基于微机控制系统的发电机励磁调节系统说明书.doc

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兰州理工大学毕业设计说明书

摘要

随着发电机单机容量和电网规模的增大，发电机组及电力系统对励磁控制在快速性、可靠性、多功能性等方面提出了愈来愈高的要求，相应地，励磁控制在理论和实践上也在不断更新、发展和完善。

传统的模拟式励磁调节器已不能满足需要。

近年来，基于微机控制系统的发电机励磁调节系统已逐渐取代模拟式励磁调节器而成为同步发电机励磁调节器的主流。

发电机在正常工作情况下，负载总是不断的变化着。

而不同容量的负载，以及负载的不同功率因数，对同步发电机励磁磁场的作用是不同的，对同步发电机的内部阻抗压降的作用也是不一样的。

要维持同步发电机端电压为一定水平，就必须根据负载的大小及负载的性质随时调节同步发电机的励磁。

显然。

这一调节过程只有通过电压的自动调节装置才能实现。

本系统主要完成上述功能。

本课题中自动励磁系统该采用以80C196MC单片机为核心的触发电路代替目前国内市场上流行的集成化KC系列触发电路。

该电路具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰能力强，移相范围宽（0—177°），外接元件少等优点，而且调试简单、使用可靠。

本文主体分为四个部分。

第一部分是单片微机励磁系统结构，论述基本系统构成及各个部分的作用与相互间的协同工作。

第二部分是基于80C196MC单片机的微机励磁调节器硬件设计。

第三部分是控制算法研究，讨论PID控制在励磁装置中的应用。

关键词:

励磁调节器，80C196MC单片机，数字电路，PID控制,

ABSTRACT

Withthesinglegeneratorcapacityandpowergridscaleoftheincrease,generatorsandpowersystemsgroupofexcitationcontrolinthefast,reliability,versatility,andotheraspectsoftheincreasinglyhighdemand,accordingly,excitationcontrolintheoryAndinpracticearealsoconstantlyupdated,todevelopandimprove.Traditionalanalogexcitationregulatorhasbeenunabletomeettheneed.Inrecentyears,computercontrolsystembasedontheexcitation-conditioningsystemhasbeengraduallyreplacedanalogexcitationregulatorandasynchronousgeneratorexcitationregulatorofthemainstream.

Generatorsundernormalworkingconditions,theloadalwayschanging.Thedifferentcapacityload,andloadthedifferentpowerfactor,thesynchronousgeneratorexcitationmagneticfieldisdifferentfromtheroleoftheinternalsynchronousgeneratorimpedancevoltagedropisnottheroleofthesame.Tomaintainsynchronousgeneratorterminalvoltagetoacertainlevel,itmustbebasedonthesizeofloadandloadregulationatanytimethenatureofthesynchronousgeneratorexcitation.Obviously，Thisadjustmentprocessisonlythroughtheautomaticadjustmentvoltagedevicescanbeachieved.Thissystemismainlytocompletethesefunctions.

Thesubjectoftheexcitationsystemautomatically80C196MCusedtotriggercircuitasthecoreofthedomesticmarketinsteadofthecurrentpopularontheintegratedcircuittriggeredKCseries.Thepowercircuitwithsmall,strongfunction,highinputimpedance,anti-interferencecapabilityandphase-shiftingwiderange（0-177°）,theadvantagesoffewerexternalcomponents,anddebuggingsimpletouseandreliable.

Thispaperisdividedintofourmainparts.

Thefirstpartisexcitingsingle-chipcomputersystemarchitecture,onabasicsystemandvariouspartsoftheroleandinter-worktogether.

Thesecondpartisbasedonthe80C196MCexcitationregulatorcomputerhardwaredesign.

ThethirdpartistocontrolthealgorithmtodiscussthePIDcontrolintheapplicationofexcitationdevice.

