韦晓双

摘  要：励磁调节器是发电机系统的核心应用部件，它不仅能够控制发电机的输出电压，还能灵活了解电力系统的运行效率，对并联运行发电机的无功功率进行合理调整。自动励磁调节器目前已经在我国各大中小水电站普及起来，如今水电站对励磁调节器的应用能力有了显著的提升。基于DSP的水电站自动励磁调节器的诞生，深受半导体器件应用和计算机技术发展的影响，很多大中型的水电站目前都已经完成了现代化电子技术的开发和新型控制系统的应用，这其中励磁调节器的应用水平也在不断的提升。本研究将主要关注点对准以DSP为核心的励磁调节器，简单叙述该系统的应用优势和实际应用场景。

关键词：DSP;水电站;自动励磁调节器

前言

励磁调节器是发电机系统最为核心的零部件，因此为了保证发电机系统的正常稳定运作，励磁调节器需要确保自身应用的可靠性和强励性[1]。自动励磁调节器是20世纪之后才进入到人们视线中的，在此之前，直流机励磁系统、电抗移相式励磁系统以及电抗分流式相复励励磁系统是我国很多中小水电站主要使用的励磁方式。这些传统的励磁系统在应用过程中出现问题和故障的几率太高，很多系统在应用过程中并不能对发电机系统起到保护作用，反而会降低供电的可靠性。因此受现实应用问题的影响，当进入到二十世纪之后，在计算机系统和现代化电力电子技术的影响下，全新的自动励磁调节器应运而生，并被广泛的应用到很多大中型水电站，开始在这些枢纽系统中发光发热。DSP可翻译为数字信号处理器，拥有强大的运算功能，以DSP为核心的励磁调节器能够实现自动控制和自动调节，其应用效率和应用可靠性很强，符合当前我国水力站点的应用需求和发展实际。

一、基于DSP系统的水电站自动励磁调节器应用优势

（一）可靠性高

DSP系统自带强大且成熟的硬件技术应用水平，作为一种独特的微处理器，他利用数字信号来处理大量信息，具备大规模集成电路工艺水平和应用能力，是当前较为先进的软件应用类系统之一。DSP的合理应用有效提高了励磁调节器的应用可靠性和科学性，能够满足当前发电机系统的运转需求。

（二）使用性能优越

励磁调节器在使用过程中越来越依赖软件技术，本研究选用的微机式励磁调节器与同类型系统相比较而言，本身就拥有较明显的使用优势，有了DSP系统的加持，让微机式励磁调节器在全部功能都可以顺畅应用的基础之上，还能够实现包括励磁电流限制以及设备软件功能保护等在内的多种模式的辅助功能。这在励磁调节器应用过程中并不常见。此外，DSP能够同时兼顾励磁调节器的软件模块和硬件模块，用户可以根据发电机和不同系统应用环境下的励磁功率来对单元单体应用情况进行选取。这样系统能够将不同功能单独分解出来以供使用，不仅可以获得更多功能，还能够更好的满足具体要求，自动对励磁调节系统进行调整。最后在实际运行过程中，DSP为核心的自动励磁调节器显然具备更好的运行状态，还能够根据发电机组和电力系统运行数据的反馈对励磁调节器自身的应用情况进行调整，控制参数可以实现在线调节，这样一来励磁调节系统的性能使用情况会有更好的保障[2]。

（三）维修方便

因为使用了最为先进的数字化模拟系统，因此励磁调节器的硬件结构已经最大程度简化，软件功能全面化使目前微机式励磁调节器的主要發展方向，使用过程中很多的系统参数和使用单位都已经陆续实现了电子化和数字化，比如电压值的控制，控制参数的基本设定和整体设定这些板块。与传统的励磁调节设备相比较而言，以DSP为核心的自动励磁调节器后期运行过程中自检自查能力有所升级，因此很多自动化设备运行障碍被减轻，直接降低了维修难度和强度，整体维修量也大大减少。

二、基于DSP系统的自动励磁调节器硬件结构设计

（一）总结构设计

作为发电机励磁系统的重要核心构件，励磁调节器的使用直接关系到了发电机的正常运行效率，在实验设计过程中必须要把励磁调节器的优越性和可靠性作为设计的基础要点进行把控。首先需要观察日常使用过程中容易出现的几类问题，一是发电机正常运行过程中负荷变化会影响发电机端电压的变化情况，励磁调节器能够将其维持在一定水平上，有效控制电流的增大或减少，避免设备出现极端电压值。而当机组的负荷减少时，励磁调节器还需要保证能够合理控制负荷，避免发电机机端电压无限制升高。最后作为静止半导体，历次调控系统需要对无功功率进行控制并稳定各组间的分配情况。本研究所针对的DSP系统控制下的自动励磁调节器需要具备以上功能。因而本研究选择了由T1公司生产的TMS320LF2407A作为核心控制芯片，发电机系统的所有开关量信息均由开关量通道进行采集和处理，芯片负责对脉冲调制放大单元、脉冲故障检测单元直接负责，并与开关量输出及输入通道、人机接口进行信息对接，同时模拟量输入通道与同步电路为芯片运行负责。

