【正文】 E、西門子等大公司對(duì)勵(lì)磁控制裝置都有較強(qiáng)的科研能力[12]。 其他新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 太陽能光伏技術(shù)目前，我國已是全球太陽能熱水器以及重要的太陽能光伏電池生產(chǎn)國。在全球太陽能產(chǎn)業(yè)鏈條中，我國依靠廉價(jià)勞動(dòng)力等優(yōu)勢(shì)，在制造環(huán)節(jié)占有一席之地，但在大規(guī)模應(yīng)用太陽能方面仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于德國、美國等國家[21]。太陽能光伏領(lǐng)域，我國光伏電池產(chǎn)量逐年增加。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)目前也已經(jīng)開始在公用建筑中使用，比如大型停車場(chǎng)，但大多數(shù)的項(xiàng)目都只限于工程示范階段，普及化的過程仍值得期待。近年來國內(nèi)的低端光伏產(chǎn)品逐漸有盲目擴(kuò)張和產(chǎn)能過剩的趨勢(shì)，而轉(zhuǎn)化效率高的多晶硅技術(shù)幾乎被國外壟斷，因此國內(nèi)光伏制造業(yè)的產(chǎn)品出口受到很大限制[2223]。作為新能源戰(zhàn)略布局，國家相關(guān)部委陸續(xù)出臺(tái)了不少政策來扶持這一產(chǎn)業(yè)。但總體來看，由于技術(shù)成本和并網(wǎng)限制等因素，目前國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)遠(yuǎn)未達(dá)到全面開啟的狀態(tài)。另外能量轉(zhuǎn)化率高，存儲(chǔ)更加方便[21] 的太陽能光熱技術(shù)的發(fā)展也極為迅速，它將和光伏技術(shù)互為補(bǔ)充，齊頭發(fā)展[24]。該課題將太陽能光伏技術(shù)與傳統(tǒng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置結(jié)合，目前尚未見到類似的應(yīng)用。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全球物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今世界最熱門的產(chǎn)業(yè)之一，我國政府也將物聯(lián)網(wǎng)列為未來重點(diǎn)發(fā)展的5大新興技術(shù)之一[2526]。目前，國際上有RFID五大標(biāo)準(zhǔn)組織，各有側(cè)重領(lǐng)先領(lǐng)域，其中歐美地區(qū)推行較廣。 隨著信息化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐步滲透到智能電網(wǎng)的應(yīng)用中[2728,30]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字化變電站中已經(jīng)得到應(yīng)用，其應(yīng)用層能實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與智能電網(wǎng)的融合，使電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)能智能交流。智能電網(wǎng)技術(shù)需要物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)的全面支撐：從發(fā)電機(jī)組運(yùn)行到輸電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從電力生產(chǎn)管理到智能抄表，從智能用電到多網(wǎng)融合[27]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不但可以有效的對(duì)電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施資源進(jìn)行整合，全方位提高電力系統(tǒng)的通信水平，還能很好的改善當(dāng)前電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的利用率[2930]。 微機(jī)勵(lì)磁控制裝置的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 微機(jī)勵(lì)磁裝置今后的發(fā)展趨勢(shì)是[4,5]：（1）功率單元趨向大功率化，可關(guān)斷器件動(dòng)作快速化；（2）核心控制器數(shù)據(jù)處理高速化，實(shí)時(shí)化；（3）控制方法智能化。由于PSS和LOEC都是近似線性化的數(shù)學(xué)模型[7]，而電力系統(tǒng)是比較典型的非線性系統(tǒng)。隨著現(xiàn)階段非線性控制理論的飛速發(fā)展，精確反饋線性化方法能很好地解決大范圍線性化問題和大干擾穩(wěn)定等問題。從線性多變量到非線性多變量，多目標(biāo)的控制將成為將來主要的研究熱點(diǎn)[1316]。