小功率快裝型汽輪發(fā)電機(jī)組控制器的設(shè)計(jì)

覃來(lái)豐

（艾默生過程控制有限公司，上海201206）

小功率快裝型汽輪發(fā)電機(jī)組具有成本低、啟動(dòng)快、安裝調(diào)試簡(jiǎn)單、應(yīng)用場(chǎng)合廣泛的特點(diǎn)。隨著節(jié)能減排的發(fā)展，輸出功率在100～800KW 范圍內(nèi)的單級(jí)沖動(dòng)式背壓汽輪機(jī)，可應(yīng)用于水泥、鋼鐵、玻璃、化工等過熱蒸汽、飽和蒸汽的余熱發(fā)電，以及爐頂煤氣余壓回收（TRT）場(chǎng)合，把生產(chǎn)過程中的大量低溫余熱轉(zhuǎn)化成電能，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]。

如果在低蒸汽參數(shù)、小功率的場(chǎng)合采用和更大功率機(jī)組相同的控制系統(tǒng)，往往成本太高。隨著國(guó)內(nèi)自動(dòng)化廠商技術(shù)的發(fā)展，高可靠性、高性價(jià)比、可快速開發(fā)的產(chǎn)品和服務(wù)越來(lái)越成熟,結(jié)合快裝式汽輪機(jī)機(jī)組的部件組成和控制要求，如能以經(jīng)濟(jì)的方式完成汽輪機(jī)的啟停和運(yùn)行控制流程，調(diào)速性能,以及發(fā)電機(jī)的同期和并網(wǎng)功能,具有較好的發(fā)展前景。

1 功能需求與劃分

汽輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控主要包括汽輪機(jī)的監(jiān)控和發(fā)電機(jī)的監(jiān)控兩部分。

汽輪機(jī)的監(jiān)控主要由電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）調(diào)節(jié)調(diào)門開度，使蒸汽在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的力矩和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受到的電磁阻力矩平衡，適應(yīng)各種工況下發(fā)電的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的需求。汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（ETS）主要包括超速、潤(rùn)滑油壓、軸承溫度等重要保護(hù)信號(hào)。小功率的汽機(jī)監(jiān)測(cè)儀表（TSI）主要為振動(dòng)和軸位移較少的幾個(gè)測(cè)點(diǎn)，可簡(jiǎn)化配置采用變送表直接接入ETS，替代框架式可擴(kuò)展模塊。

發(fā)電機(jī)控制和保護(hù)的基礎(chǔ)是交流電量采集，通過電壓互感器PT 和電流互感器CT，同時(shí)高速采集發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的三相交流電壓u 和一相電流i 瞬時(shí)值，計(jì)算處理可得到電壓U、電流I、頻率f、功率S 等c 參數(shù)。發(fā)電機(jī)保護(hù)可根據(jù)需要設(shè)置一些簡(jiǎn)單的過/欠電壓、過電流、過負(fù)荷、逆功率判斷，其它主要保護(hù)按需獨(dú)立配置。

自動(dòng)準(zhǔn)同期系統(tǒng)(ASS)在收到合閘命令時(shí)，采集發(fā)電機(jī)出口開關(guān)（GCB）兩邊的相序，電壓，頻率和相位，給調(diào)速器和調(diào)壓器發(fā)出調(diào)整命令，自動(dòng)尋找最佳合閘時(shí)間，發(fā)出合閘指令，完成機(jī)組并網(wǎng)。HMI 上也可手動(dòng)進(jìn)行同期操作[2]。

2 總體設(shè)計(jì)

綜上所述，如果將汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)出口開關(guān)當(dāng)作一個(gè)整體控制對(duì)象考慮，將控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化的控制箱集成安裝，形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品和方案。一個(gè)完整的機(jī)組控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

根據(jù)上述功能劃分，交流電頻率和相位采集以及伺服控制為關(guān)鍵技術(shù)，性能要求也很高。硬件電路需重點(diǎn)對(duì)交流信號(hào)采集電路、相位測(cè)量電路、測(cè)頻電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，處理信息量大小，最小回路時(shí)間等因素，計(jì)算相應(yīng)轉(zhuǎn)換時(shí)間和運(yùn)算精度，主控CPU 和同期CPU 分開協(xié)同處理的方案。

圖1 發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)功能框圖

圖2 發(fā)電機(jī)組控制器（雙CPU）結(jié)構(gòu)原理圖

主CPU 選用英飛凌公司80MHz 以上主頻的16 位單片機(jī)，具有數(shù)字信號(hào)處理功能和強(qiáng)大的事件管理能力，同時(shí)它自帶了ModbusRTU 和Modbus TCP 通訊功能。DI、AI、AO、DO、FI 等普通IO 由FPGA 管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)IO 的采集和輸出。同期CPU 采用意法半導(dǎo)體公司的增強(qiáng)型32 位高速單片機(jī)STM32F103，它以資源豐富、時(shí)鐘高速且指令精簡(jiǎn)而著稱。兩個(gè)CPU 之間的數(shù)據(jù)互傳由FPGA 內(nèi)部的雙口RAM實(shí)現(xiàn)。雙口RAM與同期CPU 之間通過SPI 口傳輸數(shù)據(jù)[3]。

