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小功率发电机励磁系统的恒功率因数控制


第10卷第6期 2006年11月










AND

学,报
CONTROL

Vol?10

No?6

ELECTRIC

MACHINE



Nov,2006

小功率发电机励磁系统的恒功率因数控制
贾贵玺1, 陈 起1, 董 钺1, 车学哲1, 贾国荣2
(1天津大学电气与自动化工程学院.天津300072;

2.贵州商业高等专科学校计算机科学与技术系,贵州贵阳550004)

摘要:针对单台并网运行的小功率同步发电机恒功率因数控制问题,采用励磁电流和功率因数 双闭环PID控制方法,并网前调节励磁电流使机端电压满足并网条件,并网后调节励磁使功率因数 恒定形成恒功率因数控制。以TMs320F2812型DSP为核。器件,充分发挥了它运算速度快,外设 功能强大的优点,设计出一种简单、实用励磁调节器,并通过了仿真试验和实验室调试。实验证明 系统具有投励准确,投励过程震荡小,功率因数稳定性高的特点。 关键词:同步发电机励磁系统;双闭环PID控制;数字信号处理器
中图分类号:TM341 文献标识码:A 文章编号:1007—449X(2006)06-0567—04

Constant power factor control for of the

excitation system

small synchronous generator
Xue.zhel,皿~Guo—ron92
300072,China;

J/A Gui.xi‘,CHEN Qil,DONG Yuel,CHE
(1
Electrical and Automation Collegein 2.Department of Computer Science and

Ti蚰jin University.Tianjin

Technology,Guizhou Commercial College,Cuiyang 550004,China)

Al№tract:Aiming at the problem of constant power factor control of the small synchronous generator nected
t0

con-

the grid.adopt the methods of excitation current and power fac【0r double?loop PID contr01.

Before connecting to

the函d,adjust
as

excitation current to make terminal voltage to meet connected
to

con—

ditions.After generator is connected to the grid,regulate excitation in order
tot.Take TMS320LF28 12 DSP powerful penpheral,design
a core

keep constant power fac—
as

device,give full play

to

its advantages such

fast speed and

kind of simple and pratical excitation controller.The experiment proves

that the system is

accurate

with

exciting,and

has exciting process of small shocks and power factor with

high

stability.

Key words:excitation system of synchronous generator;double—loop PID eonlxol;DSP

1引言
大型发电机组的励磁系统可以改善发电机及电 网的运行特性,当系统发生大扰动时,可减小电网电 压的波动,尽快排除发电机的故障能量,保证发电机
收稿日期:2006—04—04;修订日期:2006—09—19

的稳定运行,加快故障后系统电压的恢复“1。但对 于单台并网运行的小功率同步发电机,由于受容量 的限制,通过小机组励磁控制提高电压水平,进而改 善系统的稳定性是不现实的阻“。如果小机组在发 出有功的同时,不承担一定的无功出力,必然造成所

作者简介:贾贵玺(1954一),男,教授,研究方向为电力电子、自动控制; 胨起(1977一),男,在读硕士研究生,主要从事电力电子与电力传动的研完 重戗(1981一).男,博士研竞生,主要从事电力电子与磁悬浮技术的研究; 车学哲(1970一),男,硕士、讲师.主要从事电力电子与电力传动的研究; 贾国荣(1964一).男,教授,主要从事自动控制的研竞。