另外，模糊控制、自適應(yīng)控制和人工智能控制技術(shù)也開始應(yīng)用于勵(lì)磁控制，甚至可以在不確定模型和參數(shù)的情況下，抵抗外部干擾并能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)智能控制。從理論上講，這些勵(lì)磁控制器，對(duì)于改善系統(tǒng)的性能、精度和效率有很大的優(yōu)勢(shì)。目前這些方法大多只是實(shí)驗(yàn)性嘗試，尚未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段[1720]。 本論文的主要內(nèi)容和章節(jié) 本課題的主要內(nèi)容和章節(jié)安排：第二章著重講解勵(lì)磁控制原理和算法，包括太陽能勵(lì)磁系統(tǒng)的建模、交流采樣算法以及自動(dòng)勵(lì)磁控制算法；第三章論述太陽能光伏與物聯(lián)網(wǎng)通信等技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用原理；第四章通過裝置功能需求說明總體設(shè)計(jì)硬件構(gòu)架，然后設(shè)計(jì)各個(gè)模塊并考慮器件選型；第五章主要從系統(tǒng)軟件功能需求出發(fā)設(shè)計(jì)各子程序的流程，包括運(yùn)行方式、勵(lì)磁控制和綜合保護(hù)設(shè)計(jì)等等；第六章通過硬件調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到相關(guān)的數(shù)據(jù)和波形檢驗(yàn)控制裝置的功能；第七章為總結(jié)與展望。第二章 勵(lì)磁控制原理與算法分析 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)主要由勵(lì)磁功率單元、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和輸入測(cè)量單元組成[31]。功率單元主要提供可調(diào)節(jié)的勵(lì)磁電流，在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組上建立一個(gè)可控的磁場(chǎng)，該單元可以采用直流或交流電源兩種方式供電。如果是直流供電需要提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流電源，一般要匹配蓄電池。若采用交流電則可直接取自發(fā)電機(jī)機(jī)端，也可由電網(wǎng)直接接入。圖21 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖 The circuit diagram of excitation control system勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是勵(lì)磁系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分，它發(fā)出的控制信號(hào)直接影響到發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、輸出電流和勵(lì)磁電流、頻率等信號(hào)通過輸入測(cè)量環(huán)節(jié)傳送到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通過與基準(zhǔn)信號(hào)的比較并按勵(lì)磁控制算法計(jì)算后發(fā)出控制指令，控制功率單元的輸出，從而影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。勵(lì)磁調(diào)節(jié)部分一般采用手動(dòng)與自動(dòng)控制相結(jié)合，正常運(yùn)行時(shí)自動(dòng)控制，故障和實(shí)驗(yàn)時(shí)以手動(dòng)方式作為備用。另外，整個(gè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)還具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、人機(jī)互動(dòng)和自動(dòng)保護(hù)等功能。 勵(lì)磁控制系統(tǒng)功能同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)不僅能夠保障自備發(fā)電設(shè)備的穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，而且能大大提高經(jīng)濟(jì)效益，其主要功能體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：圖22 同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理圖 The circuit diagram of synchronous generator running電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，作為勵(lì)磁系統(tǒng)最基本的任務(wù)必須控制機(jī)端電壓在給定水平。