200MW发电机自并励励磁自动控制系统设计解析

1、辽宁工业大学电力系统自动化 课程设计（论文）题目200MW200MW 发电机自并励励磁自动控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：电气 104104学 号：_学生姓名：_指导教师：_起止时间：2013.12.162013.12.16 12.2912.29课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：电气工程及其自动化号学04电励目程题课程设计论文任务V K O 2定%，58 1。0。直调。WO机。：1%原集IO因内大H睬。WM21不仙咖側册%r秒寸耿概O嗷磁谿W1 11 1举H係案参励系M玄8 ,制方力丄十土于静时控统电俞心又:2在小圧：圧磁療及w客求细不出围出几控接汀机及希营8

2、求出磁入”网曲数册W1,创崭卖发励输输控讥爹电阳数度阳压计述定计十宅本发:兀掌瓣制1解数控理环二；料，力出(2明资计电输说阅设及及O计蓉口口计矿，方接接设印务体人出件打任总输输软、置统计计统写布系设设系撰、1 2 3 45 6指导教师评语及成绩日月宀字年辩时答指:轨时成平总注：成绩：平时 20%20% 论文质量 60%60% 答辩 20%20%以百分制计算针对自并励励磁系统，论述了自并励励磁自动控制系统的特点及发展现状， 分析了目前自并励励磁自动控制的原理和实现方法，励磁系统是同步发电机的重 要组成部分，它直接影响发电机的运行特性。励磁系统根据负载电流、功率因数、 端子电压的变化而自动调节励磁

3、电流，达到保持发电机机端电压稳定的目的。较好 的励磁控制系统可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，同时也能为电网提供电 能，而且还可有效地改善电力系统静态与暂态稳定性。基由此原因提出了由 AT89C51AT89C51 单片机的同步发电机自并励自动控制系统的设计， 对单片机最小系统的 经济比较，从而选择了按键电平复位电路和内部时钟电路，在此基础上设计了励 磁装置的硬件系统和软件系统。对整个系统进行了 MATLAMATLA 仿真，用来与运算结果 进行比较。同时也对主要部分进行了 PIDPID 控制设计, ,通过其对系统的分析、计算、 反馈，使得整个系统在一个可控的范围内。关键词：自并励励磁系统；AT

4、89C51AT89C51 单片机；MATLABMATLAB 仿真;PID;PID 控制; ;目录第 1 1 章绪论. 1 11.11.1 励磁控制系统概况 . 1 11.21.2 本文主要内容. 1 1第 2 2 章 发电机自并励励磁自动控制系统硬件设计 . 3 32.12.1 发电机自并励励磁自动控制系统总体设计方案 . 3 32.22.2 单片机最小系统设计. 4 .1单片机 AT89C51AT89C51 . 4 .2电平复位电路的设计 . 4 4I5 劈本科生课程设计（论文）.3 内部时钟电路的设计. 5 52.32.3 发电机自并励励

5、磁自动控制系统模拟量检测电路设计 . 6 62.42.4 整流稳压电路设计. 7 72.52.5 开关驱动电路的设计. 8 8第 3 3 章 发电机自并励励磁自动控制系统软件设计 . 10103.13.1 软件实现功能综述. 10103.23.2 流程图设计. 10.1 主程序流程图设计 . 10.2 模拟量检测流程图设计 . 1111第 4 4 章系统仿真模型的建立. 1313第 5 5 章课程设计总结. 1414参考文献. 1515I5 劈本科生课程设计（论文）1第 1 章绪论1.1 励磁控制系统概况励磁系统是电站设备中不可缺少的部分。励磁系统包括励

6、磁电源和励磁装 置，其中励磁电源的主体是励磁机或励磁变压器；励磁装置则根据不同的规格、型号和使用要求，分别由调节屏、控制屏、灭磁屏和整流屏几部分组合而成。励磁功率单元负责向发电机转子提供直流励磁或交流励磁电流； 励磁控制器负责根 据检测到的发电机的电压、电流或其他状态量的输入信号，按照给定的励磁控制 准侧自动调节励磁功率单元的输出。优良的励磁系统不仅可以保证发电机可靠运行， 而且还可以有效地提高电力 系统的性能指标。根据运行方面的要求，同步发电机力控制系统任务：（1 1）维持发电机端电压在给定值，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压。（2 2）合理分配并列运行机组之间的无功分配。（3 3）提高电力

