基于DSP+FPGA 的電源控制器在水電解制氫系統中的應用

楊世澤，荀慶來，周圣岳

（中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南長沙，410018）

0 引言

隨著全球氣溫增長，溫室氣體的排放問題成為世界聚焦點。2016 年簽署的《巴黎協定》提出過1.5℃的溫控目標[1]，為達到該目標，聯合國環境規劃署指出，在2020-2030 年間，溫室氣體的排放量應達到每年下降7.6%的要求。氫氣是一種清潔的能源，便于長期儲存和移動，無論是應對全球變暖問題，還是關注到新能源在未來的市場問題，無疑，氫能的利用將成為全國乃至全球發展的重點。

氫氣的生產可以通過電解水得到，水資源是地球上最豐富的資源之一。氫能的發展離不開電解水制氫。電解水主要由電解槽來完成，電解槽通過直流供電，是一個低壓大電流系統[2]，對供電系統的穩定性以及響應速度有較高的要求，因此直流供電電源的控制是氫能發展的一個研究方向。

先進的控制系統是電源的核心組成，以DSP 為代表的控制系統在中低壓小功率的設備上已經廣泛應用，但制氫領域中由于功率較大，DSP 尚有不足。近些年發展起來的FPGA具有強大的并行處理能力，能夠完成復雜的時序邏輯設計，具有高速的AD 采樣，能作為硬件保護在DSP 的軟件保護功能之外再加一道保障，保證控制系統的可靠性，同時它提供的額外的通道也避免了DSP 處理器通道數不足的問題，這些能彌補DSP 在大功率系統中的不足。

基于上述研究背景，本文提出了一種基于DSP+FPGA 的控制架構，針對電解槽的供電問題，設計出了相應的控制器。文中首先對控制器的組成和工作原理進行介紹；其次，對以該控制器為核心的直流電源進行闡述；最后，將該電源系統應用到實際的制氫試驗中。

1 控制器

控制器邏輯架構如圖1 所示，由①控制底板、②信號采集板、③光纖子卡板、④DSP 核心板和⑤赫優訊模塊五部分組成。整個控制器系統選用的器件同時具備高性能和可靠性。其中，位于DSP 核心板的DSP 處理器選用TI 公司的TMS32028335，該芯片具有150MHz 主頻、32 位高精度浮點處理單元，6 個DMA 通道支持ADC、McBSP 和 EMIF，有多達18 路的PWM 輸出，其中有6 路為TI 特有的更高精度的PWM 輸出 (HRPWM)，12 位16 通道ADC，得益于其浮點運算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數操作上耗費過多的時間和精力，與前代DSP 相比，平均性能提高50%，并與定點C28x 控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發， 縮短開發周期，降低開發成本。DSP 核心板作為控制器的主要運算單元，主要進行DIDO 信號處理，模擬信號收集、配置通訊模塊以及生成PWM 電脈沖信號和對系統進行軟件保護。

圖1 控制器架構圖

FPGA 位于控制底板上，采用的是Altera 公司的MAX10 芯片， MAX 10 器件邏輯資源達到50000 個，用戶IO 也達到500，特點如下：

(1)內部存儲的自配置雙映像；

(2)全面的設計保護功能；

(3)集成的ADC；

(4)實現Nios II 32-bit 微控制器IP 的硬件。

此外，控制底板還包含了供電模塊、數DI/DO、光纖接口、模數轉換模塊（ADC），主要功能是用于脈沖驅動信號的時序處理、反饋信號的故障處理以及提供控制器的硬件保護功能。

信號采集板負責模擬信號調理，同時設有模擬比較功能，可以設置信號硬件保護值，提供比較翻轉信號到底板FPGA 進行閾值保護；光纖子卡用于擴展一組光纖接口。圖2 為控制器總成的實物俯視圖。

圖2 控制器實物圖

2 直流電源

■2.1 電氣原理

如圖3 所示，整個電源系統由三相AC380V/50Hz 交流供電，采用IGBT 整流模塊(AC/DC)轉換成直流母線，經斬波模塊（DC/DC）調整成適合負載的電壓電流量，達到給電解槽進行供電的功能。該系統具有控制精度高、響應速度快和功率因數高的優點。

圖3 電源電氣原理圖

圖4 電源控制單元組成

圖5 軟件總體架構

整流模塊由三條整流橋臂構成，每一條橋臂分為上下兩部分，各有一個或多個IGBT 管組成。

整流模塊與電網進行并網，對供電進行轉換，將電網交流電整流成直流電壓。進行可控整流，控制策略采用PWM調制，控制周期為500μs。該方案母線電壓可調，電壓穩定，母線電壓基本無波動。控制方面采用雙閉環PI 調節控制，對進線電流和母線電壓進行采集，并對交流電流進行Clark-Park 變換，得到線性變量，通過該數據進行PI 調節控制，能夠快速應負載波動變化，響應速度快，保證電壓的穩定性。

