200MW发电机自并励励磁自动控制系统设计.docx

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200MW发电机自并励励磁自动控制系统设计

辽宁工业大学

电力系统自动化课程设计（论文）

题目：

200MW发电机自并励励磁自动控制系统设计

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

电气104

学号：

学生姓名：

指导教师：

起止时间：

2013.12.16—12.29

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

电气工程及其自动化

学号

100303115

学生姓名

李洋

专业班级

电气104

课程设计题目

200MW发电机自并励励磁自动控制系统设计

课程设计（论文）任务

设计要求

1.阐述发电机励磁控制系统的控制原理。

2.确定励磁控制系统方案。

3.设计输入接口及电力参数数据采集通道。

4设计输出接口及输出励磁控制通道。

5确定控制算法，设计系统软件。

6对设计进行总结。

基本参数及要求：

1水轮发电机容量200MW，功率因数0.8，定子额定电压20KV，额定转子电压220V。

2要求电压调差系数在±11%范围内可调。

3强励倍数1.8，不小于10秒

4调压精度，机端电压静差率小于1％。

5自动电压调节范围：

80％～120％。

6起动升压至额定电压时，超调量不大于15％。

进度计划

1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。

（1天）

2、系统总体方案设计，选择CPU，设计单片机最小系统。

（1天）

3、设计输入接口及电力参数数据采集通道。

（2天）

4、设计输出接口及输出励磁控制通道。

（3天）

5、系统软件设计。

（2天）

6、撰写、打印设计说明书（1天）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

针对自并励励磁系统，论述了自并励励磁自动控制系统的特点及发展现状，分析了目前自并励励磁自动控制的原理和实现方法，励磁系统是同步发电机的重要组成部分,它直接影响发电机的运行特性。

励磁系统根据负载电流、功率因数、端子电压的变化而自动调节励磁电流,达到保持发电机机端电压稳定的目的。

较好的励磁控制系统可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，同时也能为电网提供电能，而且还可有效地改善电力系统静态与暂态稳定性。

基由此原因提出了由AT89C51单片机的同步发电机自并励自动控制系统的设计，对单片机最小系统的经济比较，从而选择了按键电平复位电路和内部时钟电路，在此基础上设计了励磁装置的硬件系统和软件系统。

对整个系统进行了MATLAB仿真，用来与运算结果进行比较。

同时也对主要部分进行了PID控制设计,通过其对系统的分析、计算、反馈，使得整个系统在一个可控的范围内。

关键词：

自并励励磁系统；AT89C51单片机；MATLAB仿真;PID控制;

第1章绪论

励磁控制系统概况

励磁系统是电站设备中不可缺少的部分。

励磁系统包括励磁电源和励磁装置，其中励磁电源的主体是励磁机或励磁变压器；励磁装置则根据不同的规格、型号和使用要求，分别由调节屏、控制屏、灭磁屏和整流屏几部分组合而成。

励磁功率单元负责向发电机转子提供直流励磁或交流励磁电流；励磁控制器负责根据检测到的发电机的电压、电流或其他状态量的输入信号，按照给定的励磁控制准侧自动调节励磁功率单元的输出。