Keywords:

excitationregulator,80C196MCmicrocontroller,digitalcircuits,PIDcontrol

III

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章绪论 6

1.1概述 6

1.2励磁控制系统的任务及作用 8

1.3研究的目的和意义 9

1.4国内外研究动态和趋势 10

1.5设计的内容和方法 11

1.6对励磁调节器的要求 12

第二章励磁调节器的硬件组成及功能 14

2.1励磁调节器的功能和硬件总体框图 14

2.1.1励磁调节器的基本框图 14

2.1.2励磁调节器的功能 15

2.2各测量电路的设计和计算 15

2.2.1交流电压测量技术 15

2.2.2励磁电流的测量 19

2.2.3用霍尔电压传感器测励磁电压 19

2.2.4发电机频率f测量技术 22

2.2.5脉冲触发同步电路 24

2.2.6功率驱动电路 30

2.380C196MC单片机简介 31

第三章励磁调节器控制算法分析 37

3.1励磁控制系统的传递函数 37

3.1.1各环节的传递函数 37

3.1.2励磁控制系统传递函数框图 38

3.2介绍数字PID控制的基本算法 40

3.3对控制算法的评价 41

3.4参数的整定方法 42

第四章数字式励磁调节器的软件实现 43

4.1调节器的软件结构 43

4.2中断处理 44

4.3对功率因数采样的数据处理 46

4.4对功率因数采样数据处理 50

4.5数据采样 50

4.5.1用电量变送器测量极端电压、机端电流 51

4.5.2励磁电压、励磁电流测量模块 51

4.6对可控硅控制角的计算 52

4.6.1对PID进行计算 52

4.6.2无功调差的概念 53

4.6.3测量有功功率P和无功功率Q 56

4.6.4发电机频率F的测量程序设计 57

4.6.5励磁限制 58

4.7系统程序片段 60

总结 65

参考文献 67

英文翻译原文 69

英文译文 81

致谢 90

90

第一章绪论

1.1概述

为了实现自动励磁调节需借助自动励磁调节器。

按其调节的原理可分为补偿型和反馈型两类。

补偿型调节器是补偿某些引起被调量产生偏差的因素。

由于是开环补偿，只能使电压维持在一定水平。

常用的有电流复式励磁及相位复式励磁柜装置。

反馈型调节器是以被调量与给定值的偏差作为控制信号对系统进行闭环控制，常用的为负反馈比例式调节器。

因为是闭环调节，所以调节性能优于补偿型。

为改善比例式调节器中存在的稳态指标与动态性能的矛盾,发展了PID（比例－积分－微分）型调节器。

用积分环节来提高稳态电压水平，用微分环节来改善动态特性。

一些大型机组的励磁调节器还引入发电机的电压、电流、功率、转速等的微分信号，构成镇定环节及强力调节器，用以提高远距输电机组的稳定性和传输容量。

　　随着调节器功能和构成元件不同，调节器的组成有简有繁，但基本上可划分为：

①量测环节。

感受各类信息偏差量。

②综合放大环节。

放大及综合各类信息。

③执行环节。

实现移相和可控触发。

自动励磁调节系统是同步发电机的一个重要组成部分，它由两部分组成:

第一部分是励磁功率单元，第二部分是励磁调节器。

起初的励磁系统，其励磁功率单元是直流发电机，称为直流励磁机励磁方式。

随着大功率半导体元件的广泛应用，以半导体整流器为励磁功率单元的励磁方式得到了广泛的应用，出现了由副励磁机—交流励磁机—旋转整流器和发电机转子绕组构成的三机励磁方式，和励磁变压器从机端取得电功率，经可控整流后供给转子绕组直流电的自并励静态励磁方式。

目前，大量使用的还是常规模拟式调节器。

随着发电机单机容量和电网容量的不断增大，电力系统及发电机组对励磁控制在快速性、可靠性、多功能性等方面提出了更高的要求，如更优的励磁调节性能、更多和更灵活的控制、限制、报警等附加功能，等等。

显然，常规模拟式的励磁调节器难以满足如此高的性能要求，即使暂时满足了，也需要增加功能组件或重新设计系统，大量的硬件电路不仅使得励磁调节器装置十分复杂.增加了维护工作量，降低了装置可靠性，而且其潜力也是有限的。

在这种情况下，随着数字控制技术、计算机技术及微电子技术的飞速发展和日益成熟，同步发电机组采用数字式励磁调节器已成为发展趋势。

与模拟励磁调节器相比，数字式励磁调节器具有以下优点:

