（机械电子工程专业论文）基于fpga的双双调节水力发电综合控制系统研究.pdf

摘 面芷3 6 8 5 9 8 ；c 本文针对当前我国水轮机控制器的研究现状，将可编程集成电路技术应用至 水电站发电机组的调速控制和励磁控制中。研究了在现场可编程门阵列( f p g a ) 为硬件基础下水轮机调速和励磁功能的双调节以及调速中导叶轮叶控$ i j x x 调节 的实现，设计了以f p g a 为核心的水轮机调速励磁综合控制系统框架，并进行了 可行性分析。 侄文共分为五章： 第一章：简要阐述了水轮机控制的任务和基本原理，对各种调节器的发展及 结构特点进行了比较分析，阐明了论文的研究内容和意义。 第二章：阐述了基于f p g a 数字芯片的调速器的技术构成、总体结构和硬件 设计过程，介绍了水轮机导叶轮叶双调节的数字协联算法和电路实现：给出了试 验样机的物理仿真试验结果。 第三章：研究了基于f p g a 数字芯片的水轮机励磁功能的实现，阐述了励磁 控制器的系统结构，硬件构成、外部接口电路以及内部数字电路设计过程，给出 了计算机仿真结果。 第四章：对于调速和励磁控制都用到的测频模块进行了研究，提出了一种高 可靠性测频方案。研制开发了基于f p g a 数字芯片的转速继电器。 第五章：对论文工作进行了总结，并对进一步的工作提出了自己的想法。， f 关键词：水轮机调速器，励磁控制器，现场可编程门阵列，同步发电机 a b s t r a c t a i m i n ga tt h ea c t u a l i t yi nt h ef i e l do f t h eh y d r a u l i ct u r b i n ec o n t r o l l e r ，t h et h e s i s a p p l i e st h et e c h n o l o g yo fp r o g r a m m a b l el o g i cc i r c u i t t ot h es p e e da n de x c i t a t i o n c o n t r o lo fh y d r o e l e c t r o n i c g e n e r a t o r s i n h y d r o p o w e r s t a t i o n b a s e do nf i l e d p r o g r a m m a b l eg a t e sa r r a y ，t h e r e a l i z a t i o no fs p e e da n de x c i t a t i o n r e g u l a t o rf o r h y d r a u l i ct u r b i n ei ss t u d i e d 乃es y s t e ms t r u c t u r eo fh y b r i dc o n t r o l l e ro fs p e e da n d e x c i t a t i o nr e g u l a t o ri sd e v e l o p e da n dt h ef e a s i b i l i t yi sa n a l y s e d t h i st h e s i sc o n s i s t so ff i v es e c t i o n s ： i nt h ef i r s ts e c t i o n ，t h et a s ka n dr e a l i z a t i o nm e t h o do ft h eh y d r a u l i cg o v e m o ri s s t u d i e d t h ec o n s t r u c t i o na n ds t r u c t l l r eo fd i f f e r e n tt y p er e g u l a t o r sa l ec o m p a r e d t h ec o n t e n t a n ds i g n i f i c a n c eo f t h i st h e s i sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d i nt h es e c o n ds e c t i o n ，n r s t l y ，t h e t e c h n i c a l c o n s t i t u t e ，s y s t e m s t r u c t u r ea n d h a r d w a r ed e v e l o p m e n ta r ei n t r o d u c e d t h e nt h ed i g i t a lc a m i ss t u d i e dt or e p l a c et h e t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l c o m l a s t l y , t h e r e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t b a s e do n p h y