优良的励磁系统不仅可以保证发电机可靠运行，而且还可以有效地提高电力系统的性能指标。

根据运行方面的要求，同步发电机力控制系统任务：

（1）维持发电机端电压在给定值，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压。

（2）合理分配并列运行机组之间的无功分配。

（3）提高电力系统的稳定性，静态稳定性和暂态稳定性及动态稳定性。

（4）改善整个电网（电力系统）运行条件。

本文主要内容

本文主要根据发电机自并励励磁系统的基本原理。

设计容量200MW水轮发电机自并励励磁系统。

基于对所学知识的总结与筛选。

选择单片机AT89C51作为发电机励磁系统的控制核心，并选择静止励磁励磁系的方式来进行设计。

根据励磁机要实现的功能，整个系统分为不同部分：

（1）数据采集电路；

（2）单片机最小系统部分；

（3）模数转换电路；

（4）功率因数测量电路；

（5）触发电路；

（6）继电器输出电路及模拟输入电路。

对每个模块进行设计，并通过软件设计达到励磁目的。

通过设计基本参数达到如下要求：

1水轮发电机容量300MW，功率因数0.85，定子额定电压18KV，空载额定转子电压177V。

2要求电压调差系数在±15%范围内可调。

3强励倍数1.8，不小于10秒

4调压精度，机端电压静差率小于1％。

5自动电压调节范围：

60％～140％。

6起动升压至额定电压时，超调量不大于5％

第2章

发电机自并励励磁自动控制系统硬件设计

发电机自并励励磁自动控制系统总体设计方案

在图2.1中为励磁控制器设计总体设计方案的框图，其中有三大部分，各部分包括了，直流稳压电源、复位电路、系统检测电路、A/D转换、时钟电路、AT89C51单片机模块和励磁开关驱动控制电路，实现单片机控制外部电路。

在单片机模块中，使用软件编辑程序，来对励磁系统驱动控制的电路进行控制。

在复位电路中，复位操作可以使单片机回到初始状态，也可以使单片机重新启动。

复位电路需要外加电源，而题目中只给出AC220V交流电源，因此在复位电路前加入了直流稳压电源模块，为复位电路提供稳定的直流电源电压。

在时钟电路模块中，时钟电路为单片机提供工作所需的时钟信号。

励磁开关驱动控制电路模块中，通过专业知识的查询，将采用光电隔离器MOC3041，实现单片机与外部电路隔离，还能有效地控制外部电路。

图2.1励磁控制系统总体设计方案框图

单片机最小系统设计

单片机AT89C51

本次选用AT89C51单片机作为控制器件，AT89C51是一种4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，它由8部分组成，即中央处理器（CPU），片内数据存储器（RAM），片内程序存储器，输入/输出端口，可编程串行口，定时/计数器，终端系统以及特殊功能寄存器，各部分通过内部总线相连。

其基本结构依然是通过CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上，却采用殊功能寄存器的集中控制方法。

如图2.2所示，即为89C51单片机的引脚图。

图2.289C51单片机的引脚图

复位操作可以使单片机初始化，也可以使机状态下的单片机重新启动，因此十分重要。

单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟震荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。

为了保证系统可靠地复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10毫秒以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。

当RESET从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。

在复位有效期间，ALE和/PSEN引脚输出高电平。

电平复位电路的设计

如图2.3所示即为89C51单片机的按键电平复位电路，这种复位电路利用电容器充电实现。

当两端开始加电时，电容C就是开始充电，所以电路有电流通过，构成回路，在电阻R上产生压降，即RESET的引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，复位结束。

它还可以通过按键实现复位，按下键后，通过R1和R2形成回路，使RESET端产生高电平。

按键的时间决定了复位时间。

如图2.3所示即为89C51单片机的按键电平复位电路：

图2.3按键电平复位电路

内部时钟电路的设计

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，时钟信号可以有两种方式产生：

内部时钟方式和外部时钟方式，下面介绍内部时钟方式。

89C51内部有一个高增益反相放大器（即与非门的一个输入端编程为常有效时），用于构成片内振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

在XTAL1和XTAL2两端跨界晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，如图2.所示。

外接晶振时，C1、C2参数通常选择30pF左右。

C1、C2可稳定频率并对振荡频率有微调作用，谐振频率范围是0到24MHz，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠接地，谐振器和电容应该尽量安装的与单片机芯片靠近。

