基于双CPU控制的静止启动变频器系统设计

摘要：目前在大型同步机组的启动中普遍采用静止启动变频器(SFC)控制方式。针对SFC的控制要求，进行启动变频器控制系统设计。控制系统采用底板总线设计思路和双CPU控制模式，不但满足SFC的快速控制要求，而且易于扩展，同时可作为新能源发电的通用控制平台。通过在潘家口抽水蓄能电站改造中的SFC应用，验证控制系统设计的稳定性和正确性。
关键词：变频器；大型同步机组；底板总线

1 引言
    目前大型同步机组的启动普遍采用SFC控制方式．SFC已经成为抽水蓄能机组变频启动的标准配置。而国内抽水蓄能机组变频启动器全部采用国外的产品，导致投资成本高，维护和更新困难。突破SFC产品的关键技术和难点在于打破国外企业的SFC产品垄断．实现10 MW级特大容量变频器的国产化。
    控制器是SFC控制系统的核心。近年来，随着计算机技术的发展，出现了高速处理芯片，使得人们可采用具有高速运算能力的数字信号处理器(DSP)作为核心，应用现场可编程门阵列(FPGA)作为接口控制的双CPU设计模式。
    这里对抽水蓄能机组的启动控制原理进行了简要介绍，对控制器的设计进行了详细阐述。经过在潘家口抽水蓄能电站的实际投运，验证了控制系统设计的有效性和稳定性。

2 SFC系统启动控制原理
    SFC主电路拓扑结构如图1所示。系统主要包括网侧整流桥、平波电抗器、机侧逆变桥、大功率同步电机和励磁整流器。

    由图1和同步电机模型可得：
   
    该SFC为“AC／DC／AC”电流源型，整流器将交流电整流成直流电，逆变器再将直流电逆变为频率可调的交流电，中间的平波电抗器用于整流器输出后的平波和去耦，使变频器主回路的直流电流波形平直、脉动小，具有电流源特性。基本工作原理为：控制系统根据电机转速和位置信号，控制晶闸管静止变频装置对同步电机进行变频调速，从而产生从零到额定频率值的变频电源，同步的将机组拖动起来。由于抽水蓄能机组变频启动的特殊性，其启动加速过程一般分为“脉冲换相”运行和“自然换相”运行两个阶段。

3 静止启动变频器控制系统设计
3．1 系统组成
    抽水蓄能电站SFC包括中央处理模块、开关量传输模块、模拟量转换模块、脉冲触发模块、电源模块及扩展模块。控制系统结构框图如图2所示。

    控制模块之间采用底板总线方式，除电源板和主机板的物理位置固定外，其余板件物理位置之间可以互换。只要在主机板上修改程序，即可对其余板件进行正常的读写操作。
    底板总线中有4位地址线、8位数据线、8位板件选择线、10位芯片选择线，分别用来区分开关量板、接口扩展板、两块光纤接口板和模拟量板。
    控制器对DSP的地址A0～A21译码采用三段式译码方式。A0～A3 4位地址直接和底板的总线连接，对各板件中的芯片地址直接使用；A4～A7 4位地址通过FPGA的译码，产生片选信号，10位片选信号与每个板件相连，选中板件中的芯片，作为使能信号；A8～A11 4位地址通过FPGA的译码，产生板选信号，8位板选信号分别与开关量板、接口扩展板、两块光纤接口板、模拟量板、扩展量板1、扩展量板2、扩展量板3相连，选中板件。
    人机界面采用工控机进行显示，工控机和主机板通过232串口进行数据交换。
3．2 系统硬件设计
3．2．1 主机板
    主机板主要核心器件为TMS320F2812型DSP和XC3SD1800A-CS484A4型FPGA。在主机板上完成A／D采样、开入开出处理、逻辑处理、两个RS232串口通讯、一个RS485串口通讯、一个CAN通讯、总线驱动、软硬件看门狗、日历时钟、EEPROM等功能。主机板结构框图如图3所示。A ／D采用MAX1320芯片，8通道，14位转换数据。CONVST信号上升沿采样保持，下降沿开始数据转换，第1个通道转换时间为1．6μs(内部时钟)接下来的通道为0．3μs(3个时钟周期)，8通道转换一次共3．7μs。通道信号输入范围为-5～5 V。

3．2．2 开关量板
    开入开出光耦采用高电压光耦(隔离电压更高)。开入采用PS2501光耦(绝缘电压5 kV)，开出采用TLP127光耦(绝缘电压2．5 kV)，可接入24路开关量。每4路共用1路输入电源，24路开关量不共地。16路干接点输出，各接点之间相互独立，无电的联系。
3．2．3 光纤板
    两块光纤板的设计完全一样，分别控制整流桥、逆变桥换流阀触发和监视。通过HFBR1521光纤头，将电信号转换成光信号。通过光纤给触发柜提供脉冲触发信号。通过HFBR2521光纤头，将光信号转换成电信号。通过光纤将触发柜发出的光信号转换成电信号，提供触发柜脉冲信号和阀串的状态。
3．2．4 模拟量板
    通过SCT(SCT254FK)互感器和运放OP297，将0～5 A的电流信号转换成-2．5～2．5 V交流电压信号。通过SPT204互感器和运放OP297，将0～100 V的交流电压信号转换成-2．4～2．4 V的交流电压信号。采用MAX530 DA芯片，输出0～5 V的电压信号，作为励磁电流的给定值。
3．3 系统软件设计
    采用TMS320F2812型DSP，由于其运算速度非常快，因而可采用C语言编程，减少开发软件所需的时间。DSP控制程序主要完成电机转子初始位置的计算、脉冲控制角度的计算、同期条件的判断和调试及上位机的实时通讯，主程序流程图如图4所示。

    FPGA选用XC3SD1800A-CS484A4，对于所选用的FPGA开发工具而言，既可以用原理图实现设计，也可以用VHDL语言实现设计，针对此系统而言，采用两种方式结合使用，达到最优化设计的目的。FPGA控制程序主要完成地址的译码、控制脉冲的生成、同期相位的判断、过压和过流保护等功能。脉冲生成程序流程图如图5所示。

4 实验结果及分析
    此处使用抽水蓄能电站一台容量为96 MVA的同步电机进行SFC的控制启动。额定线电压有效值为13．8 kV抽水蓄能机组的实际参数为：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。在抽水蓄能机组启动阶段，由于电机的转速慢、电压低，无法靠机端感应电压进行脉冲换相，采用强迫换相的方式，进行阀组间的换相，换相电流波形如图6所示。

    抽水蓄能机组在转速达到额定转速的97％时，开始进行同期电压的调节，同期调节电压波形如图7所示。由图6，7可知，SFC在启动阶段和同期阶段的电压和电流控制稳定，可以快速启动大型同步机组。

5 结论
    此处将DSP和FPGA相结合，设计了一套静止启动变频器控制系统。数字电路部分设计以FPGA和DSP为核心，利用FPGA的时序严格、速
度快、可编程性好等特点，将所需要的各种控制和状态信号引入FPGA，利用FPGA的大容量和现场可编程的优势，根据不同要求进行现场修改，提高了系统设计的成功率和灵活性。同时，DSP的引入极大地提高了系统的数据处理能力和速度，能够完成复杂的控制算法。实验验证了控制策略的正确性和控制平台设计的有效性，为静止启动变频器产业化奠定了基础。