s i c a l d i g i t a lp l a t f o r m a r eg i v e n i nt h et h i r ds e c t i o n t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e rb a s e do n f p g ai sr e s e a r c h e d n l es y s t e ma n dh a r d w a r es t r u c t u r e a sw e l la sc i r c u i td e s i g na r e i n t r o d u c e d t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l ti sp r e s e n t e d t h ef o u r t hs e c t i o ni sc o n c e r n e dw i t ht h er e s e a r c h a b o u tt h e f r e q u e n c y m e a s u r e m e n ti nt h ec o n t r o l l e ro f h y d r a u l i ct u r b i n e ah i g hr e l i a b i l i t ym e a s u r e m e n ti s i n t r o d u c e d as p e e dr e l a yb a s e do nf p g ai sd e v e l o p e d t h el a s ts e c t i o ni sas u m m a r yo ft h ew h o l er e s e a r c hw o r k n l em a i n a c h i e v e m e n t o ft h et h e s i si sm e n t i o n e da n dt h ec o n c e i to ft h ef l l r t h e rd e v e l o p i n gw o r ki s p o i n t e d o n i t k e y w o r d s ：h y d r a u l i ct u r b i n eg o v e m o r ，e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r , f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e s a r r a y , s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r 第一章综 述 摘要：分析了水电事业在国民经济中的重要性，对水轮机调速器与励磁控制器在水力 发电系统中的作用，研究现状和发展趋势进行了简要的论述，阐明了论文研究的目的和 意义，并确定了本文的研究方向和方法。 1 1 我国水电事业的现状与发展 电力是全球人类消费的最主要的终端能源。据国外权威机构预测：今后2 0 年，电力 将是全球增长最快的终端能源，估计世界电力消耗年平均增长达”。在我国，随着 国家工业化和国民经济的持续发展，电力事业也一直保持着旺盛的发展势头a b i 作为电 力工业重要组成部分的水电，也正在得到人们越来越多的重视。 。水是种清洁、优质、廉价的可再生资源，开发水电具有巨大的社会及生态效益。 而且水电站运营灵活，运行成本低，建成后能提供廉价电力，长期效益巨大：在水力发 电的同时，还可产生灌溉、防洪、供水、航运、水产养殖、旅游等综合效益。在电力系 统中，水电具有调峰、调相、事故备用等作用，能够改善供电质量和系统电源结构， 提高运行可靠性，与火电等配合运行可加强电力系统的经济l 生和安全陛。因此各匡政 府都在优先发展水电，我国也有一系列的优惠政策来加快水电的开发建设。新中国成立 以来，特别是改革开放以来，我国的水电建设取得了突飞猛进的发展：1 9 4 9 年解放时 全国水电装机量仅l6 3 万娜。经过几代人的努力，到1 9 0 0 8 年底全国水电装机量已达 6 6 ( 1 0 万k w 是1 9 4 9 年的4 0 0 倍，占世界第三位，年发电量达2 0 4 3 亿h 1 3j 。近几年 来，一些大型的水电项目也纷纷上马，如举世瞩目的三峡工程，标志着我国水利发展的 新阶段。 虽然水电建设获得了很大的发展，但与发达国家相比，还存在着不小的差距。我国 电力工业中存在的一个主要问题是火电比重大，而水电开发率低，比重小。截止到 1 9 9 8 年底，水电在电网中的比重仅为2 3 8 ) 6 ，发电量仅占总发电量的1 7 慌。我国水能 资源开发程度是很低的，按1 9 9 8 年末的容量计算，仅为可开发资源的百分之十几，按 发电量计算仅为可开发发电量的百分之八左右，低于世界平均水平0 ，远低于发达 国家开发水平( 鲫姻。一 随着国民经济的迅速发展，迫切需要加快开发我国的水利资源，改善电力工业结 构。根据电力部九五计划建议和长期规划的展望目标，到本世纪末，全国的水电装机容 量将达到衲万k w ，到2 0 1 0 年将达到1 2 5 亿k w 。