基于雙CPU控制的靜止啟動變頻器系統(tǒng)設計

摘要：目前在大型同步機組的啟動中普遍采用靜止啟動變頻器(SFC)控制方式。針對SFC的控制要求，進行啟動變頻器控制系統(tǒng)設計?？刂葡到y(tǒng)采用底板總線設計思路和雙CPU控制模式，不但滿足SFC的快速控制要求，而且易于擴展，同時可作為新能源發(fā)電的通用控制平臺。通過在潘家口抽水蓄能電站改造中的SFC應用，驗證控制系統(tǒng)設計的穩(wěn)定性和正確性。
關鍵詞：變頻器；大型同步機組；底板總線

1 引言
    目前大型同步機組的啟動普遍采用SFC控制方式．SFC已經(jīng)成為抽水蓄能機組變頻啟動的標準配置。而國內(nèi)抽水蓄能機組變頻啟動器全部采用國外的產(chǎn)品，導致投資成本高，維護和更新困難。突破SFC產(chǎn)品的關鍵技術和難點在于打破國外企業(yè)的SFC產(chǎn)品壟斷．實現(xiàn)10 MW級特大容量變頻器的國產(chǎn)化。
    控制器是SFC控制系統(tǒng)的核心。近年來，隨著計算機技術的發(fā)展，出現(xiàn)了高速處理芯片，使得人們可采用具有高速運算能力的數(shù)字信號處理器(DSP)作為核心，應用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為接口控制的雙CPU設計模式。
    這里對抽水蓄能機組的啟動控制原理進行了簡要介紹，對控制器的設計進行了詳細闡述。經(jīng)過在潘家口抽水蓄能電站的實際投運，驗證了控制系統(tǒng)設計的有效性和穩(wěn)定性。

2 SFC系統(tǒng)啟動控制原理
    SFC主電路拓撲結構如圖1所示。系統(tǒng)主要包括網(wǎng)側整流橋、平波電抗器、機側逆變橋、大功率同步電機和勵磁整流器。

    由圖1和同步電機模型可得：
   
    該SFC為“AC／DC／AC”電流源型，整流器將交流電整流成直流電，逆變器再將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，中間的平波電抗器用于整流器輸出后的平波和去耦，使變頻器主回路的直流電流波形平直、脈動小，具有電流源特性。基本工作原理為：控制系統(tǒng)根據(jù)電機轉速和位置信號，控制晶閘管靜止變頻裝置對同步電機進行變頻調(diào)速，從而產(chǎn)生從零到額定頻率值的變頻電源，同步的將機組拖動起來。由于抽水蓄能機組變頻啟動的特殊性，其啟動加速過程一般分為“脈沖換相”運行和“自然換相”運行兩個階段。

3 靜止啟動變頻器控制系統(tǒng)設計
3．1 系統(tǒng)組成
    抽水蓄能電站SFC包括中央處理模塊、開關量傳輸模塊、模擬量轉換模塊、脈沖觸發(fā)模塊、電源模塊及擴展模塊。控制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

    控制模塊之間采用底板總線方式，除電源板和主機板的物理位置固定外，其余板件物理位置之間可以互換。只要在主機板上修改程序，即可對其余板件進行正常的讀寫操作。
    底板總線中有4位地址線、8位數(shù)據(jù)線、8位板件選擇線、10位芯片選擇線，分別用來區(qū)分開關量板、接口擴展板、兩塊光纖接口板和模擬量板。
    控制器對DSP的地址A0～A21譯碼采用三段式譯碼方式。A0～A3 4位地址直接和底板的總線連接，對各板件中的芯片地址直接使用；A4～A7 4位地址通過FPGA的譯碼，產(chǎn)生片選信號，10位片選信號與每個板件相連，選中板件中的芯片，作為使能信號；A8～A11 4位地址通過FPGA的譯碼，產(chǎn)生板選信號，8位板選信號分別與開關量板、接口擴展板、兩塊光纖接口板、模擬量板、擴展量板1、擴展量板2、擴展量板3相連，選中板件。
    人機界面采用工控機進行顯示，工控機和主機板通過232串口進行數(shù)據(jù)交換。
3．2 系統(tǒng)硬件設計
3．2．1 主機板
    主機板主要核心器件為TMS320F2812型DSP和XC3SD1800A-CS484A4型FPGA。在主機板上完成A／D采樣、開入開出處理、邏輯處理、兩個RS232串口通訊、一個RS485串口通訊、一個CAN通訊、總線驅(qū)動、軟硬件看門狗、日歷時鐘、EEPROM等功能。主機板結構框圖如圖3所示。A ／D采用MAX1320芯片，8通道，14位轉換數(shù)據(jù)。CONVST信號上升沿采樣保持，下降沿開始數(shù)據(jù)轉換，第1個通道轉換時間為1．6μs(內(nèi)部時鐘)接下來的通道為0．3μs(3個時鐘周期)，8通道轉換一次共3．7μs。通道信號輸入范圍為-5～5 V。

