CN102577075B - 电力网开关器件的无线控制 - Google Patents

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Abstract

描述了用于控制被连接到电源网络的多个功率变换器的方法。每个功率变换器包括高功率半导体器件。控制信号通过使用无线通信系统而在控制器与多个功率变换器的一个或多个功率变换器的无线节点之间的发送。控制信号被传输到多个功率变换器的一个或多个功率变换器的本地无线节点。数据传输包括其中包括控制信息的数据分组，以使得本地无线节点的时钟可以通过使用无线通信系统的时间同步信息而被同步。在本发明的其它方面，描述了利用所述方法的系统和用于执行所述方法的计算机程序。

Description

电力网开关器件的无线控制
技术领域
本发明涉及在功率电子控制器与高功率半导体开关器件的网络之间的通信。具体地，本发明涉及与多个功率变换器(也称为电子频率变换器)的无线通信，以及所述多个功率变换器的同步。
背景技术
电力网通常以标称的和固定的电压和频率运行。某些类型的设备(诸如，例如输出具有可变电压和/或频率的功率的发电机)的连接可以通过使用电子频率变换器(也被称为功率变换器)而完成。有不同的、生成栅极开关信号来操作功率变换器的方法，其中的一个已知的方法是DCT(直接扭矩控制)，另一个熟知的方法是PWM(脉宽调制)。功率变换器可被设置为控制可变功率输出，并将它变换成可接受的到具有固定的标称特征的电力网的功率输入。例如，风力发电机倾向具有随风速变化的电功率输出，使得发电机输出的电压和频率随风速变化时发生改变。例如，PWM功率变换器可被设置为控制和切换这样的可变电源，以使得被输入到电力网的最终的功率输入匹配标称的固定的电压和频率。
用于切换功率变换器的方法在授权给ABBResearchLtd.的、标题为“Signaltransmissionsystemforactivatingapowersemiconductorswitch，andaconverterequippedwithasignaltransmissionsystemofthistype”的专利申请WO2006/039823中描述。WO2006/039823描述用来激活从控制器(11)启动的至少一个功率半导体开关(S1，S2，…Sn)的信号传输系统。至少一个控制信号可以从控制器(11)经由至少一条第一传输路径(3)被传输到至少一个调制器(M1，M2，…Mn)。该专利申请公开了无线控制信号和/或驱动信号可以通过使用光学信号路径被传输到PWM功率变换器。
授权给ConverteamTech.Ltd.的标题为“Controlmethodsforthesynchronizationandphaseshiftofthepulsewidthmodulation(PWM)strategyofpowerconverters”的US2008284252描述控制可被使用来接口到电源网络、ac总线汇流条等的多个功率变换器1a、1b和1c的方法。每个功率变换器包括根据具有相同的切换周期的脉宽调制(PWM)策略运行的网络电桥14。方法包括提供给每个网络电桥的切换周期以相对于时间基准的不同的时间偏差，以使得电源网电压中的至少一个不期望谐波至少部分被抵消。换句话说，不同的定时信号被发送到不同的变换器，并且这些定时信号被使用来局部偏移每个变换器时钟。
对于这样的实现方式的技术挑战在于，在控制器与每个变换器之间的通信要求具有仅仅几个微秒μs的滞后的非常快速的通信链路。替换地，每个变换器的本地时钟必须在长的时间段内非常精确，以便保持低到几微秒的足够的精度，这提出技术问题和成本问题。
发明内容
本发明的目的是解决一个或多个以上提出的问题。
本公开内容描述在功率电子控制器与高功率半导体开关器件的网络之间的无线通信的使用。来自控制器的控制决定被作为寻址的无线分组传输到各个开关(例如变换器)或开关组。在通信系统方面，控制器被称为主设备，各个开关器件或开关器件组被称为从属设备或节点。无线空中接口和协议被设计为无线分组仅仅可以在周期重复的定时帧中精确规定的时隙中被传输。分组可包含时隙号，还可包含较粗略的定时信息，诸如帧号。这样，共同的时间度量值可以以至少与被构建到无线空中接口中的时隙边界分辨率一样好的定时分辨率被保持在所有的节点中。
包含接通/关断切换决定的分组优选地还包含关于其中发生切换的将来的一个或多个时间点的信息。控制算法可以具有比起由接通/关断定时分辨率所需要的长得多的周期时间。
本发明的实施例的优选的使用是在功率电子控制器与许多高功率开关器件之间，例如在功率变换设备中，使用无线通信。这样的变换器典型地包含AC/DC模块，例如整流器，和一个或多个DC/AC模块，例如逆变器。每个整流器或逆变器包含高功率半导体器件，例如，IGCT(集成门极换流晶闸管)，其可以根据意愿被接通和关断。通常存在高电压和大电流。
控制算法导致一系列决定，告诉各个开关(诸如功率变换器)在特定的时间点接通或关断。控制决定被作为寻址的无线分组从控制器传输到各个开关或开关组。接通/关断控制信号的精确的定时是必要的，以使得功率损耗最小化和避免由于过高的电流造成的设备损坏。所需要的定时精度是在1毫秒μs的范围内。
首先，无线通信的使用节省用于易受老化的通信线的电缆连接。无线通信还允许在控制器与处在高电位的设备之间的电隔离。它也易于功率变换器电路的重新配置。在节点与控制器之间建立用于所有的节点的公共的时间度量值。此外，将精确的计时与控制算法定时分隔开，并且利用对于时隙无线协议固有的精确的定时，提供降低对于控制器和无线协议的交易定时的性能要求的技术方案。
附图说明
通过结合附图参考以下所作的详细说明，可以更全面地理解本发明的方法和系统，其中：
图1(现有技术)显示用于多个功率变换器的PWM控制的已知系统的示意性框图。
图2显示示意图，其中Op2公开了用于控制多个变换器的方法，其中根据本发明的实施例，控制信号的通信被无线地实现并且每个本地无线节点被同步；Op3公开了根据Op1的本发明并且具体地公开了用于控制信号的通信的替换方法，其中控制信号的处理根据本发明的实施例本地地实现；以及Op4公开了根据Op1的本发明并且具体地公开了用于控制信号的通信的替换方法，其中控制参数被包括在根据本发明的另一个实施例被本地处理的控制信号中。
图3显示如图2的Op2所示的、根据本发明的实施例的、用于电力网流程图的示意图。
具体实施方式
图1(现有技术)显示在诸如功率变换器那样的高功率半导体器件中使用的已知的脉宽调制(PWM)方法。图上显示电力网的一组功率变换器1’。控制器(未示出)生成两个输入信号6和7。信号6是参考信号，它对应于当被切换时从变换器输出的期望电压或电流，典型地为正弦信号。信号7是载波信号，典型地为锯齿信号。
图上显示功率电子控制器的基本单元的生成。控制器生成两个信号：
-参考信号6，也被称为调制信号s(t)：它规定功率变换器输出的期望波形，典型地是可控制频率的正弦波。从外部(例如电力网源)给予控制器的控制参数CP规定这个参考信号，它包括(i)频率(例如，50Hz，或可变的，比如说200Hz)，(ii)幅度，通常被给出为调制指数(＝参考信号的幅度/载波信号的幅度)。
-载波信号7：这典型地是具有比如说5kHz那样高的“切换频率”的锯齿信号。
这两个信号进入比较器8。当载波信号与调制信号相交时的时刻ti确定将在控制方案(其例如可以是PWM)下生成的栅极切换信号；在ti时，栅极切换命令(也被称为“接通/关断命令”或“点火脉冲”)被发送到变换器。到变换器中的功率电子栅极上的切换命令序列产生期望功率输出。切换命令的时间精度必须是在微秒μs的量级。随着减小对于通信链路在速度上的要求，对于控制器之间的智能的分布和确保在主设备与从属设备之间的通信的选项是：
在现有技术Op1中显示的方法是WO2006/039823已知的，它公开了使用非常高速的通信线路的集中的控制信号计算。主设备执行PWM生成，并且在切换时间ti时将切换命令直接发送到从属设备。这是在集中的结构体系中(图1的11)典型地在光纤中完成的。这个方法可被称为异步的，因为它不需要从属设备的同步：从属设备在它必须发布(转发)实际的切换命令到它的模块中的栅极的精确的时间接收来自主设备的命令。另一方面，这个现有技术方法需要仅仅几微秒μs的滞后的非常快速的通信链路。
根据本发明的一方面的实施例，对于模块化变换器有许多改进的通信选项。
图2显示以包含几个变换器模块1-4的模块化变换器20的形式的、根据本发明的实施例的结构体系概念。主控制器10传输控制信号到从属控制器。从属控制器与变换器模块1-4位于共同地点，它被赋予通信能力(如图2所示的，作为无线节点N1-4)和处理能力，每个本地或从属控制器优选地被直接连接到它的模块的功率电子栅极。
变换器模块的功率输出端被连接成实现期望的总输出功率。因此，到所有的模块中的栅极上的切换命令必须被同步成达到几微秒μs的精度。
随着减小对于通信链路在速度上的要求，对于控制器之间的智能的分布和确保在主设备与从属设备之间的通信的选项是：
根据另一个实施例，Op2，选项2，编码的切换命令被描述为如下。主设备或控制器10执行导致ti的数值的PWM。它在数字消息中编码这个数值，或可能几个随后的数值，并将消息传输到从属设备N1-4。从属设备根据它的本地时钟在时间ti，发布切换命令到它的栅极。通信链路可以是更慢的，但需要从属设备将它们的时钟同步到几微秒μs的精度。(可能有延时问题，这使得这个选项困难)。
时分多址(TDMA)是用于无线主设备到从属设备通信的优选的通信协议。对于每个从属设备，固定的周期时隙被分配给在从属设备与主设备之间的通信。这保证数据传输的决定性行为。例如，来自ABB的被称为WISA(用于传感器和致动器的无线接口)的无线射频协议使用TDMA。-选项2到4需要从属设备中时钟的同步。[6]建议通过利用在TDMA协议中暗示的定时而执行这个同步。
无线空中接口和协议被设计成使得无线分组仅仅在周期地重复的定时帧或定时网格上的精确规定的时隙中被发送。规定的时隙数目构成定时帧。主设备(控制器)是定时主设备。来自主设备的所有的或某些分组包含时隙号，也可以包含多个粗略定时信息，诸如，例如帧号。
假设每个节点N1-4具有本地定时器和某些处理能力。节点利用被构建在来自主设备的所有的无线分组的定时信息，即使在那些分组未寻址到节点本身。每次节点检测到分组，它调节它的内部定时器。为了保持期望定时分辨率，在节点中的各个时钟频率在这样的调节之间不应当被允许漂移大于规定的量。这可以通过节点中的更昂贵的时钟晶体或以来自主设备的分组的形式的更频繁的调节而达到。
对于后者，如果通常的控制决定分组是太不频繁的，则虚拟的分组可以以规则的间隔被插入；在每个时隙中至多一个分组。这样，共同的时间概念可以以至少与时隙边界精度一样好的定时分辨率被保持在所有的节点中，常常是在+/-半比特或码元持续时间的范围中，其被构建在无线空中接口中。给定的节点可以保持这个系统时间，与它的本身的控制分组多久到达和在哪些时隙中到达无关。
流程图，图3，显示用于执行本方法的一系列动作。它显示：
30，控制器10传输数据分组到被设置为对于每个变换器1-4来说是本地的从属设备或节点N1-N4
32本地节点处理被寻址到节点或未寻址到节点的接收的传输，提取时间同步信息和更新本地时钟
33本地节点处理接收的传输，并处理被寻址到节点的任何控制信号
35本地节点在时间ti，发送切换信号到变换器
在步骤33，可以以不同的方式从数据分组中提取时间同步信息。根据同步码，时隙号，帧号，或任何的这些信息的组合。
控制分组需要包含用于接通/关断切换的控制信息，以及关于在不久的将来当将发生切换时的一个或多个时间点的信息。因为精确的定时可被分开地保存，正如以上描述的，控制环周期时间只需要支持通常松弛得多的接通/关断决定速率。
无线协议的示例是上述的来自ABB的无线射频协议WISA-到传感器和致动器的无线接口。WISA主设备几乎连续地背靠背地传输分组。分组或者被寻址到特定的节点，或者是伪分组。它提供低到+/-0.5微秒的定时分辨率，而到任何特定的节点的分组可以以毫秒的量级被传输，例如每～2ms。
