基于DSP的一體化水輪發(fā)電機控制系統設計與實(shí)現

摘要：電能質(zhì)量主要有三個(gè)指標，即電壓頻率、電壓幅值、相位關(guān)系。然而實(shí)際水力發(fā)電中所產(chǎn)生的電能是不理想的。如果把發(fā)電機組和智能控制看作整體來(lái)設計，通過(guò)水輪機光電碼盤(pán)傳感器，把速度采集后傳送到DSP芯片，與設定值進(jìn)行比較，進(jìn)行PID調節，輸出對調速器進(jìn)行控制;同時(shí)采集發(fā)電機輸出端的電壓與標準值進(jìn)行比較，通過(guò)電壓互感器采集數據進(jìn)行PID調節，計算輸出電壓來(lái)控制勵磁電流。從而實(shí)現機組優(yōu)化控制，得到較為優(yōu)質(zhì)的電能對社會(huì )具有重要意義。

電能由于其生產(chǎn)、使用方便，輸送安全經(jīng)濟的優(yōu)點(diǎn)逐漸成為了世界第一能源。并且，電能相較于其他能源具有可再生性，能夠廣泛運用于社會(huì )生產(chǎn)生活，對社會(huì )發(fā)展具有重要意義。電能如此重要，所以我們才需要對其加以控制，使電能更好地方便人們的日常生活、維護社會(huì )的和諧以及國家的穩定。我們都知道任何電產(chǎn)品都有關(guān)于額定電壓、電流、功率等相關(guān)指標，這也就是說(shuō)明我們所提供給用戶(hù)的電能也應該有詳細的指標，即是電能質(zhì)量指標。因此，控制發(fā)電源頭，使生產(chǎn)出來(lái)的電不斷趨近于合格指標然后再并入電網(wǎng)，可以使可用電能得到極大的優(yōu)化。

1 目前水力發(fā)電現狀

從我國的地域資源來(lái)看，河流眾多的情況為水利發(fā)電帶來(lái)了巨大的潛力，尤其是小型水利發(fā)電。但目前小型水電站綜合自動(dòng)化程度并不高。在相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟的條件下，研發(fā)高性能、低成本的小水電機組綜合自動(dòng)化系統顯得尤為重要。不同結構和功能的水電控制系統已有開(kāi)發(fā)，如初步研究和探討了水輪發(fā)電機組綜合控制器理論設計，設計了多CPU實(shí)現的小水電多功能一體機。其中多CPU的設計條理清楚，結構明晰，但這種方案對于小型水電站來(lái)說(shuō)造價(jià)偏高，且多CPU資源不能充分利用。隨著(zhù)DSP技術(shù)的高速發(fā)展，集機組保護、勵磁控制、調速控制、水機自動(dòng)化和通信等功能于一體的綜合控制器更加完善，它既降低了小水電站控制裝置的成本，又提高裝置的可靠性和控制性能指標，實(shí)用價(jià)值極高。

2 控制系統總體設計

2.1 控制系統硬件結構圖

系統的工作原理是：TMS320LF2407DSP芯片是系統中的核心控制，當系統開(kāi)始運行時(shí)，計算機利用串口通信向TMS320LF2407DSP芯片發(fā)送控制指令和參數，DSP通過(guò)中斷的方式接受控制指令和相關(guān)參數，經(jīng)芯片內部運算部分運算處理后，將接受到的控制指令和參數轉化為同步電機的執行指令，DSP再根據電機執行指令控制通用輸入/輸出引腳向步進(jìn)電機驅動(dòng)器發(fā)出脈沖信號。其中DSP芯片是控制核心，外圍電路可添加顯示器等。該芯片自身帶有A/D轉換器、I/O口以及通信接口，還帶有一般控制器并不具備的故障保護電路、數字測速以及PWM生成功能，簡(jiǎn)化了系統的硬件部分配置。

2.2 控制系統軟件設計及PID算法

2.2.1 控制系統軟件設計

控制器的軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件主要由主程序、定時(shí)器、中斷程序及PWM脈沖產(chǎn)生中斷程序構成。其中，系統初始化程序包括設置時(shí)鐘，初始化I/O口、A/D口及PWM口。主程序在檢測I/O口狀態(tài)后，將其值存入寄存器，當中斷來(lái)臨時(shí)，設置PID參數，輸入采樣值，將采樣值與給定值進(jìn)行比較并計算偏差量，根據偏差量計算當前時(shí)刻控制量，輸出控制值并保持偏差值。

2.2.2 PID算法的數字實(shí)現

PID調節算法適用于模擬調節系統，由于計算機系統只能接收數字量，因此，要想在計算機中實(shí)現PID調節，必須把PID算法數字化，然后才能用計算機實(shí)現。

PID算法數字化：

式中，T為采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統的精度;E(k)為第k次采樣時(shí)的偏差值;E(k-1)為第k-1次時(shí)的偏差值;k為采樣序號，k=0、1、2…;P(k)為第k次采樣時(shí)調節器的輸出。

由于式(3)的輸出值與閥門(mén)開(kāi)度位置對應，因此，式(3)為位置型PID的位置控制算式。

根據遞推原理，則k-1次的PID輸出表達式：

令△P(k)=P(k)-P(k-1)，式中Kp、KI、KD與式(5)相同。此式表示輸出一個(gè)增量為第k次和k-1次的差值，所以又叫增量型PID控制算式。

3 結束語(yǔ)

電力系統的穩定運行對于國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高一直具有重大的意義。本設計研究主要在于讓原本獨立考慮的勵磁系統和調速系統結合起來(lái)，通過(guò)DSP芯片把獨立的控制結合起來(lái)根據機組運行狀態(tài)，實(shí)現了傳統控制裝置的協(xié)調控制的同時(shí)提高控制的運算速度和精確度，從而生產(chǎn)出滿(mǎn)足生產(chǎn)生活的優(yōu)質(zhì)電能。與過(guò)去采用單片機和CPU來(lái)實(shí)現控制和運算相比，DSP芯片的運用更具有實(shí)用價(jià)值。