CN103187915A - 基于组态的励磁发电储能控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于组态的励磁发电储能控制装置，属于发电机自动控制技术领域。包括霍尔互感器、发电机组、旋转整流器、电位器、电压测量变压器、电流互感器、整形电路、倍频电路、单片机、光电隔离模块，此外，还包括功率电路、相序检测电路，在上位机内还设置有组态软件。用紫金桥监控组太软件设计了人机界面，可以方便的与其他设备进行组态，构成统一的监控系统，并使用现在电子控制器上的一种通用语言MODBUS通讯协议进行通信，令该装置的通用性大大加强。实现了上位机对控制系统的监视和控制。添加了相序检测电路，加强了发电机的监控，保证了发电机发出的电能质量，同时也有效地保护了发电机。

Description

基于组态的励磁发电储能控制装置及方法

技术领域

本发明属于发电机自动控制技术领域，特别涉及一种基于组态的励磁发电储能控制装置及方法。 

背景技术

励磁控制系统是发电机控制系统的核心部分，它直接影响发电机的运行特性，对电力系统的安全运行有重要的影响。发电机的励磁系统一般由两个部分组成。用于向发电机的磁场绕组提供励磁电流，以建立磁场的一部分称之为励磁功率输出部分。另一部分用于在正常运行或事故时调节励磁电流，以满足运行的需要，称之为励磁控制单元。这部分包括励磁调节器、强行励磁和自动灭磁等功能。 

目前，由于大规模集成电路和微机技术的迅猛发展，出现了由硬件和软件组成的微机（即数字量控制）励磁控制器。微机控制器电压偏差的计算、移相触发、调差环节、自动零起升压（或降压）、低励限制、过励限制、PSS等控制功能，都可以由相应的软件来完成，不需增加相应功能的硬件电路。同时，各种控制功能都可以根据需要随意的组合，十分灵活。可见，在模拟式控制器中很难实现甚至无法实现的某些控制功能，在数字式控制器中则很容易实现。 

对于当前励磁控制系统性能的提高应从三方面着手，一是控制算法，二是中央处理器，三是控制方式的选择。现行通用的励磁控制系统的算法普遍采用线性PID，这也目前工业控制领域中应用最广泛的控制算法，其优点是简单、方便，能够满足大多数的控制目标，而且拥有一套成熟的应用理论。在设计控制器时，可以找到大量文献资料进行借鉴。但在控制精度、响应速度上存在着较大的不足，存在很大的改进空间。而现行的中央处理器大多是使用8位，16位的简单单片机，它们在高频、高精度等一些场合有一定的局限性，同时也限制了一些复杂控制算法的应用，严重地降低了励磁控制系统的提升空间。 至于控制方式的选择，目前大多数采用的是无控整流加降压斩波的方式对励磁机的励磁电压进行控制， 这种方式的电路比较复杂。 

发明内容

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于组态的励磁发电储能控制装置，包括霍尔互感器、发电机组、旋转整流器、电位器、电压测量变压器、电流互感器、整形电路、倍频电路、单片机、光电隔离模块，此外，还包括功率电路、相序检测电路，在上位机内还设置有组态软件模块； 

所述的功率电路：用于对副励磁机发出的三相交流电进行三相PWM整流，得到直流电流后为励磁机提供励磁电流，直流电流的大小可以通过MOSFET驱动电路进行控制，从而间接的控制了发电机发出的电压；

所述的相序检测电路：用于对电压测量变压器送出的三相交流电进行光电隔离，使其变成方波，然后进行逻辑处理，进而判断出发电机有无缺陷漏相； 

组态软件模块：用于与其他设备进行组态，实现上位机对控制系统的监视和控制。

所述的功率电路结构为：三相副励磁机发出三相交流电，三相交流电第一相与第一电感的一端相连，第一电感的另一端与第一电容的一端相连，三相交流电的第二相与第二电感的一端相连，第二电感的另一端与第二电容的一端相连，三相交流电的第三相与第三电感的一端相连，第三电感的另一端与第三电容的一端相连，且第一电容、第二电容和第三电容的另一端连在一起。 

第一场效应管的源极与第二场效应管的漏极串联形成第一桥臂，第三场效应管的源极与第四场效应管的漏极串联形成第二桥臂，第五场效应管的源极与第六场效应管的漏极串联形成第三桥臂，所述第一场效应管的漏极、第三场效应管的漏极和第五场效应管的漏极彼此连接，所述第二场效应管的源极、第四场效应管的源极和第六场效应管的源极彼此连接。 

第一场效应管与第二场效应管的连接点与第一电感的另一端相连，第三场效应管与第四场效应管的连接点与第二电感的另一端相连，第五场效应管与第六场效应管的连接点与第三电感的另一端相连。 