内部时钟发生器实质是一个二分频的触发器其输出是单片机工作所需的时钟信号.图2.4为89C51单片机的内部时钟电路：

图2.4内部时钟电路

综合以上所作分析与选择，如图2.5为设计完整的CPU最小系统图。

图2.5单片机最小系统图

励磁自动控制系统模拟量检测电路设计

在本次设计中，为了可以可靠的维持发电机电压和无功功率的分配，我们需要测得数据有：

电机的极端电压、发电机输出电流、励磁电压、励磁电流、有功功率、无功功率以及功率因数

等

通过电路方面的知识我们可以知道，设θ为线电压滞后相电流的相角，相电流滞后相电压的相角为

。

电压和电流作为过零点的检测信号，方便外部中断，用反相传输门和模拟开门相结合的电路。

由P1.0控制模拟开关的选通。

这样就可以控制用于脉宽测量的定时器T1的计数值n，即当方波的上升沿到来的时候，计数器T1启动，开始计数；当方波的下降沿到来的时候，T1停止计数。

得到对应的脉宽计数值n。

测量工频的半个周期所对应的计数值N，这样就可以通过N，n的关系推导出θ和Φ值。

（N=

）（2-1）

（2-2）

因此，有功功率和无功功率就由采集得到的电压、电流计算后得到功率因数

。

图2.6电流模拟量采集部分的电路

励磁的交流信号经变压器、隔离、整流、滤波四个部分后接入A/D转换器的输入端，这与我们所要求的调节计算的要求相符合，并且电路不复杂，采样快速简易，软件处理的数据也比较简单，可以大大的节约成本。

因为采用的A/D转换器是电压输入，所以在四路输入中电压信号可以直接输入，而电流信号则要通过一个电阻转化成电压信号再输入。

所以我们用TLC2543当做转换器，这个芯片是一种单电源、串行控制的12位模数转换器，能采集11路信号。

因此，模拟量采集部分的电路如图2.6所示。

整流稳压电路设计

单片机的工作电源是+5V的直流电源，而本次设计控制器选用为220V交流电源。

因此我们需要用直流稳压电路来为单片机提供电源。

本次设计我们采用

三项全控整流，此电路连线简单，易于分析。

静止励磁系统，机端电压励磁变压器经由大功率晶闸管构成的整流装置供给。

原理图如图2.7所示。

图2.7三相全控桥整流电路原理图

在三项全控整流电路中，三相全控整流桥的六个桥臂都是可控硅构成，把三个阴极连接在一起的称共阴极组。

并且阴极分别接于三相电源；同理，阳极连接在一起的三个晶闸管称为共阳极组，阴极分别接于三相交流电源。

启动的过程中或电流续流时，确保电路可靠的进行工作，需保证同时导通的两个晶闸管均脉冲触发。

开关驱动电路的设计

本次课课设的目的在于用弱电控制强电，所以在这一部分我们选用了光隔离期间，强电与弱电的隔离成为关键，现在有许多种开关控制输出电路，因此，在接口处理中，还要包括隔离技术。

针对这个问题，选择了励磁开关驱动控制电路。

如图2.8所选的光电隔离器是MOC3061，它是根据晶闸管原理开发出来的。

晶闸管是一种大功率半导体器件，可以作为大功率驱动器件使用。

具有用较小功率控制大功率、开关无触点等特点，双向晶闸管目前已经广泛应用于生产生活中，而与它相配套的光电隔离器已经有现成的产品,用于不同负载下电压使用。

在驱动电路中，在一般的系统中，其输出可以用OC门驱动，在光隔输出端，于双向晶闸管并联的RC是为了在感性负载时，吸收与电流不同步的过电压，而门极电阻是为了提高抗干扰能力，以防误触发。

本次设计是以弱电控制强电,因此强电与弱电的隔离成为关键。

因此，在接口处理中，还要包括隔离技术。

针对这个问题，选择励磁开关驱动控制电路如图2.8所示。

所选的光耦合器是MOC3061，一般称为光耦双向晶闸管驱动器。

图2.8开关驱动控制电路

第3章发电机自并励励磁自动控制系统软件设计

软件实现功能综述

本次设计中，由于采用的是交流220V电压，可以运用直流稳压电源将其变成+5V直流电源电压，从这就保证了能为AT89C51可靠供电。

选用三项全控整流整流的方法，从而使输出的直流电源是可靠稳定的+5V电源。

通过直流稳压电源为单片机提供电源，单片机可以正常工作，通过选择的时钟电路和复位电路，对单片机进行软件编程，使单片机能够对外部驱动电路进行控制。

在驱动控制电路中，选择评价较好的光电隔离器MOC3061，能够使单片机与外部驱动控制电路进行隔离，并且利用单片机对外部电路进行控制，就可以使自并励励磁机组的自动发电控制系统实现机组功率的合理运用。

