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。