因此，相当长的一段时间内，我国 的水电开发将保持很快的发展速度，2 1 世纪，中国水电将在以下方面发展： a巨型或大型水电站的兴建将成为一些电网的骨干电源，并推动“西电东送”发 展战略的实现。三峡电站的建设和会沙江的开发将实现西电东送的起步a 另外还有批 巨型电站也将于2 1 世纪建设并投产。 b 中小型水电的发展形势看好。近十多年以来，由于用电负荷的急居啦曾长和地方 经济实力的增强，各省、自治区积极进行开发中小型水电站的建设。8 0 年代以来，水 电建设投资多元化的局面已逐步形成，给中小型水电站的发展形成机遇，进入2 1 世纪 以后，这势头将继续发展。 c 抽水蓄能电站将形成一定规模。由于东部地区水能资源有限，且许多地区可开 发的水能资源大部分已开发，而且系统负荷和峰谷差迅速增加，水电比重不断下降，尤 其是核电站的建设，使系统调峰问题日益突出。进入2 1 世纪以后，东部地区抽水蓄能 电站建设必将加快。 d农村小水电仍将有序发展。中国河流众多，许多小地区河流水能资源十分丰 富，开发这些资源可为边远山区和农村提供电力。解放后，尤其是1 9 8 3 年国务院批准 在全国建设第批1 0 0 个初级农村电气化试点县以后，农村小水电发展速度很陕，1 9 9 0 年完成e 述计划以后，国务院又于1 9 9 1 年批准建设第二批2 0 0 个初级农村电气化试点 县。由于国家在政策和投资等方面的支持，和广大农村用电的需要，农村小水电在2 1 世纪仍将大量发展。 随着新世纪的来临，我们的水电事业将再j 匿e 一个新台阶。预计到2 0 1 0 年，我国 水电将获得持续发展，如果按水电装机容量比2 0 ( i ) 年大致再增1 6 1 7 倍估计，全国 水电总量将达1 1 0 0 0 d 1 2 。0 0 0 。还将建成世界上最大的三峡水电站枢纽( 1 删) ： 完建长江e 游最高的二滩拱坝( 2 4 1 n ) ：完建黄河中下游最大的小浪底水库和最高的土 石坝( 1 n m ) 等。另外还将建设批大型和特大型水电站及其高坝。 5 】在这种形式下， 相应的对水电站机组配套控韦帅自动化设备的研究也越来越得到重视。 1 2 水轮机调速器与励磁控制器概述 水轮机调速器和励磁 辩蠕惺水轮机发蝴的两大重要调节设备，担任着维持机 组正常运行的重任。调速器是用于直接控制水轮发电机组转速的专有设备，它控制着发 电机组的正常开机、空载、并网、增减负荷、正常停机等环节，其工作性能的好坏直接 影响到发电机组能否正常运行。而励磁控制器的主要任务是通过对同步发电机励磁电流 的调节控制，调节机组发出的电压和无功功率。由于水电在整个电力系统中的重要作 用，水电机组的运行状况直接影响到电力系统的安全与稳定，所以对水电机组控制设备 笙= 翌堡垄一 的要求也变得越来越高。相应的，对这两种控制器的开发和研究正在不断的进行中，这 对于提高我国电力工业的技术水平有着积极的意义。 1 2 1 两种控制器的发展 一、水轮机调速器发展历史 水轮机调速器的发展依赖于当时的社会生产力的发展和科学技术的进步。从最早期 的利用测速元件直接操作水轮柳执行机构的直接作用式小型调速器，一直到现在利用计 算机执l 亍复杂控制策略的微机调速器，水轮机调速器先后经历了机械液压型、电气液压 型和微机液压型三个发展阶段。机械液压型调速器诞生于十九世纪末，通过长期的制 造、设计和运行，已积累了丰富的经验，其稳定性较好，也比较可靠，但质性大，速动 性和准确性不够；由于受到机械部件的限制，只能采用p i 调节规律，且调节参数固定 不变，因此调节眭能差，难以满足当前电力系统对电能质量和电厂综合自动化提出的要 求。 、 随着电子技术及液压技术的进步，出现了电气液压型调速器。与机械液压型调速器 相比，电气液压型调速器是以电气形式代替机械形式进行信号的传递、变换和综合，具 有响应速度陕、控制精度高、易于实现所需要的调节功能等特点。五十年代已有相当成 功的电气液压型调速器。电气液压型调速器经历了电子管、晶体管和集成电路等发展阶 段。从调节规律上也从p i ( 比例嘲分) 调节规律发展到了p d ( 比例壤分诎分) 调节规 律。 此外，为提高电气液压型调速器的技术指标并使它具有更好的通用性和互换陛，出 现了种组合式( 又称积木式) 电气液压型调速器。它由测速、调节、位置控制操作、 执行机构等具有单一功能单元的元件组合而成，通过各单元的不同组合，构成适用于不 同机组要求的调速器。法国n e y r p ：c 公司七十年代初生产的r a p d ? 7 型集成电路电液调 速器就是这类调速器的典型代表。 七十年代以来，随着电子计算机技术的发展和普及，开展了在电力系统中应用计算 机进行生产过程控制的研究。第台数字式调速器是七十年代初研制成功的。从八十年 代开始，由于微处理机技术的推广和应用，研制出了以微处理机为核心的水轮机调速 器，从而使数字式水轮机调速器投入工业运行成为可能。瑞典a s e a 公司八十年代中叶 推出的 f 6 1 院o 调节器代表了当时国外微机调速器的发展水平，该调速器的c p u 为8 位6 8 0 3 ，由p 1 0 0 可编程控制器组成，编程设计语言为 旧。似s e am s 1 日 p i e c e 圳蛆删) ，该调速器具有优良的性能和较高的可靠性，现场使用情况良好。 