（二）输入通道硬电路模拟量采集

不同的采样信号需要用到不同的模拟量采集，主要分为交流采样和直流采样。交流采样是指对被测信号的瞬间值进行检查，按照相对应的规律和计算方法对测量数据进行分析和处理，以此来获得准确对应的测量方法。这样的采样模式对频率的要求较高，因此硬件电路输出过程中最好具备较强的数据分析能力和高速的采样频率。实际使用过程中具备的优势有实用性好，相位失真率小，投资少，缺点在于算法复杂，单位时间内对CPU处理的速度要求高。只适用于部分投入较大，较为全面化的水电站。直流采样使选用一般模拟量变送器，按照一定量比例将交流量转化为系统能够直接识别的直流电压。该模式的应用非常简洁明了，易上手，缺点就在于采样效果的实时性较差，但是对转换器速度的要求并不高，因此普适性强，使用范围较广。本研究适当选用交流电压采样电路，电压互感器TV和电流互感器分别来自于同步发电机的机端电压转化成0--100V以及0--5A的交流信号，进行隔离转换后一直要达到A/D转换器能够接受的范围内。实验设定本次交流电压采样点线路选择的额定输入和输出电流分别为2mA和2mA，输入端的限流电阻R1为51k，输出端电流为2mA，采样电阻的组织为250。电压值转换之后的幅值为-0.5V--+0.5V，由于单级A/D转换器有大功率特点，因此采用点平抬升需要控制在三倍数值之间放大电路。最终得出的与原始信号同波状而输出在0--3V之间的脉动直流电流并将其传输到A/D转换器中，最终完成电流的顺利疏通。

三、基于DSP系统的自动励磁调节器软件结构设计

（一）总结构设计

同步发电机机自动励磁调节器的整体调节过程是闭环，因此在该闭环中所有调节元素的运作是不受外部环境影响的，可以很好的保证系统的快速性和实时性。本研究将目标设定为更高要求，励磁调节器需要满足符合变化较快反应速度，同时也要具备发电机系统安全保护特性。除此之外，自动励磁调节器的励磁系统还需要具备一些限制功能，需要对设备运行过程进行强制限制或者欠励限制。基础性微机型自动励磁调节器的以上功能基本都具备，而本研究主要对主程序和服务子程序这两个部分进行优化设计。主程序包括初始化、开中断、电量计算、调节限制和限制保护这几个模块的内容，服务子程序主要对信号捕捉、A/D转换完成、移相脉冲、看门狗和人机界面以及显示界面进行升级。而本文主要对调节控制模块进行详述。

（二）调节控制模块设计

DSP励磁控制器运行过程中，PID控制算法能够实现高端控制，体现对机端电压的合理调节，PID励磁调节器作为发电机端电压一侧信号的反馈量，可以通过该系统进行合理调节，也就是说在最终信号传输到发电机端之前，可以通过一系列的过励限制、欠励限制和过壓保护来对电压进行调节，最终实现模块调节合理控制。本研究采用的PID算法模式与其他的算法相比有三个较为突出的优点，一是利用增量作为输出，增强了控制器使用的稳定性，失误动作的出现较少，也不会大幅度的改变其他的控制效果。二是能够在自动和手动中互相准换，对切换过程条件要求低，冲击较小。三是与其他类输出算式相比增量式PID算法不需要对未知状态偏差值进行累加，这样只要计算出增量就能很好的控制最终结果，对控制量计算的影响幅度也不大。

结束语

通过对软件和硬件系统进行分类设计与试验，最终得出了较为先进且实用性较强的自动励磁调节器应用，在满足发电机电压调节性能的基础之上，还能够很好的提升系统使用的稳定性和可靠性。

参考文献：

[1]汤晓华，何新州，邹登海，等. 基于AVR单片机的小水电励磁系统远控单元设计与实现[J]. 中国农村水利水电，2003（11）：83-85.

[2]万军，胡长生. 基于AVR单片机的光伏系统变步长MPPT控制[J]. 机械与电子，2008（4）：20-22