万方数据  

电机与控制学报 在区域的无功缺额扩大,使区域电压水平严重下降。 因此,确保小机组在发出一定有功的同时,发出相应 量的无功,即功率因数恒定是具有实际意义的”1。 发电机的功率因数由有功功率和无功功率共同决 定,有功功率通过原动机调速器来调节,其平衡程度 通过电压频率来反映,而无功功率可以通过励磁电 流直接调节,其平衡程度决定了传输线上电压的分 布情况,因此功率因数的恒定对于发电机及电网的 运行特性起着至关重要的作用。以往的励磁系统一 般采用励磁电流或机端电压的单闭环控制,其优点 是系统结构简单,静态性能指标较好。但其存在的 缺点也是非常明显的,一是系统起励建压过程中的 动态性能指标不理想,比如:超调量过大,响应时间 过长;二是电力系统对功率因数的准确性要求极高. 并网运行时功率因数由发电机向电网输出的有功功 率和无功功率共同决定。无功功率的太小主要取决 于流过发电机励磁线圈的励磁电流,可通过励磁系 统来调整;有功功率取决于原动机施加于发电机轴 上的机械功率,可通过涮速系统来调节。由于有功 功率和无功功率由两个环节来调节,当两个环节配 合不当时,就造成功率因数的波动。为了克服系统 的这一缺点,本文针对小功率同步发电机采用励磁 电流~功率因数双闭环控制系统”1,并网前凋节励 磁电流使机端电压满足并网条件,并网后调节励磁 使功率因数恒定形成恒功率因数控制。以
TMS320F2812

第lO卷

因数。故应取功率因数偏差信号的负值叠加在励磁
电流给定值上。

产岛蜀囊
图1双闭环系统结构 n孚1
Configurationofdoublecloseloopcontrolsystem

3系统的分析与设计
因为系统不以维持发电机端电压恒定为目标, 故励磁变压器接自电网,同时避免了起励问韪。但
励磁电源受电网电压波动影响,故将系统校正为典

型Ⅱ型系统,既提高了系统的抗扰性能,又保证了系 统的快速性。系统主电路采用可控硅三相全控桥, 控制策略采用PID控制,为减小超调,引入了微分反 馈。采样滤波单元对励磁电流的反馈值与给定值分 别加以滤波、变换,由于采用阻容滤波,故而可等效 为一个惯性环节,并且前向通道与反馈通道的惯性 环节相同,可做如图2的等效变换。根据电路设计,
可得n=0,003
s。

DSP作为核心器件,充分发挥了它运

算速度快,外设功能强大的优点,设计出了一套简
单、实用励磁调节器。

2励磁电流一功率因数双闭环系统的
结构及原理
励磁电流一功率因数双闭环系统的结构如图1 所示。在并网前,只投入励磁电流环,在电机磁路不 饱和的情况下,励磁电流的大小与发电机空载电势 的大小成正比,故调节励磁电流使发电机的空载电 势满足并网条件,配合转速调节器的调节即可使发 电机并网运行;并网后即投入功率因数环,在有功功 率输出不变的情况下调节励磁电流从而调节无功输 出即可调节功率因数。系统中通过实时检测功率因 数,与功率因数设定值相比较,求得偏差后,将偏差 信号乘以一个调整系数,而后将其叠加在励磁电流 给定值上,故功率因数外环本质上为比例控制,控制 系数可通过仿真反复尝试后确定。当实际功率因数 小于给定值时,偏差信号为正,此时须减小励磁电流 以提高功率因数;反之则须加大励磁电流减小功率


圈2采样滤波单元 Hg.2
SaralCAng and tLltering unit

由励磁控制器送来的控制信号属于弱电信号, 须经驱动电路作为晶闸管触发信号用以改变励磁绕 组电压,而驱动电路带脉冲变压器(起电气隔离作 用),故而可将该部分看作一个有放大功能的惯性 环节,时间常数取0.01 s。当控制信号发生变化时, 必须到下一晶闸管导通时才能改变触发角,故整流 桥亦可等效为一个惯性环节,时间常数取0.002
S。

由于系统采用余弦移相环节.励磁电压与控制信号 成线性关系,可将这两部分合并为一个放大倍数为 巧,时间常数为玎的一阶惯性环节。

万方数据  

第6期

小功率发电机励磁系统的恒功率因数控制

569

因为系统励磁变压器二次侧相电压有效值为
12.7

DSP芯片,较之常用的TMS320LF2407,具有运算速度

V,因此/q=2.34



12.7/3=9.9(F2812DSP

模拟输入最大为3 V),乃=0.012 s。在设计励磁调

快,功耗低,易于编程开发的特点渖。9 J。该芯片功能 外设极为强大,几乎不需外扩数字器件,外围模拟电 路主要包括同步信号发生电路、模拟信号采样电路、 供电及稳压电路和触发脉冲输出驱动电路等,数字电 路只有电平信号输入电路,大大简化了外围电路,提
高了系统可靠性。

