CN102938565A - 基于大规模并联系统的分布式通讯系统及其控制方法 - Google Patents

基于大规模并联系统的分布式通讯系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于大规模并联系统的分布式通讯系统及其控制方法，过程为：在PWM模块的三角载波顶点某时刻，子控制器将采集到的相应变流器柜的模拟及数字信号打包成自定义的一帧数据格式，发送至主控制器。待所有子控制器将采集到的数据发送到主控制器后，产生触发启动信号。主控制器负责控制算法和故障信号的处理，它接收到触发信号后，读取子控制器发送上来的数据，经过计算处理后，将控制命令信息发送至各子控制器，子控制器接收到控制信息后对相应PWM变流器柜进行控制。即分布式通讯控制完成一次发送和接收过程。本发明易于实现风电变流器的模块化、并联控制，更易于定位系统的故障，可以有效地抑制并联系统的环流和不均流。

Description

基于大规模并联系统的分布式通讯系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及风电PWM变流器，具体地，涉及一种基于大规模并联系统的分布式通讯系统及其控制方法。
背景技术
变流器是风力发电的核心技术之一，随着风力发电单机容量不断增大，如何在低电压（690V）下实现大功率变流器已成为一个亟待解决的问题。采用变流器并联技术具有可有效提高功率等级，增加系统可靠性和效率，减少成本和电压、电流纹波，且易于模块化设计和系统配置，灵活性更强等优点，在大功率场合有广泛的应用前景。但随着并联支路的增加，模拟信号的采集通道，以及功率开关管的驱动信号等就会大大增加，这就对变流器控制器的设计提出了更高的要求。同时，采用分布式控制，即每套变流器单独具有唯一的控制器，PWM脉冲单独产生，这就无法保证并联变流器开关管的驱动脉冲一致，在变流器回路便会产生环流，增加开关管的应力，迫使变流器降低功率等级运行，严重时会造成变流器过流故障。
现有技术中，如公开号为102510092A的中国专利申请，该专利公开一种风电变流器分布式实时控制单元，其特征在于，机侧采样板、网侧采样板和直流采样板就近安装在功率回路采样点，实现就近采样，把模拟量通过AD转换器转换成数字量再通过光纤以串行方式传给控制器，同时接收控制器发送的硬件保护门槛值和控制命令信息；安装在机网侧功率单元的功率控制板接收控制器发送的脉冲信号，进行串并转换和脉冲保护处理，发送给功率元件，实现变流器的控制，同时实时采样功率单元相电流和温度信号，通过AD转换器转换成数字信号后以串行方式发送给控制器。
但是上述的分布式控制单元，并没有针对在大功率并联系统应用场合，可能由于控制脉冲不一致等因素造成的并联系统环流和不均流问题，采取必要的抑制措施。同时，对于采用分布式控制器的大功率并联系统，各个控制器之间的数据交互需要通过光纤通讯的方式实现，因此设计可靠的分布式通讯系统、准确的分布式通讯控制方法及完善的通讯规约机制，对大功率、多模块并联系统的分布式控制具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于大规模并联系统的分布式通讯系统及其控制方法，易于实现风电变流器的模块化、并联控制，更易于定位系统的故障，可以抑制系统的环流和不均流。
根据本发明的一个方面，提供一种基于大规模并联系统的分布式通讯系统，包括一个主控制器和n个子控制器，子控制器的数量与并联系统中PWM变流器的数量相同并一一对应。
所述子控制器主要由ADC模块（模数转换）、PWM模块、UART模块三部分组成，其中，ADC模块主要负责相应PWM变流器的电压、电流及直流母线电压信号的采集，并将其转换为数字信号后，打包交给UART模块的发送数据部分；PWM模块负责将UART模块的接收数据部分转换为相应的脉冲信号驱动对应的PWM变流器；UART模块主要负责将ADC模块转换打包后的数据通过自定义的通讯规约方式发送至主控制器，并同时接收主控制器发送过来的控制信息。
