基于數(shù)字孿生智能泵站多核勵(lì)磁均流控制器的關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)計(jì)

摘 要：勵(lì)磁控制系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，在保持電機(jī)可靠運(yùn)行和電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方面起著重要作用。隨著發(fā)電機(jī)容量的不斷增大，多功率單元并聯(lián)運(yùn)行成為勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。鑒于此，提出了一款自動(dòng)均流控制器，以光纖為傳輸媒介，自動(dòng)調(diào)節(jié)各功率單元并聯(lián)支路電流的大小；分析和研究了自動(dòng)均流時(shí)可控硅換流的暫態(tài)過程，對(duì)并聯(lián)整流橋同號(hào)橋臂可控硅間的換流過程進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。自動(dòng)均流控制器采用TI最近幾年推出的TMS320F28377D雙核芯片作為核心控制器，對(duì)外圍硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，保證了自動(dòng)均流控制器性能達(dá)到或超過國際先進(jìn)水平。實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)均流控制器滿足了設(shè)計(jì)需求，提高了勵(lì)磁系統(tǒng)的技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：勵(lì)磁；均流；功率單元；并聯(lián)；雙核

中圖分類號(hào)：TM761" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）06-0055-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.014

0" " 引言

隨著電力事業(yè)的快速發(fā)展，目前我國已基本進(jìn)入大電網(wǎng)、大電廠、大機(jī)組、高電壓輸電、高度自動(dòng)控制的新時(shí)代。勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要組成部分[1]，隨著同步發(fā)電機(jī)容量的增大，多功率單元并聯(lián)運(yùn)行已開始應(yīng)用，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，各主流勵(lì)磁廠家均在研發(fā)新一代勵(lì)磁均流控制器。

1" " 勵(lì)磁均流控制原理

1.1" " 勵(lì)磁系統(tǒng)原理簡述

在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中，通常須采用將交流轉(zhuǎn)換為直流，或?qū)⒅绷鬓D(zhuǎn)換為交流的功率變換裝置[2]，其被稱為功率單元。其中以三相橋式可控硅電路應(yīng)用最為廣泛，其電路原理圖如圖1所示。

由于勵(lì)磁裝置為轉(zhuǎn)子提供電源，因此整流橋負(fù)載為感性負(fù)載。勵(lì)磁功率柜直流輸出電壓為：

Ud=1.35U1cos α-3XrId/π" " " " " （1）

式中：Ud為整流橋輸出電壓；U1為整流橋交流側(cè)輸入線電壓有效值；α為可控硅觸發(fā)角；Xr為交流電源的等效換流電抗；Id為整流橋輸出電流。

對(duì)式（1）的推導(dǎo)可參照文獻(xiàn)[3]，本文不作為重點(diǎn)論述。

勵(lì)磁系統(tǒng)就是通過采集同步發(fā)電機(jī)信號(hào)自動(dòng)調(diào)整可控硅觸發(fā)角α改變整流橋輸出電壓，從而改變勵(lì)磁電流，以達(dá)到調(diào)整同步發(fā)電機(jī)無功功率和機(jī)端電壓的目的。隨著同步發(fā)電機(jī)單機(jī)容量增大，單功率單元已經(jīng)無法滿足需要，因此采用多功率單元并聯(lián)以增加勵(lì)磁容量。

1.2" " 勵(lì)磁均流控制原理

多功率單元并聯(lián)運(yùn)行最大的問題是各功率單元電流分配，由于并聯(lián)交直流回路的電阻電感、可控硅的平均通態(tài)壓降不同，其電流輸出往往相差很大。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 583—2018《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件》規(guī)定，發(fā)電機(jī)額定工況并聯(lián)整流橋的均流系數(shù)不小于0.9。均流系數(shù)K1按下式計(jì)算：

