CN102403880B - 一种链式变流器的控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种实现链式变流器的控制系统，该系统采用分布式控制，满足链式变流器中多链节并可扩展的控制需求。FPGA利用其并行处理功能、丰富的I/O管脚、可扩展的内部逻辑单元实现大量数据运算处理，并可进行变流器链式扩展控制；CPU利用其自身丰富的内部资源实现变流器系统的保护功能；开入开出进行各开关量的控制和采集；通讯管理提供丰富的通讯接口；显示提供人性化的人机界面；CPLD执行单元实现分链节控制功能，与FPGA采用光纤连接，保证了其可靠性，CPLD执行单元的数量可根据变流器系统的链节需求进行数量扩展。这样的设计充分满足了目前链式变流器控制系统的要求，并且大大提高了变流器链节的可扩展性和可靠性。

Description

一种链式变流器的控制系统
技术领域
本发明属于电力电子变流器技术领域，适用于链式变流器的通用控制部件。
背景技术
变流器的控制系统的主要任务是为半导体电力电子开关器件产生开通、关断信号，从而得到需要的输出电压或电流。此外控制系统还应能监控变流器的工作状态，显示、记录运行参数，远程通信以及故障处理等等。在过去的几十年中，发展了各种控制技术，控制系统的硬件电路也有最初的带分立元件的模拟电路控制，逐渐发展为基于专用和通用集成电路芯片微处理器(microprocessor)、微控制器(microcontroller)和数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)的全数字化控制系统。
随着电力电子变流器的容量需求不断的加大，链式结构的变流器恰好能满足变流器容量扩展的需求。但是随着链式结构变流器的应用，需要控制的半导体电力电子开关器件就越来越多，这就要求之前的集中式控制系统提高其运算能力及处理能力，能够提供大量各式各样的接口满足变流器的PWM信号输出、模拟量采集、开入状态的监测、开出控制、远程通信接口等等。这样仅仅集中式的控制系统往往不能满足要求且扩展性低、可靠性低。
发明内容
仅仅使用现有的微处理器、微控制器、数字信号处理这样的定制芯片作为链式变流器的控制系统往往不能满足要求且扩展性低、可靠性低，为了克服现有技术存在的上述问题，本发明公开了一种链式结构变流器的控制系统，采用分布式控制系统，中央处理器CPU(Central Processing Unit)+可编程逻辑器件阵列FPGA(Field-Programmable Gate Array)作为链式变流器的主控制部分，可扩展复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex ProgrammableLogic Device)作为链式变流器的执行单元；把模拟量采集、数据运算处理、PWM信号输出功能部分放在FPGA，保护功能放在CPU，分链节采样控制功能放在CPLD，接口部分包括开入开出信号的采集监测管理、通信接口、人机界面分别由专用模块完成。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种链式变流器的控制系统，所述链式变流器的控制系统包括一中央处理器CPU、一可编程逻辑器件阵列FPGA、根据链节数可扩展的多个复杂可编程逻辑器件CPLD；其特征在于：
所述可编程逻辑器件阵列FPGA的输入接口与模数转换模块ADC的输出端相连，控制模数转换模块ADC进行链式变流器输入电压、输入电流、输出电压、输出电流模拟量采样；
所述中央处理器CPU采用CAN总线分别和开入开出模块以及通讯管理模块相连，通过所述开入开出模块采集链式变流器的输入输出开关及各链节控制开关的开入状态并执行相应的开出命令，通过所述通讯管理模块实现所述链式变流器故障数据录波，并能提供RS485、以太网通讯口、GPS对时接口；
所述可编程逻辑器件阵列FPGA通过数据总线与所述中央处理器CPU相连，实现数据交换；
每个复杂可编程逻辑器件CPLD与所述可编程逻辑器件阵列FPGA采用4跟光纤互连，包括一对光纤串口收发信号线和两根光纤PWM控制信号线；
