所基于的设计模型为线索简单概括一下励磁控 制技术研究的历史与现状。 ( 1 ) 线性传递函数数学模型上的单变量设计 2 0 世纪5 0 年代出现的自动电压调节器( a v 装) 帮是体现了这一设计理论的励 磁控制方式，它采用机端电压偏差作为反馈量进行比例( p ) 或比例积分微分( p i d ) 调节。运用古典控制理论中频率响应法或根轨迹法来确定控制器参数。自动电压 调节器a v r 式励磁控制器的基本功能是电眶调节和无功功率分配，对提高静稳和 暂稳也有臻显作用。翦苏联学者所创造的强励式励磁调节器可谓集这一方法之大 成，但由于其设计上的明显不便，所以虽赣一度成为热点，却并未在国外弓l 起效尤。 ( 2 ) 线性传递函数数学模型上的多变量设计 为了改善a v r 式励磁控制器在调节精度和稳定性间的矛盾以及在提供人工 阻尼方面的不足，美国学者f 。p 。d e 黻e l l o 和c 。c o n e o 越i a 予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，从而形成了“a ：v r + p s s ”结构的励磁控制器，成为 这一时期的杰作( 2 1 。它在北美被广泛采用，国内也得到推广。最初的p s s 采用机组 转速或角频率作为反馈量，是一种针对特定网络模型和振荡频率区间设计的单输 入、定参数和线性控制规律，适应能力差。药提高其鲁棒性帮皇适应能力，许多学 者提出了大量的鲁棒和自适应设计方法，这方面的研究至今仍在继续。同时，p s s 最初的单变量设计情况也很快被打破，出现了双变量反馈的p s s 。 ( 3 ) 线性状态空闻模型上的多变量优化设计 4 硕士学位论文 2 0 世纪6 0 年代末，现代控制理论的发展和逐渐成熟，为电力系统多变量控制开 拓了新的有效途径。国际上，余耀南教授率先开展了电力系统多变量控制的研究。 在国内，言茂松教授最先较系统地介绍了国外文献成果，线性最优励磁控制( l o e c ) 的工程实践则把这一领域的研究推进到新的高度。并在国内开启了对优化励磁控 制长盛不衰的探索，在理论和实践上都不断取得了丰硕的成果。l o e c 有一套完整 的设计理论，这比在很大程度上依赖工程经验的传统a v r + p s s 设计大大地前进了 一步p j 。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，因而具有更 好的动态性能，在鲁棒性和适应性上也有很大的改善。但经典的l o e c 也存在一些 不足，如：1 ) 工程实践中采用动偏差作为反馈量的作法并没有体现在其设计理论 中； 2 ) 与a v r + p s s 式励磁控制器相比，经典的l o e c 往往缺少足够高的电压反 馈增益，积分型l o e c 虽然改进了稳态电压调节精度，但附加积分环节会导致削弱 阻尼和积分饱和等问题。 ( 4 ) 基于反馈线性化的非线性设计 最为人所知的是两种精确线性化方法，即基于微分几何理论和直接反馈线性 化理论的非线性设计。一般而言，非线性设计比小范围线性化设计可以获得更好的 励磁控制规律。但遗憾的是，这种非线性励磁控制不仅只能考虑平滑非线性问题， 其对同步发电机的单轴模型假设还严重偏离了实际情况；同时，得到的非线性反馈 补偿律包含机组输出电流的导数，这不但给控制器实现带来困难和误差，而且在一 定条件下是不稳定的。为实现精确线性化，囿于所依赖的数学变换工具，它们在状 态变量的选取上也受到限制，不能采用端电压反馈，也没考虑端电压约束，一定程度 上，背离了励磁控制维持端电压的主要目标。此外，对于角频率偏差、阻尼系数等 关键量值，概念尚欠明确。 ( 5 ) 鲁棒控制设计 鲁棒励磁控制旨在解决这样一个问题：通过一种设计方法来保证得到的控制 器在预定的参数和结构扰动下仍然能保证系统的稳定性和可用性。已有大量的文 献报导了以( 滑模) 变结构控制、h 控制和p 综合理论为代表的所谓鲁棒控制理论 在机组励磁控制设计中的应用；仿真表明，它们具有良好的针对参数摄动、非线性 项和不确定的鲁棒性，预示了乐观的应用前景。但在目前，一方面，理论本身有待完 善；另一方面，欲将其应用于发电机励磁控制，在模型和实现上还有很多实际问题 需要进一步研究。 ( 6 ) 自适应控制设计 自适应控制从本质上来讲比鲁棒控制具有更高级的目标，它在预定的参数和 结构扰动下，还追求某种性能的适应性优化。它的出发点是将系统辨识和控制结合 起来，在线辨识控制对象的参数和结构，并进而调整控制器参数和结构，使之能自动 跟踪对象变化实现最佳控制。其中自校正控制和模型参考自适应控制在电力系统 5 浆灏发电视维徽橇励磁控铡系统的研究匈实现 稳定控制方嚣的应用已有广泛的报导。另外，还发展了以l o e c 为基曩l l 豹自适应励 磁控制，以及针对系统参数不确定时不能达到精确线性化而提出来的自适应非线 性励磁控制方法等。 ( 7 ) 智能控制设计 智能控制包括模糊逻辑励磁控制，基于规则( 专家系统) 的励磁控制，人工神经 网络励磁控制以及基子遗传算法、自学习理论、迭代学习算法以及它们的某种结 合的励磁控制，基本特点是不依赖于对象系统的精确数学模型，丽是基于某种智能 概念模型将控制理论和人的经验及直觉推理相结合，吴有处理菲线性、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有非智慧控制器的参数和结构，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。隧前，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，欲推广其应用，还有大量的理论和实际工作要做。 拿模糊逻辑励磁控制来说，多变量模糊建模问题，模糊控制器的稳定性问题，以及实 际应用中豹软硬件环境和操作规范等，都有待于深入和细致的研究。 ( 8 ) 多种控制方法的综合应用 经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论虽然在理论体系和实现机理上 相差较大，但从整个控制理论的发展上来看它们是一脉相承、相互补充的；很难凭 借单独一种控制规律来解决实际励磁控制系统中的众多难点阂题和实现综合性的 设计目标，实际上往往是多种方法彼此结合、综合应用以取得较好的控制效果。 重。3 。2 励磁控制系统发展趋势 关于同步发电机励磁控制，还有一些关键的问题迄今没有得到很好地解决，这 些闻题是进一步研究的重点新在转l 。 ( 1 ) 多机系统中的“强”非线性问题，即考虑控制限幅、饱和、切换以及各种 实际约束( 如端电压约束) 条件下的控制系统综合和分析闻题。现有的绝大多数葛 线性励磁控制所针对的只是常规非线性( 或称为光滑可逆非线性) 问题，而对工程实 际中广泛存在的强非线性“视丽不见”，或者只是做事后的定性校验；有关文献针对 单机无穷大电力系统提出了一种考虑输入限幅和机组端电压约束的分段励磁控制 策略，而对于般情况的多机电力系统浅需要进行更深入的研究。 ( 2 ) 将针对大型电力系统任意信息模式下的协调控制理论和针对小型孤立 系统的鲁棒自适应设计方法结合起来，解决大系统下考虑参数和结构不确定性的 鲁棒自适瘟渤磁控制问题。 ( 3 ) 多目标协调问题。由于控制手段增多，调节系统的侧重点和能力各异， 因此有必要从整体出发，规划不同控制手段之阅的协调王侔方式，以解决电力系统 6 硕士学位论文 的多目标控制问题。 ( 4 ) 动态协调控制问题。