CN2759054Y - 32位水轮机非线性调速器用的控制器 - Google Patents

Abstract

32位水轮机非线性调速器用的控制器属于水轮机调速技术领域，其特征在于，它含有DSP、分别与DSP互连的可编程逻辑器件、SRAM和FLASH，依次与DSP采样信号输入端相连的信号调理电路和 A/D转换器，输入端与 DSP测量信号输入端相连的频率测量电路以及与DSP控制信号输出端相连的D／A转换器，该D／A转换向水轮机调速部分输出水门接力器行程信号。同时，可编程逻辑电路输出端还与A/D转换器的逻辑控制信号输入端相连。实例证明：基于非线性反馈理论和方法的本实用新型其非线性鲁棒控制与其他类型控制器相比，可显著提高电力系统的暂态稳定性。

Description

32位水轮机非线性调速器用的控制器

技术领域

本实用新型属于水轮机调速技术领域。

技术背景

水轮机调速策略从较早的20世纪70年代的研究，发展到21世纪初，经历了一个不断改进的过程。从PI调节到PID调节再到状态反馈再到变调节参数控制和自适应控制，水轮机的调速策略随着控制理论的发展而不断发展。然而由于水轮机调节系统所存在的非线形，已有的控制都是建立在适用于微小工况变化下的近似线性化模型上，控制目标基本是跟踪转速给定。在对整个输电系统稳定性要求日益提高的情况下，仅仅跟踪转速给定是远远不够的。我们在中国专利网上，利用“水轮机”和“调速器”进行搜索，其结果如下：

1	97116347.2	水轮机调速器步进电机凸轮直控主配压阀装置
			2	98113562.5	全数字式微机控制水轮机调速器
3	97116787.7	水轮机调速器测频装置
			4	87209137.6	结构简单的节能水轮机调速器
5	95238033.1	水轮机调速器的电液比例随动装置
			6	96209482.X	水轮机调速器的微机控制器
7	96234499.0	水轮机调速器的电动集成随动装置
			8	97250678.0	水轮机调速器步进电机凸轮直控主配压阀装置
9	98235302.2	水轮机调速器的交流电机伺服装置
			10	96239747.4	水轮机调速器的电动阀控缸式电液伺服装置
11	00226847.7	水轮机调速器测频装置
			12	00232372.9	智能模糊控制的多态阀式水轮机调速器
13	02234816.6	一种水轮机调速器用电气-位移式电液转换装置
			14	02257408.5	水轮机调速器的调速轴转换装置
15	02278659.7	中小型水轮机调速器的电液执行机构

由搜索结果可以看出，将非线性控制技术用于水轮机的调速中，并研制出32位的非线性调速器是具有创新性的。与此同时计算机仿真实验和动态物理实验也证明了它的实用性和优越性。

本实用新型的目的在于提供一种32位水轮机非线性调速器用的控制器。

本实用新型的特征在于它含有：

DSP，采用TMS320C32芯片，存有按照下式计算u_i的软件包，

$u_i=\frac{H_i{T}_{\mathrm{wi}}{T}_{\mathrm{si}}}{6}(-K_{1i}^{*}{Z}_{1i}-K_{2i}^{*}{Z}_{2i}-K_{3i}^{*}{Z}_{3i})-\frac{2T_{\mathrm{si}}}{{3T}_{\mathrm{wi}}}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{mi}}+(\frac{{2T}_{\mathrm{si}}}{{3T}_{\mathrm{wi}}}+1)\mathrm{\Δ}{\mathrm{\μ}}_i+\frac{T_{\mathrm{wi}}{T}_{\mathrm{si}}}{6}{\stackrel{\·\·}{P}}_{\mathrm{ei}};$

CPLD，它是一种可编程逻辑控制器件，采用EMP7128S芯片，它与上述DSP互连；

SRAM，它是一种静态随机存取存储器，采用芯片IS61C1021，它与上述DSP互连；

FLASH，它是一种闪烁存储器，采用芯片IN28F010，它与上述DSP互连；存有计算μ_i的软件包；

频率测量电路，它由芯片CD40106B、LM339依次串联而成，其中LM339的输出端与上述DSP的相应信号输入端相连；

A/D转换器，采用芯片MAX125，有ADC1、ADC2共两片，它们的输出端分别与上述DSP的相应信号输入端相连，它的输入端与上述芯片EMP7128S输出端相连；

