基于DSP的水電站自動勵磁調節器研究

韋曉雙

摘? 要：勵磁調節器是發電機系統的核心應用部件，它不僅能夠控制發電機的輸出電壓，還能靈活了解電力系統的運行效率，對并聯運行發電機的無功功率進行合理調整。自動勵磁調節器目前已經在我國各大中小水電站普及起來，如今水電站對勵磁調節器的應用能力有了顯著的提升。基于DSP的水電站自動勵磁調節器的誕生，深受半導體器件應用和計算機技術發展的影響，很多大中型的水電站目前都已經完成了現代化電子技術的開發和新型控制系統的應用，這其中勵磁調節器的應用水平也在不斷的提升。本研究將主要關注點對準以DSP為核心的勵磁調節器，簡單敘述該系統的應用優勢和實際應用場景。

關鍵詞：DSP;水電站;自動勵磁調節器

前言

勵磁調節器是發電機系統最為核心的零部件，因此為了保證發電機系統的正常穩定運作，勵磁調節器需要確保自身應用的可靠性和強勵性[1]。自動勵磁調節器是20世紀之后才進入到人們視線中的，在此之前，直流機勵磁系統、電抗移相式勵磁系統以及電抗分流式相復勵勵磁系統是我國很多中小水電站主要使用的勵磁方式。這些傳統的勵磁系統在應用過程中出現問題和故障的幾率太高，很多系統在應用過程中并不能對發電機系統起到保護作用，反而會降低供電的可靠性。因此受現實應用問題的影響，當進入到二十世紀之后，在計算機系統和現代化電力電子技術的影響下，全新的自動勵磁調節器應運而生，并被廣泛的應用到很多大中型水電站，開始在這些樞紐系統中發光發熱。DSP可翻譯為數字信號處理器，擁有強大的運算功能，以DSP為核心的勵磁調節器能夠實現自動控制和自動調節，其應用效率和應用可靠性很強，符合當前我國水力站點的應用需求和發展實際。

一、基于DSP系統的水電站自動勵磁調節器應用優勢

（一）可靠性高

DSP系統自帶強大且成熟的硬件技術應用水平，作為一種獨特的微處理器，他利用數字信號來處理大量信息，具備大規模集成電路工藝水平和應用能力，是當前較為先進的軟件應用類系統之一。DSP的合理應用有效提高了勵磁調節器的應用可靠性和科學性，能夠滿足當前發電機系統的運轉需求。

（二）使用性能優越

勵磁調節器在使用過程中越來越依賴軟件技術，本研究選用的微機式勵磁調節器與同類型系統相比較而言，本身就擁有較明顯的使用優勢，有了DSP系統的加持，讓微機式勵磁調節器在全部功能都可以順暢應用的基礎之上，還能夠實現包括勵磁電流限制以及設備軟件功能保護等在內的多種模式的輔助功能。這在勵磁調節器應用過程中并不常見。此外，DSP能夠同時兼顧勵磁調節器的軟件模塊和硬件模塊，用戶可以根據發電機和不同系統應用環境下的勵磁功率來對單元單體應用情況進行選取。這樣系統能夠將不同功能單獨分解出來以供使用，不僅可以獲得更多功能，還能夠更好的滿足具體要求，自動對勵磁調節系統進行調整。最后在實際運行過程中，DSP為核心的自動勵磁調節器顯然具備更好的運行狀態，還能夠根據發電機組和電力系統運行數據的反饋對勵磁調節器自身的應用情況進行調整，控制參數可以實現在線調節，這樣一來勵磁調節系統的性能使用情況會有更好的保障[2]。

（三）維修方便

因為使用了最為先進的數字化模擬系統，因此勵磁調節器的硬件結構已經最大程度簡化，軟件功能全面化使目前微機式勵磁調節器的主要發展方向，使用過程中很多的系統參數和使用單位都已經陸續實現了電子化和數字化，比如電壓值的控制，控制參數的基本設定和整體設定這些板塊。與傳統的勵磁調節設備相比較而言，以DSP為核心的自動勵磁調節器后期運行過程中自檢自查能力有所升級，因此很多自動化設備運行障礙被減輕，直接降低了維修難度和強度，整體維修量也大大減少。

二、基于DSP系統的自動勵磁調節器硬件結構設計

（一）總結構設計

作為發電機勵磁系統的重要核心構件，勵磁調節器的使用直接關系到了發電機的正常運行效率，在實驗設計過程中必須要把勵磁調節器的優越性和可靠性作為設計的基礎要點進行把控。首先需要觀察日常使用過程中容易出現的幾類問題，一是發電機正常運行過程中負荷變化會影響發電機端電壓的變化情況，勵磁調節器能夠將其維持在一定水平上，有效控制電流的增大或減少，避免設備出現極端電壓值。而當機組的負荷減少時，勵磁調節器還需要保證能夠合理控制負荷，避免發電機機端電壓無限制升高。最后作為靜止半導體，歷次調控系統需要對無功功率進行控制并穩定各組間的分配情況。本研究所針對的DSP系統控制下的自動勵磁調節器需要具備以上功能。因而本研究選擇了由T1公司生產的TMS320LF2407A作為核心控制芯片，發電機系統的所有開關量信息均由開關量通道進行采集和處理，芯片負責對脈沖調制放大單元、脈沖故障檢測單元直接負責，并與開關量輸出及輸入通道、人機接口進行信息對接，同時模擬量輸入通道與同步電路為芯片運行負責。