3．2．2 開關量板
    開入開出光耦采用高電壓光耦(隔離電壓更高)。開入采用PS2501光耦(絕緣電壓5 kV)，開出采用TLP127光耦(絕緣電壓2．5 kV)，可接入24路開關量。每4路共用1路輸入電源，24路開關量不共地。16路干接點輸出，各接點之間相互獨立，無電的聯(lián)系。
3．2．3 光纖板
    兩塊光纖板的設計完全一樣，分別控制整流橋、逆變橋換流閥觸發(fā)和監(jiān)視。通過HFBR1521光纖頭，將電信號轉換成光信號。通過光纖給觸發(fā)柜提供脈沖觸發(fā)信號。通過HFBR2521光纖頭，將光信號轉換成電信號。通過光纖將觸發(fā)柜發(fā)出的光信號轉換成電信號，提供觸發(fā)柜脈沖信號和閥串的狀態(tài)。
3．2．4 模擬量板
    通過SCT(SCT254FK)互感器和運放OP297，將0～5 A的電流信號轉換成-2．5～2．5 V交流電壓信號。通過SPT204互感器和運放OP297，將0～100 V的交流電壓信號轉換成-2．4～2．4 V的交流電壓信號。采用MAX530 DA芯片，輸出0～5 V的電壓信號，作為勵磁電流的給定值。
3．3 系統(tǒng)軟件設計
    采用TMS320F2812型DSP，由于其運算速度非常快，因而可采用C語言編程，減少開發(fā)軟件所需的時間。DSP控制程序主要完成電機轉子初始位置的計算、脈沖控制角度的計算、同期條件的判斷和調(diào)試及上位機的實時通訊，主程序流程圖如圖4所示。

    FPGA選用XC3SD1800A-CS484A4，對于所選用的FPGA開發(fā)工具而言，既可以用原理圖實現(xiàn)設計，也可以用VHDL語言實現(xiàn)設計，針對此系統(tǒng)而言，采用兩種方式結合使用，達到最優(yōu)化設計的目的。FPGA控制程序主要完成地址的譯碼、控制脈沖的生成、同期相位的判斷、過壓和過流保護等功能。脈沖生成程序流程圖如圖5所示。

4 實驗結果及分析
    此處使用抽水蓄能電站一臺容量為96 MVA的同步電機進行SFC的控制啟動。額定線電壓有效值為13．8 kV抽水蓄能機組的實際參數(shù)為：Xσ=0．183pu，Xd=1．051pu，Xd’=0．315pu，Xd"=0．233pu，Ra=0．007 671pu，Xq=0．809pu，Xq”=0．266pu，Tdo’=4．66pu，Tdo”= 0．059pu，Tqo”=0．05pu。在抽水蓄能機組啟動階段，由于電機的轉速慢、電壓低，無法靠機端感應電壓進行脈沖換相，采用強迫換相的方式，進行閥組間的換相，換相電流波形如圖6所示。

    抽水蓄能機組在轉速達到額定轉速的97％時，開始進行同期電壓的調(diào)節(jié)，同期調(diào)節(jié)電壓波形如圖7所示。由圖6，7可知，SFC在啟動階段和同期階段的電壓和電流控制穩(wěn)定，可以快速啟動大型同步機組。

5 結論
    此處將DSP和FPGA相結合，設計了一套靜止啟動變頻器控制系統(tǒng)。數(shù)字電路部分設計以FPGA和DSP為核心，利用FPGA的時序嚴格、速
度快、可編程性好等特點，將所需要的各種控制和狀態(tài)信號引入FPGA，利用FPGA的大容量和現(xiàn)場可編程的優(yōu)勢，根據(jù)不同要求進行現(xiàn)場修改，提高了系統(tǒng)設計的成功率和靈活性。同時，DSP的引入極大地提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和速度，能夠完成復雜的控制算法。實驗驗證了控制策略的正確性和控制平臺設計的有效性，為靜止啟動變頻器產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎。