双通道微机励磁调节器的研制
摘要
励磁系统是电力系统的一个重要组成部分，它在调节发电机机端电压、分配电网无功功率和提高电力系统稳定性等方面都起着重要的作用。励磁系统由励磁调节器和励磁功率单元组成，其中励磁调节器是励磁系统的中枢，负责实现励磁系统的基本控制功能、励磁限制和其他辅助功能。
随着发电机单机容量和电网规模的增大，发电机组和电力系统对励磁系统的快速性、可靠性、多功能性等方面提出了更高要求。
现代励磁调节器普遍采用微处理器为核心，所以也称为微机励磁调节器，其基本控制过程、励磁限制以及辅助功能均通过软件设计来实现，具有调节迅速、精度高、可靠性高等优点。
双通道励磁调节器是指在每个发电机配置两个微机励磁调节器，一个为主机，一个为备机，两个通道之间实现冗余备份，可以极大提高励磁系统的可靠性。
本项目是在南京南瑞自动控制有限公司资助下开展的。励磁系统的功率单元采用由可控硅组成的三相全控整流电路，可控硅的控制端由励磁调节器进行软件触发，每个通道的励磁调节器在硬件上采用数字信号处理器(DSP)作为励磁调节器的主控芯片，用可编程控制器(CPLD)完成接口电路的设计，同时设计模拟量处理、开入开出量的处理以及脉冲触发电路。在软件上，主控流程采用改进型的PID控制方法，同时实现各种励磁限制和辅助功能。为了协调两个通道调节器之间的工作，确保同一时刻只有一个通道调节器输出有效，同时为了保证两个通道切换时输出无扰动，设计了两个通道之间的信息交互方式以及脉冲闭锁、脉冲切换控制电路。
实验结果表明，双通道励磁调节器在空载和并网条件下，其调节速度、精确度、可靠性和稳定性等方面都满足行业标准的要求。
Excitation system is an important part of power system. It has important effectto regulate the voltage of synchronous generator, distribute reactive power andimprove the stabilization of power system. Excitation system is made up of regulatorand power units. The regulator, as the core of excitation system, carries out its basiccontrol functions, excitation limits and other assistant functions.
As a single synchronous generator's electric power becomes higher and thescale of power system becomes bigger, synchronous generator and power system hasmore demand on expeditiousness, reliability and multi function of excitation system.
Modern excitation regulator is called microprocessor-based regulator because itis used microprocessor as its central control unit. Its' basic control functions,excitation limits and other assistant functions are carried out by software programswhich are run in microprocessor. Microprocessor-based excitor has rapid regulatingspeed, high precision, more reliability and other excellences.
What Double-channel microprocessor-based excitation regulators mean that onesynchronous generator has two microprocessor-based regulators, one as the main, theother as the backup. It can improve reliability of excitation system.
This research program is supported by Nanjing Nari Automation institute.Three-phasic controllable commutating circuit, which is made up of SiliconControlled Rectifier (SCR), is used in excitation system as power unit. The controlport of SCR is controlled by the microprocessor-based regulator. This paper usesDSP as the main control chip of the microprocessor-based regulator and CPLD as itsinterface circuits, designs process circuits of analog signals, logical signals andpulse-open circuit. This paper also uses ameliorated PID arithmetic to carry outregulator's basic control functions, excitation limits and other assistant functions bysoftware programs. In order to harmonize double microprocessor-based regulators'working, ensure only one regulator's output in effect and switch between tworegulators without disturbing outputs, the paper designs communication circuits andpulse closedown and control circuits between them.
Experiments show that the microprocessor-based excitation regulators meetindustry standards in regulating speed, precision, reliability and stability both on thecondition of generator's open circuit and in load.