第四电容、第五电容、第六电容、第一电阻分别与三个桥臂并联连接；第八电容和第二电阻组成串联电路，再将该串联电路与三个桥臂并联；第五场效应管的漏极连接霍尔电流传感器的输入端，霍尔电流传感器的输出端连接第七电容的一端组成串联电路，该串联电路与三个桥臂并联连接；霍尔电流传感器的输出端接入两位针座；第九电容C11与第三电阻R9并联，所形成的并联电路的一端与霍尔电流传感器的另一个输出端相连，另一端与地相连，第七电容的另一端连接两位针座。 

在每个所述的场效应管都并联一个缓冲电路，且缓冲电路结构相同，具体为：由第四电阻与稳压管并联，该并联电路再与第十电容串联形成缓冲电路，该缓冲电路中，第十电容的一端连接第一场效应管的漏极，稳压管的阳极连接第一场效应管的源极。 

所述的相序检测电路，结构如下：第一光电隔离开关、第二光电隔离开关、第三光电隔离开关中发光二极管的阳极分别与电压测量变压器的三相交流电相连，阴极则通过一个电阻与模拟地相连；第一光电隔离开关中三极管的集电极通过一个上拉电阻与3.3V电源相连，并且三极管的集电极还与第一双输入与非门的两个输入引脚相连，三极管的发射极与数字地相连； 

第二光电隔离开关的阳极分别与电压测量变压器的三相交流电相连，阴极则通过一个电阻与模拟地相连；第二光电隔离开关中三极管的集电极通过一个上拉电阻与3.3V电源相连，并且三极管的集电极还与第二双输入与非门U2B的两个输入引脚相连，三极管的发射极与数字地相连；

第三光电隔离开关的阳极分别与电压测量变压器的三相交流电相连，阴极则通过一个电阻与模拟地相连；第三光电隔离开关中三极管的集电极通过一个上拉电阻与3.3V电源相连，并且三极管的集电极还与一个双输入与非门的两个输入引脚相连，三极管的发射极与数字地相连。

第一与非门的输出端分别与第一D触发器的时钟端、第一三输入或非门的第一输入端、第二D触发器的D端相连，第二与非门的输出端分别与第二D触发器的时钟端、第一三输入或非门的第二输入端、第三D触发器的D端相连，第三双输入与非门的输出端分别与第三D触发器的时钟端、第一三输入或非门的第三输入端、第一D触发器的D端相连。 

第一三输入或非门的输出端分别与第一D触发器、第二D触发器、第三D触发器的复位端相连，第一三输入或非门的输出端还同时与第三三输入或非门的第二、第三输入端相连；第一D触发器、第二D触发器、第三D触发器的反向输出端分别与第二三输入或非门的第一、第二、第三输入端相连，第二三输入或非门的输出端分别与第一缓冲器的输入端和第三三输入或非门的第一输入端相连，第三三输入或非门的输出端与第二缓冲器的输入端相连，第一缓冲器、第二缓冲器的输出端与dsPIC控制器的通用输入输出模块相连。 

采用基于组态的励磁发电储能控制装置进行励磁发电控制的方法，包括以下步骤： 

步骤1：采集数据，包括：霍尔电流互感器、霍尔电压互感器采集到的直流信号，电压测量变压器、电流互感器采集到的交流信号以及电位器输出的直流电压值；

对上述采集到的数据进行FFT快速傅立叶变换；

将采集的交流电压数据与给定的交流电压值做差后送入模糊PID控制器；

步骤2：利用模糊PID处理的结果调整PWM输出，从而改变励磁电流；

步骤3：根据FFT快速傅立叶变换的结果判断电压、电流、频率、相序、相位差是否在给定范围之内，若超出范围，则进行延时报警，执行步骤4，否则，执行步骤1；

步骤4：励磁控制器发出停机指令，并取消发电机准备好信号。

本发明的优点：本发明的优点包括以下几个方面： 

（1）本发明装置采用CSR整流技术，使得控制更加的精确，调制效果大大加强，使得交流侧的功率因数提高到了1，令电能的利用率得到显著提升；除此之外，还简化了电路，不用在整流之后再添加斩波电路。

（2）选用dsPIC30F6010A控制器只有84个基本指令且多为单周期指令，从而大大简化了编程效率，令控制器的反应速度更快。 

（3）使用交流采样技术，并结合FFT快速傅立叶变换算法，实时地测量发电机的输出电压、电流、频率、功率等参数，为精确控制打下了基础； 

（4）采用MOSFET场效应管作为控制器件，大大的提高了开关频率，降低了能耗。

（5）用紫金桥监控组太软件设计了人机界面，可以方便的与其他设备进行组态，构成统一的监控系统，并使用现在电子控制器上的一种通用语言MODBUS通讯协议进行通信，令该装置的通用性大大加强。实现了上位机对控制系统的监视和控制。 

