基于雙CPU控制的靜止啟動(dòng)變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：目前在大型同步機(jī)組的啟動(dòng)中普遍采用靜止啟動(dòng)變頻器(SFC)控制方式。針對(duì)SFC的控制要求，進(jìn)行啟動(dòng)變頻器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)采用底板總線設(shè)計(jì)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(kuò)展，同時(shí)可作為新能源發(fā)電的通用控制平臺(tái)。通過(guò)在潘家口抽水蓄能電站改造中的SFC應(yīng)用，驗(yàn)證控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和正確性。
關(guān)鍵詞：變頻器；大型同步機(jī)組；底板總線

1 引言
目前大型同步機(jī)組的啟動(dòng)普遍采用SFC控制方式．SFC已經(jīng)成為抽水蓄能機(jī)組變頻啟動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。而國(guó)內(nèi)抽水蓄能機(jī)組變頻啟動(dòng)器全部采用國(guó)外的產(chǎn)品，導(dǎo)致投資成本高，維護(hù)和更新困難。突破SFC產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)在于打破國(guó)外企業(yè)的SFC產(chǎn)品壟斷．實(shí)現(xiàn)10 MW級(jí)特大容量變頻器的國(guó)產(chǎn)化。
控制器是SFC控制系統(tǒng)的核心。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)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(yùn)算能力的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為核心，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)作為接口控制的雙CPU設(shè)計(jì)模式。
這里對(duì)抽水蓄能機(jī)組的啟動(dòng)控制原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。經(jīng)過(guò)在潘家口抽水蓄能電站的實(shí)際投運(yùn)，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性和穩(wěn)定性。

2 SFC系統(tǒng)啟動(dòng)控制原理
SFC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括網(wǎng)側(cè)整流橋、平波電抗器、機(jī)側(cè)逆變橋、大功率同步電機(jī)和勵(lì)磁整流器。

由圖1和同步電機(jī)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(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)，控制晶閘管靜止變頻裝置對(duì)同步電機(jī)進(jìn)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(jī)組拖動(dòng)起來(lái)。由于抽水蓄能機(jī)組變頻啟動(dòng)的特殊性，其啟動(dòng)加速過(guò)程一般分為“脈沖換相”運(yùn)行和“自然換相”運(yùn)行兩個(gè)階段。

3 靜止啟動(dòng)變頻器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)組成
抽水蓄能電站SFC包括中央處理模塊、開(kāi)關(guān)量傳輸模塊、模擬量轉(zhuǎn)換模塊、脈沖觸發(fā)模塊、電源模塊及擴(kuò)展模塊?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)板上修改程序，即可對(duì)其余板件進(jìn)行正常的讀寫(xiě)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(lái)區(qū)分開(kāi)關(guān)量板、接口擴(kuò)展板、兩塊光纖接口板和模擬量板。
控制器對(duì)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(duì)各板件中的芯片地址直接使用；A4～A7 4位地址通過(guò)FPGA的譯碼，產(chǎn)生片選信號(hào)，10位片選信號(hào)與每個(gè)板件相連，選中板件中的芯片，作為使能信號(hào)；A8～A11 4位地址通過(guò)FPGA的譯碼，產(chǎn)生板選信號(hào)，8位板選信號(hào)分別與開(kāi)關(guān)量板、接口擴(kuò)展板、兩塊光纖接口板、模擬量板、擴(kuò)展量板1、擴(kuò)展量板2、擴(kuò)展量板3相連，選中板件。
人機(jī)界面采用工控機(jī)進(jìn)行顯示，工控機(jī)和主機(jī)板通過(guò)232串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。