电力系统自动化50MW发电机自并励励磁自动控制系统设计摘要.docx
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电力系统自动化50MW发电机自并励励磁自动控制系统设计摘要
辽宁工业大学
电力系统自动化课程设计（论文）
题目：
50MW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092
学号：
学生姓名：
指导教师：
起止时间：
2012.12.31—2013.01.11
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
学生姓名
专业班级
092
课程设计题目
50MW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50MW，功率因数0.8，定子额定电压18KV，额定转子电压177V。
2要求电压调差系数在±10%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：
70％～130％。
6起动升压至额定电压时，超调量不大于6％。
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
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。
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。
本文采用自励系统中接线最简单的自并励励磁系统，针对同步发电机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，提出了基于AT89C51单片机的同步发电机自并励自动控制系统的设计思路，对于所设计的单片机最小系统经过经济性与技术性的比较后，选用了按键电平复位电路和内部时钟电路，并在此基础上设计了励磁装置的硬件系统和软件系统。
最后又对整个系统进行了MATLAB仿真，以用来对比运用算法所得结果与仿真所得结果是否在误差允许范围内。
关键词：
自并励励磁自动控制系统；AT89C51单片机；MATLAB仿真
第1章绪论
励磁控制系统概况
供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。
它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。
励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。
励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。
尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。
一般我们把根据电磁感应原理使发电机转子形成旋转磁场的过程称为励磁。
此外，为发电机等“利用电磁感应原理工作的电气设备”提供工作磁场也叫励磁。
有时，向发电机转子提供转子电源的装置也叫励磁。
励磁的主要作用是：
第一，维持发电机端电压在给定值，当发电机负荷发生变化时，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压。
合理分配并列运行机组之间的无功分配。
第二，提高电力系统的稳定性，包括静态稳定性和暂态稳定性及动态稳定性。
第三，直流电机的转动过程中，励磁就是控制定子的电压使其产生的磁场变化，改变直流电机的转速，改变励磁同样起到改变转速的作用。
励磁按直流电机励磁方式可分为他励磁，并励磁，串励磁，复励磁等方式，按整流方式分为旋转励磁和静止励磁。
励磁装置是指同步发电机的励磁系统中除励磁电源以外的对励磁电流能起控制和调节作用的电气调控装置。
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。
励磁装置的使用，是当电力系统正常工作的情况下，维持同步发电机机端电压于一给定的水平上，同时，还具有强行增磁、减磁和灭磁功能。
对于采用励磁变压器作为励磁电源的还具有整流功能。
中小型水利发电设备已实施出口产品质量许可制度，未取得出口质量许可证的产品不准出口。
励磁装置主要分为电磁型和半导体型两大类。
电磁型励磁装置主要用于以直流或交流励磁机为励磁电源的励磁系统中，半导体型励磁装置既可以与励磁机一起组成静止（或旋转）整流器励磁系统，也可以与励磁变压器组成静止励磁系统。
本文主要内容
本次课设针对发电机自并励励磁自动控制系统，论述了自并励励磁自动控制系统的特点及发展现状，分析了自并励励磁自动控制的原理和实现方法，提出了基于AT89C51单片机的同步发电机自并励自动控制系统的设计思路，针对单片机最小系统进行了深入的研究，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。
对于所设计的单片机最小系统经过经济性与技术性的比较后，选用了按键电平复位电路和内部时钟电路，并在此基础上设计了励磁装置的硬件系统和软件系统。
最后又对整个系统进行了仿真，以用来对比运用算法所得结果与仿真所得结果是否在误差允许范围内。
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AT89C51单片机模块中，应用内部的软件编辑程序，实现对励磁系统驱动控制电路的控制。
在复位电路模块中，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。
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，为复位电路提供可靠的直流稳压电源。
如图2.1所示即为励磁控制器设计总体设计方案的框图，其中分为五个模块，分别是直流稳压电源模块、复位电路模块、时钟电路模块。
AT89C51单片机模块和励磁开关驱动控制电路模块，实现单片机控制外部电路。
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，采用光电隔离器MOC3041，是单片机与外部电路实现隔离，并且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
本次课设选用AT89C51单片机作为控制器件，AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、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
