同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁試驗(yàn)平臺(tái)的研究

向 增，劉覺民，韓 兵

(1.珠海萬力達(dá)電氣股份有限公司，廣東珠海 519000;2.湖南大學(xué)，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(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)是用于電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室的重要設(shè)備，其對電力系統(tǒng)中的真實(shí)同步發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行物理模擬，以便研究電力系統(tǒng)中的大干擾問題和機(jī)電暫態(tài)過程。

本文介紹的數(shù)字式勵(lì)磁試驗(yàn)平臺(tái)為勵(lì)磁控制技術(shù)的研究提供一個(gè)物理的試驗(yàn)平臺(tái)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模擬勵(lì)磁系統(tǒng)主電路由功率單元、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器組成[1]。功率單元采用三相橋式整流電路，由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制整流觸發(fā)角α的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓。為同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場提供直流電流，建立磁場。圖1為30 kVA勵(lì)磁裝置的結(jié)構(gòu)框圖[2]。

圖1 同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)框圖

1.2 勵(lì)磁裝置的硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)中，根據(jù)30 kVA勵(lì)磁裝置的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以DSP單片機(jī)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(fā)脈沖等。

頻率跟蹤模塊將發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。利用DSP捕捉單元捕捉方波信號(hào)的上升沿或下降沿，確定發(fā)電機(jī)定子電壓的頻率。LM324單端供電，做比較器用，每當(dāng)輸入信號(hào)從負(fù)電壓過零跳變到正電壓時(shí)，其輸出端電壓就從－12 V變成+12 V，經(jīng)過限幅和隔離后接到DSP事件管理器的捕獲單元端口CAP。當(dāng)CAP捕獲到方波信號(hào)的上升沿時(shí)，保存計(jì)數(shù)器的值記為T2CNT1，當(dāng)一個(gè)周期結(jié)束即下一個(gè)脈沖上升沿到來時(shí)，記錄計(jì)數(shù)器的值記為T2CNT2，得到相鄰兩次上升沿的計(jì)數(shù)器值n=T2CNT2－T2CNT1，假定計(jì)數(shù)器頻率為fc，則機(jī)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(tǒng)需要的電氣參量，如發(fā)電機(jī)機(jī)端相電壓、電流，整流電路的電壓、電流等進(jìn)行采樣。由于現(xiàn)場采樣信號(hào)不能直接送入DSP的A/D單元，需要調(diào)理電路調(diào)整電壓。

本文以發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)理電路為例來介紹A/D調(diào)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(zhuǎn)換成電壓值的范圍為－0.5～0.5 V。由于A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)需求，采樣信號(hào)必須是正極性電壓。圖3中前一個(gè)運(yùn)算放大器是給輸入信號(hào)加0.5 V的偏置電壓，后一個(gè)運(yùn)算放大器是將輸入信號(hào)進(jìn)行反向放大三倍，使最后采樣電路的輸出信號(hào)為0～3 V的脈動(dòng)直流電流，送入A/D轉(zhuǎn)換器。圖3為對發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓采樣調(diào)理電路。

圖3 機(jī)端電壓調(diào)理電路

1.3 高頻觸發(fā)列

在微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)變流電路中，用于電氣隔離的晶閘管觸發(fā)脈沖變壓器對高電平不具備保持能力，傳輸觸發(fā)脈沖的寬度遠(yuǎn)小于晶閘管導(dǎo)通時(shí)實(shí)際所需的脈沖寬度。如不采取措施，將導(dǎo)致晶閘管不能可靠觸發(fā)，整流輸出波形不穩(wěn)定，勵(lì)磁系統(tǒng)不能正常工作。通常采用模擬電路或數(shù)字電路生成高頻脈沖列以代替一定寬度的觸發(fā)脈沖[5]。

在本勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中，采用高頻觸發(fā)脈沖列作為移相觸發(fā)脈沖，程序包括三個(gè)中斷:(1)當(dāng)DSP捕獲到過零點(diǎn)后，進(jìn)入CAP捕獲中斷處理程序。首先，計(jì)算發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的周期;然后，判斷是否允許觸發(fā)(是否缺相、是否對應(yīng)正序或負(fù)序)。若不允許，將PWMx口設(shè)為高阻態(tài)，并禁止全比較中斷;若允許觸發(fā)，根據(jù)相序相位自適應(yīng)算法進(jìn)行推算，準(zhǔn)備對哪兩路PWMx置高;最后將觸發(fā)角α+30°所對應(yīng)的計(jì)數(shù)器值賦給T2CNT。(2)在T2比較中斷中，使能T2周期中斷標(biāo)志，根據(jù)周期中斷次數(shù)賦不同值給T2PR，8個(gè)高頻脈沖共需要16次周期中斷。(3)T2PR周期中斷中，根據(jù)觸發(fā)順序設(shè)置對應(yīng)兩路的PWMx電平，并根據(jù)周期中斷次數(shù)來設(shè)置下一周期值。移相觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生，需要精確定時(shí)，設(shè)置好定時(shí)器的預(yù)定標(biāo)、定時(shí)時(shí)間、主頻頻率等參數(shù)，并在定時(shí)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(shè)置頻率是否與波形的頻率一致。圖4為實(shí)現(xiàn)“雙窄脈沖觸發(fā)方式”的高頻脈沖列電壓波形。