随着发电机单机容量和电网规模的增大，发电机组和电力系统对励磁系统的快速性、可靠性、多功能性等方面提出了更高要求。
现代励磁调节器普遍采用微处理器为核心，所以也称为微机励磁调节器，其基本控制过程、励磁限制以及辅助功能均通过软件设计来实现，具有调节迅速、精度高、可靠性高等优点。
双通道励磁调节器是指在每个发电机配置两个微机励磁调节器，一个为主机，一个为备机，两个通道之间实现冗余备份，可以极大提高励磁系统的可靠性。
本项目是在南京南瑞自动控制有限公司资助下开展的。励磁系统的功率单元采用由可控硅组成的三相全控整流电路，可控硅的控制端由励磁调节器进行软件触发，每个通道的励磁调节器在硬件上采用数字信号处理器(DSP)作为励磁调节器的主控芯片，用可编程控制器(CPLD)完成接口电路的设计，同时设计模拟量处理、开入开出量的处理以及脉冲触发电路。在软件上，主控流程采用改进型的PID控制方法，同时实现各种励磁限制和辅助功能。为了协调两个通道调节器之间的工作，确保同一时刻只有一个通道调节器输出有效，同时为了保证两个通道切换时输出无扰动，设计了两个通道之间的信息交互方式以及脉冲闭锁、脉冲切换控制电路。
实验结果表明，双通道励磁调节器在空载和并网条件下，其调节速度、精确度、可靠性和稳定性等方面都满足行业标准的要求。
Excitation system is an important part of power system. It has important effectto regulate the voltage of synchronous generator, distribute reactive power andimprove the stabilization of power system. Excitation system is made up of regulatorand power units. The regulator, as the core of excitation system, carries out its basiccontrol functions, excitation limits and other assistant functions.
As a single synchronous generator's electric power becomes higher and thescale of power system becomes bigger, synchronous generator and power system hasmore demand on expeditiousness, reliability and multi function of excitation system.
Modern excitation regulator is called microprocessor-based regulator because itis used microprocessor as its central control unit. Its' basic control functions,excitation limits and other assistant functions are carried out by software programswhich are run in microprocessor. Microprocessor-based excitor has rapid regulatingspeed, high precision, more reliability and other excellences.
What Double-channel microprocessor-based excitation regulators mean that onesynchronous generator has two microprocessor-based regulators, one as the main, theother as the backup. It can improve reliability of excitation system.
This research program is supported by Nanjing Nari Automation institute.Three-phasic controllable commutating circuit, which is made up of SiliconControlled Rectifier (SCR), is used in excitation system as power unit. The controlport of SCR is controlled by the microprocessor-based regulator. This paper usesDSP as the main control chip of the microprocessor-based regulator and CPLD as itsinterface circuits, designs process circuits of analog signals, logical signals andpulse-open circuit. This paper also uses ameliorated PID arithmetic to carry outregulator's basic control functions, excitation limits and other assistant functions bysoftware programs. In order to harmonize double microprocessor-based regulators'working, ensure only one regulator's output in effect and switch between tworegulators without disturbing outputs, the paper designs communication circuits andpulse closedown and control circuits between them.
Experiments show that the microprocessor-based excitation regulators meetindustry standards in regulating speed, precision, reliability and stability both on thecondition of generator's open circuit and in load.
引文
[1] 陆继明，毛承雄，范澍，王丹．同步发电机微机励磁控制[M]．北京：中国电力出版社，2005．
[2] 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。
[3] 李基成．同步发电机半导体励磁原理及应用(第二版)[M]．北京：水利电力出版社，1991．
[4] 周双喜，李丹．同步发电机数字式励磁调节器[M]．北京：中国电力出版社，1998．
[5] 1000千瓦同步发电机数字式励磁控制系统的研制[D]．重庆，重庆大学，2004，4．
[6] 小型同步发电机数字式励磁调节器的研究[D]．沈阳，东北农业大学，2002，5．
[7] A．A．尤尔甘诺夫，B．A．科日夫尼科夫(著)，王晓玲，常林(译)．同步发电机的励磁调节．北京：中国电力出版社，2000，9．
[8] Xiuzhi Li et al. Digitization of excitation control system for synchronous motor[J]. Proceeding of International Symposium on Salient-Pole Machines with Particular Reference to Large Hydro-Electric Generation and synchronous Motors. 1993.