所述可编程逻辑器件阵列FPGA接收各复杂可编程逻辑器件CPLD采集的链式变流器各链节的直流电压量及运行状态，其中所述运行状态包括各链节电力电子开关器件的运行正常与否及温度信息；所述可编程逻辑器件阵列FPGA进行ADC采样数据运算处理，生成链式变流器各电力电子开关器件的开通、关断信号、PWM控制信号，并将所述开通、关断信号以及PWM控制信号输出至所述复杂可编程逻辑器件CPLD，通过所述复杂可编程逻辑器件CPLD实现对所述各链节电力电子开关器件的开通、关断、PWM控制；
所述中央处理器CPU根据ADC采样数据和各复杂可编程逻辑器件CPLD采集的链式变流器各链节的直流电压量及运行状态数据进行相关的逻辑运算实现保护功能，生成开出命令，再由开入开出模块执行跳开相应的输入输出开关及各链节的控制开关的命令。
所述输入输出开关以及各链节的控制开关为接触器或可控断路器。
所述可编程逻辑器件阵列FPGA根据链节数的扩展进行光纤接口的扩展，相应的所述复杂可编程逻辑器件CPLD根据链节数的需求进行扩展。
中央处理器CPU(Central Processing Unit)包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件，作为链式变流器控制系统的保护处理单元，实现包括模拟量运算处理、保护逻辑处理功能。FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。本发明将FPGA作为链式变流器控制系统核心器件，FPGA优点是包含丰富的外部可编程接口，扩展能力强，内部程序运行采用并行处理的方式，实时性高。实现模拟信号的采集运算处理、PWM信号调制输出、光纤通道的扩展，FPGA管理各链节的CPLD执行单元。CPLD(Complex Programmable Logic Device)，即复杂可编程逻辑器件，具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低等特点，非常适合作为链节的执行单元的处理芯片，与FPGA采用光纤进行通讯连接，向下根据电力电子开关器件的要求进行死区补偿、最小脉宽设计，控制其开关，向上采集电力电子开关器件的温度、各链节的模拟量信息经过光纤串口发送给FPGA，并及时响应开关器件的故障信号，大大保证了电力电子开关器件安全。
本发明的有益效果是：充分发挥FPGA+CPLD的功能，富含丰富的外部接口，富含大规模可编程逻辑单元；非常有利于链式结构的变流器的扩展；可靠性高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明电气原理图；
图2是链式变流器的系统框图。
具体实施方式
图1为本发明的实现链式变流器的控制系统电气原理图，所述链式变流器控制系统包括一中央处理器CPU、一可编程逻辑器件阵列FPGA、根据链节数可扩展的复杂可编程逻辑器件CPLD；所述可编程逻辑器件阵列FPGA控制ADC转换模块进行链式变流器输入输出的电压电流模拟量采样，所述复杂可编程逻辑器件CPLD与所述可编程逻辑器件阵列FPGA采用4跟光纤互连，包括一对光纤串口收发信号和两根光纤PWM控制信号相连相连，所述可编程逻辑器件阵列FPGA通过数据总线与所述中央处理器CPU相连，CPU可下传控制命令至FPGA，FPGA上送ADC采样数据和CPLD上传的直流电压量和状态信息，所述中央处理器CPU采用CAN总线和开入开出模块、通讯管理模块进行通讯，开入开出模块可采集链式变流器的各开关的合分状态，并响应CPU下发的合分各开关的命令，通讯管理模块实现变流器故障数据录波，可提供RS485、以太网通讯口、GPS对时接口；所述可编程逻辑器件阵列FPGA采集链式变流器输入输出的电压电流模拟量输入信号并采集所述复杂可编程逻辑器件CPLD采集的各链节的直流电压量及运行状态，运行状态包括各链节电力电子开关器件的运行正常与否及温度信息，进行数据运算处理，生成的变流器电力电子开关器件的开通、关断信号实现PWM信号输出至所述复杂可编程逻辑器件CPLD；所述中央处理器CPU并与可编程逻辑器件阵列FPGA进行数据交换，采集模拟信号及CPLD执行单元的状态信息，进行相关的逻辑运算实现保护功能，生成开出命令，再由开入开出模块执行，通讯管理模块进行故障时刻的录波，并提供RS485、以太网、GPS对时信号。所述可编程逻辑器件阵列FPGA根据链节数的扩展进行光纤接口的扩展，相应的所述复杂可编程逻辑器件CPLD根据链节数的需求进行扩展。