所述主控制器主要由FPGA和DSP以及各种外围器件组成，其FPGA主要功能是同时接收各子控制器通过光纤通讯接收口传送来的各个并联PWM变流器的数据，并且采集鼠笼异步电机的电流信号和编码器输出的电机实时转速信号，然后通过与DSP的DMA（直接内存存取）接口传送至DSP。所有数字化的模拟信号都要在DSP中进行滤波处理，然后DSP执行网侧和机侧PWM变流器的控制算法，并将计算出来的占空比信息同样通过DMA接口传给FPGA，FPGA再通过光纤通讯发送口同步发送至各并联PWM变流器的子控制器。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于大规模并联系统的分布式通讯控制方法，具体过程为：在PWM模块的三角载波顶点1时刻，子控制器（1～n，n>2）将采集到的相应变流器柜的模拟及数字信号打包成一帧的数据格式(DATA1)，通过自定义的通讯规约方式发送至主控制器。待所有子控制器将采集到的数据发送到主控制器后，产生触发启动信号。主控制器负责控制算法和故障信号的处理，它接收到触发信号后，读取子控制器发送上来的数据，经过计算处理后，将控制命令信息(DATA2)发送至各子控制器，子控制器接收到控制信息后对相应PWM变流器柜进行控制。即分布式通讯控制完成一次发送和接收过程。在三角载波顶点2时刻进行下次通讯，依次类推......。
其中，通讯采用异步串行通信模式，波特率为10Mbps。自定义的通信数据字元由1位起始位、8位数据位、无奇偶校验位、1位停止位共10位组成。通信字格式为：帧头+数据包+帧尾。其中帧头包括数据包的类型和长度，数据包为通讯传送的有效数据，而帧尾作为数据包的校验。
优选地，所述基于大规模并联系统的分布式通讯控制方法，具体步骤为：
步骤1，FPGA通过片上NorFlash完成程序的上电加载启动。
步骤2，对分布式通讯系统进行初始化，分别需要对ADC（模数转换）模块初始化（转化寄存器里的值清零），封锁PWM脉冲防止上电后变流器开关管的误动作，UART模块初始化。
步骤3，主控制器与子控制器（1～n，n>2）进行通讯握手，握手的内容为子控制器尝试与主控制器握手的次数，设置握手3次后认为握手成功，否则握手次数清零重新进行握手尝试。最终需要每个子控制器均与主控制器握手成功，否则主控制器一直处于等待状态。
步骤4，变流器还未工作之前，此时无工作电压、电流信号，这时子控制器（1～n，n>2）的A/D芯片工作，采集10次信号并取平均值作为该A/D芯片的零漂，并通过通讯的方式（upstream）发送至主控制器，以作为该数据在算法控制中的校正信息；此外，还有其他硬件的EEPROM的信息，也通过通讯的方式传至主控器板上。
步骤5，第一次同步需要确保所有的子控制器已通讯正常。首先，通过主控制器的PWM启动命令，让子控制器的PWM载波发生器模块启动工作，以50MHz时钟从0开始计数。在PWM载波发生器模块（PWM模块的组成部分之一）启动后，启动ADC信号，采集数据，通过通讯的方式将子控制器（1～n，n>2）信息发送至主控制器。在PWM载波的顶点开始发送子控制器采集到的数据帧HEADER BYTE等，这一帧数据有三个字节。待主控制器接收到所有子控制器发送的帧头信息，通过相应的UART通道接收到数据后的事件信号作为触发沿，并比较所有通道的触发沿是否有延时（不同步）。如果主控制器检测到与之通讯连接的子控制器有不同步的情况时，便通过每次向子控制器发送的CMD FRAME中修改其中的同步补偿数，并将命令发送至相应的子控制器上。子控制器板收到对应的同步补偿数，在三角载波的增计数时，将计数值加上同步补偿数；在减计数时，将计数值减去同步补偿数。需要说明的是，同步贯穿整个通讯过程。