堑堑盔! 兰坠丛篓兰丝蔓生一 我国水轮机周速黜雌业是解放后才蒯酗辣的。五牛玳主要，护机械液腥l ! ! 调 速器，六十年代起我国自行研制的电子管、晶体管、集成电路电气液压型调速器相继投 入运行。当前新建的大、中型水电厂多采用电气液压型调速器。我国生产的机械液压型 和电器液压型调速器的典型产品有：t - 1 0 0 、d t - 1 0 0 、d s t 一1 5 0 等型号的调速器，并已形 成了自己的型谱。八十年代起我国有少数科研单位开始从事微处理器调速器的研制工 作。 水轮发电机组的励眩系统般由两部分组成部允用于向发电机的磁场绕组提供 直流电流，以建立直流磁场，通常称为励磁功率输出部分。另部分用于在正常运行或 发生事故时调节励磁电流，以满足运行的需要。这部分成为励磁控制单元，或称励磁 调节器。 励磁调节器是水轮发电机组的重要控制设备，对发电机的运行可靠性、经济| 生及其 它特性有直接的影响。它的主要作用有： 1 )正常运行时供给发电机励磁电流，并根据发电机负载的变化作相应调整，以维 持发电机端电压或电网中某一点电压在给定水平上。当发电机突然甩负荷时， 实行强行减磁以限制其端电压，使其不会过度升高。此外，当几台发电机并联 运行时，通过励磁系统的作用可使无功功率在机组间得到稳定和合理的分配。 2 ) 通过灵敏而又快速的励磁调节，提高电力系统运行的静态稳定和输电线路的传 输能力。当电力系统发生短路或因其它原因使系统电压严重下降时，对发电机 实行强行勋磁，以提高电力系统的动态稳定。如果发电机内部发生短路故障， 则对发电机实行自动灭磁，以刚氐故障的损坏程度。 为了完成上述任务，特别是第2 点，要求励磁系统应具有较高的励磁电压顶值和较 快的励磁电压上升速度。 励磁功率单元发展 1 9 6 0 年以前，同步发电机励磁系统的励磁功率单元，一般均采用同轴的直流发电 机，称为直流励磁机。励磁控制单元则采用机电型或电磁型调节器随着电力系统的发 展和单机容量的增大，这种励磁系统已不能适应现代电力系统和大容量机组的需要，其 主要问题是： 1 ) 励磁功率不能满足要求。随着机组容量的增大，所需的励磁功率也越来越大， 而同轴直流发电机由于存在整流子和炭刷，其容量受机械强度( 如转速所决定 的周边速度) 和电气参数( 如换向电压) 等因素的限制。 笙二堡堡堕一 2 )励磁电压顶值和上升速度不能满足要求。随着电力系统的发展和单机容量的增 大，对励磁系统的这两个方面提出了更高的要求。尤其是对于大型水电站而 言。，由于输电距离较远，电力系统稳定问题更加突出此时，匕述励磁系统已 难于满足这些要求。 随着电子技术的发展，大功率硅整流器和大功率可控硅( 又称硅晶体闸流管，简称 硅晶闸管) 在制造技术、应用技术及其可靠性方面都得到了不断的提高。在这种t 清况 下，以大功率硅整流装置或可控硅整流装置及其相直_ 的交流电源为励磁功率单元( 取消 直流励磁机) ，以半导体励磁调t 5 1 1 为励磁控制单元而组成的励磁系统，即可控硅( 半 导体) 励磁系统，便在适应电力系统发展和单机容量增大需要盼晴况下发展起来。 可控硅励磁系统，国外6 0 年代初才开始在中型发电机匕采用，但到 7 0 年代初已得 到普遍的应用，可见发展是很快的。近十多年来，我国在可控硅励磁系统的研制和使用 方面，也有了较快的发展。目前我国新建的单机容量为1 吣 以上的汽轮发电机，几乎 都采用可控硅励磁系统。至于大型水电站，过去兴建的虽然大部分仍采用直流励磁机， 但许多机组都配备了可控硅励磁调节器。而崩匠一些年兴建和将要兴建的水电站，则都 优先采用可控硅励磁系统。 多年的实际运行经验证明，可控硅励磁系统具有调节速度快、调节范围宽、强励顶 值高、制作容易、运行维护简便等优点。 可控硅励磁系统按照获取励磁能源方式的不同，可分为两大类：他励年i ；i 自励。他励 采用与主机同轴的交流发电机作为交流励磁电源，经可控硅整流供给励磁能源。自励系 统的励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电力系统。由于他励方式需增加励磁发电 机并增加主厂房高度或长度，因此i 抒中励磁方式现在较少采用。自励方式又可以分为自 复励和自并励方式。自并励只用一台接在机端的励磁变压器( 又称并联变压器) 提供励 磁电流。自复励除了励磁变压器外，还采用与发电机定子回路串联的励磁变流器( 或串 联变压器) ，两者结合，共同向发电机提供励磁电流。自复励方式又可分为直流侧叠加 自复励和交流侧叠加自复励，每种叠加方式又分为串联和并联两种。各种自复励方式及 其性能有所不同，但均存在励磁变压器和变流器占地面积大、接线复杂、维护工作量大 等缺点。所以般的水电站均采用自并励励磁方式。 7 】 励磁调节器发展 励磁调t 6 1 1 是励6 兹系统的一个重要组成部分，整个励磁系统的静态和动态特性在很 大程度上取决于励磁调节器的性能。在励磁系统中，励磁调节器的发展非常迅速。 6 0 年代及以前励磁调节器主要采用磁放大器，例如我国的f - - d 型自动励磁调节器， 自复励装置和电吲妊器，后来逐步拖产到相复胁调节器，也是g 翻磁皑沅件但性能 较f d 有所提高。 