节器时,可将其与采样滤波单元合并为一个惯性环
节,时间常数T,=0.015 S。励磁电压与励磁电流之 间的关系亦可用一阶惯性环节来描述,由于励磁绕

组时间常数较大,故可将其近似为积分环节,其时间
常数t取2
s。

在本文所设计的系统中,采用定时器2的周期 匹配作为采样启动信号,周期寄存器值即为采样周
期0.002 S。使用事件管理器EVA的捕获单元1作

根据振荡指标法,中频宽h=5可兼顾系统的跟

随性能和抗扰性能,先用PI调节器将系统整定为典
型Ⅱ型系统,可得比例系数Kp=0.075,积分时间常

数正=1,前向通道总增益K=533,截止频率∞。=
40

为同步信号输入,一旦检测到上跳沿,即根据系统工 作情况,将调用控制算法子程序所得之全比较单元 的周期值及比较值或逆变时的周期值及比较值分别 装载入相应寄存器,而后即关闭捕获中断。此后根 据前一个触发脉冲的周期值计算下一触发脉冲之周 期值及比较值。 系统可采用双窄脉冲触发三相全控桥,而两个

S~。根据截止频率可确定采样周期为0.002

s。

当中频宽h=5时,系统的超调量为37.6%,对于快速 励磁系统,超调量应在30%以下。为减小超调,可引

入微分反馈,由文献[6]可知,微分系数可确定为

Ka-等疋一2啦

(1)

事件管理器正好有12路比较输出,故采用每个全比 较单元的两个输出脉冲作为同一次输出的两个触发 脉冲,通用定时器1、3分别作为全比较单元时基,二 者必须保持同步。也可采用单脉冲触发方式,但此 时每个比较单元只能输出一个触发脉冲,故仍需两 个事件管理器的比较时基同步。触发脉冲宽度设定 为100。还需对控制信号进行上下限幅,使晶闸管 触发角不小于30。,最大触发角则根据实际发电机 的最小励磁限制来确定。设定比较寄存器装载条件
为周期匹配。

式中,疋为未加微分反馈的典型Ⅱ型系统的高频转

折时间常数,盯为小数表示的允许超调量,K为与 超调有关的系数。由式(1)可得,若要超调为零,则 Ka=0.055(%再大超调仍为零,但过渡过程更慢)。 为兼顾响应速度,取Ka=0.04。实际上,微分反馈
的引人,不仅可以抑制系统超调,还可大大降低扰动

输出降落。可以证明o7|,带微分反馈的PI调节器在 结构上符合现代控制理论中的“全状态反馈最优控
制”,因而可获得最优的动态性能。

基于以上的分析,系统的硬件包括采样部分、同 步信号检测部分、输入开关量检测部分、外围电路及 芯片供电电路和触发脉冲输出驱动电路、键盘输入、
显示及通讯接口。励磁调节器的硬件结构图3所示。 l励磁电流给定值F≥ I励磁电流反馈值F≥
触发脉冲 输出驱动 电路

定时器4作为l ms定时之用,每隔l

ms,CPU

检测启动、逆变和并网三个输入电平信号,如某个输
人信号有效,则将相应标志置位,程序运行过程中会

根据需要分别查询这三个标志的情况:在系统启动 之前,主程序做原地等待;如主程序检测到启动标 志,则启动定时器2,使能AD中断;在设置AD通道
之前和A/D转换中断服务子程序当中,需检测并网