圖4 “雙窄脈沖”高頻觸發(fā)列

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 變論域模糊PID控制

由于系統(tǒng)模型經(jīng)常發(fā)生變化，受外界影響較大。因此常規(guī)經(jīng)典的PID控制在實(shí)際運(yùn)行中需要經(jīng)常手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)。這給勵(lì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變論域模糊自調(diào)整PID勵(lì)磁控制器采用模糊推理方法對參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足不同工況對控制參數(shù)的不同要求，仿真結(jié)果表明，其與經(jīng)典PID勵(lì)磁控制器和傳統(tǒng)的模糊PID勵(lì)磁控制器相比，在改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)及對系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變時(shí)的魯棒性[7]均優(yōu)于常規(guī)PID勵(lì)磁控制器。

利用變論域模糊PID控制器的優(yōu)勢。設(shè)計(jì)基于變論域模糊PID控制的電壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 變論域模糊PID勵(lì)磁控制器框圖

為達(dá)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(tǒng)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(jié)合模糊推理規(guī)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(shí)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(diào)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(diào)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(diào)性、協(xié)調(diào)性、正規(guī)性。常見的函數(shù)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(yīng)具有與誤差的單調(diào)一致性，而輸出變量ki的伸縮因子則具有與誤差的單調(diào)反向性。亦即輸出論域的伸縮因子應(yīng)使得輸出變量kp和ki適當(dāng)大，kd適當(dāng)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(lì)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(huán)2部分。初始化主要包括系統(tǒng)初始化、中斷初始化、軟件初始化和參數(shù)初始化;循環(huán)部分則主要是調(diào)用與協(xié)調(diào)各功能模塊(子程序)的工作。各子程序完成勵(lì)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(fā)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(yàn)結(jié)果與分析

將該勵(lì)磁裝置在一臺(tái)30 kVA同步三相發(fā)電機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)如下:發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓111 V，發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流5.1 A，強(qiáng)勵(lì)倍數(shù) 2.0。

在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)室中，對30 kVA模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行測試，主要對其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明，30 kVA型模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能良好，無功控制穩(wěn)定，能真實(shí)再現(xiàn)基于DSP實(shí)際發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁工作狀況。

開環(huán)特性表示發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的運(yùn)行特性，根據(jù)控制方式的不同，可分為手動(dòng)方式起動(dòng)和恒觸發(fā)角方式起動(dòng)等。發(fā)電機(jī)原動(dòng)控制系統(tǒng)開機(jī)起動(dòng)發(fā)電機(jī)組，升速到額定轉(zhuǎn)速后，分別按不同的方式起動(dòng)，記錄每次起動(dòng)的數(shù)據(jù)如表1所示。

自動(dòng)方式起動(dòng)時(shí)，無需“增磁”，發(fā)電機(jī)自動(dòng)建壓到額定電壓的90%。起動(dòng)過程中，機(jī)端電壓超調(diào)量小于10%，無明顯振蕩，4～5 s后機(jī)端電壓平穩(wěn)。手動(dòng)方式和恒觸發(fā)角方式起動(dòng)均需要“增磁”，由表1可知，采用手動(dòng)方式起動(dòng)的特性較好，數(shù)字控制精確，平穩(wěn)不抖動(dòng)，對發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的沖擊小。

表1 手動(dòng)方式(恒勵(lì)磁電流)

4 結(jié)語

本文采用DSP作為勵(lì)磁裝置的控制核心。試驗(yàn)表明，該勵(lì)磁裝置的性能令人滿意。這種基于DSP的模擬勵(lì)磁裝置為電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)提供了良好試驗(yàn)平臺(tái)。該勵(lì)磁裝置技術(shù)領(lǐng)先，可靠性、智能化程度高，具有很好的推廣價(jià)值。

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