（6）添加了相序检测电路，加强了发电机的监控，保证了发电机发出的电能质量，同时也有效地保护了发电机。 

附图说明

图1为本发明一种实施方式结构框图； 

图2(a)为系统电源模块的电路原理图；图2(b)为dsPIC控制器的电路原理图； 

图3为本发明一种实施方式功率电路的电路原理图； 

图4为本发明一种实施方式相序检测电路的电路原理图； 

图5为本发明一种实施方式交流采样电路原理图； 

图6为本发明一种实施方式直流采样电路原理图； 

图7为本发明一种实施方式整形电路的电路原理图； 

图8为本发明一种实施方式倍频电路的电路原理图； 

图9为本发明一种实施方式开关量输入光电隔离模块的电路原理图； 

图10为本发明一种实施方式开关量输出光电隔离模块的电路原理图； 

图11为本发明一种实施方式一路MOSFET驱动电路的电路原理图； 

图12为本发明一种实施方式绝缘电阻检测电路的电路原理图； 

图13为本发明一种实施方式串行接口电路原理图； 

图14为本发明一种实施方式电压测量变压器的电路原理图； 

图15为本发明一种实施方式主发电机初始化模块流程图； 

图16为本发明一种实施方式励磁电压调节方法流程图； 

图17为本发明一种实施方式组态软件模块的设置流程图； 

图18为本发明一种实施方式下位机串口通信流程图； 

图19为本发明一种实施方式通讯过程框图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。 

一种基于组态的励磁发电储能控制装置，结构如图1所示。包括霍尔互感器（由霍尔电流互感器、霍尔电压互感器组成）、发电机组（由副励磁机、励磁机和主发电机组成）、旋转整流器、电位器、电压测量变压器、电流互感器、整形电路、倍频电路、单片机、光电隔离模块（由开关量输入光电隔离模块和开关量输出光电隔离模块组成），此外，还包括功率电路、相序检测电路，在上位机内还设置有组态软件模块。 

图1的左边是基于dsPIC控制器的励磁控制系统，而右边则是同轴运行的副励磁机、励磁机和主发电机以及励磁控制主电路；副励磁机发出的三相交流电经CSR整流后，给主励磁机提供励磁电流，主励磁机发出的三相交流电经整流后为主发电机提供励磁电流，主发电机便开始发出三相交流电。通过控制三相整流桥中MOSFET的占空比，就可以控制主励磁机的励磁电流，进而控制主发电机的励磁电流，最终控制主发电机发出的电压。励磁电压和励磁电流可以通过霍尔电压、电流互感器进行检测；主发电机输出的交流电压和电流可以通过变压器和电流互感器进行检测。以上的交流信号可以经过交流采样通道反馈到dsPIC控制器，经dsPIC的内部AD转换器转换为数字信号。dsPIC控制PWM信号占空比，从而实现同步发电机的励磁控制。 

     图1中24V电源由发电机组提供，它通过模块电源转换成各种等级的电源，为控制系统供电。单路的5V、15V电源模块为开关管的驱动电路提供电源，双路的±15V电源模块为放大器和互感器提供工作电源，其中单路和双路之间的地是隔离的。最小系统是控制电路的核心部分，它包括dsPIC控制器、电源芯片、扩展存储器、晶振和复位电路。电源芯片可输出+3.3V和+1.8V的电压供dsPIC使用，同时电源芯片可以产生供dsPIC控制器复位的信号。开关量输入光电隔离模块为发电机组(由主发电机、副励磁机和励磁机组成)提供“接通发电机励磁”、“清除故障”、“保护断开”和“发电机组已接通”等控制指令。开关量输出光电隔离模块为发电机组提供各种报警信号的输出指令。串行接口电路分别连接dsPIC控制器和上位机，同时实现上位机和dsPIC控制器(在本实施例中作为下位机使用)的数据交换，为上位机监控和程序的串口烧写提供硬件基础。主发电机机端电压和电流分别经电压测量变压器和电流互感器进行采样后，送入模拟量输入通道进行信号调理，触发dsPIC控制器的AD转换模块进行采样，从而完成主发电机输出电压和电流的检测。主发电机机端的电压信号经整形后，送到dsPIC控制器捕获口IC1检测主发电机频率值。励磁电压和励磁电流分别用霍尔电压互感器和霍尔电流互感器来检测，同样，他们的输出值也经过模拟量输入通道进行调理。采到的主发电机发出的电压值与主发电机给定的电压值进行比较，通过模糊PID控制算法，来调整PWM占空比。PWM信号经MOSFET驱动电路驱动后，通过控制MOSFET的导通和关断来调整励磁电流，进而控制主发电机输出电压，使其趋于稳定。具体线路连接如下： 