目前的协调控制设计大多仅停留在离线规划水平， 较少考虑系统运行方式和网络拓扑变化对协调控制策略的要求，进一步的研究应 该考虑控制器之间的在线动态协调问题。 ( 5 ) 电力工业市场化运行机制对系统安全稳定控制、包括机组励磁控制的 新要求。 ( 6 ) 基于g p s 的多机系统励磁优化协调控制的研究。 1 4 章节安排 本论文的章节安排如下： 第一章：介绍柴油发电机和励磁控制器的现状和发展，说明本课题的来源。 第二章：介绍了柴油发电机组励磁控制系统的工作原理，分析了各种励磁控 制方案，着重讨论了自励式励磁控制方案，研究了自励式励磁控制系统的几个关 键技术，并在此基础上，提出了一种基于斩波调节器的无刷励磁控制方案，设计 了励磁控制系统的主回路结构和基于双c p u 构架的励磁控制器的结构及其功能。 第三章：分析了微机励磁控制器斩波式控制电路的工作原理，介绍了主电路 器件的选型，设计了i g b t 驱动电路。 第四章：根据双c p u 构架的数字式励磁控制器的结构，提出了一个采用单片 机和d s p 的硬件设计方案，合理选择了c p u 的型号，设计了单片机和d s p 之间 的通信接口电路，c p u 核心电路和励磁控制器的外围电路。 第五章：介绍了励磁系统直流采样数字滤波技术的原理和微机实现方案，讨 论了交流采样的具体算法与微机实现。文中采用模糊p i d 控制算法，设计了具体 的模糊控制器。根据励磁控制系统的功能要求，论文分析了励磁控制器的设计思 想，给出了主要程序的软件流程图。 7 柴油发电机组微机励磁控制系统的研究与实现 第2 章柴油发电机组励磁控制系统的分析与设计 2 1 柴油发电机组的组成 柴油发电机组是一个复杂的系统，该系统由柴油发动机、供油系统、冷却水 系统、启动系统、同步发电机、励磁控制系统、保护单元、电控单元( e c u ) 、通 信系统、主控系统组成。发动机、供油系统、冷却水系统、启动系统、发电机可 以统一归纳为柴油发电机组的机械部分；而励磁控制器、保护控制器、电控系统 ( e c u ) 、通信系统、主控系统可以统称为柴油发电机组的控制部分【5j 。图2 1 表 示了柴油发电机组的组成结构。 图2 1 柴油发电机组总体组成 柴油机是整个发电系统的动力核心，是柴油发电机组的第一级能量转化装置， 是将化学能转换为机械能的关键设备。柴油机主要由以下几部分组成：机体组件 与曲轴连杆机构、配气机构与进排气系统、柴油供给系统、冷却系统、润滑系统、 启动与电气系统和柴油机增压系统。同步发电机是发电机机组的第二级能量转化 装置，负责将机械能转换为电能，整个系统最终输出也是从同步发电机输出的电 能。为了保证同步发电机输出稳定的电能，需要改善发电机励磁控制系统的性能， 同步发电机励磁控制系统一方面用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，建立直 流磁场，另一方面可以在同步电机正常运行或发生事故时调节励磁电流，以满足 运行的需要。 硕士学位论文 2 2 励磁控制系统的主要任务和性能评价 2 2 1 励磁控制系统的主要任务 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，对发电机的运行可靠性、经济性等 有直接的影响，其主要任务有： 1 维持发电机机端或指定控制点的电压在给定水平上 满足这一要求首先考虑的是保证柴油发电系统运行设备的安全性，即在小偏 差干扰下的微动态情况和系统发生大扰动的暂态情况下保证发电机的电压维持在 给定水平上。其次，是保证发电机运行的经济性，因为发电机在额定电压附近运 行是最经济的，如果发电机电压下降，则输出相同的功率所需的定子电流将增加， 从而使损耗增加。