（1）由于计算机具有计算和逻辑判断功能，使得复杂的控制策略可以在励磁控制中得到实现。

它除了可以实现模拟式调节器的PID调节、PSS附加控制和线性最优控制外，还可以实现模拟式调节器难以实现的自校正调节、非线性控制、自适应控制及模糊控制等。

（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、调节控制规律都由软件来完成，不仅简化了控制装置，而且信号处理和控制精度高。

（3）利用计算机强有力的判断和逻辑运算能力及软件的灵活性，可以在励磁控制中实现完备的限制及保护功能、通用而灵活的系统功能、简单的操作以及智能化的维修和实验手段。

（4）可靠性高，无故障时间长。

（5）通信方便，便于远方控制和实现发电机组的计算机综合协调控制。

（6）山于引入了微处理器，使得控制策略的改变和控制功能的增加，通常只需要在软件上加以改进，便于产品更新换代。

同步发电机的运行特性与它的气隙电势Eq值的大小有关，而Eq的值是发电机励磁电流It的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特性。

因此对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之一。

电力系统正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配。

在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降。

为此，当系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。

可见，同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量，无功功率的合理分配和提高电力系统运行的稳定性及可靠性的方面都起着重要的作用。

同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成。

如图1-1所示。

励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流;励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。

整个励磁自动控制系统是由励磁调节器，励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。

图1—1同步发电机励磁控制系统构成示意图

1.2励磁控制系统的任务及作用

同步发电机无论运行在稳态还是暂态过程中，其运行状态在很大程度上和励磁有关。

对发电机的励磁进行调节和控制，不仅可以保证发电机及电力系统运行的可靠性、安全性和稳定性，而且可以提高发电机及电力系统的经济技术指标，励磁调节装置的主要作用简述如下。

（1）维持同步发电机端电压为一稳定水平

因为发电机在正常工作情况下，负载总在不断地变化着。

而不同容量的负载，以及负载的不同功率因数，对同步发电机励磁磁场的反应作用是不同的，对同步发电机的内部阻抗压降也是不一样的。

要维持同步发电机端电压为一稳定水平，就必须根据负载的大小及负载的性质随时调节同步发电机的励磁电流。

显然，这一调节过程只有通过电压的自动调节装置才能实现。

有或无自动调节装置的同步发电机外特性曲线如图1-2e图中曲线1为无自动励磁调节装置的外特性，曲线2为有自动励磁调节装置的外特性。

（2）提高电力系统的静态稳定性

当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行的特性称为电力系统的静态稳定性。

现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高输送功率。

这题题而其中最重要的和最基本的困难之一是同步发电机只具有较小的静态稳定性。

但由于自动励磁的调节装置的出现，使这一问题得到了圆满的解决。

图1-2同步发电机的外特性

（3）提高电力系统动态稳定性

当电力系统的负荷发生突变、线路结构参数改变，以及电力系统遭受突然短路等故障时，电力系统能否继续稳定运行，称为电力系统的动态稳定性，这也是同步发电机的重要性能之一。

增加励磁自动调节系统强励能力，降低励磁调节系统的时间常数，是提高电力系统动态稳定性的有效措施。

（4）提高继电保护装置动作的准确性

当电力系统发生短路时，由于励磁自动调节系统的作用，短路电流大大增加，从而提高了继电保护装置动作的准确性。

（5）保证并联运行系统的正常工作

系统的无功分配单元可保证参加并联运行的各发电机的输出无功功率获得均衡分配，增加了稳定环节的无功分配单元是保证强励能力大的并联运行系统能正常稳定工作的重要条件之一。

1.3研究的目的和意义

本文将通过实物制作来揭示本励磁调节器的强大功能及准确、快速的控制特性。

在以后章节中主要通过三个方面来介绍:

1.硬件设计:

主要介绍芯片的选择及其特点以及电路中各个功能模的构造；

2.控制算法:

主要介绍P1D控制算法的特性；

3.系统实现:

从整体结构、硬件特性、软件编程等各个方面来综合叙述本装置是如何进行工作的。

由于现代电力系统对稳定性、可靠性的要求越来越高，对励磁调节器性能的要求也相应的提高了。

因此在设计励磁调节器时应注意到以下几点:

1）励磁调节器应具有高度的可靠性及稳定性。

2）励磁调节器应具有良好的静态特性和动态特性。

3）励磁调节器的时间常数应尽可能小，响应速度快。

4）励磁调节器应结构简单、检修方便，并应尽量做到系列化、标准化、通用化。

微型计算机以及体积小、功能强、运算速度快、可靠性高而逐渐受到人们的重视。

单片机具有体积小、结构简单、功能强大、可靠性高、能方便地实现PID算法等优点，应用在发电机励磁调节器上能取得较好的效果。

可以预见，在今后很长一段时间内，以单片机为基础的发电机微机励磁调节系统将得到更完善的发展。

1.4国内外研究动态和趋势

励磁调节器的发展经历了几个阶段：

30～40年代电力系统规模较小，励磁调节器主要起调压作用，故称调压器，多数为机电型调节器，目前已趋淘汰；50年代发展了电磁型调节器；60年代后发展为晶闸管励磁调节器，其调节功能也由单纯的调节电压发展为提高电力系统的稳定性。

随着控制理论和计算技术的发展，自动励磁调节器也在不断改进：

在功能上，向着综合控制方向发展，在原有基础上加入镇定器、欠励磁、过励磁等环节；在控制原理上，向着自适应调节方向发展，即调节器能自动适应系统工况的变动而择优整定其参数；在构成元件上，正向着微机化方向发展。

目前在国外对CD-AVR紧凑式数字自动电压调节器），PSS（电力系统稳定器）和PSVR〔电力系统电压调节器）的研究很多，由于它们的低成本、高性能性，逐渐吸引了人们的注意力。

英国的Hitachi.ltd公司已经开发出了发电机励磁控制系统HIACS-7000，它是一个实用高速度的，高可靠性的励磁系统，适合于电力系统的稳定操作。

美国Basler公司先后研制出DCES-15,DCES-100,DCES-300型电压调节器，它适用于各种型号的发电机，它为脉冲宽度调节提供信号，有许多制造商正在积极开发。

目前广西大学自动化研究所研制的可编程微机励磁调节器，其硬件采用可编程控制器，软件采用非线性智能控制方法，使产品的可靠性，励磁系统的动态和静态响应指标提高，装置的维护检修等方面达到了一个新的水平PLC型可编程励磁调节器适用于各种励磁方式的大、中、小型同步发电机组，该励磁调节器已在左江电站（24MW），天门峡电站（1500KW）投产运行。

南京自动化研究所研制的SJ-800型微机励磁调节器，主要由微型计算机和一定的外围设备组成。

该励磁调节器在镜泊湖莲花水电站已完全运行。

目前一些小型电站（尤其是黑龙江）还没有相应配置的数字式励磁调节器，而在加拿大、瑞典等国，小型电站保护完善，自动化水平程度高，均设有自动紧急停机自动装置功能，有的还设有微机自动监控系统，对发电机有功、无功自动调节使其处于最佳运行状态。

现在利用先进全球定位系统的GPS能提供精确的，具有时标的定时功能，可以构成高精度的同时相量测量单元PMW测电压相位角，提供了追踪目标励磁控制TOEC,提高了系统稳定极限，优于线性最优励磁控制LOEC。

1.5设计的内容和方法

图1-3为励磁系统外部结构框图，为了维持机端电压水平和机组间无功功率的分配，须测得发电机的机端电压，电流，有功功率，无功功率Q和励磁电流。

本系统的数据采集及变送由变换器获得，所采集的数据包括发电机的线电压，电流和励磁电流，然后通过程序测得功率因数及有功功率，无功功率。

励磁电流的大小，决定于可控硅的控制角。

，而可控硅的控制角a由自动励磁调节器控制。

当发电机的端电压高于整定值时，自动励磁调节器发出的信号脉冲推迟，可控硅的控制角a变小，励磁电流减小。

从而使发电机的端电压降低;当发电机的端电压低于整定值时，自动励磁调节器发出的脉冲提前，可控硅控制角。

变大，励磁电流增大，从而使发电机的端电压升高。

上述两种过程都使发电机端电压趋近于整定值，达到恒压的目的。

1.6对励磁调节器的要求

励磁调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，产生相应的控制信号，经放大后控制励磁功率单元，以得到所要求的发电机励磁电流。

