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。而國內(nèi)抽水蓄能機(jī)組變頻啟動(dòng)器全部采用國外的產(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產(chǎn)化。
    控制器是SFC控制系統(tǒng)的核心。近年來，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?；竟ぷ髟頌椋嚎刂葡到y(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。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(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FPGA的譯碼，產(chǎn)生板選信號(hào)，8位板選信號(hào)分別與開關(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232串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
3．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．2．1 主機(jī)板
    主機(jī)板主要核心器件為TMS320F2812型DSP和XC3SD1800A-CS484A4型FPGA。在主機(jī)板上完成A／D采樣、開入開出處理、邏輯處理、兩個(gè)RS232串口通訊、一個(gè)RS485串口通訊、一個(gè)CAN通訊、總線驅(qū)動(dòng)、軟硬件看門狗、日歷時(shí)鐘、EEPROM等功能。主機(jī)板結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。A ／D采用MAX1320芯片，8通道，14位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。CONVST信號(hào)上升沿采樣保持，下降沿開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，第1個(gè)通道轉(zhuǎn)換時(shí)間為1．6μs(內(nèi)部時(shí)鐘)接下來的通道為0．3μs(3個(gè)時(shí)鐘周期)，8通道轉(zhuǎn)換一次共3．7μs。通道信號(hào)輸入范圍為-5～5 V。

3．2．2 開關(guān)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(guān)量。每4路共用1路輸入電源，24路開關(guān)量不共地。16路干接點(diǎn)輸出，各接點(diǎn)之間相互獨(dú)立，無電的聯(lián)系。
3．2．3 光纖板
    兩塊光纖板的設(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。通過光纖給觸發(fā)柜提供脈沖觸發(fā)信號(hào)。通過HFBR2521光纖頭，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。通過光纖將觸發(fā)柜發(fā)出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，提供觸發(fā)柜脈沖信號(hào)和閥串的狀態(tài)。
3．2．4 模擬量板
    通過SCT(SCT254FK)互感器和運(yùn)放OP297，將0～5 A的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成-2．5～2．5 V交流電壓信號(hào)。通過SPT204互感器和運(yùn)放OP297，將0～100 V的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成-2．4～2．4 V的交流電壓信號(hào)。采用MAX530 DA芯片，輸出0～5 V的電壓信號(hào)，作為勵(lì)磁電流的給定值。
3．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    采用TMS320F2812型DSP，由于其運(yùn)算速度非?？欤蚨刹捎肅語言編程，減少開發(fā)軟件所需的時(shí)間。DSP控制程序主要完成電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的計(jì)算、脈沖控制角度的計(jì)算、同期條件的判斷和調(diào)試及上位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊，主程序流程圖如圖4所示。

    FPGA選用XC3SD1800A-CS484A4，對(duì)于所選用的FPGA開發(fā)工具而言，既可以用原理圖實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，也可以用VHDL語言實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，針對(duì)此系統(tǒng)而言，采用兩種方式結(jié)合使用，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)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(hù)等功能。脈沖生成程序流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    此處使用抽水蓄能電站一臺(tái)容量為96 MVA的同步電機(jī)進(jìn)行SFC的控制啟動(dòng)。額定線電壓有效值為13．8 kV抽水蓄能機(jī)組的實(shí)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(jī)組啟動(dòng)階段，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速慢、電壓低，無法靠機(jī)端感應(yīng)電壓進(jìn)行脈沖換相，采用強(qiáng)迫換相的方式，進(jìn)行閥組間的換相，換相電流波形如圖6所示。

    抽水蓄能機(jī)組在轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的97％時(shí)，開始進(jìn)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(dòng)階段和同期階段的電壓和電流控制穩(wěn)定，可以快速啟動(dòng)大型同步機(jī)組。

5 結(jié)論
    此處將DSP和FPGA相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套靜止啟動(dòng)變頻器控制系統(tǒng)。數(shù)字電路部分設(shè)計(jì)以FPGA和DSP為核心，利用FPGA的時(shí)序嚴(yán)格、速
度快、可編程性好等特點(diǎn)，將所需要的各種控制和狀態(tài)信號(hào)引入FPGA，利用FPGA的大容量和現(xiàn)場(chǎng)可編程的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)不同要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修改，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功率和靈活性。同時(shí)，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(fù)雜的控制算法。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的正確性和控制平臺(tái)設(shè)計(jì)的有效性，為靜止啟動(dòng)變頻器產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。