此外，维持发电机电压与提高发电系统稳定性方面的要求也是 一致的【2 1 。 2 提高电力系统运行的静态稳定性 不论在小干扰或大干扰的作用下，励磁控制对系统的静态( 微动态) 及暂态 稳定的改善均起到显著的作用。当励磁控制系统能够维持发电机电压为恒定值时， 不论是快速励磁系统，还是常规励磁系统，其静态极限都可以达到传输功率极限 值【2 1 。 3 改善发电系统的暂态稳定性 暂态稳定是柴油发电系统受大干扰后的稳定性，主要是指事故后转子第一个 振荡周期内的稳定性，就励磁控制系统而言，其作用主要由三个因素决定： ( 1 ) 励磁系统强励顶值倍数。提高励磁系统强励倍数可以提高发电系统暂 态稳定。但是提高强励倍数将使励磁系统的造价增加及对发电机的绝缘要求提高。 因此，在当前故障切除时间极短的情况下，过分强调提高强励倍数是没有必要的。 ( 2 ) 励磁系统顶值电压响应比。励磁系统项值电压响应比又称励磁电压上 升速度。响应比越大励磁系统输出电压达到顶值的时间越短，对提高暂态稳定越 有利，励磁系统顶值电压响应比，由励磁系统的性能所决定。 ( 3 ) 励磁系统强励倍数的利用程度。充分利用励磁系统强励倍数，也是励 磁系统改善暂态稳定的一个重要因素。充分利用励磁系统顶值电压的措施之一是 提高励磁控制系统的开环增益，开环增益越大，调压精度越高，强励倍数利用越 充分，也就越有利于改善电力系统暂态稳定。 4 改善发电系统的动态性能 动态稳定是研究发电系统受到扰动后，恢复到原始平衡点或过渡到新的平衡 点( 大扰动后) 过程的稳定性。研究它的前提是：原始平衡点( 或新的平衡点) 是静态稳定的，以及大扰动的过程是暂态稳定的。 电力系统的动态稳定问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。当阻 9 柴瀵发电机组徽梳励磁控制系统煞研究勾实现 尼为正时，动态是稳定的；阻尼为受时，动态是不稳定的；隰尼为零时，是晒赛 状态。对于临界状态或很小的正阻尼，都是电力系统运行中的不安全因素，应采 取措旌提高系统的阻尼特性，即动态响应特性。 分析表明，励磁控制系统中的自动电压调节作用，是造成电力系统机电振荡 阻尼变弱( 甚至变负) 的最重要的原因之一。在一定的运行方式及励磁系统参数 下，电压调节作用在维持发电机电压恒定的同时，也将产生负的阻尼作用。当系 统总阻尼较小时，就容易导致低频振荡发生，目前解决这个问题的方法，是在励 磁调节器上附加一个搴 偿环节，称为电力系统稳定器【期。此辨，采用现代控制理 论的励磁控制器，如线性最优励磁控制器、自适应励磁控制器和非线性励磁控制 器等励磁系统，也能有效地抑制各种频率的低频振荡。 2 2 2 励磁控制系统的性能评价 2 2 2 1 励磁控制系统麴静态特性 当发电机运行在系统中时，励磁控制系统的精度、静差率和电压调差率是确 定发电祝静态运行性能的重要性能指标之一翻。 1 励磁控制系统精度 在规定条件下，被控量与给定值之闻的偏差程度称隽精度，数值上以被控量 与给定值之间的差值与给定值之比的酉分数来表示。此定义的实质是将电压误差 的百分数称药调压精度。 2 励磁控制系统静差率 励磁控制系统在额定负载状态下运行，自动电压调节器无功补偿单元退出， 电压给定值不变，将同步发电机负载从额定值减到零，测定相应的端电压变化率， 即： ：兰出x l o o ( 2 1 ) u n 式中u 甜额定工况时发电机的端电压值； 砜发电机空载电压值。 由式( 2 1 ) 的定义可知：励磁控制系统的静差率等同于发电机负载变化时的 励磁系统控制精度。 3 电压调差率 发电机在功率因数为零的情况下，无功负载从零变化到额定值时发电机端电 压的变化率，叫做无功电流补偿率，即： 6 ：竺正量盈1 0 0 ( 2 2 ) u o 式中玩发电机空载额定电压值。 