7、系统的稳定性，静态稳定性和暂态稳定性及动态稳定性。（4 4）改善整个电网（电力系统）运行条件。1.2 本文主要内容本文主要根据发电机自并励励磁系统的基本原理。设计容量200MW200MW 水轮发电机自并励励磁系统。基于对所学知识的总结与筛选。选择单片机AT89C51AT89C51 作为发电机励磁系统的控制核心，并选择静止励磁励磁系的方式来进行设计。根据励磁 机要实现的功能，整个系统分为不同部分：（1 1）数据采集电路；（2 2）单片机最小系统部分；（3 3）模数转换电路；（4 4）功率因数测量电路；（5 5）触发电路；（6 6）继电器输出电路及模拟输入电路。对每个模块进行设计，并通过软件设计达

8、到励磁目的。通过设计基本参数达 到如下要求：I5 劈本科生课程设计（论文）21 1 水轮发电机容量 300MW300MW，功率因数 0.85,0.85,定子额定电压 18KV18KV，空载额定转子 电压 177V177V。2 2 要求电压调差系数在5%5%范围内可调。3 3 强励倍数 1.81.8，不小于 1010 秒4 4 调压精度，机端电压静差率小于 1 1%。5 5 自动电压调节范围：6060%140140%。6 6 起动升压至额定电压时，超调量不大于 5 5%I5 劈本科生课程设计（论文）3第 2 章 发电机自并励励磁自动控制系统硬件设计2.1 发电机自并励励磁自动控制系统总体设计方案

9、在图 2.12.1 中为励磁控制器设计总体设计方案的框图，其中有三大部分，各部 分包括了，直流稳压电源、复位电路、系统检测电路、A/DA/D 转换、时钟电路、AT89C51AT89C51 单片机模块和励磁开关驱动控制电路，实现单片机控制外部电路。在单片机模块中，使用软件编辑程序，来对励磁系统驱动控制的电路进行控 制。在复位电路中，复位操作可以使单片机回到初始状态，也可以使单片机重新 启动。复位电路需要外加电源，而题目中只给出 AC220VAC220V 交流电源，因此在复位电 路前加入了直流稳压电源模块，为复位电路提供稳定的直流电源电压。在时钟电路模块中，时钟电路为单片机提供工作所需的时钟信号。

10、励磁开关 驱动控制电路模块中，通过专业知识的查询，将采用光电隔离器MOC304,1MOC304,1 实现单片机与外部电路隔离，还能有效地控制外部电路。图2.1励磁控制系统总体设计方案框图I5 劈本科生课程设计（论文）42.2 单片机最小系统设计.1 单片机 AT89C51AT89C51本次选用 AT89C51AT89C51 单片机作为控制器件，AT89C51AT89C51 是一种 4K4K 字节 FLASHFLASH 存储 器（FPEROMFIashFPEROMFIash ProgrammableProgrammable andand ErasableErasable Read

11、Read OnlyOnly MemoryMemory ）的低电压、 高性能 CMOCMOS S位微处理器，它由 8 8 部分组成，即中央处理器（ CPUCPU，片内数 据存储器（RAMRAM，片内程序存储器，输入/ /输出端口，可编程串行口，定时/ /计 数器，终端系统以及特殊功能寄存器，各部分通过内部总线相连。其基本结构依 然是通过 CPUCPU 加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上，却采用殊功能 寄存器的集中控制方法。如图 2.22.2 所示，即为 89C5189C51 单片机的引脚图。图2.2 89C51单片机的引脚图复位操作可以使单片机初始化，也可以使机状态下的单片机重新启动，