7 0 年代以后，研制了以分立元件为主的半导体励磁调节器，性能比电磁式大大提高 了，基本上做到了无死区、动作速度陕，并迅速获得了推广。缘马迹塘随机组引进的励 磁调节器，乌江渡2 1 万k w 棚组应用的丑如一2 s 型励磁调节器- 电科院研制的d 2 型和 南京电力自动化设备厂开发的瞰i 系列调节器等都是以分立元件为主的半导体励磁调节 器。 数字式励磁调节器的发展经历了几个阶段，起初是全部采用硬件构成的调节器，到 后来采用小型计算机，再发展到微处理机。国内是8 0 年代后期才真正开始对数字式励 磁调节器进行的深入研究，对前梵啊稀0 的调节器进行全面的改进和性能上的完善，使之 充分发挥微型计算机的计算和决策能力，增加它担负的任务。目前，我国引进的和自己 开发的数字式调节器很多，如广州抽水蓄能电站引进阿尔斯通的，隔河岩电站引进加拿 大通用电气公司的，五强溪电站引进奥地利伊林公司的等：国内如南自所、电科院、河 北工学院电工厂、华中理工大学等i 0 多个单位都开发了数字式调节器，并大都已投入 耐亍。【8 l 数字式调节器具有模拟式调节器无可比拟的优点，如高可靠性，响应速度快，抗干 扰能力强，通用性好，灵活性大，扩展和对外通讯方便，运行维护工作量小等；随着数 字式调节器的广泛应用，必将给水电站和电力系统的全面自动化开创广阔的前景。 1 2 2 两种控制器的研究现状与发展方向 一、水轮机调速器的研究现状与发展方向 八十年代以来，调速器技术的研究方向主要表现在以下几个方面： 第一：系统结构的变革。从八十年代初开始，我国新设计的水轮机电液调速器和微 机型电液调速器大多采用了先进的电子式调节器结构，它由转速测量单元、电子调节单 元和电液执行单元构成，其特点是转速测量单元、调节规律的形成和驱动导水机构的职 能分别由e 述三个功能单一的单元来实现。采用这种结构的调速器，在不提高机械液压 部分加工精度的前提下，其转速死区可达o - 阶0 t o 弧而以往的缓冲一中间接力器式 结构的调速器要达到这样的技术指标是比较困难的，必须在提高机械加工精度和减小主 配压阀搭接量的基础e 才能实现。 第二：商可靠性电液f 硼比例阀的研制。电液伺服阀是调速器的一个关键部件。以 往常见的毛病是油孔容易堵塞和控制套发卡，造成特性不稳定，接力器抽动。有的还造 成负溜、甩负荷等现象，严重影响电厂的安全经济运行。据有关部门统计，有6 0 j 6 以上 的电液调速器存在以上问题。针对这情况，不少调速器研制单位着手改进这一技术， 先后推出了多种类型的电液伺服阀。如长江控制设备硼贫r 所的双锥阀式电液伺服阀和湖 南水利电力科学研究院与武汉水电控制设备研究所联合推出了环喷式电液伺服阀。而 b o s c h 公司已推出了性能达到伺服阀的各项指标的伺服比例阀，目前业已推出的伺i i e l k 例阀还具有精度高、动态响应好、可靠性商、抗油污能力强、及阀体采用五环镶套结构 等特点，因此在欧美国家推广很快。目前，w 0 。( 抽r d 、v o k t h 等公司正在试制采用伺服 比例阀的调速器，国内也有单位陆续采用这种途径。 第三：新型电液系统的采用。长江控制设备研究所等单位研制了从液压伺服阀、引 导阀、辅助接力器至主配压阀直连的机械液压系统，这是种新型的无杠杆机械液压系 统，具有结构简单、调试方便等特点。湖南水科所与武汉水控公司研制出种直连型的 电液随动系统。该随动系统采用商集成度的块式结构，完全取消了原来的外管道系统， 将所有暗管布置在一个外方内圆的集成块和主配压阀盖内。系统具有体积小、结构简 单、运行可靠、维修方便等特点，并使机械液压部分的死区大大减小。受其他一些工业 领域的启发，有部门已尝试采用步进电机取代传统的电液转换机构，并投入现场运行， 取得了一些有益的经验矛i ：1 启示。由于这些大多是积分元件，所以大多作为中间接力器来 使用，其抗油污能力的确有所提高，但由于其机械惯量大，容易出现滑步及丢步现象， 动态频宽窄，响应能力受到一定影响，最突出的表现是在空载频率跟踪、甩负荷指标等 方面的不足，在中小型机组匕有一定的应用价值。另外还出现了使用高速开关阀作为执 行机构的设计，但其实用性尚有待于进步的检验。 第四：工作油压的普遍提高。八十年代以前我国生产的调速器，其工作油压多为 2 舢而八十到九十年代大多采用了3 g 毡油压等级，也有单位正在研究采用6 捌随 油压等级的调速器系统。提高液压系统的油压等级有利于实现小型化、集成化、标准 化，并更能体现液压系统的能容比大的优点。 第五：微机技术的应用及调速器功能的扩展和可靠性的提高。八十年代初期，微机 技术被引入水轮机调速器的研制，并与现代控制理论相结合，研制出新型的水轮机调速 器微机水轮机调速器，将水轮机调节技术推向了个新的高度。调速器的功能不断 扩展，如广泛设置的频率跟踪功能、人工死区功能、电气开度限制功能、快速准同期功 能等。在微机调速器中还引入了在线故障诊断功能、故障处理及计算机辅助试验等功 能a 由于这些功能的设置，不仅提高了水轮机调速器的速动性、准确性和可靠性，而且 适应了水电厂计算机监控的需要，有助于提高电厂自动化程度和安全经济水平。 随着微机技术的广泛应用，数字式水轮机调速器是今后水轮机调速器的发展方 向。数字式调速器不只是模拟式调速器的数字翻版，而且已经在功能上全面超越了模拟 式调速器，在质量、性能、可靠性、可维护性等各方面指标匕都上了个新台阶。