信号调理电路，采用芯片OP07，它的输出端与上述A/D转换器的相应信号输入端相连；

D/A转换器，采用芯片AD7247A，它的数字信号输入端与上述DSP的控制信号输出端相连，它的输出端经隔离电路后向32位水轮机非线性的调速部分送出水门接力器行程信号。

由上可知，在水轮机的非线性和电力系统的非线性面前，我们只有充分考虑其非线性。于是我们应用非线性反馈理论和方法的基本框架，得到了水轮发电机调速系统非线性鲁棒控制策略的解析表达式，并研制了32位非线性鲁棒控制调速器的控制器。主要解决了非线性控制规律的求取；高精度和高可信度的频率量测和功率量测问题；得出了误差控制方法，并进一步从工程应用角度出发，给出了一套消噪声的一阶导数和二阶导数计算方法。同时为了减小离散控制周期，研究并解决了计算精度与速度的矛盾以及高速数据记录等问题。动态物理实验表明，本文所给出的水轮机调速系统非线性鲁棒控制策略与其它控制策略相比能够显著提高远程输电系统的暂态稳定性。

计算机仿真实验结果：

实验环境如图1所示，水轮发电机组通过远距离输电线路连接到无穷大母线上。

图2a是PI调速控制下暂态仿真实验结果，图b是非线性调速控制下暂态仿真的实验结果，由对比可以明显看出在PI控制已经失去稳定的情况下，非线性控制依然能够保持系统稳定，并具有较好的动态效果。图3是动态模拟的实验结果。

图1中的符号说明如下：

x_d ^′为发电机d轴暂态电抗；x_d为发电机d轴电抗；x_q为发电机q轴电抗；V_t为发电机机端电压；x_t1为变压器1的等效电抗；x_L为输电线路等效电抗；x_t2为变压器2的等效电抗；V_s为无穷大母线处电压。

附图说明

图1调速系统框图。

图2仿真实验曲线图，图2(a)是比例积分(PI)调速控制下暂态仿真实验结果，图2(b)是非线性调速控制下暂态仿真的实验结果。

图3动态模拟曲线图，图3(a)PI调速控制方式下发电机输出有功功率的动态模拟实验结果，图3b是非线性调速控制方式下发电机输出有功功率的动态模拟实验结果。

图4控制器的电路原理框图。

具体实施方式

该硬件主要由德州仪器的C32-50DSP作为运算核心。测频部分由中断方式的机端残压测频和采样方式的转速机电压测频组成，残压测频部分主要由LM339和CD40106B组成。功率部分的测量主要由信号调理和采样转换组成。采样利用的是两片MAXIM公司的MAX125芯片。整个硬件的逻辑部分是利用ALTERA公司的EMP7128S芯片完成。扩展的存储器包括两部分：一部分是ISSI公司的IS61C1021RAM芯片，另一部分是INTEL公司的IN28F010FLASH芯片。水门控制信号输出采用DA输出，使用的芯片为AD公司的AD7247A。

管脚连接关系如下：

FLASH的连接关系如下：

IN28F010FLASH管脚	连接至
		2～12，23，25～29	TMS320C32DSP的32～34，38，40～45，47～49，52，55，58
31	TMS320C32DSP的132
		24	TMS320C32DSP的23
22	TMS320C32DSP的123
		13～15，17～21	TMS320C32DSP的98～101，103～106
16	数字电源的GND
		32	数字电源的VCC

LM339的连接关系如下：

LM339管脚	连接至
		3	模拟电路+5V
12	模拟电路-5V
		4，6，8	模拟电路地
5，7，9	三相电压交流小信号
		1，2，14	通过电阻接至CD40106B的1，3，5管脚

CD40106B的连接关系如下：

LM339管脚

连接至

1，3，5	通过电阻接至LM339的1，2，14管脚
		2，4，6	EMP7128的9，10，11号管脚
14	模拟电路+5V
		7	模拟电路地

SRAM的连接关系如下：

IS61C1024SRAM管脚	连接至
		2～12，23，25～28，31	TMS320C32DSP的32～34，38，40～45，47～49，52，55，58
29	TMS320C32DSP的132
		24	数字电源的GND
30	TMS320C32DSP的23
		22(4片分别)	TMS320C32DSP的120～123
13～15，17～21(4片分别)	TMS320C32DSP的60～65，67，69～71，75～78，80～84，87，89，91，96～101，103～106
		16	数字电源的GND
32	数字电源的VCC

