基于功角穩定的余熱發電機勵磁DSP控制系統

許 強

（河北省電子信息技術研究院，河北石家莊 050071）

基于功角穩定的余熱發電機勵磁DSP控制系統

許 強

（河北省電子信息技術研究院，河北石家莊 050071）

余熱發電較普通火力發電具有蒸氣壓力易突變的特點，現在國內余熱發電機勵磁并網后多采用恒功率因數調節方式。當汽輪機蒸氣壓力突變瞬間，由于有功功率同向突變，發電機的功角也同向變化，當功角超過允許值時，發電機有可能失步停車。針對此問題開發了基于DSP的勵磁三閉環控制系統。當蒸氣壓力大于最大值時，發電機工作于恒功角方式。當蒸氣壓力小于最大值時，發電機工作于恒功率因數方式。并網前發電機工作于恒勵磁電流方式，從而保證了發電機始終處于既節能又可靠的運行狀態。

DSP；恒功率因數；恒功角；勵磁三閉環

目前中國企業普遍采用發電機并網前工作于恒勵磁電流方式，并網后工作于恒功率因數的雙閉環方式。恒功率因數調節能保證無功功率隨有功功率按比例變化。有功功率通過汽輪機調速器來調節，而無功功率能在有功功率波動時跟蹤調節勵磁輸出，是公認的最節能方式［1］。但在余熱發電機功角隨汽輪機蒸氣壓力突變時，恒功率因數方式不能保證功角工作于穩定區間，有可能導致發電機失步停車。因此提出了并網后根據汽輪機的蒸氣壓力，采用以恒功率因數為內環保證節能性，以恒功角為外環保證可靠性的控制策略。

1 系統工作原理

三閉環控制系統的結構見圖1。

圖1中，cosΦ0為發電機功率因數設定值；I L0為勵磁電流設定值；ILf為實際勵磁電流。開關K1由并網信號控制，在并網前斷開時為勵磁電流單閉環控制系統，開關K1并網后閉合。開關K2由蒸氣壓力P和實測功角θ控制，當P＜Pmax時，開關K2連接恒功率因數內環，并通過實時檢測與功率因數設定值進行比較，其差值乘以一個調整系數，得到附加控制量ΔcosΦ。當發電機實際功率因數低于設定值時，ΔcosΦ＞0，此時勵磁電流環的電流偏差ΔI＝I L0－ILf－ΔcosΦ，正的ΔcosΦ使ΔI減小，從而使勵磁調節器輸出減小，可控硅控制脈沖后移［2］，三相全控橋輸出的勵磁電流減小，無功功率相應減小，功率因數增大，使功率因數偏差ΔcosΦ縮小，直至ΔcosΦ＝0。反之，功率因數將減小。當P＞Pmax且實測功角θ＞85°（以隱極機為例，θ＞90°發電機將不穩定運行）時，K2連接恒功角外環，通過將（85°－θ）乘以一個調整系數，得到附加控制量Δθ。由于Δθ＜0，此時勵磁電流環的電流偏差ΔI＝I L0－I Lf－Δθ，負的Δθ使ΔI增加，從而使三相全控橋輸出的勵磁電流增加，功角減小，使Δθ縮小，直至Δθ＝0，保證功角不超調，減少失步概率，保證發電機在可靠狀態下運行。

圖1 三閉環控制系統結構Fig.1 Structure of three closed loop control system

2 硬件電路組成

勵磁控制系統中核心CPU采用TMS320F2812數字信號處理器，它是32位定點DSP，主頻達150 MHz，其整合了快速的A／D轉換器、Flash存儲器、增強的CAN模塊、多通道緩沖串口、事件管理器等外設，為勵磁控制系統數據采集、處理和控制任務提供平臺。在設計中采用16位、6通道同步采樣的并行接口模數轉換器ADS8364，其上6路模擬量輸入采用全差分輸入方式。本系統中內部緩沖器采用＋3.3 V供電，因此其數據線可與3.3 V供電的TMS320F2812接口采用直連方式，不需要進行電平轉換。輸入采集系統的模擬量有定子電流、定子電壓、蒸氣壓力，為了使輸入的模擬信號與ADS8364采樣需求的信號范圍相匹配，電流信號應轉換為電壓信號，并由預處理電路對輸入模擬信號進行濾波、放大和平移處理。圖2為ADS8364的輸入信號調理電路圖［3］，雙極性單端輸入經調理后的輸出信號為差分信號，分別接ADS8364的同相輸入端CHA（0）＋和反相輸入端CHA（0）－，其中第1級運算放大器為電壓跟隨器，以提高電路的輸入阻抗；第2級運算放大器為二階低通濾波器，對輸入A／D轉換器中的高次諧波干擾信號進行濾波處理，R5為電位器，可以調節放大倍數，濾波電路引起的電壓相位移在軟件中加以補償，用以保證參數計算的精度；第3級運算放大器U3A和R6，R7，R8，R9構成電阻網絡，用來調節輸入模擬信號的電壓在ADS8364的輸入允許范圍之內，這種輸入方式可以有效減少共模噪聲，提高采集精度，REFIN和REFOUT短接輸出＋2.5 V基準電壓，通過電壓跟隨器U4A提供給差分電路。電阻網絡根據IN1的信號范圍，對信號進行縮放和平移，使其滿足ADS8364的輸入要求。其余各路輸入信號調理見圖2。ADS8364與TMS320F2812硬件接口電路見圖3，TMS320F2812根據定子電壓、定子電流計算出cosΦ和θ，再根據蒸氣壓力和θ進行恒cosΦ和恒θ切換，并采用PID調節勵磁電流。