[9] 赵涌，杨波．励磁调节器可靠性设计[J]．自动化技术与应用，2007，2：118-120．
[10] 李朝晖，郝后堂，吴祚滨，吴正刚，石雨涛，李显彤．巨型机组工业微机励磁调节器多通道混合冗余容错技术研究[J]．大电机技术，2001，1：60-64．
[11] 赵志敏，殷小贡．实时双机容错系统的双机切换及同步控制[J]．计算机工程，1998，24(5)：46-48．
[12] 李善奎，邓思敏．电机励磁系统中的双微机控制[J]．电机电器技术，1999，4：5-28．
[13] 马国农，樊俊．微机-模拟双通道励磁调节系统[J]．东方电机，1990，2：15-24．
[14] 崔明．变电站与水电站综合自动化[M]．北京：中国水利水电出版社，2005．
[15] 商国才．电力系统自动化[M]．北京：天津大学出版社，1999．
[16] 胡虔生，胡敏强．电机学[M]．北京：中国电力出版社，2005．
[17] 竺士章．发电机励磁系统试验[M]．北京：中国电力出版社，2005．
[18] 胡寿松．自动控制原理(第四版)[M]．北京：科学出版社，2001．
[19] 王锦标．计算机控制系统[M]．北京：清华大学出版，Springer，2004．
[20] Mahran, A.R. Hogg, B.W. EL-Sayed, M.L. Co-ordinated control of synchronous generator excitation and staticsVAR compensator[J]. Energy Conversion, IEEE Transaction, 1992, 7(4): 615-622.
[21] 李宏．电力电子设备器件与集成电路应用指南第1册：电力半导体器件及其驱动集成电路[M]．北京：机械工业出版社，2001，9．
[22] 李宏．电力电子设备器件与集成电路应用指南第2册：控制用集成电路[M]．北京：机械工业出版社，2001，9．
[23] 王兆安，张明勋．电力电子设备设计和应用手册．北京：机械工业出版社，2002，6．
[24] 刘志刚，叶斌，梁辉．电力电子学[M]．北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2004．
[25] 李宏．电力电子设备器件与集成电路应用指南第3册：传感、保护用和功率集成电路[M]．北京：机械工业出版社，2001，9．
[26] 李宏．电力电子设备器件与集成电路应用指南第四册：其他配套元器件[M]．北京：机械工业出版社，2001，9．
[27] 许和平，胡嘉纯．现代大型同步发电机白并励励磁系统[J]．水电厂自动化，1998，2：3-7．
[28] 曹宝定．关于同步发电机励磁调节器硬件结构的发展和研究方向[J]．大电机技术，1993，3：57-63．
[29] 孙启云，宋顺一，等．提高发电机励磁系统可靠性的几点改进措施[J]．．电网技术，2002，26(4)：77-80．
[30] 韩英铎，谢小荣，崔文进．同步发电机励磁控制的现状与走向[J]．清华大学学报(自然科学版)，2001，41(4)：142-146．
[31] 王念旭，等．DSP基础与应用系统设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001，8．
[32] 邵贝贝，龚光华，薛涛，刘永毅，等．Motorola DSP型16位单片机原理与实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．
[33] 王伟．基于DSP的自动准同期装置的研制[D]．南京，国电自动化研究院，2006，4．
[34] 基于DSP的同步发电机励磁控制[D]．武汉，华中科技大学，2003，5．
[35] 崔玉龙，王飞．微机控制同步发电机励磁装置[J]．电气传动，1998，28(2)：23-24，34．
[36] 邱关源．电路(第四版)[M]．北京：高等教育出版社，1999．
[37] 康华光，陈大钦．电子技术基础模拟部分(第四版)[M]．北京：高等教育出版社，1998．
[38] 康华光，陈大钦．电子技术基础数字部分(第四版)[M]．北京：高等教育出版社，1998．
[39] 区干生，容太平．同步发电机微机励磁调节器的设计与实现[J]．水电自动化与大坝检测，2004，28(2)：33-35，38．
[40] 夏闻宇．从算法设计到硬线逻辑的实现[M]．北京：高等教育出版社，2001．
[41] 卢毅，赖杰．VHDL与数字电路设计[M]．北京：科学出版社，2001，4．
[42] 潘松，黄继业．EDA技术与VHDL[M]．北京：清华大学出版社，2005，7．
[43] 张振华．水电站可控硅励磁装置事故处理[J]．．中国农村水利水电，2003，6：19-20．
[44] 刘金琨．先进PID控制MATLAB仿真(第2版)[M]．北京：电子工业出版社，2004．
[45] 陶永华，尹怡欣，葛芦生．新型PID控制及其应用．北京：机械工业出版社，1998．
[46] Suarez,E. Bortolotto,G. Voltage-frequency control of a self-excited induction generator[J]. Energy Conversion, IEEE Transaction, 1999,14 (3):394-401.