===d三相整流桥

1}
|l

标志,未并网则只采励磁电流的给定与采样值,已并 网则加采功率因数采样值,功率因数给定值则通过 软件给定;一旦逆变标志有效,则关闭定时器2,不 再采样,将逆变角设定为150。,将与之对应的比较 值和周期值分别装入相应的寄存器。考虑程序的可 读性和可移植性,采用c语言进行编程。在开发过 程中,还须用到TI公司专为开发F2812DSP编写的 头文件、库文件、命令文件,以及中断向量表的定义
和初始化文件等。

l功率因数反馈值}o
DSP

同步信号E=≥ l稳压及供电电路bo l输入电平信号}o

:I键盘输人|I保护电路


l芯片上电及复位电路I

囤3励磁调节器硬件结构框图
Fig.3 Hardware block

diagram of exciting regulator



TMS320F2812型DSP在系统中的 应用
TMS320F2812型DSP是目前最先进的32位定点

5仿真及试验结果
系统在Matlab6.5中做仿真,仿真结构图见图

万方数据  

570

电机‘与控制学报

第10卷

4,在仿真结构图中,PID exciter即为励磁调节器,set 输入端表示励磁电流给定,fback表示励磁电流反

140 120
100

馈,COS表示功率因数反馈,坼输出即为励磁电压。 将励磁调节器封装成一个子系统。由于仿真软件认 为三相整流桥和同步发电机皆等效于电流源,而两
个电流源不能串联,故难以用SimPower Systems中 的三相整流桥模块做仿真,只能继续用数学模型代

墨80
60
40 20

替。因为励磁电流的给定值为120 A,而功率因数 反馈值最大为1,故而功率因数偏差的调整系数须 扩大100倍才能正确反映出功率因数环的作用。在 仿真中,用三相动态负载模块来模拟并网负载的变 化。现将其内部数量关系叙述如下:
当正序电压瞬时值大于圪i。时,负载的有功及 无功功率表达式为

0 0 0.5 1.O 1.5 t/s 2.O 2.5 3.0

(a)励磁电流

冰)=P0旧等1
Q(s)=Q。(才*篆J
电压初始值。



其中,Po、Q。、Vo分别为有功功率、无功功率和正序
t/s

(b)功率因数

由于同步发电机模块的有功功率为一恒定值
80

图5励磁电流与功率因数仿真波形
Fig.5 The

kW,因此将~、/'tPl、%皆设置为零,Po=0 W,即 负载有功功率保持恒定,只由电阻负载提供。同时 令n。=2,t1=1,%=2,设vmi。=10 V,Qo=15 kW,
Vo=1lo

simulation

wave of exciting current

and power factor

外,当晶闸管换相时,承受反向电压,在过渡到阻断状 态过程中,由于变压器漏感及线路分布电感的作用, 在元件两端会产生换相过电压,因此在晶闸管两端并 联阻容电路来加以抑制。在本系统中,电阻取40
Q,

V。因为动态负载模块是一个用电流源模

拟的非线性模块,故不能与阻感负载并联,只能用电
阻负载模拟并网的固定负荷,大小为80 kW。

功率因数环的调整系数经仿真后取2较为合
适,图4和图5分别为系统仿真结构图和励磁电流 与功率因数仿真波形。

电容取0.2 pLF。所选晶闸管型号MCC21—14,每个模

块集成两个晶闸管。在主电路交流侧也应并联阻容

电路或压敏电阻来抑制交流过电压。
当励磁电流给定值为2 A时,对应的励磁电压
约为29 V,触发角近似为00,然而程序中已限定最 小触发角为30。,相当于励磁调节器饱和,故此时电 流只能达到1.77 A。从试验结果可以看出,实际励

磁电流较计算出的给定值偏小,其原因是在直流采 样时,三相二极管整流桥直流输出端接有滤波电容,
表1
Table 1

励磁电流调试结果
result of exciting current

Debugging

圈4系统仿真结构图
Fig.4

Simulation system architectu

为了验证该系统的可行性,在实验室中做了一系 列试验。为安全起见,本系统所采用的励磁变压器变 比为220/12.7,Y/Y接法,既起到与电网隔离的作用, 也降低了主电路电压,而且电压相位与电网一致。此
(下转第575页)

万方数据  

第6期

无刷双馈电机直接转矩控制转矩脉动最小化
参考文献:

575

的DTC系统空载时转矩脉动波动范围为一7.5~
7.1

N?m,而基于模糊控制的DTC系统空载时转矩

[1]刘晓鹏,张爱玲。樊双英.无刷双馈电机直接转矩控制策略的

脉动波动范围为一2.6—4.1 N?m,并且加、减载过 程中转速的动态降落非常小,系统在起动及加速过 程中速度跟随时间也很短。因此与传统的DTC系 统相比,基于模糊控制的DTC系统能够有效地降低 转矩脉动,同时具有良好的动态性能。图9~12分
别给出了两系统在同样条件下的主绕组A相电流

研究[J].微特电机,2006,(3):25—31.
[2] 彭晓,黄守道,杨向字,等.无刷双馈电机的数学模型及稳定运 行分析[J].湖南工程学院学报,2003,13(3):1—5. [3]BRASSFIELDWR,SPEER,HABETLERTG.Directtorque
trol for brushless doubly-fed
try
con-

machines[J].IEEE

Tram

On

Indus.

Appllcaaom,1996,32(5):1098—1104.
C.Experi-

[4]ZHOU Dongsheng,SPEE Rene,ALEXANDER Gerald
mental evaluation
of


rotor

的响应曲线及定予磁链的控制曲线,由图可见基于 模糊控制的DTC系统在减小转矩脉动的同时较好 地改善了定子电流及磁链的波形。


flux oriented

control algorithm for
On

bmshless doubly-fed

machines[J].IEEE Tram

Power Elec?

tronics,1997。12(1):72—78. [5]HUANG Shoudao,WANG Yi,WANG Yaonan,et以..Active and
reactive power

结语
本文提出的基于模糊控制的无刷双馈电机直接

control for brushless doubly—fed

machines[c].
Power

Conference Proceedings—IPEMC 2004:4th btternatlonal
tronlcs

Elec-

and Motion Control

Conference,2004,2:640—644.
power

[6]HUANG Shoudao,WEI Yah,LIN Ydujie.Fuzzy-b∞ed
tor per

fac?
Pa-

转矩控制系统,有效地降低了转矩脉动,改善了定子 电流及磁链的波形,且具有良好的动、静态性能及鲁 棒性。在DSP控制系统中,模糊控制可通过输入量 的离散化离线计算得到控制表,通过查表运算实现 模糊控制,实现算法简单具有良好的实时性,实现起
来并不困难。

control for brushless doubly-fed Jun,2002.

machines[J/OL].WCICA

[7]林友杰,黄守道.无刷双馈电机及其智能控制[D].长沙:湖 南大学,2002.

[8]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版
社.1994:35—50.

(上接第570页)

故实际输出的直流信号比不接电容时大,依此计算
出的电流给定值亦偏大。同时实际励磁电流虽小有

and Technology

of Flexible AC Transmission Systems[M].New

York:IEEE Press,1999.

波动,但调差在3%以内,应能满足并网条件。在并 网时,励磁电流给定值可取自电网电压,则系统励磁 电流将跟踪电网电压的变化,使之更易于并网。表
1即为励磁电流调试结果。 6



孙元章,赵牧,黎雄,等.STATCOM控制的电力系统稳定性分





1j
1J 1J 1J 1J

析[J].电力系统自动化,2001,25(11):l一5. 黎雄,马旭,孙元章.发电机非线性恒功率因数励磁控制研究

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陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,
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综上所述,基于TMS320F2812型DSP的励磁电

流一功率因数双闭环结构的励磁调节器具有简单、
实用、速度快、精确度高等特点,并网后投入功率因



田树苞.基于二次型性能指标的最优控制在调速系统中的应

用——双闭环可控硅调速系统速度调节器的设计汁算[J].电
气传动,1988,(6):9—12. 随 [美]Texas
Instruments

数环可使发电机的功率因数波动明显减小,运行工 况得以显著改善。
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国电力出版社,2002:1—19,35—39。247—248,254—256. [2]HINGORANI N G,GYUGYI L.Understanding FACTS.concepts

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CPU与外设(上)[M].张卫宁译.北京:清华大学出版社,
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[美]Texas lmtmmems Incorporated.TMS320C28x系列DSP的

CPU与外设(下)[M].张卫宁译.北京:清华大学出版社,
2005:272—382,614—659.