对它的要求如下：

（1）具有较小的实践常数，能迅速响应输入信息的变化。

（2）系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压的高低，以维持发电机电压在恒定水平。

在调差装置不投入的情况下，励磁控制系统的自然调差系数一般在1%以内。

（3）励磁调节器应能合理分配机组的无功功率。

为此，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差系数可以在以内进行调整。

（4）对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求励磁调节器没有失灵区。

（5）励磁调节器应能迅速反映系统故障，具备强行励磁等控制功能，一提高暂态稳定和改善系统运行条件。

图1-3同步发电机励磁调节器系统结构框图

本设计中的主要技术指标：

1、发电机的电压测量范围：

0-400V；

2、发电机的电压测量精度：

<2.5%;

3、发电机的电流测量范围：

0-0.25mA；

4、发电机的电流测量精度：

<2.5%;

5、调节时间：

5-10s；

6、超调量<5%;

7、调压精度<3%.

第二章励磁调节器的硬件组成及功能

2.1励磁调节器的功能和硬件总体框图

2.1.1励磁调节器的基本框图

图2-1为数字式励磁调节器硬件原理总体框图。

它主要包括CPU部分，测量部分，同步单元，（移相）触发单元等部分。

CPU及外围设备部分主要是为CPU的运行提供支持，包括电源、定时计数部分等电路,本设计中A/D转换由80C196MC单片机自带。

CPU是微机励磁控制器的中心部分，它管理微机系统中所有模板，并执行微机励磁调节器的软件，如果它出故障，微机系统将无法正常工作。

定时/计数部分用于频率测量，以及触发脉冲α角及宽度的定时等。

图2-1同步发电机励磁调节器系统结构框图

测量部分主要是将输入的电压、电流等模拟量经过电平转换、滤波、整形等处理之后送入CPU，使之能进行运算。

微机励磁调节器为了实现调节控制、运行限制、运行参量显示等功能，测量单元必须对有关的参数进行采集。

微机励磁调节器需要采集的基本参量有:

（1）发电机机端电压Uf，机端电流If；

（2）发电机励磁电流或励磁电压；

（3）发电机同步信号。

2.1.2励磁调节器的功能

励磁调节单元的最基本部分是一个闭环比例调节器。

它的输入是发电机电压，输出量是励磁机的励磁电流或发电机转子电流，统称为.它对电力系统的作用是：

　　①在正常运行工况下维持母线电压为给定水平，即起调压作用。

　　②稳定地分配机组间的无功功率。

　　③提高电力系统运行的动态性能及输电线路的传输能力。

装有快速无失灵区励磁调节器的发电机可运行在人工稳定区，在系统事故下高顶值倍数的快速励磁系统能提高系统的暂态稳定度。

④励磁控制中引入镇定器后，可提供合适的阻尼力矩，有力地抑制低频振荡和改善电力系统动态品质。

其主要功能为前两点。

2.2各测量电路的设计和计算

2.2.1交流电压测量技术

2.2.1.1电量变送法

引自PT副方的三相交流电压信号先经测量变压器降压和隔离，再由整流、滤波及分压电路转换成与之成比例的幅度合适的直流电压。

微机通过A/D转换器对该直流电压采样，直接获得待测交流电压的电压值。

图2-2为一种电压变送器电路原理图。

为了提高测量精度，需要较强滤波来降低纹波系数，但会因此而加大电压变送器的时间常数。

过大的时间常数不利于控制系统的稳定，也妨碍控制系统性能指标的提高。

根据运行经验，将纹波峰—峰值控制在15—20mV左右较为合适（纹波系数小于0.5%）。

如能在采样时运用定点采样技术，即可使测量精度得到进一步提高。

为了改善测量电路输入—输出特性曲线在低端的线性度，设计时应适当提高降压变压器副方的电压并选择正向管压降较小的整流二极管。

图2-2电压变送器原理图

2.2.1.2数值计算法

数值计算法也叫交流采样法，是利用交流电压接口电路将引自PT副方的待测电压信号降压隔离，并加以滤波得到与

图2-3交流电压接口电路原理图

待测电压成比例的、幅度合适的交流电压信号。

微机通过A/D转换器对这些交流电压信号进行采样