AD7247A的连接关系如下：

AD7247A管脚	连接至
		4，5，7～16	TMS320C32DSP的89，91，96～101，103～106
1，3，24	模拟电路+5V
		4，6，22，23	模拟电路地
17，18	EMP7128的74，75号管脚
		19	TMS320C32DSP的132
20	模拟电路+15V
		21	控制输出

MAX125的连接关系如下：

MAX125AD管脚	连接至
		4，2，34，32(2片分别)	OP07输出的交流小信号
1，3，33，35	数字电源的GND
		30	EMP7128的8号管脚
29	TMS320C32DSP的10号管脚
		28	EMP7128的56号管脚
27	TMS320C32DSP的132号管脚
		26	EMP7128的67号管脚
25	16M晶振的3号管脚
		5	模拟电源+5V
6，7	通过电容接地
		9～16，19～24	按顺序接至DSP的84，87，89，91，96～101，103～106
8，36	模拟电源的GND
		31	模拟电源-5V
18	数字电源的GND
		17	数字电源的VCC

CPLD的连接关系如下：

EMP7128S管脚	连接至
		83	60M晶振3号管脚
46	TMS320C32DSP的141管脚
		55	TMS320C32DSP的142管脚
8	ADC2的30号管脚
		9～11	CD40106B的2，4，6管脚
12	TMS320C32DSP的134号管脚
		14	JTAG的9号管脚
15～18，20～21	按顺序接至DSP的30～34，38
		23	JTAG的5号管脚
5	ADC1的30号管脚
		6	TMS320C32DSP的119号管脚
71	JTAG的3号管脚
		68	TMS320C32DSP的117号管脚
67	ADC1的26号管脚
		63	ADC2的26号管脚
56	ADC1和ADC2的28号管脚

DSP的连接关系如下：

TMS320C32管脚	连接至
		60～65，67，69～71，75～78，80～84，87，89，91，96～101，103～106	IS61C1024，IN28F010，MAX125，AD7247A相应的数据线
23～28，30～34，38，40～45，47～49，52，55，58	IS61C1024，IN28F010，MAX125，AD7247A，EMP7128S相应的地址线
		120～123	IS61C1024，IN28F010，MAX125的相应选通线
113	60M晶振的3号管脚
		133	数字电源地
2，15，16，50，51，85，86，124，125，12，29，39，46，59，68，79，90，102，116，129，	数字电源+5V
		8，19，21，22，35，36，53，54，56，57，66，73，74，88，92～95，110～112，118，127，135，136，140	数字电源地
10	两片MAX125的29号管脚
		119	EMP7128S的6号管脚
9	通过20K电阻连到数字电源+5V
		117	EMP7128S的68号管脚
132	IS61C1024，IN28F010，MAX125相应的读写线
		20	跳线的1号管脚
142	EMP7128S的55号管脚
		141	EMP7128S的46号管脚
108	DSP的JTAG的11号管脚

115	通过20K电阻连到数字电源+5V
		13	DSP的JTAG的9号管脚
18	DSP的JTAG的5号管脚
		17	DSP的JTAG的1号管脚
14	DSP的JTAG的3号管脚

该控制方法主要解决水轮机控制系统所存在的非线性和非最小相位问题，增强了水轮发电机组的远距离输电系统的大干扰稳定性。

首先：我们从流体力学出发，推导了压力引水系统的数学模型，同时考虑多机电力系统时，系统模型可以描述为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}}_i=({\mathrm{\ω}}_i-1){\mathrm{\ω}}_0\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_i=\frac{1}{H_i}[P_{\mathrm{mi}}-D_i({\mathrm{\ω}}_i-1)-P_{\mathrm{ei}}]\\ {\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{mi}}=\frac{2}{T_{\mathrm{wi}}}[-P_{\mathrm{mi}}+{\mathrm{\μ}}_i-T_{\mathrm{wi}}\stackrel{\·}{\mathrm{\μ}}]\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\μ}}}_i=\frac{1}{T_{\mathrm{si}}}(-{\mathrm{\μ}}_i+{\mathrm{\μ}}_{0i}+u_i)\end{array}\right....2.1$