3 主要技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

電壓通道前端電路應(yīng)選用高性能放大器，以高共模抑制比、高閉環(huán)精度和高輸入阻抗將差分信號(hào)調(diào)理為單信號(hào)，并匹配ADC 的量程。考慮低通濾波來(lái)濾除信號(hào)中的高頻分量，以避免混疊效應(yīng)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。發(fā)電機(jī)側(cè)和系統(tǒng)側(cè)各三相電壓波形六路信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換可采用集成6 個(gè)獨(dú)立ADC 的16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)高吞吐率和同步采樣功能。通道中的高性能ADC 對(duì)高頻噪聲具有較強(qiáng)的抑制作用，可適當(dāng)簡(jiǎn)化濾波電路的設(shè)計(jì)。電流通道與電壓通道前端電路類似，在電路中加50Ω 的采樣電阻，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。

相位差的測(cè)量是確?？刂凭鹊募夹g(shù)關(guān)鍵，其準(zhǔn)確度影響了同期合閘的相位角，有功和無(wú)功功率的計(jì)算。AD 采樣頻率設(shè)定為51.2kB，一個(gè)周期采樣51200/50=1024 點(diǎn)。相角差測(cè)量電路的思路是，將系統(tǒng)電壓和發(fā)電機(jī)電壓經(jīng)過電壓變送器變?yōu)榉禐?5V 的正弦電壓信號(hào)送入電壓模擬量采集電路，從電壓模擬量采集電路再通過過零比較電路得到2 個(gè)方波電壓，這2 個(gè)方波經(jīng)過異或電路后得到一系列寬度變化的方波，把該方波信號(hào)與CPU 的計(jì)數(shù)器相連，通過計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量方波的高電平時(shí)間，測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化為角度即所測(cè)相位差。

4 軟件結(jié)構(gòu)圖

軟件在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，中斷響應(yīng)處理，信號(hào)采集與處理，自檢測(cè)，通訊功能，以及各種控制保護(hù)功能。

主控CPU 的主要任務(wù)是運(yùn)行控制器底層軟件和用戶邏輯組態(tài)算法，處理上層組態(tài)軟件服務(wù)，通過Modbus TCP 或Modbus RTU 將數(shù)據(jù)與人機(jī)界面交互。同期CPU 主要完成同期并網(wǎng)功能，通過采集發(fā)電機(jī)或者母線側(cè)交流信號(hào)發(fā)出同期并網(wǎng)指令。同時(shí)將電壓采樣數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)一起其它運(yùn)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)通過FPGA 模擬的雙口RAM 傳輸給CPU1 進(jìn)行應(yīng)用控制。FPGA 實(shí)現(xiàn)輸入通道數(shù)據(jù)的采集和輸出通道指令的輸出，輸入通道設(shè)計(jì)濾波功能。

同期并網(wǎng)功能，由單獨(dú)的STM32 控制器采集控制。前端通過高速采集AD 完成對(duì)模擬量的采集，由STM32 完成頻差、相差、壓差等的計(jì)算發(fā)出同期控制指令，控制同期通道輸出合閘命令。其原理設(shè)計(jì)如圖3。

同期并網(wǎng)主要是對(duì)發(fā)電機(jī)側(cè)和母線側(cè)的頻差、相差、壓差的采樣計(jì)算。由于電壓調(diào)整對(duì)其他參數(shù)沒有影響，可獨(dú)立調(diào)整，所以可首先調(diào)整電壓，然后進(jìn)行頻率調(diào)整，在頻率滿足精度要求后，就是等待同期點(diǎn)，為了能快速并網(wǎng)，可以將滑差調(diào)整的快一些，這個(gè)時(shí)候需要考慮合閘提前量。確保在同期點(diǎn)合閘，滿足相位差合閘條件[5]。程序主流程圖如圖4。

圖3 同期并網(wǎng)信號(hào)原理圖

圖4 同期并網(wǎng)程序流程框圖

5 結(jié)論

上述方案可滿足主機(jī)廠家對(duì)小型發(fā)電汽輪機(jī)組控制的要求，選用了成熟可靠的方案和平臺(tái)，采用通用和可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，多CPU 設(shè)計(jì)分散負(fù)荷和風(fēng)險(xiǎn)。通過上述設(shè)計(jì)針對(duì)主機(jī)廠進(jìn)行應(yīng)用場(chǎng)景定制，能提高自動(dòng)控制集成度，簡(jiǎn)化運(yùn)行操作流程，加快工程實(shí)施和調(diào)試進(jìn)度，降低設(shè)備采購(gòu)成本，具有一定的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。