随着 高卡当工业飙的应用，可以姗多的功能和更复杂的控制策略，如大波动控制、水力 振荡抑制、动态灵敏度卒h 偿、静态精度补偿、启动和停末兀过程优t e 控制等。f 9 1 今后的 研究方向主要在这几个方面： 1 、商可靠陛盼研究。对于水轮发吲魈我群一个重要设备来、浼，调速器的可靠性 一直为人们所重视，将来在这方面的研究工作主要集中在以下几点：一是进一步研究各 种抗干j 尤技术，提高硬件的可靠眭；二是加强计算机软件的可靠日研究，发展软阼戮昔 技术；另外对于电液随动系统，也要加以改造，采用可靠眭更高的设计方案。 2 、提高控制性能。基于现代控制理论，加强新型控制策略的应用研究，在保证系 统可靠性的同时，增强水轮机调节系统的稳定陛和适应性，使调速器的性能更优越。 3 、增强功能。将来的水轮机调速器不仅要能够对机绍进行有效的调节和控制，还 应具有运行状态在线自动监测和多项计算机辅助试验功能。 4 、实现多目标控制。目前的调速器般只以机组频率为调节目标，如果在系统中 引入功率信号，则可直接控韦彬阻的功率输出，有利于发电厂负荷自动分配和自动发电 控制；引入电网电压与机组电压的相位差信号，则可进行相位控制，提高机组的快速并 网能力；引入水库的水头信号，则可根据当前水头信号进行负荷控制。因此，多目标综 合控制是未来新代调速器的必然发展趋势。 二、水轮机励磁系统的发展现状与研究方向 目前水轮发电栅组应用的励磁装置种类繁多，有各种各样的回路形式在陛能上也 具有各自不同的特点，大体上将励磁方式分为下面几种： 1 、直流励磁机方式 这种励磁方式历史悠久，应用较为广泛。这种方式简单可靠，性能上能满足中、小 型机组的一般要求，我国早期投产的机组使用较多，如丰满、拓溪、新安江、风滩、乌 江渡等电站的中型机组和其它许多小型机组。但这种方式下励磁电流的加大会使得直流 励磁机的整流子在换向方面遇到了很大的困难，再加上这种励磁系统反应速度慢，造价 高，维护麻烦，而且要增加厂房高度，因此正在逐步被淘汰中。 2 、交流励磁机方式 励磁电源取自与主机同轴装设的交流励磁机，经整流后供给发电机的励磁电流。交 湔槐i 丰几叫嘲硼旋转磁场型，频率一般为1 0 0 1 5 0 屹( 无目0 励磁为旋转电丰区型梵氚励 磁机) 。这种方式运行独立| 生强，不受电力系统的干扰，反应速度较快，有较高的顶值 电压，瑞士、日本及我国中小型机组翻争采用。t 旦谢十方j 戈系统结丰勾l 鼬戳e e 轫! 复杂， 造价高，转动部件多，增加了运行维护工作量，故应用较少。 3 、自并激励磁系统 这种方式是由发电机机端的励磁变压器经过可控硅整流，向发电机提供励磁电流。 其励磁电压反应时间在0 0 5 秒以t ，而且结线简单，设备少，制造容易，造价低，不增 加发电机主轴长度和厂房的高度，运行维护简便，因此，国内外新设计的水电机组普遍 采用这种方式。世界上最大的伊泰普水电站洲机组，委内瑞j 立古里发电厂踟 机组都采用这种励磁系统，我国白山、龙羊峡、水口、隔河岩、五强溪等很多电站也都 是采用这种方式。 4 、自复励励嗷系统 自复励励磁同时采用发电机端电压和端电流作为励磁电源，通常有直流侧并联和直 流侧串联，交流侧并联和交流侧串联4 种复励方式。自复励系统的突出优点是：在电力 系统发生短路故障时仍能维持一定的电压水平，强励能力比自并励要强些，但它需要串 联在主回路的励磁变流器上，有的还需配有饱和电抗器，它们都是非标准产品，设备 多，占地面积大，给带啦告、现场布置及运行维护都带来一定的麻烦。 在上面几种励磁方式中，自并励是目前应用最为普遍的励磁方式。励磁控制器以后 的发展，主要有以下几个方向： 1 、改进系统结构，提高可靠性，这里的系统结构包括硬件的选型、设计，软件的容错 性等；现在采用的方案有多通道输入、多机冗余设计等。 2 、采用模块化设计思想开发软硬件。模块化结构和功能可以使得整机具有很好的开放 性和可扩展性，这样用户只需作好硬件组合即可构成所需系统。对于励磁调节器而 言，其整机应具有多量程的电压、电流、温度等模拟量输入输出和多路开关量输入 输出功能，采集到的数据只需作简单变换就可直接输入微机，采集精度和滤波系数 可以在组态中设置。输入、输出都有抗干扰和防误动措施。另外，通信、调试、自 检测等软硬件都无需自己开发，整套系统使用简单方便，人机界面友好。 3 、探索励磁控制新理论和新设备开发。随着大机组、长线路、大电网的形成和发展， 励磁系统除了完成其基本任务外，在某些场合还承担了改善系统稳定的繁重任务。 目前，应当深入研究多机电力系统p s s 装置的参数整定、协调，普及p s s 现场应用 方法，使p s s 自旷琵投用。随着超蔗r 腱流输电的发展，交赢流混创俞电系统正在 形成。如f 可利用直流输电良好的可控性与陕速陛特点，在直流输电调节器上附加电 力系统稳定器，并与发电机p s s 协调，更有效地改善电力系统静态稳定，平抑低频 振荡，为暂态稳定作出更多的贡献。 i o i 1 3 现场可编程门阵列( f p g a ) 简介 随着集成电路技术的进步，出现了种为专门限定的产品或应用而设计的芯片 专用集成电路( a s i c ) ， s 工c 器件自从七十年代问世以来，已得到日益广泛的应用。在 a s i c 器件的家族中，有类可编程器件，这类器件本身是通用的，但可以通过用户的 二次开发鬼黼有的功能。