流程图设计

主程序流程图设计

本设计是以单片机为中心来完成，通过单片机完成数据采集、控制角的计算、调节PID系数等功能，再完成六路脉冲的产生和触发的功能。

主程序流程图如图3.1所示。

当收到信号时，表示各个部分已经进入了准备状态。

控制系统上电后首先执行的是初始化和自检，初始化包括标志位和变量的初始化、中断初始化、设置各接口芯片初始化、还包括各种程序模块的初始化等等。

接着程序进入起励的设置和起励条件的判别，励磁调节器等待转速信号，在发电机开机而转速未达到额定转速的95%之前将电压给定值设置在空载额定位置，转速一旦达到额定转速的95%，则主程序正式进入主循环:

首先是数据采集和处理部分，主要由三个子部分组成:

电机出口交流电压采样处理部分、电机出口交流电流采样处理子模块和励磁电压采用处理。

然后进入功率因数采集计算，它利用徽处理器的外部中断0和定时器1的联合使用来完成对功率因数的采样和计算，并且采用数字滤波的方式最后求得功率因数；无功调差模块可以实现无功的合理分配，以适应发电机并列运行的需要；PID调节计算模块根据采集的数据结果与额定值进行比较，从而进行PID调节计算来算出可控硅的控制角；限制控制子模块则是为保证发电机的正常及安全运行而设置的。

图3.1主程序流程图

模拟量检测流程图设计

模拟量检测发电机出口电压、出口电流和励磁电压。

通过A/D转换器TLC2543对这几个量进行采集，采用PID算法来实现调节控制，计算两个相邻时刻电压的偏差值，出口电流也是如此。

PID控制原理图如图3.2

Y（t）

比例（P）

设定-

+

执行部分

积分（I）

+

反馈

微分（D）

+

图3.2PID控制原理图

由于功率因数在系统中是很重要的参数，它反映了发电机所带负载的性质，而且在计算有功功率和无功功率的时候都必须用到它，所以必须对它进行很细致的采集。

模拟量检测流程图如图3.3。

图

Y

N

图3.3模拟量检测流程图

第4章系统仿真模型的建立

针对本次课程设计，对其系统进行了MATLAB模型的建立。

在Simulink的扩展工具箱中找到SimPowerSystems，或者直接在提示符下键入powerlib打开电力系统模块库，选择建模所需要的模块。

使用三相同步发电机，励磁系统和水轮机调速器来组成发电机组。

其可用模块的可选为默认值。

三相变压器选择双绕组三相变压器，将变比设置为高压侧额定电压为220KV。

采用分布参数输电线路模型模拟220（KM）的高压线。

首先用模块建立一个正常运行的电力系统，本文以单相接地短路故障为例，仿真模型如图4.1所示

图4.1系统仿真模型图

第5章课程设计总结

在这次课程设计中，首先对发电机自并励励磁自动控制系统进行分析，论述了自并励励磁自动控制系统的特点及发展现状，分析了自并励励磁自动控制的原理和实现方法，通过所学过的专业知识，得到用AT89C51单片机的同步发电机自并励自动控制系统的设计思路，对单片机最小系统进行了细心的设计，对单片机的CPU模块、复位电路以及时钟电路进行系统分析，最终确定单片机的最小系统配置。

在设计过程中，在元件运用方面遇到了困难，也从各个方面获得了解决办法。

在本次课程设计的过程中我学到了优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，为电网提供合格的电能，而且还可有效地改善电力系统静态与暂态稳定性。

要实现这个目的，就必须根据负载的大小和性质随时调节发电机的励磁电流。

同步发电机励磁控制系统承担着调节发电机输出电压、保障同步发电机稳定运行的重要责任。

新型电力系统稳定器尽管在调试时会遇到麻烦，增加了系统的调试难度，但同时大大缩短了系统的稳定时间，减少了系统的超调量，即提高了系统的控制性能指标。

根据课程设计的要求，考虑了不同方面的因素。

在设计整流稳压的电路时，也运用到了模拟电路方面相关的知识，最后采用通过三项全控电路来实现整流。

在最后一部分也对其进行MATLAB进行系统仿真模型的建立，使得本次设计更加完整。

参考文献

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