其中P_mi为第i台水轮机机械功率，T_wi为第i台水轮机水锤时间常数，T_si为第i台水轮机调速器行程接力器时间常数，μ_i为第i台水轮机水门开度，μ_0i为第i台水轮机水门手动开度，u_i为第i台水轮机行程接力器控制信号，D_i为第i台水轮发电机的阻尼系数，H_i为第i台水轮发电机的转动惯量，δ_i为第i台发电机转子角，ω_i为第i台水轮发电机的转速，P_ei为第i台发电机发出的电功率。

然后：在工程应用中，通常电磁功率可以通过量测手段获得，且有比较高的精度。如果考虑电磁功率可以通过量测的手段获得，(2-1)可以降阶为

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_i=\frac{1}{H_i}[P_{\mathrm{mi}}-D_i({\mathrm{\ω}}_i-1)-P_{\mathrm{ei}}]\\ {\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{mi}}=\frac{2}{T_{\mathrm{wi}}}[-P_{\mathrm{mi}}+{\mathrm{\μ}}_i-T_{\mathrm{wi}}\stackrel{\·}{\mathrm{\μ}]}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\μ}}}_i=\frac{1}{T_{\mathrm{si}}}(-{\mathrm{\μ}}_i+{\mathrm{\μ}}_{0i}+{\mathrm{\μ}}_i)\end{array}\right....2.2$

最后：根据微分几何反馈线性化设计原理，取SDM(S：状态反馈；D：动态反馈；M：测量反馈)评价信号

$y_i={\mathrm{\Δ\ω}}_i+\frac{2}{H_i}{\∫}_0^t\mathrm{\Δ}{\mathrm{\μ}}_i\mathrm{dt}...2.3$

取坐标变换

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{1i}=y_i\\ Z_{2i}={\stackrel{\·}{Z}}_{1i}\\ Z_{3i}={\stackrel{\·}{Z}}_{2i}\end{array}\right....2.4$

并令 $v_i={\stackrel{\·}{Z}}_{3i},$ 则有

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{1i}={\mathrm{\Δ\ω}}_i+\frac{2}{H_i}{\∫}_0^t\mathrm{\Δ}{\mathrm{\μ}}_i\mathrm{dt}\\ Z_{2i}=\frac{1}{H_i}[{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{mi}}-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ei}}]+\frac{2}{H_i}{\mathrm{\Δ\μ}}_i\\ Z_{3i}=\frac{2}{H_i{T}_{\mathrm{wi}}}(-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{mi}}+{\mathrm{\Δ\μ}}_i)-\frac{1}{H_i}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{ei}}\end{array}\right....2.5$

$v_i=-\frac{4}{H_i{T}_{\mathrm{wi}}^2}(-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{mi}}+{\mathrm{\Δ\μ}}_i)-\frac{6}{H_i{T}_{\mathrm{wi}}{T}_{\mathrm{si}}}{\mathrm{\Δ\μ}}_i-\frac{1}{H_i}{\stackrel{\·\·}{P}}_{\mathrm{ei}}+\frac{6}{H_i{T}_{\mathrm{wi}}{T}_{\mathrm{si}}}{u}_i...2.6$

式中：

为第i台发电机发出的电功率的导数；

为第i台发电机发出的电功率的二阶导数。

由(2.6)式可得到控制u_i的表达式

$u_i=\frac{H_i{T}_{\mathrm{wi}}{T}_{\mathrm{wi}}{T}_{\mathrm{si}}}{6}{v}_i-\frac{{2T}_{\mathrm{si}}}{{3T}_{\mathrm{wi}}}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{mi}}+(\frac{{2T}_{\mathrm{si}}}{{3T}_{\mathrm{wi}}}+1){\mathrm{\Δ\μ}}_i+\frac{T_{\mathrm{wi}}{T}_{\mathrm{si}}}{6}{\stackrel{\·\·}{P}}_{\mathrm{ei}}...2.7$

以及反馈线性化的动态系统为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{Z}}_{1i}=Z_{2i}\\ {\stackrel{\·}{Z}}_{2i}=Z_{3i}\\ {\stackrel{\·}{Z}}_{3i}=v_i\end{array}\right....2.8$