12、因此 十分重要。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只 要在单片机的 RESETRESET 引脚上出现 2424 个时钟震荡脉冲（两个机器周期）以上的高 电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可靠地复位，在设计复位电路时，一 般使 RESETRESET 引脚保持 1010 毫秒以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。当 RESETRESET 从高电平变为低电平以后，单片机从 0000H0000H 地址开始执行程序。在复位 有效期间，ALEALE 和/PSEN/PSEN 引脚输出高电平。.2 电平复位电路的设计如图 2.32.3 所示即为 89C5189C51

13、 单片机的按键电平复位电路，这种复位电路利用电 容器充电实现。当两端开始加电时，电容 C C 就是开始充电，所以电路有电流通过,P1. 01P1. 12P1. 23P1. 34P1. 45P1. 56P1. 67P1. 78RE SET9RXDP3. 0TXDP3. 1INT0P3. 212INT1P3. 313T0P3. 414T1P3. 515WR-P3. 616RDP3. 717XT AL218XT AL119123456789101112131415161718192089C51403938373635343332313029282726252423222140VCC39P0. 038

14、P0. 137P0. 236P0. 335P0. 434P0. 533 P0.632P0. 73-VPP/EA30 AL E/PROG29PSEN28P2. 727P2. 626P2. 525P2. 424P2. 323P2. 222P2. 121P2. 0VSS204络乂诊殳聲本科生课程设计（论文）5构成回路，在电阻 R R 上产生压降，即 RESETRESET 勺引脚为高电平；当电容 C C 充满电后， 电路相当于断开，复位结束。它还可以通过按键实现复位，按下键后，通过R1R1和 R2R2 形成回路，使 RESERESE端产生高电平。按键的时间决定了复位时间。如图 2.32.3 所示即为8

15、9C5189C51 单片机的按键电平复位电路：.3 内部时钟电路的设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，时钟信号可以有两种方式产 生：内部时钟方式和外部时钟方式，下面介绍内部时钟方式。89C5189C51 内部有一个高增益反相放大器（即与非门的一个输入端编程为常有效时），用于构成片内振荡 器，弓 I I脚 XTAL1XTAL1 和 XTAL2XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。在 XTAL1XTAL1 和 XTAL2XTAL2 两端跨界晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送 入内部时钟发生器，如图 2.2.所示。外接晶振时，C1C1、C2

16、C2 参数通常选择 30pF30pF 左右。 C1C1、C2C2 可稳定频率并对振荡频率有微调作用，谐振频率范围是0 0 到 24MHz24MHz 为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠接地，谐振器和电容应该尽量安装的 与单片机芯片靠近。内部时钟发生器实质是一个二分频的触发器其输出是单片机 工作所需的时钟信号. .图 2.42.4 为 89C5189C51 单片机的内部时钟电路：综合以上所作分析与选择，如图2.52.5 为设计完整的 CPUCPU 最小系统图XTAL1XTAL2图2.3按键电平复位电路图2.4内部时钟电路I5 劈本科生课程设计(论文)6图2.5单片机最小系统图2.3 励磁自

17、动控制系统模拟量检测电路设计在本次设计中，为了可以可靠的维持发电机电压和无功功率的分配，我们需 要测得数据有：电机的极端电压、发电机输出电流、励磁电压、励磁电流、有功 功率、无功功率以及功率因数 co等通过电路方面的知识我们可以知道，设B为线电压滞后相电流的相角，相电流滞后相电压的相角为o电压和电流作为过零点的检测信号，方便外部中断，用反相传输门和模拟开门相结合的电路。由 P1.0P1.0 控制模拟开关的选通。这样就可以控制用于脉宽测量的定时器 T1T1 的计数值 n n，即当方波的上升沿到来的时候，计 数器 T T1 1VC CrC1IC2HiXTAL2AT8 9C5 1.p 1.0VC C

18、.p 1.1p0.0ip 1.2p0.1p 1.3p0.2,p 1.4p0.3,p 1.5p0.4.p 1.6p0.5.p 1.7p0.6,RESETp0.7_.RX D、p 3.0EA,TXD、p 3.1ALE.INT0、p3.2P SENINT1、p 3.3p2.7.T0、p3.4p2.6-T1、p 3.5p2.5.WRp 3.6p2.4.RD、p3.7p2.3 XTAL2p2.2.XTAL1p2.1i VS Sp2.03 93 83 73 63 53 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 42 32 22 1CRES ET89XTAL11 21 31 41 51 6