根据另一个优选实施例，通信可被设置为如由Op3显示的。图2上的选项3描述参考信号的传输(分布的PWM1类型)：参考信号sk的样本从主设备或控制器10周期地多播到从属设备，比如说每毫秒一次。给定这个参考信号，每个从属设备N1-4可以使用本地生成的载波来确定切换时刻ti。多播通信链路甚至可以是更慢的，但再次需要从属设备同步。
根据另一个优选实施例，使用不同的通信方法。Op4，选项4，其中进行控制参数的传输(分布的PWM2)：其中在参考信号可以通过几个和仅仅慢变化的控制参数CP(诸如，调制指数)被描述的场合下，主控制器可以在慢的通信链路上发送这些参数。然后在从属设备中全部完成PWM生成，这些从属设备必须是同步的。通信可以在慢的链路上完成，但这个选项比起选项3是更不灵活的。
控制器10可被连接到无线LAN的节点，和/或可以是另一种无线节点，运行任何适用于工业环境的射频协议，诸如由蓝牙专门兴趣组(SIG)发布的任何标准，IEEE-802.11的任何变例，Wi-Fi，超宽带(UWB)，ZigBee或IEEE-802.15.4，IEEE-802.13或等价物或类似物。具有重大干扰抑制装置的工作在ISM频段的射频技术，诸如扩频技术，可以是优选的。无线通信也可以通过使用光学链路而得以实现，包括例如红外(IR)装置和协议，诸如IrDA，IrCOMM或类似物。无线通信也可以通过使用磁耦合或静电耦合得以实现。无线IR通信例如可以通过空中的方法，也称为漫射IR而得以实现。
诸如以上如在图3中和本说明书的其它地方描述的实施例的方法可以通过包括计算机程序单元或软件代码的计算机应用而得以实现，这些计算机程序当被加载到处理器或计算机时使得计算机或处理器执行所述方法步骤。
用于同步时钟和用于处理切换信号和产生切换信号的方法的功能可以通过处理数字功能、算法和/或计算机程序和/或通过模拟部件或模拟电路或通过数字与模拟功能的组合而得以实现。同样地，方法可以通过使用可配置的硬件部件，诸如一个或多个FPGA芯片(现场可编程门阵列)而运行。也可以使用其它类型的硬件，诸如，复合可编程逻辑器件(CPLD)，或可以使用专用集成电路(ASIC)。
如前所述，本发明的方法可以借助于包括计算机程序代码单元或软件代码部分的一个或多个计算机程序而得以实现，计算机程序使得计算机通过使用公式、算法、数据、存储的数值和以前描述的计算而执行方法。一部分程序可以被存储在如上所述的处理器，但也可以被存储在ROM、RAM、PROM、EPROM或EEPROM芯片或类似的存储器装置中。程序也可以部分或全部存储在其它适当的计算机可读介质，诸如磁盘、CD-ROM、或DVD盘、硬盘、磁-光存储器装置之上或之中、存储在易失性存储器、闪速存储器中，作为固件，被存储在数据服务器或一个或多个数据服务器阵列上。也可以使用其它已知的和适当的介质，包括可移除存储器介质，诸如存储器棒和其它可移除闪速存储器、硬盘驱动等等。
参考文献
[2]NikolaCelanovic，LucMeysenc，MichaelMazur，PaulRudolf，“Signaltransmissionsystemforactivatingapowersemiconductorswitch，andaconverterequippedwithasignaltransmissionsystemofthistype”.PatentApplication，ABBResearch，WO2006/039823A2，Prioritydate2005-10-4.
[3]StéphaneBréhaut，FrangoisCosta，“GatedrivingofhighpowerIGBTbywirelesstransmission，”CES/IEEE5thInternationalPowerElectronicsandMotionControlConference，IPEMC2006.