K1=" " " " " " " " " " （2）

式中：Ii為m條并聯(lián)支路電流的和；Imax為并聯(lián)支路中的電流最大值。

理想狀態(tài)下各并聯(lián)回路電流相等，均流系數(shù)為1，實(shí)際情況是每個(gè)并聯(lián)支路承擔(dān)的勵(lì)磁電流大小將按其等值電阻成反比分配，這屬于自然分配。自然分配受元器件特性和回路電阻影響很大。文獻(xiàn)[4-10]詳細(xì)分析了影響均流系數(shù)的因素及暫態(tài)特性。

下面以雙功率單元并聯(lián)運(yùn)行為例進(jìn)行分析，圖2為雙功率單元并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)圖。

電路中回路阻抗大的可控硅通態(tài)平均電流小，因此引入均流控制器將通態(tài)平均電流較大的可控硅觸發(fā)角延時(shí)觸發(fā)，達(dá)到減小此可控硅的通態(tài)平均電流從而提高均流系數(shù)的目的。假設(shè)+a相并聯(lián)可控硅正常導(dǎo)通，-b相并聯(lián)可控硅換相至-c相，再假設(shè)1#整流橋中-c1相可控硅通態(tài)平均電流大，由于均流控制器的作用延遲觸發(fā)-c1相可控硅，-c2相可控硅先導(dǎo)通，隨著-c2相可控硅電流的增加和-c1相可控硅觸發(fā)脈沖的到來，-c1相可控硅導(dǎo)通，-c1相可控硅與-c2相可控硅按線路阻抗分配電流。

在-c2開始導(dǎo)通到-c1可控硅導(dǎo)通前微分方程如下：

Lr（dia/dt）+La1（dia1/dt）+ia1Ra1-

[Lr（dic/dt）+Lc1（dic1/dt）+ic1Rc1]=ua-uc" " " " " " "（3）

La1（dia1/dt）+ia1Ra1=La2（dia2/dt）+ia2Ra2" " " " "（4）

ia=ia1+ia2" " " " " " " " " " " " " "（5）

ic=ic2" " " " " " " " （6）

Id=ia+ic" " " " " " " " " " （7）

在-c1也開始導(dǎo)通后，c1與c2可控硅同時(shí)導(dǎo)通的微分方程如下：

Lc1（dic1/dt）+ic1Rc1=Lc2（dic2/dt）+ic2Rc2" " " " " "（8）

Id=ic1+ic2" " " " " （9）

式中：Lr為勵(lì)磁變壓器等值電抗；La1、Lc1、La2、Lc2、Ra1、Ra2、Rc1、Rc2分別為1#整流橋和2#整流橋線路及可控硅的等值電抗和電阻；ia為A相瞬時(shí)電流；ia1為1#整流橋A相瞬時(shí)電流；ia2為2#整流橋A相瞬時(shí)電流；ic為C相瞬時(shí)電流；ic1為1#整流橋C相瞬時(shí)電流；ic2為2#整流橋C相瞬時(shí)電流；Id為瞬時(shí)勵(lì)磁電流；ua為A相瞬時(shí)電壓；uc為C相瞬時(shí)電壓。

均流控制器的主要功能就是在接收到調(diào)節(jié)器的觸發(fā)角信息后根據(jù)各并聯(lián)支路可控硅電流的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)觸發(fā)角，方法是將并聯(lián)支路中較小電流的可控硅按調(diào)節(jié)器觸發(fā)角度導(dǎo)通，將并聯(lián)支路中較大電流的可控硅晚于較小電流的可控硅觸發(fā)。均流勵(lì)磁控制系統(tǒng)原理示意圖如圖3所示，其中虛線部分為均流控制器調(diào)節(jié)原理。