对于(2.8)式所描述的线性系统，由线性最优控制理论，可得最优控制

$v_i=-K_{1i}^{*}{Z}_{1i}-K_{2i}^{*}{Z}_{2i}-K_{3i}^{*}{Z}_{3i}...2.9$

其中K_1i ^*，K_2i ^*，K_3i ^*分别是通过线性最优控制计算出来的相应的系数。

由此得

$u_i=\frac{H_i{T}_{\mathrm{wi}}{T}_{\mathrm{si}}}{6}(-K_{1i}^{*}{Z}_{1i}-K_{2i}^{*}{Z}_{2i}-K_{3i}^{*}{Z}_{3i})-\frac{2T_{\mathrm{si}}}{{3T}_{\mathrm{wi}}}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{mi}}+(\frac{{2T}_{\mathrm{si}}}{{3T}_{\mathrm{wi}}}+1){\mathrm{\Δ\μ}}_i+\frac{T_{\mathrm{wi}}{T}_{\mathrm{si}}}{6}{\stackrel{\·\·}{P}}_{\mathrm{ei}}...2.10$

其中：H_i发电机惯性常量，T_wi为水轮机水锤常数，T_si为水轮机调速器伺服马达惯性常数，K_1i ^*，K_2i ^*，K_3i ^*分别是最优控制的正定解，Z_1i，Z_2i，Z_3i为坐标变换后的新变量，ΔP_mi为机械功率测量值与设定值之间的偏差量，Δμ_i是水门开度测量值与设定值之间的偏差量，

为电磁功率测量值的两阶导数；

把(2.9)式带入(2.10)式，就可以得到非线性系统的控制规律。

利用TMS320C32DSP实现该控制算法时，该控制算法主要包括以下几个部分：

主程序、采样中断子程序、测频中断子程序、按键中断子程序四个部分组成。

Claims (1)

1、32位水轮机非线性调速器用的控制器，其特征在于，它含有：

DSP，采用TMS320C32芯片，存有按照下式计算u_i的软件包，

$u_i=\frac{H_i{T}_{\mathrm{wi}}{T}_{\mathrm{si}}}{6}(-K_{\mathrm{li}}^{*}{Z}_{\mathrm{li}}-K_{2i}^{*}{Z}_{2i}-K_{3i}^{*}{Z}_{3i})-\frac{{2T}_{\mathrm{si}}}{3T_{\mathrm{wi}}}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{mi}}+(\frac{2T_{\mathrm{si}}}{{3T}_{\mathrm{wi}}}+1)\mathrm{\Δ}{\mathrm{\μ}}_i+\frac{T_{\mathrm{wi}}{T}_{\mathrm{si}}}{6}{\stackrel{\·\·}{P}}_{\mathrm{ei}};$

其中：H_i为发电机惯性常量，T_wi为水轮机水锤常数，T_si为水轮机调速器伺服马达惯性常数，K_1i ^*，K_2i ^*，K_3i ^*分别是最优控制的正定解，Z_1i，Z_2i，Z_3i为坐标变换后的新变量，ΔP_mi为机械功率测量值与设定值之间的偏差量，Δμ_i是水门开度测量值与设定值之间的偏差量，

为电磁功率测量值的两阶导数；

CPLD，它是一种可编程逻辑控制器件，采用EMP7128S芯片，它与上述DSP互连；

SRAM，它是一种静态随机存取存储器，采用芯片IS61C1021，它与上述DSP互连；

FLASH，它是一种闪烁存储器，采用芯片IN28F010，它与上述DSP互联；

频率测量电路，它由芯片CD40106B、LM339依次串联而成，其中LM339的输出端与上述DSP的相应信号输入端相连；

A/D转换器，采用芯片MAX125，有ADC1、ADC2共两片，它们的输出端分别与上述DSP的相应信号输入端相连，它的输入端与上述芯片EMP7128S输出端相连；

信号调理电路，采用芯片OP07，它的输出端与上述A/D转换器的相应信号输入端相连；

D/A转换器，采用芯片AD7247A，它的数字信号输入端与上述DSP的控制信号输出端相连，它的输出端经隔离电路后向32位水轮机非线性的调速部分送出水门接力器行程信号。

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