同步发电机最优励磁控制器的设计与实现

张立涛，田云飞，李梅

（1.甘肃省电力设计院，甘肃兰州 730050；2.甘肃省电力公司电力经济技术研究院，甘肃兰州 730050）

同步发电机励磁控制是保证电力系统安全稳定运行和改善电力系统动态品质的一项重要措施。随着电力系统的发展，对发电机励磁提出了更高的要求，除了合理分配并联机组的无功功率外，还要求励磁控制系统能够提高电力系统的静态和动态稳定性及暂态稳定性。国内外的研究和实践证明，励磁控制系统不仅能提高电力系统稳定运行极限，而且通过附加控制，能抑制低频振荡和次同步振荡，所以优化励磁控制系统对整个电力系统的正常运行具有重要的意义[1]。

本文将最优控制理论用于同步发电机的励磁控制系统，设计出一种以TMS320LF2407A为核心的新型励磁控制器[2]。实验结果表明，该控制器能有效抑制电力系统的低频振荡，提高静态稳定极限，并可改善动态品质。

1 励磁控制系统整体构成

本文所述的励磁控制系统如图1所示，采用自并励励磁方式[3]，主电路包括励磁变压器、功率单元、起励、灭磁等部分。

图1 励磁控制系统结构图Fig.1 Structure of excitation control system

励磁控制器是调节发电机电压及无功功率的控制部分，其将机端三相电压和电流、转子电压和电流通过信号测量调理电路将信号隔离并处理，经数字量采集算法及数字滤波，实现对励磁系统数据的采集。调节器根据测量到的机端电压、有功功率、无功功率和励磁电压等，实现对发电机励磁系统的控制，使机端电压维持在恒定值。

2 最优励磁控制器设计

2.1 最优励磁系统的数学模型

为使研究具有一般性，本文以典型的单机无穷大系统（如图2所示）为例设计发电机全状态量反馈的最优励磁控制器[4]。

图2 单机无穷大系统Fig.2 Single machine infinite bus system

其中，Ut为机端电压；XT为变压器电抗；XL为线路电抗；US是无穷大电网电压。根据系统的运动方程得到状态方程为：

因本文设计的是可控硅自并励励磁系统，励磁机时间常数Te=0，那么控制量ΔUR就是发电机励磁绕组电压ΔEfd。于是系统状态方程简化为以下三阶的形式：

式中，其输出状态反馈量ΔPe为发电机当前有功出力Pe与均值Peavg的差；Δω为转子转速当前值ω与均值ωavg的差；ΔUt为发电机端电压与给定量的偏差。

确定了状态方程以后，设计该最优励磁系统时，选择二次型性能指标：

采用以上性能指标，就意味着要求所设计的最优励磁控制器，能够在动态过程中保证所选取的状态变量ΔPe、Δω、ΔUt的平方和对时间的积分达极小值，且使得所需要的控制能量Uc的值适当。

根据最优控制理论，可得到：k=R－1BTP，P为对称正定矩阵。

则由黎卡梯方程：

通过迭代法求解：

若A－BR－1BTP0是渐进稳定的，即可得到最优控制解为：

其最优反馈增益矩阵：

由此得到线性最优励磁控制规律：

可知最优控制量u=ΔEfd为各状态量的最优线性组合。

2.2 控制算法的微机实现

装置运行时，不断对发电机定子电压Vt及定子电流I、励磁电流If和机端电量频率f进行测量，并计算发电机有功功率PG和无功功率QG的当前值[5]。根据机端电压变化ΔVt、有功功率变化ΔPG和频率变化量，每20 ms计算一次可控硅控制角增量Δ坠。其中D为转换系数。

在K时刻，晶闸管触发角坠k=坠k－1+Δ坠。采用数字移相确定晶闸管触发角，即把坠k折算成对应的延时ta，再折算成计数脉冲个数Na。

在同步电压的自然换流点同步方波引起计算机外部中断，作为计时起点，CPU响应中断后将Na置入计数器。经Na个触发脉冲后立即输出相应的触发脉冲，触发脉冲经前置放大及切换电路到脉冲放大部分，去触发相应的晶闸管，实现实时最优控制。

3 控制系统功能的实现

3.1 交流采样的实现

励磁调节器的电压、电流信号分别取自发电机机端PT和CT。PT的输出为0~100 V的交流信号，CT的输出为0~5 A的交流信号，而TMS320LF2407A的A/D输入信号为0~3 V[2]，所以必须添加交流信号的调理电路以满足A/D输入的要求。交流信号调理电路如图3和图4所示。

图3 电压调理电路Fig.3 Voltage conditioning circuit

图4 电流调理电路Fig.4 Current conditioning circuit

由PT、CT输出的电压、电流信号经霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，再经过运放可得到峰值为-1.5 V~+1.5 V的交流信号。再由电平抬高电路将其抬高1.5 V，得到峰值为0~3 V的信号，接入DSP的A/D输入通道ADCIN。