其中开关量输入光电隔离模块、开关量输出光电隔离模块分别与dsPIC控制器的通用输入输出模块相连，倍频电路与dsPIC控制器的INT2口相连，串行接口电路与dsPIC控制器的UART口相连，整形电路分别与dsPIC控制器的IC1口、倍频电路、电压测量变压器电路相连，模拟量输入通道分别与dsPIC控制器的AD转换模块、霍尔电流互感器、霍尔电压互感器、电位器输出电压给定电路、电压测量变压器、电流互感器相连，同时电压测量变压器、电流互感器都还与主发电机的三项输出相连，MOSFET驱动电路分别与dsPIC控制器的PMW输出接口、dsPIC控制器的过流报警口、功率电路相连，功率电路分别与副励磁机三项输出、MOSFET驱动电路、励磁机相连，各级电源模块分别为上述各模块供电。

本实施方式中，基于组态的励磁发电储能控制装置的电源电路如图2（a）所示，连接器JPOWER1的1、2针通过二极管D1都与电源芯片HD W24D05、HD W24D15的1脚相连，JPOWER1的3、4针都与HD W24D05、HD W24D15的2脚相连，HD W24D05的3与4脚、HD W24D15的5与4脚分别输出各种系统所需的电源(如HDW24D05输出的 V电压，HD W24D15输出的

V电压)，电源与地之间有电容滤波。该电源模块为MOSFET驱动电路提供+5V、+15V电压，为放大器、霍尔电压互感器和霍尔电流互感器提供

电压，为最小系统提供

电压。 

dsPIC控制器的电源电路原理图如图2（b）所示，电源芯片U5的脚5、6、11、12与5V电源相连，U5的脚23、24输出1.8V电源，U5的脚17、18输出3.3V电源，U5的17、18脚通过电阻RLED2、二极管LED2与数字地相连，数字地与电源地之间有电感线圈。 

如图3所示，三相副励磁机发出三相交流电，三相交流电第一相与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与电容C16的一端相连，三相交流电的第二相与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与电容C15的一端相连，三相交流电的第三相与电感L3的一端相连，电感L3的另一端与电容C14的一端相连，且电容C13、C14和C15的另一端连在一起。场效应管Q1的源极与场效应管Q2的漏极串联形成第一桥臂，场效应管Q3的源极与场效应管Q4的漏极串联形成第二桥臂，场效应管Q5的源极与场效应管Q6的漏极串联形成第三桥臂，所述场效应管Q1的漏极、场效应管Q3的漏极和场效应管Q5的漏极彼此连接，所述场效应管Q2的漏极、场效应管Q4的漏极和场效应管Q6的源极彼此连接。每个场效应管都并联一个缓冲电路，且缓冲电路结果相同，本实施方式中，以场效应管Q1为例加以说明。由电阻R1与稳压管并联，该并联电路再与电容C1串联形成缓冲电路。该缓冲电路中，电容C1的一端连接场效应管Q1的漏极，稳压管D1的阳极连接场效应管Q1的源极。

场效应管Q1与场效应管Q2的连接点与电感L1的另一端相连，场效应管Q3与场效应管Q4的连接点与电感L2的另一端相连，场效应管Q5与场效应管Q6的连接点与电感L3的另一端相连。电容C7、电容C8、电容C9、电容C12、电阻R8分别与三个桥臂并联连接。电容C10和电阻R7组成串联电路，再将该串联电路与三个桥臂并联。场效应管Q5的漏极连接霍尔电流传感器LA28-NP的6引脚，霍尔电流传感器LA28-NP的1引脚连接电容C12的一端，经过C12整流后接入两位针座P1的1引脚。电容C11与电阻R9并联，所形成的并联电路的一端与LA28-NP的11脚相连，另一端与地相连。场效应管Q6的源极连接P1的2引脚。 

此外，四位针座P2的4引脚与霍尔电流传感器LA28-NP的11引脚相连，霍尔电压传感器LV28-P的3、4、5引脚与四位针座P2的1、2、3引脚相连。电阻R10的一端与5V电源VCC相连，另一端与LV28-P的1脚相连，LV28-P的2脚与地相连；电阻R11与电容C13并联，并联电路的一端与LV28-P的4脚相连，另一端与地相连。 

相序检测电路如图4所示。光电隔离开关(TLP3)、光电隔离开关(TLP4)、光电隔离开关(TLP5)中发光二极管的阳极分别与电压测量变压器的三相交流电相连，阴极则通过一个电阻(R84)与模拟地相连；光电隔离开关(TPL3)中三极管的集电极通过一个上拉电阻(R85)与3.3V电源相连，并且三极管的集电极还与一个双输入与非门(U2D)的两个输入引脚相连，三极管的发射极与数字地相连。 