ADC作为模拟量采集的前端处理部分及数模转换芯片，与FPGA以并行总线连接，提高了数据采样的速率。通过开入开出模块实现链式变流器内部的开关器件的状态采集和开出命令的执行功能，与CPU之间采用CAN总线连接，实现了开入开出模块的无限扩展。通讯管理与CPU之间采用CAN总线连接，实现故障录波数据、通讯接口的扩展功能并驱动显示，提供人机界面，人机界面可显示链式变流器的实时运行状态。FPGA进行模拟量采集，并采集CPLD上送的链节信息，包括各链节的运行直流电压值，各链节电力电子器件的温度、故障与否信息，进行并行ADC模拟采样数据计算处理，生成各个链节的电力电子开关器件的开通、关断信号的数据；FPGA定时模拟量采集后并做前期数据处理，将数据交给CPU进行保护逻辑计算，CPU进行相关的逻辑运算实现保护功能，保证整个变流器系统的可靠运行。
在图2中，描述的是链式变流器的系统框图，本发明描述其控制系统部分。图中包含了三相回路，每相回路包括四个链节，链节数可根据实际需求进行调整1～N，CPLD执行单元可根据链节数做相应配置，其中每个链节需配置三个的CPLD执行单元。其中每个链节为IGBT开关器件，控制系统中FPGA采集图中的总电压、电流信号，经过运算分析生成PWM信号经过光纤送至各链节的CPLD执行单元，CPLD执行FPGA下发的指令和PWM信号，控制各链节的开关器件开通或关断，监测自身链节开关器件的运行状态，采集链节的电压信号，采用光纤串口上送至FPGA。

Claims (4)

1.一种链式变流器的控制系统，所述链式变流器的控制系统包括一中央处理器CPU、一可编程逻辑器件阵列FPGA、根据链节数可扩展的多个复杂可编程逻辑器件CPLD；其特征在于：
所述可编程逻辑器件阵列FPGA的输入接口与模数转换模块ADC的输出端相连，控制模数转换模块ADC进行链式变流器输入电压、输入电流、输出电压、输出电流模拟量采样；
所述中央处理器CPU采用CAN总线分别和开入开出模块以及通讯管理模块相连，通过所述开入开出模块采集链式变流器的输入输出开关及各链节控制开关的开入状态并执行相应的开出命令，通过所述通讯管理模块实现所述链式变流器故障数据录波，并能提供RS485、以太网通讯口、GPS对时接口；
所述可编程逻辑器件阵列FPGA通过数据总线与所述中央处理器CPU相连，实现数据交换；
每个复杂可编程逻辑器件CPLD与所述可编程逻辑器件阵列FPGA采用4根光纤互连，包括一对光纤串口收发信号线和两根光纤PWM控制信号线；
所述可编程逻辑器件阵列FPGA接收各复杂可编程逻辑器件CPLD采集的链式变流器各链节的直流电压量及运行状态，其中所述运行状态包括各链节电力电子开关器件的运行正常与否及温度信息；所述可编程逻辑器件阵列FPGA进行ADC采样数据运算处理，生成链式变流器各电力电子开关器件的开通、关断信号、PWM控制信号，并将所述开通、关断信号以及PWM控制信号输出至所述复杂可编程逻辑器件CPLD，通过所述复杂可编程逻辑器件CPLD实现对所述各链节电力电子开关器件的开通、关断、PWM控制；
所述中央处理器CPU根据ADC采样数据和各复杂可编程逻辑器件CPLD采集的链式变流器各链节的直流电压量及运行状态数据进行相关的逻辑运算实现保护功能，生成开出命令，再由开入开出模块执行控制相应的输入输出开关及各链节控制开关的命令。
2.根据权利要求1所述的链式变流器的控制系统，其特征在于：所述中央处理器CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件，运算逻辑部件进行数据计算，寄存器部件进行中间变量数据的存储，控制部件进行CPU外围器件的控制。
3.根据权利要求1或2所述的链式变流器的控制系统，其特征在于：所述复杂可编程逻辑器件CPLD可根据链式变流器的链节数扩展进行扩展。
4.根据权利要求1所述的链式变流器的控制系统，其特征在于：所述输入输出开关以及各链节的控制开关为接触器或可控断路器。
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