基于雙CPU控制的靜止啟動變頻器系統設計

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設計。控制系統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，驗證控制系統設計的穩定性和正確性。
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已經成為抽水蓄能機組變頻啟動的標準配置。而國內抽水蓄能機組變頻啟動器全部采用國外的產品，導致投資成本高，維護和更新困難。突破SFC產品的關鍵技術和難點在于打破國外企業的SFC產品壟斷．實現10 MW級特大容量變頻器的國產化。
控制器是SFC控制系統的核心。近年來，隨著計算機技術的發展，出現了高速處理芯片，使得人們可采用具有高速運算能力的數字信號處理器(DSP)作為核心，應用現場可編程門陣列(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。經過在潘家口抽水蓄能電站的實際投運，驗證了控制系統設計的有效性和穩定性。

2 SFC系統啟動控制原理
SFC主電路拓撲結構如圖1所示。系統主要包括網側整流橋、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為頻率可調的交流電，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：控制系統根據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速，從而產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設計
3．1 系統組成
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、脈沖觸發模塊、電源模塊及擴展模塊。控制系統結構框圖如圖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位數據線、8位板件選擇線、10位芯片選擇線，分別用來區分開關量板、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串口進行數據交換。