14-16August2006.
[5]“APEC2009：WirelessdrivingofIGBT，”PowerElectronicsEurope，Issue3，2009
应当指出，虽然以上描述了本发明的示例性实施例，但对于所公开的解决方案可以作出多种改变和修改方案，而不背离如在所附权利要求中限定的本发明的范围。因此，本发明可以结合不同的类型的电子频率变换器进行实践，并根据不限于PWM或DTC的不同的控制方法被控制。具体地，本发明不限于仅仅结合TDMA无线协议使用，而是可以通过使用任何可以发送可被用来提供时间同步的信息的无线协议而被应用。

Claims (22)

1.一种用于控制被连接到电源网络的模块化变换器的方法，其中模块化变换器包括高功率半导体器件的若干变换器模块，所述变换器模块具有其连接的功率输出和与各自的变换器模块相关联的从属控制器，所述从属控制器被赋予通信和处理能力，其中控制信号通过使用无线通信系统在主控制器与所述模块化变换器的从属控制器之间发送，所述方法包括将所述控制信号传输到所述从属控制器，所述控制信号包括一个或多个数据分组，所述数据分组包括控制信息以及无线通信系统的时间同步信息，以便将所述从属控制器的时钟与其他从属控制器同步以实现期望的总功率输出，其中根据包括所述无线通信系统的时间同步信息的预定的时隙分配，将包括当将发生变换器模块的切换动作时的时间值(ti)的所述控制信号，作为被包括的一个或多个编码的控制信号传输到从属控制器。
2.根据权利要求1的方法，包括：根据包括所述无线通信系统的时间同步信息的预定的时隙分配，在所述一个或多个数据分组中将所述控制信息传输到从属控制器。
3.根据权利要求1-2的任一项的方法，包括：将包括具有关于在不久的将来当发生切换时的那个或多个时间点的信息的调度表的信息的所述一个或多个数据分组传输到从属控制器。
4.根据权利要求1的方法，包括：将所述一个或多个数据分组从主控制器传输到所述模块化变换器的每个从属控制器，其中无线通信系统的时间同步信息由在无线传输的帧中的时隙中的代码或同步字确定。
5.根据权利要求1或4的方法，包括：将所述一个或多个数据分组从所述主控制器传输到所述模块化变换器的从属控制器，其中无线通信系统的时间同步信息由在时隙中的代码或同步字或帧号，或它们的组合确定。
6.根据权利要求1或4的方法，包括：在被设置于所述变换器模块之一处的从属控制器处，接收根据预定的时隙分配的所述一个或多个数据分组，和根据指示在帧中的所述一个或多个数据分组中的绝对时间的时间同步信息同步从属控制器的时钟。
7.根据权利要求1的方法，包括：在被设置于所述变换器模块处的从属控制器处，接收根据预定的时隙分配、但没有被寻址到从属控制器的所述一个或多个数据分组，和根据在所述一个或多个数据分组中的时间同步信息同步从属控制器的时钟。
8.根据权利要求1、2、4或7的方法，包括：借助于预定的时隙分配传输无线通信系统数据分组的时间同步信息，其中在所述一个或多个数据分组中的时间同步信息是由在来自控制器节点的帧中的、被分配给主控制器-到-从属控制器通信的预定的时隙给出的。
9.根据权利要求1、2、4或7的方法，包括：通过使用包括来自无线射频、光学链路、IR漫射、IR光学链路、磁耦合、静电耦合的组中的任一项的无线技术，借助于预定的时隙分配传输无线通信系统数据分组的时间同步信息。
10.一种用于控制被连接到电源网络的模块化变换器的系统，所述模块化变换器包括高功率半导体器件的若干变换器模块，所述变换器模块具有其连接的功率输出和与各自的变换器模块相关联的从属控制器，所述从属控制器被赋予通信和处理能力，其中控制信号通过使用无线通信系统在主控制器与所述模块化变换器的从属控制器之间发送，其中所述系统包括：用于将所述控制信号传输到所述从属控制器的至少一个无线发射机，所述至少一个无线发射机被配置成用于将一个或多个数据分组发送到所述从属控制器，所述控制信号包括控制信息和时间同步信息，被设置为将所述从属控制器的时钟与其他从属控制器同步以实现期望的总功率输出，其中根据包括所述无线通信系统的时间同步信息的预定的时隙分配，将包括当将发生变换器模块的切换动作时的时间值(ti)的所述控制信号，作为被包括的一个或多个编码的控制信号传输到从属控制器。