19、1 71 81 92 01 14 04S 劈本科生课程设计（论文）7启动，开始计数；当方波的下降沿到来的时候，T1T1 停止计数。得到对应的脉宽计数值 n n。测量工频的半个周期所对应的计数值 N N，这样就可以通过 N N，n n 的关系推导出B和值。-n 180(N=N=104)(2-1)(2-1)N=90 -八 90 -(2-2)(2-2)N因此，有功功率和无功功率就由采集得到的电压、电流计算后得到功率因数cos 。4S 劈本科生课程设计（论文）8励磁的交流信号经变压器、隔离、整流、滤波四个部分后接入A/DA/D 转换器的输入端，这与我们所要求的调节计算的要求相符合，并且电路不复杂，采样

20、快速 简易，软件处理的数据也比较简单，可以大大的节约成本。因为采用的A/DA/D 转换器是电压输入，所以在四路输入中电压信号可以直接输入，而电流信号则要通过 一个电阻转化成电压信号再输入。 所以我们用 TLC2543TLC2543 当做转换器，这个芯片是 一种单电源、串行控制的 1212 位模数转换器，能采集 1111 路信号。因此，模拟量采 集部分的电路如图 2.62.6 所示。4S 劈本科生课程设计（论文）92.4 整流稳压电路设计单片机的工作电源是+5V+5V 的直流电源，而本次设计控制器选用为 220V220V 交流 电源。因此我们需要用直流稳压电路来为单片机提供电源。本次设计我们采用

21、 三项全控整流，此电路连线简单，易于分析。静止励磁系统，机端电压励磁变压 器经由大功率晶闸管构成的整流装置供给。原理图如图2.72.7 所示。I5 劈本科生课程设计（论文）10图2.7三相全控桥整流电路原理图在三项全控整流电路中，三相全控整流桥的六个桥臂都是可控硅构成，把三 个阴极连接在一起的称共阴极组。并且阴极分别接于三相电源；同理，阳极连接 在一起的三个晶闸管称为共阳极组，阴极分别接于三相交流电源。启动的过程中 或电流续流时，确保电路可靠的进行工作，需保证同时导通的两个晶闸管均脉冲 触发。2.5 开关驱动电路的设计本次课课设的目的在于用弱电控制强电，所以在这一部分我们选用了光隔离 期间，强

22、电与弱电的隔离成为关键，现在有许多种开关控制输出电路，因此，在 接口处理中，还要包括隔离技术。针对这个问题，选择了励磁开关驱动控制电路。如图 2.82.8 所选的光电隔离器是 MOC3061MOC3061 它是根据晶闸管原理开发出来的。 晶闸管是一种大功率半导体器件，可以作为大功率驱动器件使用。具有用较小功 率控制大功率、开关无触点等特点，双向晶闸管目前已经广泛应用于生产生活中，而与它相配套的光电隔离器已经有现成的产品，用于不同负载下电压使用。VU22 -UI5 劈本科生课程设计（论文）11在驱动电路中，在一般的系统中，其输出可以用 0C0C 门驱动，在光隔输出端， 于双向晶闸管并联的 RCR

23、C 是为了在感性负载时，吸收与电流不同步的过电压，而 门极电阻是为了提高抗干扰能力，以防误触发。本次设计是以弱电控制强电，因此强电与弱电的隔离成为关键。因此，在接口 处理中，还要包括隔离技术。针对这个问题，选择励磁开关驱动控制电路如图 2.82.8 所示。所选的光耦合器是 MOC3061MOC3061，般称为光耦双向晶闸管驱动器。I5 劈本科生课程设计（论文）12图2.8开关驱动控制电路4Q 诊殳聲本科生课程设计（论文）13第 3 章 发电机自并励励磁自动控制系统软件设计3.1 软件实现功能综述本次设计中，由于采用的是交流 220V220V 电压，可以运用直流稳压电源将其变成 +5V+5V 直