機(jī)端電壓的調(diào)整主要根據(jù)負(fù)荷的大小及時(shí)的調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。如圖22中為勵(lì)磁電壓，為勵(lì)磁電流，為機(jī)端電壓，I為機(jī)端輸出電流。當(dāng)勵(lì)磁電流一定時(shí)，其建立的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為一定值。圖23 發(fā)電機(jī)輸出等效圖 Equivalent chart of output of generator如圖23所示，根據(jù)電磁感應(yīng)和電路原理，有 (21)式中為發(fā)電機(jī)的無功電流。在勵(lì)磁電流不變時(shí)，機(jī)端電壓的變化主要由無功電流引起。系統(tǒng)負(fù)荷的變化使無功電流改變，從而影響機(jī)端電壓。但如果能相應(yīng)的及時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，改變的值，從而可以維持的穩(wěn)定。多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，改變某機(jī)組的勵(lì)磁電流都可能會(huì)影響到母線上其他機(jī)組的無功電流變化，從而使母線電壓也會(huì)發(fā)生改變。為了使機(jī)組間無功的分配合理且穩(wěn)定，機(jī)組需有一定的調(diào)差系數(shù)： （22）式中,，實(shí)際常用代替。當(dāng)＞0，機(jī)端電壓隨無功電流增大而降低，這時(shí)降低勵(lì)磁電流可使發(fā)電機(jī)端電壓降低，其曲線外特性為下傾，為正調(diào)差。當(dāng)＜0時(shí)調(diào)節(jié)特性上翹，機(jī)端電壓將隨無功電流增大而上升，起調(diào)節(jié)特性相反，為負(fù)調(diào)差。=0為無差特性，機(jī)端電壓恒定。當(dāng)多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，具有正調(diào)差的機(jī)組之間無功分配與調(diào)差系數(shù)成反比，而負(fù)調(diào)差的機(jī)組不能直接并聯(lián)。圖24 調(diào)差特性曲線 Regulating features curve當(dāng)電力系統(tǒng)受到外部干擾時(shí)，必須保證發(fā)電機(jī)同步、穩(wěn)定運(yùn)行。良好的勵(lì)磁控制系統(tǒng)能顯著改善靜態(tài)穩(wěn)定水平、保證發(fā)電機(jī)組同步，而且能有效抑制低頻振蕩。能提高繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的靈敏度，還具有快速滅磁的功能。 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能要求為提高勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能，通常需要滿足以下要求：，要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)器沒有失靈區(qū)；，能及時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)故障并執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作；，保證發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行；；；；，可以采用濾波、隔離和屏蔽等技術(shù)手段；，具有擴(kuò)展性；軟件系統(tǒng)升級(jí)更新方便。實(shí)際工程應(yīng)用中要綜合考慮機(jī)組的運(yùn)行條件和實(shí)際成本等因素，采用經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)指標(biāo)，以最大化提高勵(lì)磁控制裝置的性價(jià)比?；贏RM單片機(jī)的新型微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用的勵(lì)磁電流來源：由機(jī)端電壓經(jīng)全控整流后的直流、由太陽能光伏組件直接得到的直流。圖25 新型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng) New exeitation control system電力互感器采樣得到的機(jī)端電壓和輸出電流等模擬信號(hào)，由單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換后讀取的數(shù)據(jù)計(jì)算出實(shí)際采樣的電壓和電流值。單片機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)差并調(diào)整給定值，然后通過綜合放大單元，在其輸出的PWM控制信號(hào)作用下，實(shí)現(xiàn)直流斬波，從而控制勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的大小。