從圖3可看出，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)機(jī)端反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)算出可控硅觸發(fā)角α，每個(gè)均流控制器根據(jù)反饋的對(duì)應(yīng)整流橋并聯(lián)支路電流與所有并聯(lián)支路平均值電流的比較，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)整流橋可控硅觸發(fā)角調(diào)整值Δα，將調(diào)節(jié)器計(jì)算出的觸發(fā)角與均流控制器計(jì)算出的觸發(fā)角調(diào)整值求和即可得到此均流控制器對(duì)應(yīng)的整流橋可控硅觸發(fā)角度。因此，均流控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)過程總是對(duì)電流偏大的并聯(lián)支路作電流回落調(diào)節(jié)，企圖使它維持在總輸出電流的平均水平，對(duì)電流小于平均值的并聯(lián)支路保持觸發(fā)角度不變。

2" " 關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

2.1" " 主控芯片

勵(lì)磁系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，因此設(shè)計(jì)均流控制器首先要滿足快速響應(yīng)性及可靠性的要求，其次隨著工業(yè)4.0的到來，智能電站、智能泵站等高度智能化工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到推廣，均流控制器應(yīng)具有豐富的通信接口及快速的數(shù)據(jù)處理能力。

本設(shè)計(jì)選用了TI公司最新一代用于電機(jī)實(shí)時(shí)控制的處理器TMS320F28377D，它是一款功能強(qiáng)大的32位浮點(diǎn)微控制器單元，采用新型雙核C28x架構(gòu)，具有兩個(gè)CLA協(xié)處理器，每個(gè)內(nèi)核可提供200 MHz的信號(hào)處理性能，同時(shí)運(yùn)行最高達(dá)到了800 MIPS[11-12]。該處理器具有CAN通信接口、串行通信接口、USB接口，并與擴(kuò)展的兩個(gè)以太網(wǎng)控制器芯片構(gòu)成以太網(wǎng)接口與智能電站等通信。

2.2" " 同步信號(hào)測(cè)量

可控硅整流電路要求在可控硅承受正向電壓時(shí)，向它的控制極發(fā)送觸發(fā)脈沖才能保證可控硅導(dǎo)通。而且當(dāng)控制電壓一定時(shí)，每個(gè)周期送出的第一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)于陽極電壓的時(shí)刻都應(yīng)相同，即觸發(fā)角α相同。可控硅觸發(fā)脈沖與主電路之間的這種相位配合關(guān)系稱為同步。對(duì)于勵(lì)磁功率柜，觸發(fā)角應(yīng)與勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓相位對(duì)應(yīng)，因此需測(cè)量變壓器二次側(cè)電壓。

勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓較高，需經(jīng)過變壓器變?yōu)榈碗妷海?jīng)兩級(jí)運(yùn)放調(diào)整為適合CPU的電壓。在信號(hào)進(jìn)入CPU前，需通過穩(wěn)壓管和二極管保證電壓在0～3 V，從而避免電壓超過CPU允許電壓，如圖4所示。

2.3" " 光纖接口電路設(shè)計(jì)

均流控制器與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，以將調(diào)節(jié)器發(fā)出的可控硅觸發(fā)角信息等勵(lì)磁調(diào)節(jié)信息發(fā)送至均流控制器，均流控制器需將功率單元輸出電流、故障狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等信息發(fā)送給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。本設(shè)計(jì)在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器與均流控制器間采用光纖連接，光纖通信波特率高，抗干擾能力強(qiáng)，非常適合電磁環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，能夠提高系統(tǒng)的可靠性。

在光纖驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，需要有編碼電路與主控芯片通信，要匹配傳輸距離與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系，驅(qū)動(dòng)電流要留有一定的余量，但也不能過大，過大容易燒毀光纖發(fā)光元件，也會(huì)縮短光回路壽命。如圖5所示，光纖驅(qū)動(dòng)電路需轉(zhuǎn)換為與主控芯片（TMS320F28377D）匹配的TTL電平，并利用主控芯片的通信功能模塊接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.4" " 可控硅觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

在勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，最核心的內(nèi)容就是控制可控硅的導(dǎo)通，采用自動(dòng)均流控制器可以方便地產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，極大地簡化了電路設(shè)計(jì)。

在本自動(dòng)均流控制器電路設(shè)計(jì)中采用了觸發(fā)脈沖變壓器，其位于控制觸發(fā)單元與可控硅控制極之間，優(yōu)點(diǎn)是可以在可靠傳遞觸發(fā)脈沖的同時(shí)將弱電控制信號(hào)與主回路間電氣隔離。采用脈沖串觸發(fā)可控硅，保證前幾個(gè)脈沖有較高的電流上升速率，并且脈沖串個(gè)數(shù)等效時(shí)間要大于換相重疊角時(shí)間，以保證可控硅快速可靠導(dǎo)通。在可控硅并聯(lián)觸發(fā)電路中，并不適合窄脈沖觸發(fā)，當(dāng)并聯(lián)可控硅中一個(gè)剛觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)承受電壓為其中導(dǎo)通可控硅的導(dǎo)通壓降，采用窄脈沖可能會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)不通。圖6為可控硅觸發(fā)電路原理圖。

2.5" " 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)

該自動(dòng)均流控制器設(shè)計(jì)了兩路以太網(wǎng)通信接口，以滿足大數(shù)據(jù)量高速傳輸?shù)囊螅ㄟ^與勵(lì)磁控制器或通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與上位機(jī)通信，可以滿足智能電站IEC 61850通信協(xié)議或其他智能現(xiàn)場(chǎng)MODBUS TCP協(xié)議。以太網(wǎng)接口電路如圖7所示。

主控芯片與以太網(wǎng)控制芯片之間通過地址總線、數(shù)據(jù)總線以及片選信號(hào)和讀寫信號(hào)進(jìn)行連接，主控芯片利用片選信號(hào)、讀寫命令以及地址控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)控制芯片的數(shù)據(jù)讀寫操作。以太網(wǎng)控制芯片與以太網(wǎng)隔離變壓器連接后通過標(biāo)準(zhǔn)RJ45以太網(wǎng)口與遠(yuǎn)方設(shè)備通信，通過以太網(wǎng)隔離變壓器保護(hù)內(nèi)部芯片與外部設(shè)備隔離。

3" " 關(guān)鍵軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)電路本章將介紹自動(dòng)均流控制器的軟件部分。軟件的設(shè)計(jì)要充分發(fā)揮TMS320F28377D的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出滿足均流控制需求的軟件系統(tǒng)。采用C語言進(jìn)行編程，充分利用C語言編程靈活性、可靠性和可移植性的特點(diǎn)[1]。

3.1" " 雙核程序分配

雙核程序應(yīng)盡量減少相互間的邏輯判斷，雙核的程序功能應(yīng)盡可能相對(duì)獨(dú)立。本設(shè)計(jì)中將通信相關(guān)程序分配給CPU1運(yùn)行，包括CAN通信、以太網(wǎng)通信、RS485通信等，均流控制、數(shù)據(jù)采樣計(jì)算、脈沖觸發(fā)分配給CPU2運(yùn)行。CPU2將數(shù)據(jù)保存在CPU1與CPU2共享RAM中，CPU1讀取其中數(shù)據(jù)并通過相應(yīng)通信將數(shù)據(jù)傳出。每個(gè)內(nèi)核中的CLA處理器負(fù)責(zé)采樣及數(shù)據(jù)處理工作。

3.2" " AD采樣程序

在采樣數(shù)據(jù)計(jì)算前，首先要捕獲發(fā)電機(jī)輸出頻率，然后進(jìn)行采樣周期的設(shè)定，采樣完成一個(gè)周波后，通過采樣的值計(jì)算電參量，并對(duì)頻率進(jìn)行校正。若初始送電后無勵(lì)磁電源，則采樣周期默認(rèn)為電網(wǎng)系統(tǒng)頻率，此時(shí)采樣頻率為6.4 kHz，當(dāng)發(fā)電機(jī)頻率變化時(shí)通過調(diào)整CPU定時(shí)器值改變采樣頻率，通過此設(shè)計(jì)滿足電機(jī)頻率20～90 Hz范圍內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的要求。AD采樣程序流程圖如圖8所示。