（二）輸入通道硬電路模擬量采集

不同的采樣信號需要用到不同的模擬量采集，主要分為交流采樣和直流采樣。交流采樣是指對被測信號的瞬間值進行檢查，按照相對應的規律和計算方法對測量數據進行分析和處理，以此來獲得準確對應的測量方法。這樣的采樣模式對頻率的要求較高，因此硬件電路輸出過程中最好具備較強的數據分析能力和高速的采樣頻率。實際使用過程中具備的優勢有實用性好，相位失真率小，投資少，缺點在于算法復雜，單位時間內對CPU處理的速度要求高。只適用于部分投入較大，較為全面化的水電站。直流采樣使選用一般模擬量變送器，按照一定量比例將交流量轉化為系統能夠直接識別的直流電壓。該模式的應用非常簡潔明了，易上手，缺點就在于采樣效果的實時性較差，但是對轉換器速度的要求并不高，因此普適性強，使用范圍較廣。本研究適當選用交流電壓采樣電路，電壓互感器TV和電流互感器分別來自于同步發電機的機端電壓轉化成0--100V以及0--5A的交流信號，進行隔離轉換后一直要達到A/D轉換器能夠接受的范圍內。實驗設定本次交流電壓采樣點線路選擇的額定輸入和輸出電流分別為2mA和2mA，輸入端的限流電阻R1為51k，輸出端電流為2mA，采樣電阻的組織為250。電壓值轉換之后的幅值為-0.5V--+0.5V，由于單級A/D轉換器有大功率特點，因此采用點平抬升需要控制在三倍數值之間放大電路。最終得出的與原始信號同波狀而輸出在0--3V之間的脈動直流電流并將其傳輸到A/D轉換器中，最終完成電流的順利疏通。

三、基于DSP系統的自動勵磁調節器軟件結構設計

（一）總結構設計

同步發電機機自動勵磁調節器的整體調節過程是閉環，因此在該閉環中所有調節元素的運作是不受外部環境影響的，可以很好的保證系統的快速性和實時性。本研究將目標設定為更高要求，勵磁調節器需要滿足符合變化較快反應速度，同時也要具備發電機系統安全保護特性。除此之外，自動勵磁調節器的勵磁系統還需要具備一些限制功能，需要對設備運行過程進行強制限制或者欠勵限制。基礎性微機型自動勵磁調節器的以上功能基本都具備，而本研究主要對主程序和服務子程序這兩個部分進行優化設計。主程序包括初始化、開中斷、電量計算、調節限制和限制保護這幾個模塊的內容，服務子程序主要對信號捕捉、A/D轉換完成、移相脈沖、看門狗和人機界面以及顯示界面進行升級。而本文主要對調節控制模塊進行詳述。

（二）調節控制模塊設計

DSP勵磁控制器運行過程中，PID控制算法能夠實現高端控制，體現對機端電壓的合理調節，PID勵磁調節器作為發電機端電壓一側信號的反饋量，可以通過該系統進行合理調節，也就是說在最終信號傳輸到發電機端之前，可以通過一系列的過勵限制、欠勵限制和過壓保護來對電壓進行調節，最終實現模塊調節合理控制。本研究采用的PID算法模式與其他的算法相比有三個較為突出的優點，一是利用增量作為輸出，增強了控制器使用的穩定性，失誤動作的出現較少，也不會大幅度的改變其他的控制效果。二是能夠在自動和手動中互相準換，對切換過程條件要求低，沖擊較小。三是與其他類輸出算式相比增量式PID算法不需要對未知狀態偏差值進行累加，這樣只要計算出增量就能很好的控制最終結果，對控制量計算的影響幅度也不大。

結束語

通過對軟件和硬件系統進行分類設計與試驗，最終得出了較為先進且實用性較強的自動勵磁調節器應用，在滿足發電機電壓調節性能的基礎之上，還能夠很好的提升系統使用的穩定性和可靠性。

參考文獻：

[1]湯曉華，何新州，鄒登海，等. 基于AVR單片機的小水電勵磁系統遠控單元設計與實現[J]. 中國農村水利水電，2003（11）：83-85.

[2]萬軍，胡長生. 基于AVR單片機的光伏系統變步長MPPT控制[J]. 機械與電子，2008（4）：20-22