步骤6，正常通讯控制过程中，与之通讯连接的子控制器负责相应变流器柜电压、电流和故障等信号的采集，以通讯的方式发送至主控制器，并接收主控制器发送下来的控制命令信息，使能相应的PWM，依据主控制器发送的占空比信息生成PWM信号。同时，在正常通讯的过程需保证PWM三角载波不同步在一定的范围内。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1）采用这种分布式通讯控制的方案，易于实现风电变流器的模块化、并联控制。根据系统的要求选择多少个系统并联，而控制框架结构无需改变，易于扩展，适于模块化生产，提高了生产效率。
2）这种点对点的通讯控制方式，更易于定位系统的故障。一旦其中的一个三相系统发生故障，可将该三相系统脱网，其他变流器自行组网。此时无需停机，只需要降额运行即可。
3）由于每个子控制器接收到的控制命令帧中占空比信息是一样的，而且由于同步过程的存在，因此可以保证子控制器发出的PWM脉冲是一致的，进而可以有效的抑制系统的环流和不均流。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于大规模并联系统的分布式通讯系统结构框图；
图2为主控器与子控制器通讯过程示意图；
图3为分布式通讯控制结构流程图；
图4为基于分布式通讯控制的背靠背PWM变流器并联系统示意图；
图5为并网发电实验波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，为基于大规模并联系统的分布式通讯系统，图中：一个主控制器以及n个子控制器。PWM变流器并联的个数可根据系统设计要求的功率等级来确定，每个变流器具有一个独立的子控制器，因而更易于扩充和冗余设计。
所述子控制器主要由ADC模块、PWM模块、UART模块三部分组成，其中，ADC模块主要负责相应PWM变流器的电压、电流及直流母线电压信号的采集，并将其转换为数字信号后，打包交给UART模块的发送数据部分（即TXD）；PWM模块负责将UART模块的接收数据部分（即RXD接收到的占空比信息）转换为相应的脉冲信号驱动对应的PWM变流器；UART模块主要负责将ADC模块转换打包后的数据通过自定义的通讯规约方式发送至主控制器，并同时接收主控制器发送过来的控制信息。
所述主控制器主要由FPGA和DSP以及各种外围器件组成，其FPGA主要功能是同时接收子控制器1～n通过光纤通讯接收口（RX1、RX2......RXn）传送来的各个并联PWM变流器的TXD数据，并且采集鼠笼异步电机的电流信号和编码器输出的电机实时转速信号，然后通过与DSP的DMA（直接内存存取）接口传送至DSP。所有数字化的模拟信号都要在DSP中进行滤波处理，然后DSP执行网侧和机侧PWM变流器的控制算法，并将计算出来的占空比信息同样通过DMA接口传给FPGA，FPGA再通过光纤通讯发送口（TX1、TX2......TXn）同步发送至各并联PWM变流器的子控制器。
实施例1：
本实施例具体应用在四路变流器并联运行系统，该系统中电机为鼠笼异步发电机，变流器系统采用四组背靠背三相PWM变流器单元共直流母线并联组成，每个单元的额定功率为750kw，电网额定线电压为690V/50Hz。共直流母线的三相PWM变流单元并联是指几个独立的三相变流器单元公用直流母线，交流母线在三相系统的端口处进行连接。这种方案具有更高的冗余度和可靠性。其中每组背靠背三相PWM变流器单元包括机侧滤波器L、机侧PWM变流器、直流母线电容器组Cd、网侧PWM变流器、网侧LCL滤波器。直流电机用于拖动鼠笼异步发电机旋转，使其旋转发电。机侧变流器工作在PWM整流状态，能够控制鼠笼异步发电机速度恒定，使其工作在恒转速模式。直流母线电容起到稳定母线电压和滤波的作用，网侧变流器工作在逆变状态，经过LCL滤波器接入电网。其中，LCL滤波器包括电网侧电感Lg、中间滤波电容Cf、变流器侧电感Li，输出LCL滤波器起到滤除高频谐波的作用。
如图4所示，本实施例中采用的分布式通讯系统具有一个主控器和四个子控制器，子控制器分别负责四个变流器柜的模拟和数字信号的采集，以及PWM脉冲信号的产生。主控制器负责与下面的子控制器进行实时高速通讯，网侧和机侧的控制与保护算法也在主控制器中完成，实现了点对点通讯、多CPU的协同工作。