在i 舒十器f 牛中，尤其以近几年蒯琵走| 涞的a 加和f p g a 格外 引人注目，已成为个很重要的实现 s i c 的手段。其中f f 啦( 现场可编程门阵列) 将 半定制的门阵歹0 电路的优点和可绷翟逻蝴辨的用户可圣二者络厶在起，使其 不但包含大量的门电足备，具有午及高的速度，自匕1 吏设计的电子产品燧扑型化，剿讹和 茼可靠性，而且器件具有用户可编程性，大煳短了设计周期，减少了 爨十费用，降低 了设计肛i i j 佥，因此f f g a 已成为可编程a s i c 中应用最为广泛的一类器f 牛。这哦器件的 出现和发展，为1 媚集成电路设计水轮机调速器和励磁控伟帽韩瞅了叶契机。 f p g ( 王贝场可编程门阵列) 将半定制的门阵列电路的优点和可编程逻辑器件的用户 可编程特性二者结合在起，具有很多优点： f p g a 的用户现场可编程挣眭大大缩短了设计实现周期，可以在很短的时间内设 计开发出系统原型。 f p 鼢内部含有大量的门电路，从而具有足够大的有效逻辑容量密度，不仅大大 减少了印刷电路板的空间，刚氐了系统功耗，同时也提高了系统设计的工艺前 实现 生和产品的可靠性。 f p g a 具有商枣信号彩聊数踞处理能力，适用于需要快速反应的场合。 f 鼢可以反复编程，重复使用。没有前期投资风险，且可以在开发系统中直接 进行系统仿真，故没有工艺实现的损耗。所以在小批量的产品应用场合成本远 低于门阵列和全定制a s i c 。 由于e 述这些优点，f p g 已成为可编程 s 工c 中最受欢迎的类器件。” 1 4 选题的目的和意义 水轮机发电机组的稳定可靠运行，需要有_ 于比基本的水电站自动化控韦0 设备给予支 撑。其中，水轮机调速器和同步发电机的励磁控制器就是两种非常重要的调节设备，其 他还有机组转速继电器等安全监控设备。这两种控制器的正常工作还需要如测频环节、 电压电流检测环节等模块。每仑环节的可靠i 生都关系着整个系统的安全陛，为了保障发 电机组的可靠胜，对这些自动化控帝口设备的要求也变得越来越高。 图1 1 水轮机组自动化设备示意图 o 为了提高整个系统的安全性，同时考虑到中小型水轮机组的特点，本文提出种综 合控制器的方案，即将图1 1 中虚框的部分用一个综合控制器实现，硬件杨d 舅用 f f g a ，也即在块数字芯片中集脚塞月种控制器的功能。这样个集成了多 个水电站自动化设备功能的综合控卷4 器，一方面提高了系统的可靠陛，另外一方面也可 以达到降低成本、减少维护量的目的。 因此本文的主要研究工作就是采用单片f p ( 认实现水轮机调速、励磁、测频以及转 速继电器这几大自动控制设备的集成，从而可靠地完成水力发电系统中双双调节的目 标，即实现水轮机调速励磁双调节和调速中的浆叶导叶双调节综合控制器。目前国内外 在这方面的研究开展得比较少，至今尚没有严格意义上的综合控制器产品问世。因此利 用高集成度单片数字电路芯片集威这些功能模块，开展真正意义上的综合控制器系统研 究无疑是很有意义的。 图1 2 水轮机调速器控肯0 部分的发展 如上图1 - - 2 ，1 - - 3 ，纵j i 【i ! 水轮机调速和励磁控制器的发展，可以看出，数字式控制 器具有更高的可靠性和更强大的功能，是以后的发展的方向：与模拟的分立元器件相 比，数字集成电路具有高性能、高可靠f 生等特有优点，而且其体积、抗干扰性能大大提 高，如果做到单片系统的话，将可以使维护工作量大大减少。随着集成电路技术的发 展，单片芯片的资源越来越多，而其价格越来越低，具有很广泛的应用d 日景。如自文所 介绍的f p 数字芯片，其单片芯片的门电路资源已经达到几十万门。 如前所述，f p g 芯片在资源数、可编程性，可靠l 生等方面的优点，使得用它来作为 水力发电综合控制器的硬件基础比较合适。而且在可靠性方面，采用f p g a 数字芯片作 为核心硬件的系统的可靠陛也将得到增强：首先，内部控制逻辑用数字电路构成，与软 件方案相比，虽说在编程灵活性上有所欠缺，但其可靠性、抗干扰l 生大大提高，不存在 程序在高干扰的工业现场出现“跑飞”的情况。另外采用单片大规模数字芯片，去除了 大量分立模拟元件，减小体积，便于安装维护，而且由于系统高度集成，外部电路结构 简单，接口方便，可以很方便的采用多系统冗余等高可靠| 生方案。 关于水轮机调塞励磁综合控制器，在日本、加拿大已经有一些研究结果和产品，但 是现有的这些产品仅仅是在物理e 把这两种控制器放在_ 起，两种控制曙之间的并没有 太紧密的联系。而采用高集成度单芯片对两种控制器进行集成的研究还属于探索阶段， 这种综合控制器有着广阔的应用前景，同时也为水电腔肯蛔弼i 发展了一个新的思路。 1 5 论文研究的内容和方法 本文对如何在f p g a 硬件基础下实现水轮机调速、励磁、测频以及转速继电器这几 大自动化控制设备的功能进行了研究。初步探索了基于此硬件核心的水轮机组调速励磁 双调节和导叶浆叶双调节综合控制器的可行良构建了整体系统框架，给出物理仿真结 果以及计算机仿真结果。 具体包括以下几个方面： 一、水轮机调节系统概述以及动态分析： 简要阐述了水轮机调节的任务和基本实现方法，对各种调节器的组成和结构特点进 行t i ：t ：较；简单分析了被调节对象的数学模型，并在i h 基础e 确定了控制规律的具体实 现方式。 