光电隔离开关(TPL4)的阳极分别与电压测量变压器的三相交流电相连，阴极则通过一个电阻(R86)与模拟地相连；光电隔离开关(TPL3)中三极管的集电极通过一个上拉电阻(R87)与3.3V电源相连，并且三极管的集电极还与一个双输入与非门U2B的两个输入引脚相连，三极管的发射极与数字地相连。 

光电隔离开关(TPL5)的阳极分别与电压测量变压器的三相交流电相连，阴极则通过一个电阻(R88)与模拟地相连；光电隔离开关（TPL3）中三极管的集电极通过一个上拉电阻(R89)与3.3V电源相连，并且三极管的集电极还与一个双输入与非门(U2A)的两个输入引脚相连，三极管的发射极与数字地相连。 

与非门(U2D)的输出端分别与D触发器(U8A)的时钟端、三输入或非门U3C的第一输入端、D触发器(U1A)的D端相连，与非门(U2B)的输出端分别与D触发器(U1A)的时钟端、三输入或非门(U3C)的第二输入端、D触发器(U1B)的D端相连，双输入与非门（U2A）的输出端分别与D触发器（U1B）的时钟端、三输入或非门（U3C）的第三输入端、D触发器（U8A）的D端相连。 

三输入或非门（U3C）的输出端分别与D触发器（U8A）、D触发器（U1A）、D触发器（U1B）的复位端R相连，三输入或非门（U3C）的输出端还同时与三输入或非门（U3B）的第二、第三输入端相连；D触发器（U8A）、D触发器（U1A）、D触发器（U1B）的反向输出端分别与三输入或非门（U3A）的第一、第二、第三输入端相连，三输入或非门（U3A）的输出端分别与缓冲器U4A的输入端和或非门（U3B）的第一输入端相连，或非门（U3B）的输出端与缓冲器（U4B）的输入端相连，缓冲器（U4A）、缓冲器（U4B）的输出端与dsPIC控制器的通用输入输出模块相连。 

模拟量输入通道包括6路交流采样电路和3路直流采样电路。其中，电压测量变压器及电流互感器所采集到的交流电压、电流信号输入到如图5所示的电路中，霍尔电压互感器、霍尔电流互感器及电位器采集到的直流电压、电流信号输入到如图6所示的电路中，具体为： 

一路交流采样电路的电路原理图如图5所示，电压测量变压器的一路输出与运算放大器AMP1A的同相输入端相连，AMP1A的反相输入端与其输出端相连，AMP1A的输出端通过电阻RA3与运算放大器AMP1B的反向输入端相连，AMP1B的输出端通过电阻RA9与运算放大器AMP1C的反向输入端相连，AMP1C的输出端通过电阻RA12与dsPIC的AD转换模块相连。其它五路交流采样电路的结构与此相同。

一路直流采样电路的电路原理图如图6所示,直流采样电压通过电阻Ra与LV28-P的1引脚相连，LV28-P的3脚输出信号通过CM1滤波后，送到dsPIC进行AD转换来检测励磁电压。其它两路直流采样电路的结构与此相同。 

整形电路的电路原理图如图7所示, 电压测量变压器的输出端与整形电路中的运算放大器AMP4D TL084的同相输入端相连，AMP4D TL084的反相输入端与其输出端相连，AMP4D TL084的输出端通过电阻RA86与运算放大器AMP5D TL084的反相输入端相连，AMP5D的输出端通过电阻RA89、二极管D17与光电耦合器件TLPCAPD的脚1相连，光电耦合器件TLPCAPD的脚3输出信号分别输入倍频电路和dsPIC控制器的IC1口。 

倍频电路的电路原理图如图8所示。整形电路的输出端PLLA与锁相环芯片CD4046 的U1 的14脚相连，U1的3 脚连接分频器CD4040 的U2 的2脚，U1的4脚连接U2 的10脚，U1的脚4输出端口PLLB连接dsPIC控制器的INT2口。 

开关量输入电路的电路原理图如图9所示。给光电隔离器TLPIN1A的输入端脚1一个电压信号(如27V)相连，由光电隔离器TLPIN1A的脚15输出信号与dsPIC控制器的通用输入输出模块相连。 

开关量输出电路的电路原理图如图10所示，dsPIC控制器输出信号通过电阻R1与高速光电隔离器U1的输入端脚2相连，由光电隔离器U1的脚7向外输出控制信号(如，连接指示灯来显示整个基于组态的励磁发电储能控制装置的状态)。

一路MOSFET驱动电路的电路原理图如图11所示，PMW信号通过RPWM接到低功耗运算放大器芯片N1的1脚，再由低功耗运算放大器芯片N1的7脚输出到带电流限制的驱动芯片N2的2脚，最后通过N2的6、7脚输出控制信号给功率电路。 

在dsPIC的通用输入输出模块的输入端还连接有绝缘电阻检测电路，如图12所示，用来检测发电机电枢星点和机壳之间的绝缘电阻是否大于标准值，若不大于在发出报警信号。绝缘电阻由引入标号为zhongxian和jike的端口引入（即zhongxian端连接发电机电枢星点，jike连接发电机机壳），A点通过R70与运放AMP6B TL084的反相输入端脚6相连，B点通过R71与运放AMP6B TL084的5脚相连，AMP6B TL084的5、6脚与二极管D16、D18并联，组成文式桥；AMP6B TL084的输出端脚7通过电阻R78分别与光电耦合器TLP3、电容C47相连；TLP3的输出端输出信号，并与通用输入输出模块相连。      

串行接口的电路原理图如图13所示，外来信号输入RS-232通讯芯片U5的脚12，U5的脚13与插口DB9的2针连接、U5的脚14与插口DB9的3针相连，插口DB9与上位机串口相连。

电压测量变压器的电路原理图如图14所示。主发电机的三相电压分别与连接器JP4的2、3、4针相连，主发电机的三相电压的公共地与连接器JP4的针1相连，连接器JP4的1、2针分别与变压器T3的一次绕组的两端、压敏电阻RC3的两端相连，连接器JP4的1、3针分别与变压器T2的一次绕组的两端、压敏电阻RC2的两端相连，连接器JP4的1、4针分别与变压器T1的一次绕组的两端、压敏电阻RC1的两端相连，变压器T1的二次绕组的两端分别与连接器JP5的1、7针相连，变压器T2的二次绕组的两端分别与连接器JP5的3、7针相连，T3的二次绕组的两端分别与连接器JP5的5、7针相连，连接器JP5的7针与模拟地相连。连接器JP5与图4的交流采样电路的输入端Va相连。 

电位器给定电路为5V电源与地之间连一可调电阻，可调电阻的输出电压与直流采样电路相连。 

本发明的一种实施方式，采用上述的基于组态的励磁发电储能控制装置实现。其中，在下位机内设置有主发电机初始化模块，该模块用于使空载电机的电压达到给定值。其流程如图15所示。该过程开始于步骤1501。在步骤1502，初始化时钟、看门狗、中断向量表，配置GPIO口的功能和方向(如，配置IC1口为输入捕捉，UART1口为串行通讯口)。 

在步骤1503，初始化AD转换模块、定时器、比较器及捕捉单元。 

在步骤1504，通过采集的直流励磁电压大小，判断励磁是否成功，当直流励磁电压大于等于默认励磁电压(本实施方式中取24v)的90%时，励磁成功，则执行步骤1505，否则继续执行步骤1504。 

在步骤1505，清除警报，并启动定时器计时。 

在步骤1506，开始数据采集，采集的数据包括: 霍尔电流互感器、霍尔电压互感器采集直流的信号，电压测量变压器、电流互感器采集的交流信号，电位器输出的直流电压信号，完成后，利用FFT快速傅立叶变换处理A/D采样结果，将采样结果与给定值做差，取得差值后送到模糊PID控制器。 

在步骤1507，将所得数据进行整理后，利用模糊PID控制器处理的结果来调整PWM的输出。 

在步骤1508，通过快速傅里叶变换的结果计算电压、电流、频率、相序、相位差。 

在步骤1509，判断在0.5S内电压、电流、频率、电流相序、相位差是否在给定值得范围之内（给定值由用户自行设定，例如：主发电机发出的电压范围在给定的%内，电流小于最大电流限制电流1.1A，频率在365~423之间，电流相序正常无取向漏相相位差恒定为120度），若在给定值的范围之内，则输出发电机准备好信号，执行步骤1510，否则，执行步骤1506。 

在步骤1510，发出接通负载指令。 

在步骤1511，结束。 

本实施方式中，采用基于组态的励磁发电储能控制装置对励磁电压进行调节的方法，其流程如图16所示。该方法用于控制主发电机发出的电压，使其达到给定值，并对主发电机的状态(电压、电流、频率、相序是否在给定范围)进行监控，防止发电机损坏，保证发电的质量，该流程开始于步骤1601。在步骤1602， 采集数据，包括：霍尔电流互感器、霍尔电压互感器采集到的直流信号，电压测量变压器、电流互感器采集到的交流信号以及电位器输出的直流电压值； 

对上述采集到的数据进行FFT快速傅立叶变换；

将采集的交流电压数据与给定的交流电压值做差后送入模糊PID控制器。

在步骤1603，利用模糊PID处理的结果调整PWM输出，从而改变励磁电流。 

在步骤1604，根据FFT快速傅立叶变换的结果判断电压、电流、频率、相序、相位差是否在给定范围之内（该值由用户自行设定，如：主发电机发出的电压范围在给定的

%内，电流小于最大电流限制电流1.1A，频率在365~423之间，电流相序正常无取向漏相相位差恒定为120度，）若超出范围，则进行延时报警，执行步骤1605，否则，执行步骤1602。 