[47] 何丙茂．对同步发电机励磁系统若干问题的思考[J]．电网技术，1999，23(3)：27-30．
[48] 熊杰，高雄清，曹照秀．微机励磁的现状及发展趋势[J]．中国农村水利水电，2004，8：97-98．
[49] 李志军．基于新型稳定策略的励磁控制研究[D]．天津，河北工业大学，2004，4．
[50] 小型同步发电机数字式励磁调节器的研究[D]．沈阳，东北农业大学，2002，5
[51] 谭浩强．C语言程序设计(第二版)[M]．北京：清华大学出版社，2003．
[2] 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。
[3] 李基成．同步发电机半导体励磁原理及应用(第二版)[M]．北京：水利电力出版社，1991．
[4] 周双喜，李丹．同步发电机数字式励磁调节器[M]．北京：中国电力出版社，1998．
[5] 1000千瓦同步发电机数字式励磁控制系统的研制[D]．重庆，重庆大学，2004，4．
[6] 小型同步发电机数字式励磁调节器的研究[D]．沈阳，东北农业大学，2002，5．
[7] A．A．尤尔甘诺夫，B．A．科日夫尼科夫(著)，王晓玲，常林(译)．同步发电机的励磁调节．北京：中国电力出版社，2000，9．
[8] Xiuzhi Li et al. Digitization of excitation control system for synchronous motor[J]. Proceeding of International Symposium on Salient-Pole Machines with Particular Reference to Large Hydro-Electric Generation and synchronous Motors. 1993.
[9] 赵涌，杨波．励磁调节器可靠性设计[J]．自动化技术与应用，2007，2：118-120．
[10] 李朝晖，郝后堂，吴祚滨，吴正刚，石雨涛，李显彤．巨型机组工业微机励磁调节器多通道混合冗余容错技术研究[J]．大电机技术，2001，1：60-64．
[11] 赵志敏，殷小贡．实时双机容错系统的双机切换及同步控制[J]．计算机工程，1998，24(5)：46-48．
[12] 李善奎，邓思敏．电机励磁系统中的双微机控制[J]．电机电器技术，1999，4：5-28．
[13] 马国农，樊俊．微机-模拟双通道励磁调节系统[J]．东方电机，1990，2：15-24．
[14] 崔明．变电站与水电站综合自动化[M]．北京：中国水利水电出版社，2005．
[15] 商国才．电力系统自动化[M]．北京：天津大学出版社，1999．
[16] 胡虔生，胡敏强．电机学[M]．北京：中国电力出版社，2005．
[17] 竺士章．发电机励磁系统试验[M]．北京：中国电力出版社，2005．
[18] 胡寿松．自动控制原理(第四版)[M]．北京：科学出版社，2001．
[19] 王锦标．计算机控制系统[M]．北京：清华大学出版，Springer，2004．
[20] Mahran, A.R. Hogg, B.W. EL-Sayed, M.L. Co-ordinated control of synchronous generator excitation and staticsVAR compensator[J]. Energy Conversion, IEEE Transaction, 1992, 7(4): 615-622.