l o 硕士学位论文 u 发电机功率因数为零，无功电流等于额定值时的端电压值。 电压调差率的测定条件为：同步发电机带负载并网运行，自动电压调节器的 电压给定值不变、无功补偿单元投入，调整系统电压或并联机组无功从空载到额 定值，录取被测发电机的端电压与无功电流变化关系曲线。 2 2 2 2 励磁控制系统的暂态响应 在评价励磁系统的暂态响应特性时，首先应考虑到作用于励磁系统的干扰信 号方式。一般将干扰信号分为大扰动信号及小偏差信号两种方式，前者涉及到电 力系统暂态稳定性，而后者影响到系统的静态及动态稳定性。 1 大扰动信号暂态响应 所谓大扰动信号暂态响应特性是指在此信号作用下，励磁系统环节中呈现非 线性饱和状态。 大扰动信号准则用以评价涉及到影响电力系统暂态稳定性时的励磁系统的暂 态特性。 评价励磁系统大扰动信号暂态性能，涉及到的励磁参数有：顶值电压倍数、 励磁电压响应比以及励磁系统电压响应时间等参数。 2 小偏差信号暂态响应 所谓小偏差信号系指励磁系统在此信号作用下，励磁系统各环节仍处于线性 工作范围内。 小偏差信号特性标准提供了在静态稳定微量负载、电压变化以及在动态稳定 初始阶段等情况下评价励磁系统暂态特性的依据。小偏差信号特性也提供了制定 或验证励磁系统模型的手段。 对于在小偏差信号作用下的励磁系统暂态响应分析，最常用的方法有单位阶 跃响应法( 时域) 和频率响应法( 频域) 【2 1 。 2 3 同步发电机的励磁控制方案 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁控制的可靠性直接影响了发电 机的安全运行和电网的稳定。发电机事故统计表明发电机事故中约l 3 为励磁系 统事故【_ 7 1 ，因此必须要提高励磁系统的可靠性，而根据实际情况选择正确的励磁 方式是保证励磁系统可靠性的前提和关键。电力系统同步发电机的励磁系统主要 有两大类，一类是直流励磁机励磁系统，另一类是半导体励磁系统。 在电力系统发展初期，同步发电机容量较小，励磁电流通常由与发电机组同 轴的直流发电机提供，即直流励磁机方式。随着发电机容量的提高，所需励磁电 流也随之增大，而直流励磁机由于存在机械整流环，功率过大时制造存在困难，因 此在大容量的发电机组上很少采用。2 0 世纪6 0 年代初国外开始在中型发电机上采用交 柴油发电机组微机励磁控制系统的研究与实现 流励磁电源加半导体整流器的励磁方式，到2 0 世纪6 0 年代末和7 0 年代初，此方式已 得到普遍应用。目前，半导体励磁已成为励磁方式的主流。半导体励磁系统是把交流 电经过硅元件或可控硅整流后，作为供给同步发电机励磁电流的直流电源。半导 体励磁系统分为静止式和旋转式两种。 2 3 1 静止式半导体励磁控制系统 根据交流励磁电源的不同种类，同步发电机静止式半导体励磁系统又分为自 励式和它励式两种。 2 3 1 1 自励静止式半导体励磁系统 自励式半导体励磁系统中发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得，经过 控制整流后送至发电机转子回路，作为发电机的励磁电流，以维持发电机端电压 恒定，是无励磁机的发电机自励系统。最简单的发电机自励系统是直接使用发电 机的端电压作励磁电流的电源，由自动励磁调节器控制励磁电流的大小，称为自 并励可控硅励磁系统，简称自并励系统【7 1 。自并励系统中，除去转子本体及其滑 环这些属于发电机的部件外，没有因供应励磁电流而采用的机械转动或机械接触 类元件，所以又称为全静止式励磁系统。图2 2 为自并励半导体励磁控制系统的 接线图，其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端的整流变压器提供，经 可控硅整流向发电机转子提供励磁电流，可控硅元件由自动励磁调节器控制。