在步骤1605，励磁控制器立即发出停机指令（如发生电压、电流、相序、频率报警），并取消发电机准备好信号。 

本发明的上位机内设置有组态软件模块，组态软件模块的设置流程图如图17所示。上位机与下位机通过MODBUS协议进行通信。该流程开始于步骤1701。在步骤1702，打开紫金桥监控组态软件模块，建立工程文件。 

在步骤1703，设置下位机的通讯参数（如：波特率、数据位、停止位、奇偶校验位），令其与上位机的参数保持一致，例如设备上的参数可设置为：设备的UCR参数为06，UAD参数为2，即波特率9600，无校验，地址为1。它们通过RS485转232串口模块接到计算机上，计算机上的串口号为COM1。 

在步骤1704，进行设备组态，建立下位机串口与上位机串口的驱动连接：打开紫金桥组态软件模块的数据库选项卡，找到MODBUS表项，双击MODBUS节点，在弹出的“I/O设备定义”窗口中设置要连接的设备参数，下一步，继续设置串口参数，下一步，进行Modbus设备定义，将设置中的包的最长度改为4。 

在步骤1705，进行点组态，建立所需要采集的点，并进行设备驱动。 

在步骤1706，运行组态模块，就可以在组态界面上显示出主发电机发出的电压电流的大小以及频率，同时也可以显示报警信息、电压电路的变化曲线。 

本发明实施方式中下位机串口通信流程图如图18所示。该流程开始于步骤1801。在步骤1802，启动Modbus通讯协议，开始通讯。 

在步骤1803，接受通信内容。 

在步骤1804，根据不同的命令字进行不同的响应，所有的命令字都是由英文字母对应的ASCII码构成，例如下面一组命令字： 

命令字为“A”时，dsPIC立即向上位机发送25个字节，即三相电压值（A、B、C）、三相电流值（A、B、C）、频率值、励磁电压值、励磁电流值、励磁功率值等各2个字节，系统故障码1个字节，开头结尾各两个字节；

命令字为“G”时，dsPIC从上位机接收并修改电机输出给定值；

令字为“P”时，dsPIC将会从上位机接收新的PID控制器比例参数；

命令字为“I”时，dsPIC将会从上位机接收新的PID控制器积分参数；

命令字为“D”时，dsPIC将会从上位机接收新的PID控制器微分参数；

命令字为“W”时，将发电机并网，开始并网运行；

命令字为“M”时，发电机开始单机运行；   

命令字为“R”时，复位发电机故障码，系统将不报警；

命令字为“S”时，启动励磁，发电机进入发电状态；

命令字为“T”时，停止励磁，使发电机终止发电。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅有所附权利要求书限定。 

Claims (5)

1.一种基于组态的励磁发电储能控制装置，包括霍尔互感器、发电机组、旋转整流器、电位器、电压测量变压器、电流互感器、整形电路、倍频电路、单片机、光电隔离模块，其特征在于：还包括功率电路、相序检测电路，在上位机内还设置有组态软件模块；

所述的功率电路用于对副励磁机发出的三相交流电进行三相PWM整流，得到直流电流后为励磁机提供励磁电流，直流电流的大小可以通过MOSFET驱动电路进行控制，从而间接的控制了发电机发出的电压；

所述的相序检测电路：用于对电压测量变压器送出的三相交流电进行光电隔离，使其变成方波，然后进行逻辑处理，进而判断出发电机有无缺陷漏相； 

所述的组态软件模块：用于与其他设备进行组态，实现上位机对控制系统的监视和控制。

2.如权利要求1所述的基于组态的励磁发电储能控制装置，其特征在于：所述的功率电路结构为：三相副励磁机发出三相交流电，三相交流电第一相与电感（L1）的一端相连，电感（L1）的另一端与电容（C16）的一端相连，三相交流电的第二相与电感（L2）的一端相连，电感（L2）的另一端与电容（C15）的一端相连，三相交流电的第三相与电感（L3）的一端相连，电感（L3）的另一端与电容（C14）的一端相连，且电容（C13）、电容（C14）和电容（C15）的另一端连在一起；

场效应管（Q1）的源极与场效应管（Q2）的漏极串联形成第一桥臂，场效应管（Q3）的源极与场效应管（Q4）的漏极串联形成第二桥臂，场效应管（Q5）的源极与场效应管（Q6）的漏极串联形成第三桥臂，所述场效应管（Q1）的漏极、场效应管（Q3）的漏极和场效应管（Q5）的漏极彼此连接，所述场效应管（Q2）的源极、场效应管（Q4）的源极和场效应管（Q6）的源极彼此连接；

