【正文】 碩士王鈞一種新型數(shù)字式微機勵磁控制裝置的研究與設(shè)計2012碩士學(xué)位論 文 一種新型數(shù)字式微機勵磁控制裝置的研究與設(shè)計一種新型數(shù)字式微機勵磁控制裝置的研究與設(shè)計摘 要本文在分析國內(nèi)外勵磁控制裝置發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上建立了新型數(shù)字式微機勵磁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將光伏技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)及現(xiàn)代通信技術(shù)與勵磁控制裝置相結(jié)合，具有一定的創(chuàng)新性和前瞻性，其發(fā)電機組采用他勵方式時， 可由太陽能光伏組件勵磁實現(xiàn)電力節(jié)能。該裝置以NXP 公司32位ARM單片機LPC1768為控制核心，硬件設(shè)計部分主要包括電源、時鐘與存儲、按鍵與顯示等單片機基本外圍電路；采樣、整流、斬波和觸發(fā)控制等電路； 232/485和GPRS等通信電路；系統(tǒng)保護(hù)和抗干擾電路。軟件部分主要實現(xiàn)運行方式控制、采樣與計算、勵磁控制、通信與存儲、綜合保護(hù)和抗干擾設(shè)計等功能，尤其考慮了V/F限制、欠勵限制、空載強勵限制、過載限制和起勵、滅磁控制等保護(hù)措施。文中分析和討論了自動勵磁控制算法和交流采樣算法，勵磁過程可切換積分分離PID控制和線性最優(yōu)控制兩種模式，采樣過程則使用64點快速傅里葉算法以提高精度。論文最后通過交流采樣、晶閘管移相控制、相位檢測、時鐘調(diào)整和串口通信等實驗驗證了裝置的部分模塊的功能并達(dá)到了相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)。該裝置具有良好的人機界面，硬件擴展性好，軟件兼容性強，便于系統(tǒng)升級和更新?lián)Q代，可以應(yīng)用于中小型的水電廠和造紙、化工等企業(yè)的自備發(fā)電機組，具有較廣的應(yīng)用市場。關(guān)鍵詞：LPC1768 微機勵磁 光伏勵磁 GPRS通信 THE STUDY AND DESIGN OF A NEW DIGIT EXCITATION CONTROL EQUIPMENT BY MICROCOMPUTER ABSTRACTIn this paper, the new digital microputerbased excitation control system base on the analysis of critical applications and development status of domestic and international excitation control devices. The system will be the bination of photovoltaic technology, the Internet of Things, modern munications technology and excitation control devices, innovative and generator group were excited by solar photovoltaic modules, which could save power energy.The device take NXP 32 bits ARM microcontroller LPC1768 as the control parts of hardware design mainly contain circuits of microcontroller power supply, clock and storage, buttons and display。 control circuits of sampling, rectifier, chopper and trigger。 munication circuits of 232/485 and GPRS。 circuits of system protection and antijamming. Software design contain the main operation mode control, sampling and calculation, munications and storage, protection and antijamming design, especially considering that the V/ F limit,low excitation limit, noload strong excitation limit, overload limit, start and deexcitation control.This paper analyzes and discusses the automatic excitation control algorithms and sampling excitation process can be switched to two modes: the integral separation PID control and linear optimal control, the sampling process is using 64point fast Fourier algorithm to improve the accuracy. Finally, experiments of sampling, thyristor phaseshift control, phase detector, clock adjustment and