同步發電機勵磁試驗平臺的研究

向 增，劉覺民，韓 兵

(1.珠海萬力達電氣股份有限公司，廣東珠海 519000;2.湖南大學，湖南長沙 410082;3.大唐華銀電力股份有限公司，湖南長沙 410082)

0 引言

同步發電機模擬勵磁系統是用于電力系統動態模擬實驗室的重要設備，其對電力系統中的真實同步發電機及其勵磁系統進行物理模擬，以便研究電力系統中的大干擾問題和機電暫態過程。

本文介紹的數字式勵磁試驗平臺為勵磁控制技術的研究提供一個物理的試驗平臺。

1 硬件設計

1.1 系統結構設計

模擬勵磁系統主電路由功率單元、勵磁調節器組成[1]。功率單元采用三相橋式整流電路，由勵磁調節器控制整流觸發角α的大小，進而調節勵磁電壓。為同步發電機的轉子磁場提供直流電流，建立磁場。圖1為30 kVA勵磁裝置的結構框圖[2]。

圖1 同步發電機模擬勵磁系統框圖

1.2 勵磁裝置的硬件設計

在硬件設計中，根據30 kVA勵磁裝置的特點，設計了以DSP單片機為控制核心的外圍硬件電路[3-4]。包括頻率跟蹤模塊、A/D采樣模塊、移相觸發脈沖等。

頻率跟蹤模塊將發電機機端電壓的正弦波信號轉換成方波信號。利用DSP捕捉單元捕捉方波信號的上升沿或下降沿，確定發電機定子電壓的頻率。LM324單端供電，做比較器用，每當輸入信號從負電壓過零跳變到正電壓時，其輸出端電壓就從－12 V變成+12 V，經過限幅和隔離后接到DSP事件管理器的捕獲單元端口CAP。當CAP捕獲到方波信號的上升沿時，保存計數器的值記為T2CNT1，當一個周期結束即下一個脈沖上升沿到來時，記錄計數器的值記為T2CNT2，得到相鄰兩次上升沿的計數器值n=T2CNT2－T2CNT1，假定計數器頻率為fc，則機端電壓頻率f=fc/n。圖2為頻率測量電路。

圖2 頻率跟蹤模塊電路

A/D采樣模塊利用DSP的A/D單元對系統需要的電氣參量，如發電機機端相電壓、電流，整流電路的電壓、電流等進行采樣。由于現場采樣信號不能直接送入DSP的A/D單元，需要調理電路調整電壓。

本文以發電機端電壓調理電路為例來介紹A/D調理電路。交流電壓采樣電路采用中精密電流型電壓互感器TV1013-1，其輸入輸出的額定電流為2 mA/2 mA，互感器輸入端的限流電阻R1為51 kΩ，采樣電阻R2為250 Ω，轉換成電壓值的范圍為－0.5～0.5 V。由于A/D轉換器的信號需求，采樣信號必須是正極性電壓。圖3中前一個運算放大器是給輸入信號加0.5 V的偏置電壓，后一個運算放大器是將輸入信號進行反向放大三倍，使最后采樣電路的輸出信號為0～3 V的脈動直流電流，送入A/D轉換器。圖3為對發電機機端電壓采樣調理電路。

圖3 機端電壓調理電路

1.3 高頻觸發列

在微機勵磁系統變流電路中，用于電氣隔離的晶閘管觸發脈沖變壓器對高電平不具備保持能力，傳輸觸發脈沖的寬度遠小于晶閘管導通時實際所需的脈沖寬度。如不采取措施，將導致晶閘管不能可靠觸發，整流輸出波形不穩定，勵磁系統不能正常工作。通常采用模擬電路或數字電路生成高頻脈沖列以代替一定寬度的觸發脈沖[5]。

在本勵磁調節器中，采用高頻觸發脈沖列作為移相觸發脈沖，程序包括三個中斷:(1)當DSP捕獲到過零點后，進入CAP捕獲中斷處理程序。首先，計算發電機機端電壓的周期;然后，判斷是否允許觸發(是否缺相、是否對應正序或負序)。若不允許，將PWMx口設為高阻態，并禁止全比較中斷;若允許觸發，根據相序相位自適應算法進行推算，準備對哪兩路PWMx置高;最后將觸發角α+30°所對應的計數器值賦給T2CNT。(2)在T2比較中斷中，使能T2周期中斷標志，根據周期中斷次數賦不同值給T2PR，8個高頻脈沖共需要16次周期中斷。(3)T2PR周期中斷中，根據觸發順序設置對應兩路的PWMx電平，并根據周期中斷次數來設置下一周期值。移相觸發脈沖的產生，需要精確定時，設置好定時器的預定標、定時時間、主頻頻率等參數，并在定時中斷中，將脈沖輸出管腳間隔置高、置低，最后可通過示波器檢測設置頻率是否與波形的頻率一致。圖4為實現“雙窄脈沖觸發方式”的高頻脈沖列電壓波形。

圖4 “雙窄脈沖”高頻觸發列

2 軟件設計

2.1 變論域模糊PID控制

由于系統模型經常發生變化，受外界影響較大。因此常規經典的PID控制在實際運行中需要經常手動調節參數。這給勵磁控制帶來了不便，而且控制效果也不甚理想[6]。

2.1.1 控制器結構設計

變論域模糊自調整PID勵磁控制器采用模糊推理方法對參數進行在線調整，以滿足不同工況對控制參數的不同要求，仿真結果表明，其與經典PID勵磁控制器和傳統的模糊PID勵磁控制器相比，在改善系統動態品質及對系統參數發生改變時的魯棒性[7]均優于常規PID勵磁控制器。

