李 琳，趙 宇，閆宏量

（西安石油大學(xué) 陜西省鉆機控制技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065）

鉆井現(xiàn)場中，電動鉆機動力系統(tǒng)配套的數(shù)臺同步發(fā)電機通常會根據(jù)鉆井工藝的變化及用電量的需求進行選擇性的并聯(lián)運行。并聯(lián)運行可以使柴油機和發(fā)電機在較高的效率下運行，也可以提高供電的可靠性，并且能夠提高供電質(zhì)量，對鉆井設(shè)備安全性，提高鉆井工作效率有重要意義。隨著技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)在的自動準同期并網(wǎng)裝置大部分以DSP芯片作為數(shù)據(jù)處理核心，其強大的數(shù)據(jù)采集和計算能力可以滿足快速性和準確性的要求，同時發(fā)電機組控制系統(tǒng)也發(fā)展到了使用DSP芯片實現(xiàn)的數(shù)字控制階段。但是兩者在硬件上自成一體，因而硬件投資較大，而且硬件接線復(fù)雜。文中將自動并網(wǎng)功能作為發(fā)電機控制系統(tǒng)的模塊進行一體化綜合設(shè)計，以解決此問題。

文中以TMS320F2812為控制核心，在原有開發(fā)的柴油發(fā)電機組數(shù)字控制系統(tǒng)[1]基礎(chǔ)上設(shè)計了自動并網(wǎng)模塊。該模塊可以實現(xiàn)安全可靠的自動并網(wǎng)操作，并且具有快速、準確等特點。

1 自動并網(wǎng)模塊工作原理

進行并列操作時，為了使瞬時沖擊電流不影響電網(wǎng)，需要在理想條件下發(fā)出并網(wǎng)信號[2]。理想條件如下：

1）待并網(wǎng)發(fā)電機的電壓和母線電壓大小相等。

2）待并網(wǎng)發(fā)電機的電壓和母線電壓相位相同。

3）待并網(wǎng)發(fā)電機的頻率和母線頻率相等。

4）待并網(wǎng)發(fā)電機的相序和母線相序相同。

在發(fā)電機并網(wǎng)時，任意一項條件不滿足都不能發(fā)出并網(wǎng)信號。在實際的并列操作中，并列的實際條件允許有一定的偏差，即準同期條件。發(fā)電機實際并網(wǎng)時的準同期條件為：

通常狀況下滿足上述偏差時，即可保證在并網(wǎng)瞬間不會引起較大的電流沖擊。自動并網(wǎng)模塊在接收到上位機發(fā)出的并網(wǎng)指令時，開始實時采集發(fā)電機和電網(wǎng)并列的所需參數(shù)，并對所采集到的參數(shù)進行分析計算，當(dāng)壓差和頻率差不符合上述準同期條件時，利用自動調(diào)節(jié)部分調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓和轉(zhuǎn)速。通過調(diào)節(jié)使壓差和頻率差滿足要求，然后根據(jù)采集到的相位差快速捕獲合閘時機，在兩電壓向量重合之前一定時間（越前時間）發(fā)出合閘指令，完成并網(wǎng)操作。

2 并網(wǎng)模塊的整體設(shè)計

并網(wǎng)模塊主要包括并網(wǎng)參數(shù)的采集，參數(shù)的分析計算，電壓、轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，合閘信號的發(fā)出，與上位機的通訊以及參數(shù)的顯示。參數(shù)采集部分主要使用電壓轉(zhuǎn)換、濾波及調(diào)理電路將發(fā)電機端和電網(wǎng)端的電壓信號轉(zhuǎn)化為DSP可以直接采集的信號。DSP通過ADC模塊完成對電壓的采集，并且利用事件管理器（EV）的捕獲單元完成對兩者頻率和相位差的采集。DSP對參數(shù)進行分析計算，當(dāng)壓差與頻率差不滿足時，通過D/A輸出控制電壓和轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)使其滿足并網(wǎng)要求；當(dāng)條件滿足時則捕捉時機發(fā)出合閘脈沖信號，通過合閘控制電路完成并網(wǎng)。DSP利用內(nèi)置的CAN控制器與發(fā)電機組控制系統(tǒng)的通信單元[3]完成與司鉆臺PLC的通訊。司鉆臺PLC通過總線對發(fā)電機控制系統(tǒng)進行控制，使發(fā)電機組可以高效的適應(yīng)整個井場的用電量變化，從而完成對井場的整體控制優(yōu)化。

并網(wǎng)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 并網(wǎng)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Grid-connected module structure