24、流电源电压，从这就保证了能为 AT89C5AT89C5 何靠供电。选用三项全控整流整 流的方法，从而使输出的直流电源是可靠稳定的 +5V+5V 电源。通过直流稳压电源为 单片机提供电源，单片机可以正常工作，通过选择的时钟电路和复位电路，对单 片机进行软件编程，使单片机能够对外部驱动电路进行控制。 在驱动控制电路中， 选择评价较好的光电隔离器 MOC306MOC306,能够使单片机与外部驱动控制电路进行隔 离，并且利用单片机对外部电路进行控制，就可以使自并励励磁机组的自动发电 控制系统实现机组功率的合理运用。3.2 流程图设计.1 主程序流程图设计本设计是以单片机为中心来完成，通

25、过单片机完成数据采集、控制角的计算、 调节 PIPID D系数等功能，再完成六路脉冲的产生和触发的功能。 主程序流程图如图 3.13.1 所示。当收到信号时，表示各个部分已经进入了准备状态。控制系统上电后首先执 行的是初始化和自检，初始化包括标志位和变量的初始化、中断初始化、设置各 接口芯片初始化、还包括各种程序模块的初始化等等。接着程序进入起励的设置 和起励条件的判别，励磁调节器等待转速信号，在发电机开机而转速未达到额定 转速的 9595 沱前将电压给定值设置在空载额定位置，转速一旦达到额定转速的95%95%则主程序正式进入主循环：首先是数据采集和处理部分，主要由三个子部分组成：电机出口交流

26、电压采样处理部分、电机出口交流电流采样处理子模块和励磁电压 采用处理。然后进入功率因数采集计算，它利用徽处理器的外部中断0 0 和定时器 1 1的联合使用来完成对功率因数的采样和计算，并且采用数字滤波的方式最后求得 功率因数；无功调差模块可以实现无功的合理分配，以适应发电机并列运行的需 要；PIDPID 调节计算模块根据采集的数据结果与额定值进行比较，从而进行PIDPID 调节计算来算出可控硅的控制角；限制控制子模块则是为保证发电机的正常及安全运I5 劈本科生课程设计（论文）14行而设置的图3.1主程序流程图.2 模拟量检测流程图设计模拟量检测发电机出口电压、出口电流和励磁电压

27、。通过A/DA/D 转换器 TLC2543TLC2543对这几个量进行采集，采用 PIDPID 算法来实现调节控制，计算两个相邻时刻电压的偏 差值，出口电流也是如此。PIDPID 控制原理图如图 3.23.24Q 诊殳聲本科生课程设计（论文）15图3.2 PID控制原理图由于功率因数在系统中是很重要的参数，它反映了发电机所带负载的性质， 而且在计算有功功率和无功功率的时候都必须用到它，所以必须对它进行很细致 的采集。模拟量检测流程图如图 3.33.3。图3.3模拟量检测流程图I5 劈本科生课程设计(论文)16第 4 章系统仿真模型的建立针对本次课程设计，对其系统进行了 MATLABMATLAB

28、 模型的建立。在 SimulinkSimulink 的 扩展工具箱中找到 SimPowerSystemsSimPowerSystems 或者直接在提示符下键入 powerlibpowerlib 打开电 力系统模块库，选择建模所需要的模块。使用三相同步发电机，励磁系统和水轮 机调速器来组成发电机组。其可用模块的可选为默认值。三相变压器选择双绕组 三相变压器，将变比设置为高压侧额定电压为220KV220KV。采用分布参数输电线路模 型模拟 220(KM)220(KM)的高压线。首先用模块建立一个正常运行的电力系统，本文以单相接地短路故障为例， 仿真模型如图 4.14.1 所示图4.1系统仿真模型图I5 劈本科生课程设计（论文）17第 5 章课程设计总结在这次课程设计中，首先对发电机自并励励磁自动控制系统进行分析，论述 了自并励励磁自动控制系统的特点及发展现状，分析了自并励励磁自动控制的原 理和实现方法，通过所学过的专业知识，得到用 AT89C51AT89C51 单片机的同步发电机自 并励自动