利用變論域模糊PID控制器的優勢。設計基于變論域模糊PID控制的電壓調節器結構如圖5所示。

圖5 變論域模糊PID勵磁控制器框圖

為達到滿意的控制精度，定義:[－e0，e0]為輸入變量e的基本論域;[－e∞，e∞]為輸入變量ec的基本論域;[－kp0，kp0]為輸出變量 kp的基本論域;[－ki0，ki0]為輸出變量 ki的基本論域;[－kd0，kd0]為輸出變量 kd的基本論域。為簡單起見，統一如下:Xp=[－Ep，Ep](p=1、2)為輸入變量 Xp(p=1、2)的基本論域，Yq=[－kq，kq](q=1、2、3)為輸入變量 yq(q=1、2、3)的基本論域。7)為Xp上的模糊劃分;上的模糊劃分，則結合模糊推理規則:如果x1是 a1j，且 x2是 a2j，那么 y1就是 bj－1，y2就是 bj，y3就是bj+1。此時有

2.1.2 伸縮因子的選擇

所謂變論域是指論域可以分別隨著輸入變量和輸出變量的變化而自行調整，即論域Xp和Yq可以分別隨著變量xp和yq的變化而自行調整，推廣記為:輸入變量是基本論域X(x)=[－α(x)E，α(x)E]，輸出變量是基本論域Y(y)=[－β(y)K，β(y)K]，其中 α(x)與 β(y)稱為論域的伸縮因子。E表示輸入變量e和ec，K表示輸出變量kp，ki和kd，相對于變論域而言，原來的論域稱為初始論域。一般地，伸縮因子滿足對偶性、避零性、單調性、協調性、正規性。常見的函數有

α(x)=1 － λe－kx，λ ∈ (0，1)，k ＞ 0

α(x)表示輸入變量論域的伸縮因子，β(x)表示輸出變量論域的伸縮因子。

本文中對于輸入論域的伸縮因子，選用:α(x)=1－ λe－kx，λ∈(0，1)，k ＞0;這里取 λ =0.6、k=0.5;x 表示輸入變量 e或 ec。

對于輸出論域的伸縮因子，考慮后kp，ki和kd對控制性能的影響，采用原則:輸出變量kp和kd的伸縮因子應具有與誤差的單調一致性，而輸出變量ki的伸縮因子則具有與誤差的單調反向性。亦即輸出論域的伸縮因子應使得輸出變量kp和ki適當大，kd適當小。為此選取輸出變量kp和ki的論域伸縮因子為0.7)，亦即

論域的伸縮變化如圖6所示。

圖6 論域的伸縮變化示意圖

2.2 主程序流程圖

勵磁軟件主要由主程序、各子程序及中斷程序組成。其中主程序分為初始化與循環2部分。初始化主要包括系統初始化、中斷初始化、軟件初始化和參數初始化;循環部分則主要是調用與協調各功能模塊(子程序)的工作。各子程序完成勵磁各種控制或限制等功能;中斷程序完成模擬量采樣、測頻及脈沖觸發等工作。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3 試驗結果與分析

將該勵磁裝置在一臺30 kVA同步三相發電機上進行試驗。試驗系統的參數如下:發電機額定勵磁電壓111 V，發電機額定勵磁電流5.1 A，強勵倍數 2.0。

在電力系統動態模擬試驗室中，對30 kVA模擬發電機勵磁系統進行測試，主要對其靜態和動態性能進行測試。結果表明，30 kVA型模擬發電機勵磁系統的動靜態性能良好，無功控制穩定，能真實再現基于DSP實際發電機的勵磁工作狀況。

開環特性表示發電機勵磁系統起動時的運行特性，根據控制方式的不同，可分為手動方式起動和恒觸發角方式起動等。發電機原動控制系統開機起動發電機組，升速到額定轉速后，分別按不同的方式起動，記錄每次起動的數據如表1所示。

自動方式起動時，無需“增磁”，發電機自動建壓到額定電壓的90%。起動過程中，機端電壓超調量小于10%，無明顯振蕩，4～5 s后機端電壓平穩。手動方式和恒觸發角方式起動均需要“增磁”，由表1可知，采用手動方式起動的特性較好，數字控制精確，平穩不抖動，對發電機和電網的沖擊小。

表1 手動方式(恒勵磁電流)

4 結語

本文采用DSP作為勵磁裝置的控制核心。試驗表明，該勵磁裝置的性能令人滿意。這種基于DSP的模擬勵磁裝置為電力系統動態模擬實驗室試驗提供了良好試驗平臺。該勵磁裝置技術領先，可靠性、智能化程度高，具有很好的推廣價值。

[1]李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用[M].北京:中國電力出版社，2002.

[2]付義，劉覺民，魯文軍.利用改進prony算法的勵磁調節器中PSS的設計[J].電力自動化設備，2011，4(31):82-86.

[3]Texas Instruments Incorporated.TMS320F28x EV Peripheral Reference Guide[G].2003.

[4]Texas Instruments Incorporated.TMS320F28x Serial Communication Interface(SCI)Peripheral Reference Guide[G].2002.

[5]劉覺民，付義，向增，等.微機控制高頻脈沖列實現晶閘管“雙窄脈沖觸發”的研究與應用[J].湖南大學學報(自然科學版)，2011，38(12):40-45.

[6]揭海寶，康積濤，李平.基于變論域模糊PID控制的同步發電機勵磁研究[J].電力自動化設備，2011:101-104.

[7]盧強，孫元章.電力系統非線性控制[M].北京:科學出版社，1993.