本系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理圖如圖25所示，它是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由測(cè)量比較單元、調(diào)差單元、勵(lì)磁輸出限制單元、勵(lì)磁控制計(jì)算單元、綜合保護(hù)單元和通信單元等組成。較之傳統(tǒng)的勵(lì)磁控制裝置大大增強(qiáng)了通信功能，如RFID非接觸式讀卡單元可以加強(qiáng)控制裝置的密保和身份認(rèn)證功能（根據(jù)需要增加），另外GPRS通信技術(shù)可以方便的實(shí)現(xiàn)遙信和遙控功能。 交流采樣算法研究電力設(shè)備采樣最重要的參數(shù)主要是電壓和電流。采樣一般可分為直流采樣和交流采樣。直流采樣簡(jiǎn)單，但實(shí)時(shí)性差，精度差，難以滿足現(xiàn)代電力設(shè)備的要求；交流采樣可以彌補(bǔ)直流采樣的缺點(diǎn)，更能直接反映被測(cè)參數(shù)的真實(shí)信息。交流采樣必須滿足奈奎斯特定律： (23)是采樣頻率，是被采樣對(duì)象的最高頻率。由于本方案電力參數(shù)的采集采用交流采樣算法，由于系統(tǒng)微處理器是32位單片機(jī)，計(jì)算能力較強(qiáng)，可以每周期采樣64個(gè)點(diǎn)，采樣頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率。交流采樣的算法有很多：兩點(diǎn)乘積算法、三點(diǎn)采樣算法、傅立葉算法、均方根算法、半周積分算法等。 基本計(jì)算符號(hào)與公式說明：在一個(gè)采樣周期里需要采樣的樣本數(shù)目：正弦波的周期：相的電壓有效值，其中：相的電流有效值，其中：相的第i次采樣電壓，其中, ：相的第i次采樣電流，其中, ：相的視在功率，其中：相的有功功率，其中：相的無功功率，其中：相的功率因數(shù)，其中：相的相位角（相位差），其中 ， (24) ， (25) ， (26) ， (27) 基本理論算法將需采樣的工頻交流電壓、電流信號(hào)分別近似地表示為： ， (28) ， (29)式(28)和式(29)中的和分別可以通過式(210)和式(211)求得： ， (210) ， (211)式中的和分別指的是相電的交流電壓和電流。但是(210)式和(211)式中含有微積分，將其離散化后可以借助《計(jì)算方法》數(shù)值積分理論的復(fù)化梯形公式來解決： (212)將式(28)和式(210)一起考慮，則,，于是有： (213)同理， (214)式中的分別表示時(shí)的電壓、時(shí)的電壓、時(shí)的電流和時(shí)的電流。則單相有功功率可表示為： (215)同理，單相無功功率可表示為： (216)其中，相位角滯后電壓處的電流。功率因數(shù)為： (217) 半周積分算法將任半周期內(nèi)正弦函數(shù)絕對(duì)值進(jìn)行積分： (218)圖26 半周積分示意圖 The schematic diagram of half cycle integral 如圖26所示， 和的縱軸、橫坐標(biāo)和正弦曲線所圍成的區(qū)域面積相等, 發(fā)現(xiàn)其積分值是不變的，且與初相角無關(guān)。設(shè)的面積是離散的采樣點(diǎn)組成的梯形疊加而成，則，并且： (219)其中為第k次采樣值；是兩采樣點(diǎn)時(shí)間間隔，指周期，N為每周期采樣點(diǎn)數(shù)，則： (220) (221)該算法能濾除高頻分量，卻不能消減直流分量，由于運(yùn)算以加法為主，計(jì)算速度快。 傅里葉算法傅里葉算法（DFT）容許采樣的周期信號(hào)包含各種分量，甚至直流分量和高次諧波分量，而且便于諧波計(jì)算和分析。假定采樣的時(shí)間函數(shù)信號(hào)為： (222)其中n為諧波次數(shù)，由傅里葉級(jí)數(shù)公式，得： (223)離散化，得： (224)當(dāng)n為1時(shí)，可以得到基波分量。 本裝置采樣算法通過分析采樣算法，傅里葉算法可以濾除直流分量和高次諧波，相位失真小，適用于周期性信號(hào)；而半周積分方法能濾除高頻分量，采樣速度快，主要適用于正弦信號(hào)。由于該裝置采用32位單片機(jī)，計(jì)算速度能滿足較高要求，而電力系統(tǒng)并不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。綜合硬件設(shè)計(jì)和勵(lì)磁裝置的精度、響應(yīng)速度及運(yùn)算量三個(gè)性能指標(biāo)，本方案選擇傅里葉算法實(shí)現(xiàn)交流采樣。根據(jù)該單片機(jī)的系統(tǒng)頻率和運(yùn)算速度，一個(gè)周期內(nèi)采樣64點(diǎn)。信號(hào)的周期由單片機(jī)采樣計(jì)算得出，并據(jù)此按等間隔采樣，然后計(jì)算出機(jī)端電壓、輸出電流等電力參數(shù)。當(dāng)n為1時(shí)，即可得到基波的系數(shù)。在設(shè)計(jì)采樣過程中，可以根據(jù)數(shù)值計(jì)算方法采用快速傅里葉算法（FFT）思想編寫采樣流程?？焖俑道锶~算法主要思想是利用的周期性減少乘法次數(shù)。時(shí)間抽取FFT算法(DIT)可將普通DTT算法次數(shù)由降為次。 自動(dòng)勵(lì)磁算法研究 常規(guī)PID控制算法P