在用于水電解制氫供電的電源中，得益于電路簡單、成本低、控制方便以及降壓能力，傳統的Buck 電路為大部分電源的首選。該電路的參數如下所示：

式中：Vout為輸出電壓；Vdc為直流母線電壓；D 為占空比；Δi為電感電流紋波；Vs為開關管電壓應力；L 為輸出電感；fs為開關頻率。

由式(2)可得，通過設計參數來減小電流紋波需要增大輸出電感或者提高開關頻率。但在有限的電源柜體中，電感的增大會使得其他器件的空間受到壓縮，讓設計難度增加，且影響電源工作能力；如果選擇提高開關頻率，則意味著會產生更大的開關損耗，導致電源的效率降低。

本項目中直流母線電壓和電解槽供電電壓之間差距很大，傳統的Buck 電路降壓能力有限，若要輸出較低電壓，在控制中會讓占空比一直處于很小的狀態，會對供電的穩定性產生較大的影響。

因此，本系統在DC/DC 部分在傳統電路基礎上做了修改，采用IGBT 管代替二極管，降低二極管導通時造成的通態損耗。

整個斬波模塊由四個支路組成，四支路并聯輸出。控制方面，四支路共直流母線，進行獨立PI 控制，具備穩壓、恒流和開環輸出功能，保障輸出穩定和響應特性。同時，模塊采用水冷循環系統，可以應對制氫系統長時間的運行，避免電源柜內溫度過高。

■2.2 控制單元

直流電源的控制單元主要由觸摸屏、交換機、PLC、控制器、模擬信號調理板、熱工信號采集器以及相關電源構成。實現制氫電源系統的控制、監測和通信等功能，是電源系統的核心單元。其主要功能如表1 所示。

表1 控制單元功能表

其中，主控器通過對獲取到的采樣信號以及數據，實現電源的控制和故障保護功能；交換機用于數據處理和交互；PLC用于基本運行狀態顯示以及復位外圍設備的狀態接收；熱工信號采集器負責各模塊設備的溫度測量，并將采樣處理完成后數據發給到其他設備；模擬信號調理板負載模擬信號的調理工作，將從傳感器獲取到的采樣信號轉換成主控器可識別的采樣信號；觸摸屏用于與用戶的交互，反饋整個電源系統的控制信息。

■2.3 軟件架構

軟件采用了構件化的設計方法，通過硬件功能抽象層將核心邏輯與底層實時邏輯分離，核心邏輯負責實現測控軟件所有控制功能，底層實時邏輯則用于與轉換核心邏輯的數值信號或者將外部設備的信號傳遞給核心邏輯，硬件功能抽象層專門用于黏合核心邏輯和底層實時邏輯，以提高軟件的移植性。

DSP 系統的主任務流程一個是由COMX 同步脈沖（SYNC0）觸發的操作任務，另一個是COMX 模塊的初始化檢測程序。SYNC0 任務需要在SYNC0 脈沖有效且COMX模塊正常工作的情況下執行，而COMX 檢測程序在控制器上電后自動執行，當COMX 模塊的協議棧成功加載后置COMX 運行標志，主任流程不會在COMX 運行標志有效的前提下再次執行COMX 初始化檢測程序。

SYNC0 中斷程序內設置了中斷時刻的判識機制，對于非正常時刻到來的中斷（主程序中的SYNC0 任務未執行完畢），中斷處理程序將直接忽略中斷信號，對于正常到來的中斷，中斷處理程序將觸發T1 和T0，同時設置中斷到來標志并返回主程序。

T0 中斷任務用于延時觸發脈寬波形輸出事件，T0 計時由SYNC0 中斷任務啟動，因此，每當SYNC0 任務被觸發一次，T0 將延時產生一次中斷。T1 中斷任務是DSP 主任務的守護進程。T1 計時器由SYNC0 中斷任務觸發。如果SYNC0 脈沖嚴格按照間隔時間產生，T1 將不會產生中斷，如果SYNC0 脈沖出現丟失，T1 中斷將被觸發以保護外部設備。

3 試驗

■3.1 帶載試驗

直流電源系統在進行制氫前進行了帶載試驗，負載為電阻，阻值20mΩ，該阻值與電解槽的阻值在同一個量級，試驗過程中，電流上升到額定4000A 工況，電流波形穩定，如圖6 所示。

圖6 4000A 電流波形

使用福祿克437 系列電能質量分析儀對輸出電流進行諧波測試，測量結果如表2 所示，THD 小于3%，符合輸出電流質量要求。

表2 輸出電流質量

■3.2 制氫試驗

該直流電源為國電投集團生產的200Nm3/h 的電解制氫系統的電解槽進行供電，持續運行超過72 小時，無故障，電流穩定，成功制出氫氣。

4 結論

本文設計了一種基于DSP+FPGA 架構的電力電子控制器，針對制氫系統中對電源系統的穩定性、響應速度以及紋波的要求，設計相應的算法，并且投入的電源產品中進行測試，測試結果符合要求，且已經成功應用到國電投集團制氫系統中進行氫氣的生產。

本文為以DSP 作為控制核心的電源控制器提供了一種可供參考的升級方式，能讓DSP 控制器應用在制氫系統等大功率應用場合下。