如图2-3所示，具体的通讯过程为：
步骤1，上电后，主控制器及与之通讯连接的四个子控制器通过各自片上的NorFlash完成程序的自动加载启动。
步骤2，对分布式通讯系统的ADC模块、UART模块初始化，封锁PWM脉冲。
步骤3，四个子控制器同时尝试与主控制器进行握手通讯，待四个子控制器均实现与主控制器成功握手后，进入子控制器的AD自检状态。
步骤4，此时由于PWM处于封锁状态，变流器并没有工作，此时AD采集电流模拟信号应为零，但是由于环境温度等原因，会采集到很小的零漂值。四个子控制器分别启动10次ADC转换，并将各自ADC模块采集到的数据取平均值后通过串口通讯发送给主控，并作为算法处理的校正值。
步骤5，通过上述同步方式分别实现主控制器与四个子控制器之间的同步，这也就保证了四个子控制器之间所发出的PWM脉冲具有一致同步性。
步骤6，实现同步后，主控制器和四个子控制器便可以正常进行数据通讯。正常通讯的过程中，子控制器在载波的零点和顶点处启动ADC转换，转换完成后将数据打包成帧头+数据包+帧尾的一帧数据。其中，帧头为两个字节长度，表示这一帧数据的长度和类型。有效数据包长度为28个字节，主要包括对应变流器的网侧和机侧三相电流、直流母线电压、IPM、AD及通讯故障状态等；帧尾为1个字节长度，用于数据校验。待数据打包完成后，启动UART发送模块，并以10Mbps的高速通讯通道上传至主控制器。主控制器的UART接收模块接收完四个子控制器发送上来的数据后，产生一个启动DMA读取数据的触发信号。DMA读取所有的数据进入主控制器进行算法运算，处理的结果和控制命令等信息通过主控制器的UART发送模块，同样以10Mbps的高速通讯通道下传下去。下传的数据帧格式同样为帧头+数据包+帧尾，帧头为1个字节长度，包含了这一帧数据的长度和类型；数据包长度为16个字节，主要包括网侧和机侧的三相占空比信息，以及控制变流器运行、停止的控制命令状态字。四个子控制器分别接收到同样的占空比信息，并根据是否运行控制命令来启动各自的PWM模块，产生三相PWM驱动脉冲信号对相应的变流器进行控制。
对于单个子控制器来讲，整个发送、接收过程的完成时间小于100us，达到了快速通讯控制的目的。而且由于与主控制器通讯连接的四个子控制器收到的占空比信息可以做到同步一致，因而可以有效地抑制因开关管触发脉冲不一致造成的系统环流和不均流问题。
实验条件：输入AC380V/50Hz，网侧变流器带LCL型滤波器（其中，网侧电感Lg为80uH，中间滤波电容Cf为466uF，变流器侧电感Li为170uH），直流母线电压为DC600V，直流电动机运行在恒转矩工作模式，异步发电机运行于恒转速工作模式。
在原动机的拖动下，实现能量从发电机到电网的传送中，模拟实际风力发电机的发电运行情况，对全功率变换器的原理性功能进行整体验证。直流电机输出24%转矩电流，发电机转速为600r/min时候，对应的实验波形如图5所示。从图中可以看出，通过采用这种分布式通讯控制，可以实现四路并联系统的稳定控制。其中，直流母线电压能够较好的跟踪设定的600V给定值，电机转速控制稳定，网侧变流器成功实现并网发电。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于大规模并联系统的分布式通讯系统，其特征在于包括一个主控制器和子控制器，子控制器的数量与并联系统中PWM变流器的数量相同并一一对应；
所述子控制器主要由ADC模块、PWM模块、UART模块三部分组成，其中，ADC模块主要负责相应PWM变流器的电压、电流及直流母线电压信号的采集，并将其转换为数字信号后，打包交给UART模块的发送数据部分；PWM模块负责将UART模块的接收数据部分转换为相应的脉冲信号驱动对应的PWM变流器；UART模块主要负责将ADC模块转换打包后的数据通过自定义的通讯规约方式发送至主控制器，并同时接收主控制器发送过来的控制信息；