11.根据权利要求10的系统，其中一个或多个从属控制器的每个包括被设置于所述模块化变换器处的一个无线接收机。
12.根据权利要求10的系统，其中一个或多个从属控制器包括具有内部存储器的处理器，在所述内部存储器中加载有计算机程序产品，包括用于根据在所述一个或多个数据分组中的时间同步信息同步从属控制器的时钟的软件代码部分。
13.根据权利要求10的系统，其中一个或多个从属控制器包括具有内部存储器的处理器，在所述内部存储器中加载有计算机程序产品，包括用于处理用于变换器模块的编码控制或切换信号和用于根据在所述一个或多个数据分组中的时间同步信息同步从属控制器的时钟的软件代码部分。
14.根据权利要求10的系统，其中一个或多个从属控制器包括具有内部存储器的处理器，在所述内部存储器中加载有计算机程序产品，包括用于根据带有何时和在不久的将来的哪一个或哪几个时间点将进行所述模块化变换器的切换的调度表的无线地接收的信息，同步从属控制器的时钟的软件代码部分。
15.根据权利要求10的系统，其中一个或多个从属控制器包括具有内部存储器的处理器，在所述内部存储器中加载有计算机程序产品，包括用于根据在包括所述一个或多个数据分组的通信协议帧中的时间同步信息，同步从属控制器的时钟的软件代码部分。
16.根据权利要求10的系统，其中一个或多个从属控制器包括具有内部存储器的处理器，在所述内部存储器中加载有计算机程序产品，包括用于根据未寻址到从属控制器的、在所述一个或多个数据分组中的时间同步信息，同步从属控制器的时钟的软件代码部分。
17.根据权利要求10的系统，其中一个或多个从属控制器包括具有可配置的硬件的处理器，所述硬件被配置成实现根据在所述一个或多个数据分组中的时间同步信息同步从属控制器的时钟的方法的一部分。
18.根据权利要求10的系统，其中一个或多个从属控制器包括具有可配置的硬件的处理器，所述硬件被配置成实现根据未寻址到从属控制器的、在所述一个或多个数据分组中的时间同步信息同步从属控制器的时钟的方法的一部分。
19.根据权利要求10的系统，其中一个或多个从属控制器包括具有可配置的硬件的处理器，所述硬件被配置成实现用于处理用于变换器模块的编码控制或切换信号和/或用于根据在所述一个或多个数据分组中的时间同步信息同步从属控制器的时钟的方法的一部分。
20.根据权利要求10的系统，其中从属控制器被配置成与时分多路复用无线通信协议兼容。
21.根据权利要求10的系统，其中无线通信系统被设置为通过使用包括来自无线射频、光学链路、IR漫射、IR光学链路、磁耦合、静电耦合的组中的任一项的无线技术，借助于预定的时隙分配传输数据分组。
22.一种用于控制被连接到电源网络的模块化变换器的设备，其中模块化变换器包括高功率半导体器件的若干变换器模块，所述变换器模块具有其连接的功率输出和与各自的变换器模块相关联的从属控制器，所述从属控制器被赋予通信和处理能力，其中控制信号通过使用无线通信系统在主控制器与所述模块化变换器的从属控制器之间发送，所述设备包括：
用于将所述控制信号传输到所述从属控制器的装置，所述控制信号包括一个或多个数据分组，所述数据分组包括控制信息以及无线通信系统的时间同步信息，以便将所述从属控制器的时钟与其他从属控制器同步以实现期望的总功率输出，其中根据包括所述无线通信系统的时间同步信息的预定的时隙分配，将包括当将发生变换器模块的切换动作时的时间值(ti)的所述控制信号，作为被包括的一个或多个编码的控制信号传输到从属控制器。
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