二、基于f p g a 数字芯片的水轮机调速系统研究： 阐述了基于f p g a 芯片的调速器的技术构成、体系结构和硬件电路设计，简要介绍 了利用单片f p g a 实现水轮机调速器的功能设计以及内部数字电路的具体实现，介绍了 水轮机轮叶导叶协联腔制算法和硬件电路实现；给出了基于f p 的数字式水轮机调速 器试验样机的物理仿真试验结果。 第一常综述 三、基于f 眦数字芯片的水轮柳励磁控制系统研究 研究了以单片f 眦作为硬件基础的水轮机励磁功能的实现，阐述了励磁控制器的 系统结构，硬件构成、外部接口电路以及内部数字电路的设计，给出了主要模块的计算 机仿真结果。 四、基于f p g a 数字芯片的测频模块设计及转速继电器研制 对于两种控制器都用到的测频模块进行了研究，对比分析多种测频方式，提出了一 种高可靠陛测频方案。介绍了外部信号采集电路以及对信号进行处理的数字电路设计， 给出数字电路的计算机仿真。完成了基于高集成度f p g a 数字芯片的转速继电器的研制 工作。 五、总结和进步开发设想。 对论文工作进行了总结，并对进步的工作提出了自己的设想。 第二章基于f l e a 数字芯片的水轮机调速系统研究 摘要：介绍了水轮机阚节的原理与基本任务，简要分析了水轮机调速器调节对象的数学 模型并比较了相应的p i d 调节规律；在f p g a 数字芯片基础上实现了调速控制的基本功 能，并给出物理仿真实验结果 2 1 水轮机调速系统概述 2 1 1 水轮机调速的基本任务和调节原理 一、水轮机调速的基本任务 水轮机发电机组将水流的动能转化成为电能，供给我们使用。在电力系统中，电压 和频率是衡量电能质量的两个基本指标。电能的频率及电压要保持在额定值附近的某个 范围以内才能够正常提供给用户使用。按我国有关标准规定：我国电力系统的频率应保 持在5 f f f z ，其偏差不可超过o 日乜：对于3 。o 万j ( 【v 以上的大容量电力系统频率偏差不 可超过q 盔乜。电力系统的频率和电压超出允许偏差时，将直接影响到用电设备的安 全，严重时甚至会危及电力系统的安全运行。 电力系统的频率主要取决于系统内有功功率的平衡。由于在实际的电力系统中，用 户负荷总是在不停的波动着，比如说一天之内系统负荷会有上午、晚上两个高峰和中 午、深夜两俐氐谷。这种波动会引起电网频率的升高或降低，这时就需要由水轮机调速 器来调控水电机组，使得频率的偏移被限制在一个相当小的范围内。 水轮发电机般是三相交流同步电机，其频率- ，与转速”之间有着严格的关系式： f = p , , 6 0 ( 2 _ 一1 ) 式中p 为发电机极对数；n 为转速0 血n ) ；，为频率o 乜) 。 发电机的磁极对数p 是由发电机结构确定，对于运行中的机组，一般是固定不变 的。所以发电机的输出频率实际上是随着发电机即水轮发电机组的转速变化而变化的。 而水轮机的转速实际是由导叶开度控制的，因此，水轮机调节的基本任务就是当电力系 统负荷发生变化、机组转速出现偏差时，通过调速器相应地改变水轮机导叶开度，使水 轮机转速保持在规定的范围内，从而使发电机组输出的功率和频率满足用户的要求。 实践表明，水电机组发出的电能质量，不仅与机组本身的特性和参数有关，而且和 压力引水系统、发电机组、调速系统以及电力系统的参数都有关联。整个调节系统框图 如图2 - 1 所示： 笙三翌些! ! q 垒墼兰些! 地里墅鱼坐塑堡墨垄婴型- 一 图2 1 水轮机调节系统框图 二、水轮机调速原理 水轮发电机组是由水轮机和发电机连接而成，如图2 _ 2 所示。水轮发电机组g - z o 部 分是一个围绕固定轴线作旋转运动的刚体，它的运动方程可由以下方程来表示： j _ d t = m e + m g 式中：l 厂机组g - g o 部分的转动贾量( k g m e ) = 刀a a 0 旋转角速度( r a d s ) 膨j 水轮机动力矩( 锄) 必发电机负载力矩( 聊) ，其中包括发电机所有机械和电气损失 水轮机动力矩m ，是由水流对水轮机叶片的作用力形成，它推动机组转动，e 2 , j , 决定于水头鼠导叶开度( 即流量q ) ，机组转速h 等。 图2 2 水轮发电机组能量输入与输出示意图 出 m ：y * q * h * o ( 2 _ _ 3 ) 珊 式中：y k 的比重( 1 0 0 0 j 珈) 口_ j 匝过水轮机的流量( 新0 ) 唯一工作水头渤) 目水轮机的效率( ) 发电机负载力矩磁是发电机定子对转子的作用力距，它的方向与旋转方向相反， 是阻力距。由发电机原理可知，磁代表发电机有功功率输出，即机组所受负荷的大 小，它与用户消耗的电功率有关。 由2 3 式可知，代表水轮机转速特陛的角速度，是我们力求稳定不变的参数， 水的比重，是常数，剩下可变的就是工作水头凰工作效率灯和流量q 三个因素，而 改变水头h 和效率口，不但在技术处理t 比较困难，而且经济上很不划算，所以最合 理可行的办法，是改变进入水轮柳转轮的流量q ，水轮机调节的基本途径就是利用调速 器控制水轮机导叶的开度，以改变进入水轮机的流量。 2 1 2 水轮机调节对象模型浅析 水轮机调节系统包括调速器和调节对象，其中调节对象不仅仅是水轮发电机组本 身，