所述主控制器主要由FPGA和DSP以及各种外围器件组成，其FPGA主要是同时接收各子控制器通过光纤通讯接收口传送来的各个并联PWM变流器的数据，并且采集鼠笼异步电机的电流信号和编码器输出的电机实时转速信号，然后通过与DSP的DMA接口传送至DSP；所有数字化的模拟信号都要在DSP中进行滤波处理，然后DSP执行网侧和机侧PWM变流器的控制算法，并将计算出来的占空比信息同样通过DMA接口传给FPGA，FPGA再通过光纤通讯发送口同步发送至各并联PWM变流器的子控制器。
2.一种权利要求1所述系统的分布式通讯控制方法，其特征在于：在PWM模块的三角载波顶点某时刻，子控制器将采集到的相应变流器柜的模拟及数字信号打包成一帧的数据格式，通过自定义的通讯规约方式发送至主控制器；待所有子控制器将采集到的数据发送到主控制器后，产生触发启动信号；主控制器负责控制算法和故障信号的处理，它接收到触发信号后，读取子控制器发送上来的数据，经过计算处理后，将控制命令信息发送至各子控制器，子控制器接收到控制信息后对相应PWM变流器柜进行控制；即分布式通讯控制完成一次发送和接收过程。
3.根据权利要求2所述的分布式通讯控制方法，其特征在于，自定义的通信数据字元由1位起始位、8位数据位、无奇偶校验位、1位停止位共10位组成；通信字格式为：帧头+数据包+帧尾，其中帧头包括数据包的类型和长度，数据包为通讯传送的有效数据，而帧尾作为数据包的校验。
4.根据权利要求2所述的分布式通讯控制方法，其特征在于，通讯采用异步串行通信模式，波特率为10Mbps。
5.根据权利要求2-4任一项所述的分布式通讯控制方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1，FPGA通过片上NorFlash完成程序的上电加载启动；
步骤2，对分布式通讯系统进行初始化，分别需要对ADC模块初始化，封锁PWM脉冲防止上电后变流器开关管的误动作，UART模块初始化；
步骤3，主控制器与子控制器进行通讯握手，最终需要每个子控制器均与主控制器握手成功，否则主控制器一直处于等待状态；
步骤4，变流器还未工作之前，此时无工作电压、电流信号，这时子控制器的A/D芯片工作，采集信号并取平均值作为该A/D芯片的零漂，并通过通讯的方式发送至主控制器，以作为该数据在算法控制中的校正信息；此外，还有其他硬件的EEPROM的信息，也通过通讯的方式传至主控器板上；
步骤5，第一次同步需要确保所有的子控制器已通讯正常：首先，通过主控制器的PWM启动命令，让子控制器的PWM载波发生器模块启动工作，以50MHz时钟从0开始计数，在PWM载波发生器模块启动后，启动ADC信号，采集数据，通过通讯的方式将子控制器信息发送至主控制器；在PWM载波的顶点开始发送子控制器采集到的数据帧HEADER BYTE，这一帧数据有三个字节；待主控制器接收到所有子控制器发送的帧头信息，通过相应的UART通道接收到数据后的事件信号作为触发沿，并比较所有通道的触发沿是否有延时即不同步；
如果主控制器检测到与之通讯连接的子控制器有不同步的情况时，便通过每次向子控制器发送的CMD FRAME中修改其中的同步补偿数，并将命令发送至相应的子控制器上；子控制器板收到对应的同步补偿数，在三角载波的增计数时，将计数值加上同步补偿数；在减计数时，将计数值减去同步补偿数；同步贯穿整个通讯过程；
步骤6，正常通讯控制过程中，与之通讯连接的子控制器负责相应变流器柜电压、电流和故障等信号的采集，以通讯的方式发送至主控制器，并接收主控制器发送下来的控制命令信息，使能相应的PWM，依据主控制器发送的占空比信息生成PWM信号，同时，在正常通讯的过程需保证PWM三角载波不同步在一定的范围内。
6.根据权利要求5所述的分布式通讯控制方法，其特征在于，所述步骤3中，握手的内容为子控制器尝试与主控制器握手的次数，设置握手3次后认为握手成功，否则握手次数清零重新进行握手尝试。
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