万方数据  

小功率发电机励磁系统的恒功率因数控制
作者: 作者单位: 贾贵玺, 陈起, 董钺, 车学哲, 贾国荣, JIA Gui-xi, CHEN Qi, DONG Yue, CHE Xue-zhe, JIA Guo-rong 贾贵玺,陈起,董钺,车学哲,JIA Gui-xi,CHEN Qi,DONG Yue,CHE Xue-zhe(天津大学,电气与 自动化工程学院,天津,300072), 贾国荣,JIA Guo-rong(贵州商业高等专科学校,计算机科 学与技术系,贵州,贵阳,550004) 电机与控制学报 ELECTRIC MACHINES AND CONTROL 2006,10(6) 4次

刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:

参考文献(9条) 1.李基成 现代同步发电机励磁系统设计及应用 2002 2.HING0RANI N G;GYUGYI L Understanding FACTS-concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems 1999 3.孙元章,赵枚,黎雄,宋永华,肖颖 STATCOM控制的电力系统稳定性分析[期刊论文]-电力系统自动化 2001(11) 4.黎雄,马旭,孙元章 发电机非线性恒功率因数励磁控制研究[期刊论文]-电力自动化设备 2004(4) 5.赵辉,刘鲁源,王红君,岳有军 基于励磁电流环的功率因数控制策略研究[期刊论文]-天津理工学院学报 2004(1) 6.陈伯时 电力拖动自动控制系统 2000 7.田树苞 基于二次型性能指标的最优控制在调速系统中的应用--双闭环可控硅调速系统速度调节器的设计计算 1988(06) 8.Texas Instruments Incorporated;张卫宁 TMS320C28XX系列DSP的CPU与外设 2005 9.Texas Instruments Incorporated;张卫宁 TMS320C28XX系列DSP的CPU与外设 2005

本文读者也读过(6条) 1. 邵伟.徐政 励磁系统参数整定研究[期刊论文]-中国电机工程学报2002,22(10) 2. 郑邦梁.徐兵.ZHENG Bang-liang.XU Bing 励磁系统参数优化工作[期刊论文]-中国电机工程学报2000,20(7) 3. 贾贵玺.董钺.张臣堂.JIA Gui-xi.DONG Yue.ZHANG Chen-tang 基于PWM控制的发电机励磁系统[期刊论文]-天津 大学学报2005,38(10) 4. 宋佳.王利强.SONG Jia.WANG Li-qiang 利用DSP实现同步电动机功率因数闭环调节[期刊论文]-河北工业科技 2010,27(6) 5. 郭成 同步发电机自并励励磁系统研究及仿真[学位论文]2006 6. 乐彬.王仲东.Yue Bin.Wang Zhongdong 同步电动机励磁微机控制系统[期刊论文]-武汉理工大学学报 2001,23(4)

引证文献(4条) 1.李兆伟,周旭,刘昱辰,张林,李威,罗剑波,赵长军 自备电厂发电机励磁系统稳定性分析及控制研究[期刊论文]-电 力系统保护与控制 2014(10) 2.张志田 实用型双CPU同步发电机励磁调节器的研究[期刊论文]-微特电机 2009(05) 3.蒋思东,刘觉民,杜宗林,王成富,楚文斌 数字式励磁调节器在电力系统中的建模与仿真[期刊论文]-大电机技术 2008(03) 4.郑永伟 风—水—储混合微电网控制策略研究[学位论文]硕士 2013

引用本文格式:贾贵玺.陈起.董钺.车学哲.贾国荣.JIA Gui-xi.CHEN Qi.DONG Yue.CHE Xue-zhe.JIA Guo-rong 小 功率发电机励磁系统的恒功率因数控制[期刊论文]-电机与控制学报 2006(6)


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