3 并網(wǎng)模塊的硬件設(shè)計

該自動并網(wǎng)模塊主要應(yīng)用了DSP和CAN總線技術(shù)，采用了TI公司的TMS320F2812芯片。該芯片為32位定點芯片，具有強大的數(shù)字信號處理能力，并且還具有較為完善的事件管理能力和嵌入式控制功能，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。該芯片內(nèi)置事件管理器（EV），A/D轉(zhuǎn)換器及豐富的I/O控制引腳，可以方便地實現(xiàn)對并網(wǎng)所需的電壓、頻率、相位差等參數(shù)的檢測。其強大的計算能力保證系統(tǒng)可以快速準確地進行信息分析，發(fā)出調(diào)壓、調(diào)頻指令，計算合閘時機實現(xiàn)斷路器合閘。該模塊需要接收外界的模擬信號、開關(guān)量信號以及上位機的通信信號，因此利用芯片內(nèi)置的CAN控制器設(shè)計了與上位機的通訊接口，并且設(shè)計了顯示模塊[4]。

3.1 參數(shù)采集

并網(wǎng)模塊的主要參數(shù)來自發(fā)電機組和電網(wǎng)的電壓信號，電壓差、頻率差以及兩者之間的相位角的計算信號源都來自電壓信號。

1）電壓的檢測

電壓參數(shù)的檢測主要是通過傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC實現(xiàn)的。傳感器將電網(wǎng)和發(fā)電機端電壓PT的信號轉(zhuǎn)換為0～3 V的電壓信號接入ADC中，進行數(shù)據(jù)采集即可獲得兩者的電壓。

2）頻率和相位差的檢測

頻率和相位差的檢測是將電網(wǎng)和發(fā)電機端電壓經(jīng)過傳感器獲得的正弦信號送入電壓比較電路，比較器將兩路信號轉(zhuǎn)換為各自周期不變的方波，接入DSP的捕獲單元，這樣可以得出各自的頻率。對兩路方波信號進行異或運算，可得到兩者的相位差。比較電路如圖2所示。

圖2 電壓比較電路Fig.2 Voltage comparison circuit

3.2 合閘控制

并網(wǎng)過程中，自動并網(wǎng)模塊需要準確、可靠地發(fā)出合閘脈沖信號，合閘脈沖信號經(jīng)中間繼電器驅(qū)動并列斷路器快速合閘并網(wǎng)?？紤]到斷路器觸點從斷開狀態(tài)過度到閉合狀態(tài)需要走過一段行程，因此需要一定的時間，即斷路器合閘時間tQF，只要這段時間內(nèi)頻率差不等于零，則這段時間內(nèi)的相位差變化量為：

為了保證斷路器觸點閉合瞬間相位差等于零，就要求并網(wǎng)模塊發(fā)出合閘命令時的相位差δ應(yīng)滿足：

由此得并網(wǎng)模塊的合閘原理：即根據(jù)當(dāng)前頻率差和斷路器的合閘時間計算合閘越前角，并在當(dāng)前相位差等于合閘越前角時發(fā)出合閘命令。由于用相位差作為合閘判據(jù)，所以稱為越前相角原理。注意到此越前相角并不恒定，而是隨頻率差變化而變化，所以這種控制器總是根據(jù)變化的頻率差不斷的修正越前相角。雖然越前角不恒定，但越前時間卻是恒定的，它等于斷路器的合閘時間，所以也稱為恒定越前時間原理。文中設(shè)計的斷路器合閘脈沖放大電路原理圖如圖3所示。

圖3 合閘脈沖放大電路Fig.3 Switching pulse amplification circuit

4 自動并網(wǎng)模塊軟件設(shè)計

自動并網(wǎng)模塊的軟件部分主要完成參數(shù)的分析計算、并網(wǎng)條件的判斷以及條件符合時合閘信號的發(fā)出。其主要工作是對采樣獲得的發(fā)電機端和電網(wǎng)端的電壓、頻率以及相位進行計算比較，在此基礎(chǔ)上預(yù)測合閘時機并發(fā)出合閘信號。

并網(wǎng)控制程序流程圖如圖4所示，模塊實時檢測并網(wǎng)條件，在接收到上位機發(fā)出的并網(wǎng)請求信號時進行計算，首先計算發(fā)電機端和電網(wǎng)端的電壓差和頻率差是否滿足并網(wǎng)需求，如不滿足則進入相應(yīng)調(diào)節(jié)模塊對其進行調(diào)整，待兩者都滿足后進行合閘越前角和相位差的計算，捕捉最佳合閘時機發(fā)出合閘信號。

圖4 并網(wǎng)控制程序流程圖Fig.4 Flow chart of grid-connected control program

5 結(jié)束語

文中介紹了一種利用TMS320F2812芯片實現(xiàn)的柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)中的并網(wǎng)模塊。該模塊作為控制系統(tǒng)的一部分可以使用仿真器在CCS開發(fā)環(huán)境下進行軟硬件調(diào)試。

該模塊可以替代并網(wǎng)裝置實現(xiàn)快速、準確的并網(wǎng)，節(jié)省了硬件資源，并且總線接口及通訊功能為以后在現(xiàn)有系統(tǒng)上添加功率均衡及自動保護等功能模塊，實現(xiàn)整個控制現(xiàn)場的優(yōu)化提供了便利。

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