圖2 輸入信號調理電路Fig.2 Input signal conditioning circuit

圖3 ADS8364與TMS320F2812接口電路Fig.3 ADS8364 and TMS320F2812 interface

3 軟件設計

DSP主程序在對系統、外圍芯片接口、標志位和各種參數變量進行初始化后，循環查詢CAN和RS485總線的數據接收標志位，并根據相應的數據請求做出正確的處理。其流程圖見圖4。

5個中斷服務程序主要包括以下幾方面。

1）利用定時器1啟動定子電流、定子電壓和蒸氣壓力，在其中斷程序內讀出轉換結果并放入相應的數據組中。采樣間隔由DSP2812捕獲的中斷所測得的交流信號頻率來確定。

2）為了能在極短的時間內對勵磁裝置進行控制，應把所需的計算和控制方法放在定時器3的中斷程序中完成：對定子電壓和定子電流運用128點傅里葉算法，得到cosΦ和功角θ；根據蒸氣壓力上限值和功角θ上限值決定采用恒功率因數調節方式還是恒功角調節方式。

功率因數和功角按以下方法進行實時測量。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

3）利用CAN通信接收觸摸屏的請求并進行處理，置CAN接收標志位為1，表示接收數據完畢，通過CAN總線向其發送測量參數、勵磁參數，并接收觸摸屏下傳的修改數據，根據相應的數據進行調節。

4）利用RS485通信接收上位機的請求并進行處理，置RS485接收標志位為1，表示接收數據完畢，向其上傳測量參數、開關狀態信息，并接收上位機發出的操作命令，進行相應控制。

5）利用時間管理的EVA單元的CAP2引腳對同步脈沖進行上升沿捕獲，DSP2812的主頻為120 MHz，用測周期法得到機端頻率。

4 測試記錄

測試環境：石家莊市某集團有限公司12 MW背壓式余熱發電機1臺。汽輪機排氣壓力最大值為5.5 MPa。

測試內容：改變汽輪機排氣壓力，比較三閉環調節與雙閉環調節方式下的發電機運行穩定性。

測試標準：發電機實測功率因數為設定值（滯后0.90），判為節能；實測功率因數為超前，判為失步。

測試記錄見表1。

表1 測試記錄Tab.1 Test record

余熱發電機勵磁三閉環調節既保證了汽輪機排氣壓力在正常范圍內發電機的節能性，又保證了汽輪機排氣壓力大于最大值時發電機的穩定性，克服了勵磁恒功率因數雙閉環調節在汽輪機排氣壓力大于最大值時發電機進相運行和失步停車的弊端。

5 具體實施及效果

石家莊市某集團有限公司1臺12 MW余熱發電機提供全廠10%的發電量，該發電機勵磁控制系統以前為恒功率因數調節模式，余熱發電系統每年因失步造成的故障停車為3至4次，每次直接經濟損失約100萬元，并向大氣排空高壓水蒸汽。2010年對該勵磁控制系統進行了改造，使用了筆者所述控制系統，解決了余熱發電機恒功率因數調節模式下易失步的問題，系統穩定運行至今，1年為全廠減少經濟損失約400萬元，受到用戶好評。具體測試數據如下。

1）過載能力：1.4倍；

2）勵磁系統響應時間：上升不大于0.08 s，下降不大于0.15 s；

3）閉環動態特性：超調量不大于5%，電壓振蕩次數低于2次；

4）功率因數控制精度：1%；

5）功角控制精度：1%。

［1］宋 佳，王利強.利用DSP實現同步電動機功率因數閉環調節［J］.河北工業科技（Hebei Journal of Industrial Science and Technology），2010，27（6）：486-488.

［2］陸繼明.同步發電機微機勵磁控制［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［3］余祖俊.微機檢測與控制應用系統設計［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［4］河北省電子信息技術研究院.同步電動機勵磁恒功角θ閉環自動調節方法［P］.CN：ZL200510012726.8，2008-01-09.

［5］趙 利.同步電動機勵磁電流計算與用電系統功率因數提高［J］.河北工業科技（Hebei Journal of Industrial Science and Technology），2011，28（1）：26-29.

DSP control system of waste heat generator excitation based on power angle stability

XU Qiang
（Institute of Electronics and Information Technology of Hebei Province，Shijiazhuang Hebei 050071，China）

Compared with coal-fired power generation，steam pressure of waste heat power generation has the characteristic of mutation.Now the domestic waste heat generator excitation uses constant power factor regulating mode after connected with power grid.When steam pressure of steam turbine mutates，due to that active power mutation at the same direction，the generator power-angle will change at the same direction too.When power-angle is more than the allowable value，generator may be out-of-step parking.Three closed loop excitation control devices based on DSP is developed to solve this problem.When the steam pressure is greater than the maximum value，generator works at constant power angle.When the steam pressure is less than maximum value，generator works at constant power factor mode.Before connected with power grid，generator works at constant exciting current mode，so that the generator is always energy-saving and in reliable operation.

DSP；constant power factor；constant power angle；excitation three closed loop

TP273

A

1008-1542（2012）05-0439-04

2012-05-15；

2012-09-02；責任編輯：陳書欣

河北省科技支撐計劃項目（10253519D）

許 強（1966-），男，河北石家莊人，高級工程師，碩士，主要從事余熱發電機勵磁系統節能控制技術方面的研究。