小功率快装型汽轮发电机组控制器的设计

覃来丰

（艾默生过程控制有限公司，上海201206）

小功率快装型汽轮发电机组具有成本低、启动快、安装调试简单、应用场合广泛的特点。随着节能减排的发展，输出功率在100～800KW 范围内的单级冲动式背压汽轮机，可应用于水泥、钢铁、玻璃、化工等过热蒸汽、饱和蒸汽的余热发电，以及炉顶煤气余压回收（TRT）场合，把生产过程中的大量低温余热转化成电能，具有良好的社会效益和经济效益[1]。

如果在低蒸汽参数、小功率的场合采用和更大功率机组相同的控制系统，往往成本太高。随着国内自动化厂商技术的发展，高可靠性、高性价比、可快速开发的产品和服务越来越成熟,结合快装式汽轮机机组的部件组成和控制要求，如能以经济的方式完成汽轮机的启停和运行控制流程，调速性能,以及发电机的同期和并网功能,具有较好的发展前景。

1 功能需求与划分

汽轮发电机组的监控主要包括汽轮机的监控和发电机的监控两部分。

汽轮机的监控主要由电液调节系统（DEH）调节调门开度，使蒸汽在转子上产生的力矩和发电机转子受到的电磁阻力矩平衡，适应各种工况下发电的转速和负荷的需求。汽轮机保护系统（ETS）主要包括超速、润滑油压、轴承温度等重要保护信号。小功率的汽机监测仪表（TSI）主要为振动和轴位移较少的几个测点，可简化配置采用变送表直接接入ETS，替代框架式可扩展模块。

发电机控制和保护的基础是交流电量采集，通过电压互感器PT 和电流互感器CT，同时高速采集发电机和电网的三相交流电压u 和一相电流i 瞬时值，计算处理可得到电压U、电流I、频率f、功率S 等c 参数。发电机保护可根据需要设置一些简单的过/欠电压、过电流、过负荷、逆功率判断，其它主要保护按需独立配置。

自动准同期系统(ASS)在收到合闸命令时，采集发电机出口开关（GCB）两边的相序，电压，频率和相位，给调速器和调压器发出调整命令，自动寻找最佳合闸时间，发出合闸指令，完成机组并网。HMI 上也可手动进行同期操作[2]。

2 总体设计

综上所述，如果将汽轮机、发电机、发电机出口开关当作一个整体控制对象考虑，将控制系统和保护系统采用标准化的控制箱集成安装，形成一个标准化的产品和方案。一个完整的机组控制系统功能结构如图1 所示。

根据上述功能划分，交流电频率和相位采集以及伺服控制为关键技术，性能要求也很高。硬件电路需重点对交流信号采集电路、相位测量电路、测频电路进行设计。结合系统实现的功能，处理信息量大小，最小回路时间等因素，计算相应转换时间和运算精度，主控CPU 和同期CPU 分开协同处理的方案。

图1 发电机组控制系统功能框图

图2 发电机组控制器（双CPU）结构原理图

主CPU 选用英飞凌公司80MHz 以上主频的16 位单片机，具有数字信号处理功能和强大的事件管理能力，同时它自带了ModbusRTU 和Modbus TCP 通讯功能。DI、AI、AO、DO、FI 等普通IO 由FPGA 管理，实现对IO 的采集和输出。同期CPU 采用意法半导体公司的增强型32 位高速单片机STM32F103，它以资源丰富、时钟高速且指令精简而著称。两个CPU 之间的数据互传由FPGA 内部的双口RAM实现。双口RAM与同期CPU 之间通过SPI 口传输数据[3]。

3 主要技术及实现

电压通道前端电路应选用高性能放大器，以高共模抑制比、高闭环精度和高输入阻抗将差分信号调理为单信号，并匹配ADC 的量程。考虑低通滤波来滤除信号中的高频分量，以避免混叠效应对结果产生影响。发电机侧和系统侧各三相电压波形六路信号，模数转换可采用集成6 个独立ADC 的16 位模数转换器，可实现高吞吐率和同步采样功能。通道中的高性能ADC 对高频噪声具有较强的抑制作用，可适当简化滤波电路的设计。电流通道与电压通道前端电路类似，在电路中加50Ω 的采样电阻，把电流信号转化为电压信号。

相位差的测量是确保控制精度的技术关键，其准确度影响了同期合闸的相位角，有功和无功功率的计算。AD 采样频率设定为51.2kB，一个周期采样51200/50=1024 点。相角差测量电路的思路是，将系统电压和发电机电压经过电压变送器变为幅值为+5V 的正弦电压信号送入电压模拟量采集电路，从电压模拟量采集电路再通过过零比较电路得到2 个方波电压，这2 个方波经过异或电路后得到一系列宽度变化的方波，把该方波信号与CPU 的计数器相连，通过计数器来测量方波的高电平时间，测量结果转化为角度即所测相位差。

4 软件结构图

软件在硬件平台的基础上，实现系统的初始化，中断响应处理，信号采集与处理，自检测，通讯功能，以及各种控制保护功能。

主控CPU 的主要任务是运行控制器底层软件和用户逻辑组态算法，处理上层组态软件服务，通过Modbus TCP 或Modbus RTU 将数据与人机界面交互。同期CPU 主要完成同期并网功能，通过采集发电机或者母线侧交流信号发出同期并网指令。同时将电压采样数据和电流数据一起其它运计算结果数据通过FPGA 模拟的双口RAM 传输给CPU1 进行应用控制。FPGA 实现输入通道数据的采集和输出通道指令的输出，输入通道设计滤波功能。

同期并网功能，由单独的STM32 控制器采集控制。前端通过高速采集AD 完成对模拟量的采集，由STM32 完成频差、相差、压差等的计算发出同期控制指令，控制同期通道输出合闸命令。其原理设计如图3。

同期并网主要是对发电机侧和母线侧的频差、相差、压差的采样计算。由于电压调整对其他参数没有影响，可独立调整，所以可首先调整电压，然后进行频率调整，在频率满足精度要求后，就是等待同期点，为了能快速并网，可以将滑差调整的快一些，这个时候需要考虑合闸提前量。确保在同期点合闸，满足相位差合闸条件[5]。程序主流程图如图4。

图3 同期并网信号原理图

图4 同期并网程序流程框图

5 结论

上述方案可满足主机厂家对小型发电汽轮机组控制的要求，选用了成熟可靠的方案和平台，采用通用和可扩展设计，多CPU 设计分散负荷和风险。通过上述设计针对主机厂进行应用场景定制，能提高自动控制集成度，简化运行操作流程，加快工程实施和调试进度，降低设备采购成本，具有一定的应用前景和经济价值。