3.2 实时频率跟踪

在交流采样中，需要实时跟踪频率，调整交流采样周期，使交流采样间隔随电网频率的变化而变化，以提高数据采集的精度[6]。频率测量电路如图5所示。

图5 频率测量电路Fig.5 Frequency measuring circuit

频率测量电路将机端电压信号经电压比较器整形成方波，并经过电平转换器件74LVTH16245转换后，接入DSP的捕获单元CAP1。当CAP1捕获到方波信号的上升沿时，启动定时器T2，并且保存计数器的值T2CNT。当再次捕获到方波信号的上升沿时，读取T2计数器的值，测量2次跳变的时间间隔，便可得到当前的系统频率f。

3.3 交流采样的软件实现

首先，由频率测量电路获得当前系统频率f。在每次捕获到上升沿时，由软件启动ADC，同时启动定时器T1，并更新比较寄存器中的数值，修改为下一周期的采样间隔（1/（Nf））。当定时器T1发生比较中断时，启动 ADC，这样便可在每个周期内均匀地采样N个点。在本文设计中N=32。每次ADC转换完成时，对A/D采样的数据进行读取和处理。即对所采集的电压、电流信号进行32点的均方根计算，计算出机端电压、机端电流以及有功功率和无功功率。

3.4 触发脉冲的直接形成

励磁调节器根据交流采样得到的数据计算出移相触发角坠。假定计数器频率为fc，由f=fc/n分别计算出对应α电角度的计数脉冲个数和60°电角度的计数脉冲个数。移相脉冲的形成由通用定时器T3和T4实现，由DSP的引脚PWM1~PWM6发出，其分别对应整流桥的+A、-C、+B、-A、+C、-B晶闸管。移相脉冲示意图如图6所示。

图6 脉冲移相示意图Fig.6 Sketch diagram of pulses phase-shifting

假设脉宽对应的计数脉冲个数为n3，当 CAP1捕获到同步信号的上升沿时，设定T3的比较寄存器T3CMPR为n1，周期寄存器T3PR为n1+n3，并启动T3。当T3发生比较匹配事件时，置PWM1为高；当T3发生周期匹配事件时，置PWM1为低。同时复位T3，准备下一次触发脉冲，并设定T4的比较寄存器T4CMPR为n2－n3，周期寄存器T4PR为n2，启动T4，便形成了+A晶闸管的触发脉冲。后5个脉冲由T4完成，当T4第一次发生比较匹配事件时，置PWM2为高；当T4发生第一次周期匹配事件时，置PWM2为低。只需稍加改动T3、T4的匹配事件，即可发出双窄脉冲。

3.5 整流触发脉冲

图7为脉冲功放电路补发脉冲输出的三相整流触发脉冲其中的4路。采用双窄脉冲触发，脉宽150（电角度），脉冲幅值3.3 V。从图7可以看出该触发信号具有较高的触发精度。

图7 三相全控整流触发脉冲Fig.7 Trigger pulses of the three-phase full-controlled rectifier

4 试验结果

该控制系统调试完成后，在一台小型实验发电机上进行了一系列的试验，包括空载起励、单机带负荷、逆变灭磁等试验。试验结果表明，其性能满足国家标准的要求。

4.1 起励试验

使同步发电机端电压从残压升至额定值380 V，发电机电压响应曲线如图8所示。由图8可知，该励磁控制系统能可靠地实现零起升压，升压过程平稳且稳定在380 V。

图8 起励响应曲线Fig.8 Initial excitation response curve

4.2 阶跃响应试验

对发电机进行±10%阶跃试验，其阶跃响应曲线如图9所示。由图9可知，调节时间ts＜4 s，超调量Mp＜25%，调节过程平稳。

4.3 逆变灭磁试验

当发电机出现内部故障、V/F限制动作、空载过压时，程序都将设定坠=135°，进行逆变灭磁，以防止发电机转子线圈过压。图10给出逆变灭磁曲线，由图可以看出波形平稳，且无颠覆。

图9 ±10%阶跃响应曲线Fig.9 ±10%step response curve

图10 逆变灭磁曲线Fig.10 Inverter de-excitation curve

5 结论

基于TMS320LF2407A的同步发电机励磁控制器充分利用了该DSP芯片数据处理能力强、片内外设丰富的特点，实现了交流采样、频率测量、移相触发等功能，简化了励磁控制器的硬件结构，提高了系统的可靠性。试验结果表明，该控制器能够有效抑制系统的低频振荡，提高系统的抗干扰能力和暂态稳定性。

[1] 李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京:中国电力出版社，2002.

[2] 刘和平，张学锋，严利平，等.TMS320LF240xDSP结构原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

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