引脚功能：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
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。
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。
当加电时，电容C充电，电路有电流通过，构成回路，在电阻R上产生压降，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按键电平复位电路图2.4内部时钟电路
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.如图2.4所示即为89C51单片机的内部时钟电路：
综合以上所作分析与选择，形成了如图2.5所示的完整的CPU最小系统图
图2.5单片机最小系统图
发电机自并励励磁自动控制系统模拟量检测电路设计
为维持发电机端电压水平和机组间无功功率的合理分配，需要测得参数包括发电机的极端电压、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
，经过一系列限制计算和调节计算来得到整定后的励磁电压所对应的可控硅的导通角，从而触发可控硅，使发电机出口电压稳定在一个新水平。
本系统的数据及变换由电压互感器和电流互感器获得，所采集的数据包括发电机出口的两相的线电压，一相相电流、励磁电压。
有功功率和无功功率可以由采集得到的电压、电流以及测算得到的功率因数
运算得到。
图2.6模拟量采集部分的电路
交流信号经变压器隔离和整流滤波后接入A/D转换器的输入端，这种采样方式能满足调节计算的要求，且硬件电路简单，采样要求不高，软件数据处理方便，降低了整个系统的成本。
由于我们采用的A/D转换器是电压输入的，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。
A/D转换器选择TLC2543，该芯片是一种单电源、串行控制的12位模数转换器，可采集11路信号，与单片机的连接只占用4根口线。
模拟量采集部分的电路如图2.6所示。
直流稳压电源电路设计
本次课设要求控制器选用AC220V电源供电，而单片机的工作电源是+5V的直流电源，因此需要利用使用直流稳压电源为单片机提供电源。
直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，其原理框图如图2.7所示。
图2.7直流稳压电源框图
电网供给的交流电压u1（220V,50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压uI。
但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。
在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。
一般情况下，生产生活中所需的直流电压的数值与电网电压的有效值相差较大，一次需要通过电源变压器降压后，在对交流电压进行处理。
变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。
目前，也有部分电路不用变压器，利用其他办法进行升压与降压。
图2.8直流稳压电源波形
变压器副边电压通过整流电路从交流电压转化为直流电压，即将正弦波电压转化为点一方向的脉动电压，半波整流和全波整流电路的输出波形如框图中所画。
本次可设选用桥式全波整流。
可以看出它们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作；例如，交流分量将混入输入信号被放大电路放大，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。
为了减小电压的脉动，需要通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。
理想情况下，应将交流分量全部滤去，是滤波电路的输出电压仅为直流电压。
然而由于滤波电路位无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。
对于稳定系要求不高的电子电路，蒸馏和滤波后的直流电压可以作为供电电源。
稳压电路的功能是使输出直流电压基本上不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。
本次设计主要应用三端稳压器，而W7800系列三端稳压器的输出电压为5v,6v.9v.12v.15v.18v和24v七个档次，型号后面的两位数字表示输出电压值。
W7805表示的输出电压为5v。
最大电压为1.5A，因此选用W7805三端稳压器。
如图2.8所示即为直流稳压电源的主电路图。
图2.9直流稳压电源电路图
本次课设的目的在于用弱电控制强电，因此在这一部分，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，其中大多数是通过芯片给出的电压电流如TTL电平信号，这种电平信号一般不能直接驱动外部设备，而需经过转化后才能驱动外部设备，许多外设如大功率交流接触器、制冷剂等在开关控制过程中会产生较强的电磁干扰信号，不加隔离就会对系统造成误动作或伤害。
因此，在接口处理中，还要包括隔离技术。
针对这个问题，所选励磁开关驱动控制电路
如图2.10所示，所选的光电隔离器是MOC3041，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，这种器件一般称为光耦双向晶闸管驱动器，常用的有MOC3000系列，用于不同负载下电压使用。
例如MOC3011用于110V交流，而MOC3041等用于220V交流使用。
在驱动电路中，R1为限流电阻，一般在微机测控系统中，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压，而门极电阻是为了提高抗干扰能力，以防误触发。
图2.10开关驱动控制电路
第3章自并励励磁控制系统软件设计
软件实现功能总述
本次设计所提供的电源是220V交流电源，运用直流稳压电源将其变换为可靠稳定的+5V电源，从而能够安全稳定的为AT89C51单片机提供电源。
