基于DSP+FPGA 的電源控制器在水電解制氫系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊世澤，荀慶來，周圣岳

（中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)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(diǎn)。2016 年簽署的《巴黎協(xié)定》提出過1.5℃的溫控目標(biāo)[1]，為達(dá)到該目標(biāo)，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署指出，在2020-2030 年間，溫室氣體的排放量應(yīng)達(dá)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(chǔ)存和移動(dòng)，無論是應(yīng)對全球變暖問題，還是關(guān)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(fā)展的重點(diǎn)。

氫氣的生產(chǎn)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(fā)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(gè)低壓大電流系統(tǒng)[2]，對供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及響應(yīng)速度有較高的要求，因此直流供電電源的控制是氫能發(fā)展的一個(gè)研究方向。

先進(jìn)的控制系統(tǒng)是電源的核心組成，以DSP 為代表的控制系統(tǒng)在中低壓小功率的設(shè)備上已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但制氫領(lǐng)域中由于功率較大，DSP 尚有不足。近些年發(fā)展起來的FPGA具有強(qiáng)大的并行處理能力，能夠完成復(fù)雜的時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)，具有高速的AD 采樣，能作為硬件保護(hù)在DSP 的軟件保護(hù)功能之外再加一道保障，保證控制系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)它提供的額外的通道也避免了DSP 處理器通道數(shù)不足的問題，這些能彌補(bǔ)DSP 在大功率系統(tǒng)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(gòu)，針對電解槽的供電問題，設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的控制器。文中首先對控制器的組成和工作原理進(jìn)行介紹；其次，對以該控制器為核心的直流電源進(jìn)行闡述；最后，將該電源系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際的制氫試驗(yàn)中。

1 控制器

控制器邏輯架構(gòu)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(yōu)訊模塊五部分組成。整個(gè)控制器系統(tǒng)選用的器件同時(shí)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(diǎn)處理單元，6 個(gè)DMA 通道支持ADC、McBSP 和 EMIF，有多達(dá)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(diǎn)運(yùn)算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過多的時(shí)間和精力，與前代DSP 相比，平均性能提高50%，并與定點(diǎn)C28x 控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發(fā)， 縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。DSP 核心板作為控制器的主要運(yùn)算單元，主要進(jìn)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(tǒng)進(jìn)行軟件保護(hù)。

圖1 控制器架構(gòu)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(dá)到50000 個(gè)，用戶IO 也達(dá)到500，特點(diǎn)如下：

(1)內(nèi)部存儲(chǔ)的自配置雙映像；

(2)全面的設(shè)計(jì)保護(hù)功能；

(3)集成的ADC；

(4)實(shí)現(xiàn)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(shù)DI/DO、光纖接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC），主要功能是用于脈沖驅(qū)動(dòng)信號的時(shí)序處理、反饋信號的故障處理以及提供控制器的硬件保護(hù)功能。

信號采集板負(fù)責(zé)模擬信號調(diào)理，同時(shí)設(shè)有模擬比較功能，可以設(shè)置信號硬件保護(hù)值，提供比較翻轉(zhuǎn)信號到底板FPGA 進(jìn)行閾值保護(hù)；光纖子卡用于擴(kuò)展一組光纖接口。圖2 為控制器總成的實(shí)物俯視圖。

圖2 控制器實(shí)物圖

2 直流電源

■2.1 電氣原理

如圖3 所示，整個(gè)電源系統(tǒng)由三相AC380V/50Hz 交流供電，采用IGBT 整流模塊(AC/DC)轉(zhuǎn)換成直流母線，經(jīng)斬波模塊（DC/DC）調(diào)整成適合負(fù)載的電壓電流量，達(dá)到給電解槽進(jìn)行供電的功能。該系統(tǒng)具有控制精度高、響應(yīng)速度快和功率因數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)。

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(gòu)

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

整流模塊與電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)，對供電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將電網(wǎng)交流電整流成直流電壓。進(jìn)行可控整流，控制策略采用PWM調(diào)制，控制周期為500μs。該方案母線電壓可調(diào)，電壓穩(wěn)定，母線電壓基本無波動(dòng)?？刂品矫娌捎秒p閉環(huán)PI 調(diào)節(jié)控制，對進(jìn)線電流和母線電壓進(jìn)行采集，并對交流電流進(jìn)行Clark-Park 變換，得到線性變量，通過該數(shù)據(jù)進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)控制，能夠快速應(yīng)負(fù)載波動(dòng)變化，響應(yīng)速度快，保證電壓的穩(wěn)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(tǒng)的Buck 電路為大部分電源的首選。該電路的參數(shù)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(guān)管電壓應(yīng)力；L 為輸出電感；fs為開關(guān)頻率。

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

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

因此，本系統(tǒng)在DC/DC 部分在傳統(tǒng)電路基礎(chǔ)上做了修改，采用IGBT 管代替二極管，降低二極管導(dǎo)通時(shí)造成的通態(tài)損耗。

整個(gè)斬波模塊由四個(gè)支路組成，四支路并聯(lián)輸出?？刂品矫妫闹饭仓绷髂妇€，進(jìn)行獨(dú)立PI 控制，具備穩(wěn)壓、恒流和開環(huán)輸出功能，保障輸出穩(wěn)定和響應(yīng)特性。同時(shí)，模塊采用水冷循環(huán)系統(tǒng)，可以應(yīng)對制氫系統(tǒng)長時(shí)間的運(yùn)行，避免電源柜內(nèi)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(jī)、PLC、控制器、模擬信號調(diào)理板、熱工信號采集器以及相關(guān)電源構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)制氫電源系統(tǒng)的控制、監(jiān)測和通信等功能，是電源系統(tǒng)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(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電源的控制和故障保護(hù)功能；交換機(jī)用于數(shù)據(jù)處理和交互；PLC用于基本運(yùn)行狀態(tài)顯示以及復(fù)位外圍設(shè)備的狀態(tài)接收；熱工信號采集器負(fù)責(zé)各模塊設(shè)備的溫度測量，并將采樣處理完成后數(shù)據(jù)發(fā)給到其他設(shè)備；模擬信號調(diào)理板負(fù)載模擬信號的調(diào)理工作，將從傳感器獲取到的采樣信號轉(zhuǎn)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(gè)電源系統(tǒng)的控制信息。

■2.3 軟件架構(gòu)

軟件采用了構(gòu)件化的設(shè)計(jì)方法，通過硬件功能抽象層將核心邏輯與底層實(shí)時(shí)邏輯分離，核心邏輯負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)測控軟件所有控制功能，底層實(shí)時(shí)邏輯則用于與轉(zhuǎn)換核心邏輯的數(shù)值信號或者將外部設(shè)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(shí)時(shí)邏輯，以提高軟件的移植性。

DSP 系統(tǒng)的主任務(wù)流程一個(gè)是由COMX 同步脈沖（SYNC0）觸發(fā)的操作任務(wù)，另一個(gè)是COMX 模塊的初始化檢測程序。SYNC0 任務(wù)需要在SYNC0 脈沖有效且COMX模塊正常工作的情況下執(zhí)行，而COMX 檢測程序在控制器上電后自動(dòng)執(zhí)行，當(dāng)COMX 模塊的協(xié)議棧成功加載后置COMX 運(yùn)行標(biāo)志，主任流程不會(huì)在COMX 運(yùn)行標(biāo)志有效的前提下再次執(zhí)行COMX 初始化檢測程序。

SYNC0 中斷程序內(nèi)設(shè)置了中斷時(shí)刻的判識機(jī)制，對于非正常時(shí)刻到來的中斷（主程序中的SYNC0 任務(wù)未執(zhí)行完畢），中斷處理程序?qū)⒅苯雍雎灾袛嘈盘?，對于正常到來的中斷，中斷處理程序?qū)⒂|發(fā)T1 和T0，同時(shí)設(shè)置中斷到來標(biāo)志并返回主程序。

T0 中斷任務(wù)用于延時(shí)觸發(fā)脈寬波形輸出事件，T0 計(jì)時(shí)由SYNC0 中斷任務(wù)啟動(dòng)，因此，每當(dāng)SYNC0 任務(wù)被觸發(fā)一次，T0 將延時(shí)產(chǎn)生一次中斷。T1 中斷任務(wù)是DSP 主任務(wù)的守護(hù)進(jìn)程。T1 計(jì)時(shí)器由SYNC0 中斷任務(wù)觸發(fā)。如果SYNC0 脈沖嚴(yán)格按照間隔時(shí)間產(chǎn)生，T1 將不會(huì)產(chǎn)生中斷，如果SYNC0 脈沖出現(xiàn)丟失，T1 中斷將被觸發(fā)以保護(hù)外部設(shè)備。

3 試驗(yàn)

■3.1 帶載試驗(yàn)

直流電源系統(tǒng)在進(jìn)行制氫前進(jìn)行了帶載試驗(yàn)，負(fù)載為電阻，阻值20mΩ，該阻值與電解槽的阻值在同一個(gè)量級，試驗(yàn)過程中，電流上升到額定4000A 工況，電流波形穩(wěn)定，如圖6 所示。

圖6 4000A 電流波形

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

表2 輸出電流質(zhì)量

■3.2 制氫試驗(yàn)

該直流電源為國電投集團(tuán)生產(chǎn)的200Nm3/h 的電解制氫系統(tǒng)的電解槽進(jìn)行供電，持續(xù)運(yùn)行超過72 小時(shí)，無故障，電流穩(wěn)定，成功制出氫氣。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP+FPGA 架構(gòu)的電力電子控制器，針對制氫系統(tǒng)中對電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度以及紋波的要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法，并且投入的電源產(chǎn)品中進(jìn)行測試，測試結(jié)果符合要求，且已經(jīng)成功應(yīng)用到國電投集團(tuán)制氫系統(tǒng)中進(jìn)行氫氣的生產(chǎn)。

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(yīng)用在制氫系統(tǒng)等大功率應(yīng)用場合下。