3.3" " 整流橋移相觸發(fā)程序設(shè)計(jì)

整流橋移相觸發(fā)就是根據(jù)交流同步信號(hào)形成與整流橋可控硅相對(duì)應(yīng)的可調(diào)節(jié)的觸發(fā)信號(hào)。因此，保證可控硅可靠觸發(fā)的前提是保證同步信號(hào)正確。均流控制器采集三相同步信號(hào)數(shù)據(jù)，通過快速傅里葉變換得到三相同步信號(hào)的頻率、幅值和相位數(shù)據(jù)，可以方便快捷地判斷出同步信號(hào)是否故障。同步信號(hào)故障判斷程序流程圖如圖9所示。

在對(duì)三相同步信號(hào)進(jìn)行診斷后，采用其中一相同步信號(hào)形成可控硅觸發(fā)脈沖，該相同步信號(hào)稱為工作相同步信號(hào)，其余兩相稱為備用相同步信號(hào)。其工作原理為：當(dāng)工作相同步信號(hào)向CPU產(chǎn)生中斷后，設(shè)置α角對(duì)應(yīng)時(shí)間的定時(shí)，當(dāng)α角定時(shí)時(shí)間到，則輸出第一個(gè)觸發(fā)脈沖，然后每隔60°輸出第二、三至第六個(gè)脈沖。這樣同步信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的6個(gè)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生完畢。

4" " 結(jié)論

4.1" " 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及目的

為了驗(yàn)證自動(dòng)均流控制器的功能及性能，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：

1）各通信信息的檢測(cè)和相關(guān)模塊的檢測(cè)；

2）采樣信號(hào)的檢測(cè)、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換等；

3）同步信號(hào)的檢測(cè)和脈沖形成的檢測(cè)；

4）功率單元的工作情況和可控硅的導(dǎo)通情況；

5）接點(diǎn)量動(dòng)作及故障報(bào)警等功能；

6）多功率柜并列運(yùn)行、均流情況。

4.2" " 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

勵(lì)磁裝置為雙套功率整流柜，阻性負(fù)載，各功率整流柜交直流采用母排并聯(lián)，可控硅為椿樹KP800。雙套功率柜均投入狀態(tài)下，設(shè)定不同的勵(lì)磁輸出電流，用鉗表測(cè)量功率柜1和功率柜2的三相電流。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

計(jì)算后可知，均流系數(shù)均在0.97以上，取得了不錯(cuò)的均流效果。通過實(shí)驗(yàn)也可以看出，均流控制器在較寬的電流范圍內(nèi)均能獲得較高的均流系數(shù)。圖10為功率柜1與功率柜2的脈沖延遲波形圖。圖11為功率柜1與功率柜2的表計(jì)顯示圖。

4.3" " 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本課題設(shè)計(jì)的自動(dòng)均流控制器可以實(shí)現(xiàn)均流控制，并且具有豐富的通信接口，可與智能電站、智能泵站通信，而且當(dāng)一個(gè)或多個(gè)功率柜退出后，運(yùn)行的功率柜之間仍可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均流。自動(dòng)均流控制器依靠控制回路自動(dòng)調(diào)節(jié)各功率單元間橋臂可控硅均流，可在較大電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的均流系數(shù)。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)投入運(yùn)行的勵(lì)磁裝置反饋結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，均流系數(shù)均在0.94以上，獲得了較好的均流效果。

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收稿日期：2024-11-28

作者簡介：劉軍（1984—），男，河北秦皇島人，高級(jí)工程師，研究方向：勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開發(fā)。