场效应管（Q1）与场效应管（Q2）的连接点与电感（L1）的另一端相连，场效应管（Q3）与场效应管（Q4）的连接点与电感（L2）的另一端相连，场效应管（Q5）与场效应管（Q6）的连接点与电感（L3）的另一端相连；电容（C7）、电容（C8）、电容（C9）、电阻（R8）分别与三个桥臂并联连接；电容（C10）和电阻（R7）组成串联电路，再将该串联电路与三个桥臂并联；场效应管（Q5）的漏极连接霍尔电流传感器的输入端，霍尔电流传感器的输出端连接电容（C12）的一端组成串联电路，该串联电路与三个桥臂并联连接；霍尔电流传感器的输出端接入两位针座（P1）；电容（C11）与电阻（R9）并联，所形成的并联电路的一端与霍尔电流传感器的另一个输出端相连，另一端与地相连，电容（C12）的另一端连接两位针座（P1）。

3.如权利要求2所述的基于组态的励磁发电储能控制装置，其特征在于：每个所述的场效应管都并联一个缓冲电路，且缓冲电路结构相同，具体为：由电阻（R1）与稳压管并联，该并联电路再与电容（C1）串联形成缓冲电路，该缓冲电路中，电容（C1）的一端连接场效应管（Q1）的漏极，稳压管（D1）的阳极连接场效应管（Q1）的源极。

4.如权利要求1所述的基于组态的励磁发电储能控制装置，其特征在于：所述的相序检测电路，结构如下：光电隔离开关(TLP3)、光电隔离开关(TLP4)、光电隔离开关(TLP5)中发光二极管的阳极分别与电压测量变压器的三相交流电相连，阴极则通过一个电阻(R84)与模拟地相连；光电隔离开关(TPL3)中三极管的集电极通过一个上拉电阻(R85)与电源相连，并且三极管的集电极还与一个双输入与非门(U2D)的两个输入引脚相连，三极管的发射极与数字地相连；

光电隔离开关(TPL4)的阳极分别与电压测量变压器的三相交流电相连，阴极则通过一个电阻(R86)与模拟地相连；光电隔离开关(TPL4)中三极管的集电极通过一个上拉电阻(R87)与电源相连，并且三极管的集电极还与一个双输入与非门（U2B）的两个输入引脚相连，三极管的发射极与数字地相连；

光电隔离开关(TPL5)的阳极分别与电压测量变压器的三相交流电相连，阴极则通过一个电阻(R88)与模拟地相连；光电隔离开关（TPL5）中三极管的集电极通过一个上拉电阻(R89)与电源相连，并且三极管的集电极还与一个双输入与非门(U2A)的两个输入引脚相连，三极管的发射极与数字地相连；

与非门(U2D)的输出端分别与D触发器(U8A)的时钟端、三输入或非门（U3C）的第一输入端、D触发器(U1A)的D端相连，与非门(U2B)的输出端分别与D触发器(U1A)的时钟端、三输入或非门(U3C)的第二输入端、D触发器(U1B)的D端相连，双输入与非门（U2A）的输出端分别与D触发器（U1B）的时钟端、三输入或非门（U3C）的第三输入端、D触发器（U8A）的D端相连；

三输入或非门（U3C）的输出端分别与D触发器（U8A）、D触发器（U1A）、D触发器（U1B）的复位端相连，三输入或非门（U3C）的输出端还同时与三输入或非门（U3B）的第二、第三输入端相连；D触发器（U8A）、D触发器（U1A）、D触发器（U1B）的反向输出端分别与三输入或非门（U3A）的第一、第二、第三输入端相连，三输入或非门（U3A）的输出端分别与缓冲器U4A的输入端和或非门（U3B）的第一输入端相连，或非门（U3B）的输出端与缓冲器（U4B）的输入端相连，缓冲器（U4A）、缓冲器（U4B）的输出端与dsPIC控制器的通用输入输出模块相连。

5.一种对励磁电压进行调节的方法，采用权利要求1所述的基于组态的励磁发电储能控制装置，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：采集数据，包括：霍尔电流互感器、霍尔电压互感器采集到的直流信号，电压测量变压器、电流互感器采集到的交流信号以及电位器输出的直流电压值；

对上述采集到的数据进行FFT快速傅立叶变换；

将采集的交流电压数据与给定的交流电压值做差后送入模糊PID控制器；

步骤2：利用模糊PID处理的结果调整PWM输出，从而改变励磁电流；

步骤3：根据FFT快速傅立叶变换的结果判断电压、电流、频率、相序、相位差是否在给定范围之内，若超出范围，则进行延时报警，执行步骤4，否则，执行步骤1；

步骤4：励磁控制器发出停机指令，并取消发电机准备好信号。

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