[21] 李宏．电力电子设备器件与集成电路应用指南第1册：电力半导体器件及其驱动集成电路[M]．北京：机械工业出版社，2001，9．
[22] 李宏．电力电子设备器件与集成电路应用指南第2册：控制用集成电路[M]．北京：机械工业出版社，2001，9．
[23] 王兆安，张明勋．电力电子设备设计和应用手册．北京：机械工业出版社，2002，6．
[24] 刘志刚，叶斌，梁辉．电力电子学[M]．北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2004．
[25] 李宏．电力电子设备器件与集成电路应用指南第3册：传感、保护用和功率集成电路[M]．北京：机械工业出版社，2001，9．
[26] 李宏．电力电子设备器件与集成电路应用指南第四册：其他配套元器件[M]．北京：机械工业出版社，2001，9．
[27] 许和平，胡嘉纯．现代大型同步发电机白并励励磁系统[J]．水电厂自动化，1998，2：3-7．
[28] 曹宝定．关于同步发电机励磁调节器硬件结构的发展和研究方向[J]．大电机技术，1993，3：57-63．
[29] 孙启云，宋顺一，等．提高发电机励磁系统可靠性的几点改进措施[J]．．电网技术，2002，26(4)：77-80．
[30] 韩英铎，谢小荣，崔文进．同步发电机励磁控制的现状与走向[J]．清华大学学报(自然科学版)，2001，41(4)：142-146．
[31] 王念旭，等．DSP基础与应用系统设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001，8．
[32] 邵贝贝，龚光华，薛涛，刘永毅，等．Motorola DSP型16位单片机原理与实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．
[33] 王伟．基于DSP的自动准同期装置的研制[D]．南京，国电自动化研究院，2006，4．
[34] 基于DSP的同步发电机励磁控制[D]．武汉，华中科技大学，2003，5．
[35] 崔玉龙，王飞．微机控制同步发电机励磁装置[J]．电气传动，1998，28(2)：23-24，34．
[36] 邱关源．电路(第四版)[M]．北京：高等教育出版社，1999．
[37] 康华光，陈大钦．电子技术基础模拟部分(第四版)[M]．北京：高等教育出版社，1998．
[38] 康华光，陈大钦．电子技术基础数字部分(第四版)[M]．北京：高等教育出版社，1998．
[39] 区干生，容太平．同步发电机微机励磁调节器的设计与实现[J]．水电自动化与大坝检测，2004，28(2)：33-35，38．
[40] 夏闻宇．从算法设计到硬线逻辑的实现[M]．北京：高等教育出版社，2001．
[41] 卢毅，赖杰．VHDL与数字电路设计[M]．北京：科学出版社，2001，4．
[42] 潘松，黄继业．EDA技术与VHDL[M]．北京：清华大学出版社，2005，7．
[43] 张振华．水电站可控硅励磁装置事故处理[J]．．中国农村水利水电，2003，6：19-20．
[44] 刘金琨．先进PID控制MATLAB仿真(第2版)[M]．北京：电子工业出版社，2004．
[45] 陶永华，尹怡欣，葛芦生．新型PID控制及其应用．北京：机械工业出版社，1998．
[46] Suarez,E. Bortolotto,G. Voltage-frequency control of a self-excited induction generator[J]. Energy Conversion, IEEE Transaction, 1999,14 (3):394-401.
[47] 何丙茂．对同步发电机励磁系统若干问题的思考[J]．电网技术，1999，23(3)：27-30．
[48] 熊杰，高雄清，曹照秀．微机励磁的现状及发展趋势[J]．中国农村水利水电，2004，8：97-98．
[49] 李志军．基于新型稳定策略的励磁控制研究[D]．天津，河北工业大学，2004，4．
[50] 小型同步发电机数字式励磁调节器的研究[D]．沈阳，东北农业大学，2002，5
[51] 谭浩强．C语言程序设计(第二版)[M]．北京：清华大学出版社，2003．