其中经历了变压，整流，滤波和稳压四个过程，在整流阶段，选用三相桥式半波整流的方法，在稳压过程中选用了三端稳压器W7805，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，通过选择合理的内部时钟电路和复位电路，并且对单片机软件进行编程，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，选择光电隔离器MOC3041，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。
流程图设计
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。
初始化结束以后，表明励磁调节器已经准备就绪，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%，则主程序立刻进入主循环:
首先是数据采集和处理部分，主要由三个子模块组成:
电机出口交流电压采样处理子模块、电机出口交流电流采样处理子模块和励磁电压采用处理子模块。
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。
为了更好的完成上述功能，本设计采用单片机来完成，首先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。
图3.1主程序流程图
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。
由于功率因数在系统中是一个很重要的参数，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3.2所示。
图3.2模拟量检测流程图
程序清单
ORG0000H
SJMPMAIN
ORG0030H
START:
MOVSP,#60H
MOVTMOD,#10H
MOVTL1,#00H
MOVTH1,#4BH
MOVR0,#00H
MOVR1,#20H
SETBTR1
SETBEA
LCALLL_DELAY
SJMP$
INT_T1:
PUSHACC
PUSHPSW
PUSHDPL
PUSHDPH返
CLRTR1
MOVTL1,#00H
MOVTH1,#48H
SETBTR1
MAIN：
MOVTMOD,#21H;
SETBTR0;
SETBTR1
MOVR7,#8;
MOVR6,#8
MOVR5,#4
MOVA,#00H
LOOP:
MOVP1,A;
RLA
INCA
ACALLMAIN0;
DJNZR7,LOOP
MAIN1:
MOVA,#0FFH
MOVP1,A；
RRA；
SUBBA,#08H;
ACALLMAIN0
DJNZR6,MAIN1
MAIN2:
MOVA,#00H；
MOVP1,A
CPLA
ACALLMAIN0
DJNZR5,MAIN2
LJMPLOOP
MAIN0:
MOVDPTR,#15536;
MOVTL0,DPL
MOVTH0,DPH
MOVTL1,#236;
MOVTH1,#236
JNBTF0,$;?
0ms
CLRTF0;?
0ms
CPLP3.5
JNBTF1,MAIN0;
CLRTF1
RET
第4章MATLAB建模仿真分析
Matlab软件简介
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式。
代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
Simulink是MATLAB各种工具箱中比较特别的。
Simulink是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，支持连续，离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。
在Simulink环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。
它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。
它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。
MATLAB在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。
用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
系统仿真模型的设计
通过研究得知组成系统的几个主要部分分别是发电机组，三相变压器，输电线路，负载，故障元件，测量仪器以及标准电压源。
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。
使用同步发电机，励磁系统和水轮机调速器来组成发电机组。
在进行发电机组的参数设置时，
，
，
按照上述的额定值进行设置，转子类型、凸极，余相可用模块的默认值。
三相变压器选择双绕组三相变压器，将变比设置为13.8/230（高压侧额定电压为220KV），低压绕组三角形接法，高压绕组星型接地。
采用分布参数输电线路模型模拟220（KM）的高压线。
另外，将标准电压源的容量设置成10E10来模拟无穷大系统。
首先用模块建立一个正常运行的电力系统，仿真后观察电压电流波形，待稳定后，再将故障元件加入其中，这样才能保证故障切除后系统最终能恢复到稳定状态。
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
前面部分简单说明了仿真建模的过程，为了能把最后的仿真波形同时显示在一个界面中以便比较和分析，设计一个图形界面，不仅能随意地选择故障类型进行仿真，让波形全部显示出来，而且还能单独查看各相的电压电流波形图。
要实现这样的功能需要在界面对应M文件中编辑相应的函数，使界面和仿真模型联系起来。
如图4.2所示即为系统仿真波形图
分析图4.2所示的波形，仿真开始时，系统处于正常运行状态，电压电流波形都按正弦波变化，当B相C相0.13s接地短路时，可以观察到这两相对地电压剧降为零，A相非故障相电压没有发生变化。
再观察电流，在故障发生前，A、B、C三相的对地电流都为0，A相接地短路以后，电流迅速增大，Ib和Ic保持原样。
电压序分量和电流序分量都是输出的峰值，在系统正常运行时，电压只有正序分量，电流为零。
当出现故障时，也就是在0.13到0.25秒，电压和电流出现了负序和
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