系 统起励时需要另加一个起励电源。 图2 2 自并励半导体励磁控制系统的接线图 自并励半导体励磁控制系统的优点是：不需要同轴励磁机，没有旋转部件， 系统简单，运行可靠性高；缩短了机组的长度，减少了基建投资及有利于主机的 检修维护，经济性好；由可控硅元件直接控制转子电压，可以获得较快的励磁电 压响应速度；由发电机机端获取励磁能量，与同轴励磁机励磁系统相比，发电机 组甩负荷时，机组的过电压也低一些。其缺点是：发电机出口近端短路而故障切 除时间较长时，缺乏足够的强行励磁能力，对电力系统稳定的影响，不如其它励 磁方式有利。 1 2 硕士学位论文 2 3 1 2 它励静止式半导体励磁系统 它励静止式半导体励磁系统的原理接线图如图2 3 所示，发电机g s 的励磁 电流由交流励磁机g l 经整流装置u l 整流后通过滑环引入，交流励磁机的励磁电 流则由交流副励磁机g 2 经可控硅整流装置u 2 整流后供给，自动励磁控制器随运 行工况的变化而改变u 2 的输出电压，以改变交流励磁机的励磁电流和端电压， 从而起到调节发电机g s 励磁电流的作用。 图2 3 它励静止式半导体励磁系统接线图 为了减小励磁电压的纹波系数和励磁机励磁绕组的电感及时间常数，以加快 调节速度，交流励磁机的频率一般采用l o o h z 的交流发电机，而交流副励磁机则 采用4 0 0 5 0 0 h z 的中频发电机。早期的交流副励磁机曾采用过感应式交流发电 机加自动恒压装置的方案实现，相比较目前普遍采用的永磁式交流副励磁机方案， 不但结构和接线复杂，而且可靠性底，因此目前运行中的许多它励半导体励磁方 式的发电机都是采用永磁式发电机作为副励磁机。由于高速大容量交流励磁机易 于制造，且有较丰富的运行经验，故这种励磁系统在2 0 世纪8 0 年代前后在大型 汽轮机上得到了广泛的应用。它励式半导体励磁系统的优点是：系统容量可以做 得很大，励磁机是交流发电机，没有换向问题而且不受电网运行状态的影响。缺 点是：接线复杂，启动时还需要另外的直流电源向副励磁机供给励磁电流。这种 励磁系统多用于1 0 万千瓦左右的大容量同步发电机。 2 3 2 旋转式半导体励磁控制系统 在静止式半导体励磁系统中，发电机的励磁电流全部由可控硅( 或二极管) 供给，而可控硅( 或二极管) 是静止的。其要经过滑环才能向旋转的发电机转子 提供励磁电流。滑环是一种转动接触元件，随着发电机容量的快速增大，巨型机 组的出现，转子电流大大增加，转子滑环中通过如此大的电流，滑环的数量就要 增加很多。为了防止机组运行当中个别滑环过热，每个滑环必须分担同样大小的 电流【3 j 。为了提高励磁系统的可靠性取消滑环这一薄弱环节，使整个励磁系统都 无转动接触的元件，就产生了无刷励磁系统。 为实现无刷励磁，主励磁机与一般的同步发电机的工作原理基本相同，只是 电枢是旋转的。因为励磁机的电枢与发电机的转子同轴旋转，所以它们之间不需 蒙浦发电规组徽执励磁控制系统的研究奄实现 要任何滑环与电届l 等转动接触元件，这就实现了无刷励磁。主励磁祝的励磁绕组 是静止的，即主励磁机是一个磁极静止，电枢旋转的同步发电机。静止的励磁机 励磁绕组便于自动励磁调节器实现对励磁机输出电流的控制，以维持发电机端电 压保持恒定。根据交流励磁电源的不同种类，无刷励磁控制系统也分为自励式和 它励式两种。 崮励式无刷励磁系统接线图如图2 4 所示，交流励磁机的励磁绕组置于静止 侧，其整流元件的电源取自同步发电机机端的励磁变压器，所以为自励系统。 圈2 。4 自励式无刷励磁系统接线图 它励式无刷励磁系统接线图如图2 5 所示，交流励磁机的励磁电源由永磁副 励磁机经融磁功率单元予以提供，因交流励磁