serial munication have verificated parts function of the device and achieved the appropriate technical indicators.The device has a good humanputer interface, hardware scalability, software patibility, convenient for system to upgrade and can be applied to smallsized hydropower plants, paper mill, chemical piants and other enterprises owned generator sets, with a more wide application market.KEY WORDS: LPC1768。 excitation by microputer。 excitation by solar photovoltaic。 GPRS munication目 錄第一章 緒論 1 論文選題的背景及意義 1 微機勵磁控制器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1 國外研究現(xiàn)狀 2 其他新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 2 太陽能光伏技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展 2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展 3 微機勵磁控制裝置的技術(shù)發(fā)展趨勢 3 本論文的主要內(nèi)容和章節(jié) 3第二章 勵磁控制原理與算法分析 5 5 勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成 5 勵磁控制系統(tǒng)功能 5 勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能要求 7 7 交流采樣算法研究 8 基本計算符號與公式說明 8 基本理論算法 9 半周積分算法 10 傅里葉算法 11 本裝置采樣算法 11 自動勵磁算法研究 12 常規(guī)PID控制算法 12 數(shù)字PID控制算法 12 積分分離PID算法 13 PID勵磁控制算法 13 線性最優(yōu)勵磁控制算法 14 16第三章 光伏與物聯(lián)網(wǎng)通信等技術(shù)應(yīng)用原理 17 太陽能輻射強度計算 17 太陽能光伏技術(shù) 17 光伏效應(yīng)原理 17 光伏電池等效電路與特性 18 光伏電池組件 19 電能貯存 19 物聯(lián)網(wǎng)與智能電力設(shè)備 20 傳感器技術(shù)應(yīng)用 21 射頻識別技術(shù) 21 電力互感器 21 現(xiàn)代通信技術(shù)應(yīng)用 22 串口通信 22 I2C通信 22 GPRS通信 23 本章小結(jié) 24第四章 勵磁控制器硬件設(shè)計 25 裝置功能需求說明 25 硬件系統(tǒng)設(shè)計 25 核心控制芯片的選擇 25 系統(tǒng)功能框圖 27 硬件層次原理圖 27 電源模塊設(shè)計 28 時鐘與存儲模塊 29 按鍵電路與液晶顯示 30 采樣調(diào)理電路 31 半控整流電路 34 直流斬波電路 36 開關(guān)量控制電路 37 38 串口通信 38 GPRS接口設(shè)計 39 系統(tǒng)保護(hù)電路 41 硬件抗干擾設(shè)計 41 本章小結(jié) 42第五章 勵磁控制器軟件設(shè)計 43 43 軟件功能需求說明 43 程序設(shè)計思想 43 程序設(shè)計的步驟 43 系統(tǒng)主流程設(shè)計 44 運行方式控制設(shè)計 45 按鍵控制設(shè)計 46 調(diào)差模塊設(shè)計 47 47 48 勵磁控制設(shè)計 49 起勵控制[43] 49 滅磁控制[43] 50 數(shù)字PID勵磁控制設(shè)計 50 勵磁限制與保護(hù)功能設(shè)計 51 V/F 限制 51 最大勵磁電流瞬時限制 51 空載強制限制 52 欠勵磁限制 52 無功功率過載限制 53 強行勵磁 53 反時限延時過勵磁電流限制 53 TV斷線檢測 54 通信與監(jiān)控設(shè)計 54 I2C通信設(shè)計 54 時間校準(zhǔn)與控制 55 GPRS通信設(shè)計 55 軟件抗干擾設(shè)計 56 本章小結(jié) 57第六章 程序調(diào)試與實驗分析 58 程序編譯與下載環(huán)境 58 編譯環(huán)境 58 程序下載軟件 59 實驗硬件準(zhǔn)備 60 顯示界面說明 62 按鍵控制說明 62 實驗與分析 63 交流采樣實驗 63 晶閘管移相觸發(fā)實驗 65 相位檢測與移相實驗 67 時鐘調(diào)整實驗 69 通信實驗 70 72第七章 總結(jié)與展望 73 總結(jié) 73 展望 73參考文獻(xiàn) 74致 謝 77在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與科研成果 78V廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文 一種新型數(shù)字式微機勵磁控制裝置的研究與設(shè)計第一章 緒論 論文選題的背景及意義 隨著我國電力技術(shù)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)容量不斷擴大，輸電線路不斷延長，電壓等級不斷升高，而且用戶對供電質(zhì)量的要求越來越高，電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性問題日益突出。一些重大電力事故表明，電力設(shè)備需要更加及時精確的控制，其中對發(fā)電設(shè)備的控制尤為重要。發(fā)電機的勵磁控制裝置是電力系統(tǒng)的重要組成部分，是提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性最有效和最經(jīng)濟的技術(shù)手段之一。目前我國電網(wǎng)的格局，以大型機組和巨型機組為主力。長遠(yuǎn)來看，我國太陽能發(fā)電受制于技術(shù)瓶頸，而風(fēng)電技術(shù)有地域性限制，水電和核電仍將是以后重點發(fā)展方向。廣西作為中國第一糖業(yè)大省，有近100多家糖廠和大量化工企業(yè)，而且因水資源豐富廣西還擁有眾多的小型水電廠。糖廠、化工企業(yè)的冶煉和造紙等工藝都需要自備發(fā)電機組，其中的勵磁裝置每23年更換一次，從全國來看，類似的企業(yè)也還有很多，故勵磁控制裝置的市場前景非常廣闊。本課題在國內(nèi)一些科技研究成果的基礎(chǔ)上，努力設(shè)計出性能更好、更穩(wěn)定可靠的數(shù)字式微機勵磁控制裝置。本裝置采用他勵與自勵相結(jié)合的接線方式，其中他勵接線時，設(shè)計其勵磁電流取自太陽能光伏組件。這種方式可以將太陽能光伏技術(shù)相結(jié)合，具有中遠(yuǎn)期的經(jīng)濟性和可持續(xù)性，既是國家節(jié)能環(huán)保政策所倡導(dǎo)的，也是未來技術(shù)發(fā)展的方向。另外，本裝置還預(yù)留物聯(lián)網(wǎng)通信接口，這將在電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程通信、智能巡檢和狀態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮巨大的作用。目前現(xiàn)代通信技術(shù)和產(chǎn)品已廣泛用于電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，并伴隨智能電網(wǎng)的發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益。廣西諾斯貝電氣有限責(zé)任公司和廣西比迪光電科技工程有限責(zé)任公司長期關(guān)注此項課題的研究，多個勵磁控制項目、光伏發(fā)電并網(wǎng)項目和物聯(lián)網(wǎng)工程項目在廣西有成功的應(yīng)用，為我們提供了良好的實驗條件和大量的技術(shù)支持。 微機勵磁控制器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀上世紀(jì)80年代初，我國一些高校和科研單位開始研制數(shù)字式勵磁控制裝置[12]。盧強教授最早在國內(nèi)研制出線性最優(yōu)勵磁控制器（LOEC）裝置[67]。該裝置基于線性最優(yōu)理論，標(biāo)志著該理論在我國已達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用階段[3,58]。90 年代初期，隨著嵌入式技術(shù)的深入，同步發(fā)電機勵磁裝置發(fā)展迅速，逐漸趨向微機勵磁[3]。該時期主流的勵磁裝置以 8 位單片機為控制核心，用 PID 調(diào)節(jié)控制規(guī)律來實現(xiàn)[11]。這相較傳統(tǒng)的模擬式裝置在運算速度、控制精度以及控制算法等方面有了很大的改進(jìn)。此后，各研究單位對其投入了較大的關(guān)注，勵磁控制技術(shù)得到了長足的發(fā)展。勵磁控制裝置的核心處理器也向快速化和集成化方向發(fā)展[4]。南自研制的FWL/B600amp。800系統(tǒng)，主要基于DSP+FPGA，其可控硅移相觸發(fā)技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平[45]；華科的最優(yōu)勵磁控制調(diào)節(jié)器與PID+PSS相比，具有更好的調(diào)節(jié)性和適應(yīng)性；南自與清華共同研制的GEC系列裝置，采用了PID+PSS和非線性勵磁控制[45]。目前，我國的同步發(fā)電機勵磁裝置的研發(fā)能力己達(dá)世界先進(jìn)水平。 國外研究現(xiàn)狀 1969年，美國學(xué)者首次提出了PSS（電力系統(tǒng)穩(wěn)壓器）的概念，形成了“AVR+PSS”結(jié)構(gòu)的勵磁控制器。在上世紀(jì)70年代，加拿大學(xué)者余耀南將最優(yōu)控制理論應(yīng)用到電力系統(tǒng)，后來又提出了多變量線性最優(yōu)勵磁。隨后，國外的科學(xué)工作者深入研究，并推出了一系列的勵磁調(diào)節(jié)裝置[7]。國外的數(shù)字式勵磁控制器研究始于20世紀(jì)70年代，80年代中期已進(jìn)入成熟階段。80年代國外的數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)裝置正式投入運行。此后已經(jīng)開始應(yīng)用于大容量機組，主要著重于完善與優(yōu)化性能并提高可靠性[910]。80年代末富士公司研制出了多變量綜合控制器，簡稱TAGEC(多變量綜合控制器)[9]。21世紀(jì)以來，日本又提出了應(yīng)用于高壓輸電的新型電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器，簡稱PSVR。BASLER電氣公司、GE公司，還有ABB、ROLLS ROYC