CN104950765A - 一种基于can总线的逆变器并联系统及其载波同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CAN总线的逆变器并联系统及其载波同步方法，其特征是包括：中央监控器、一个主机和N个从机，中央监控器用于监控所述主机和N个从机的工作状态，并能在系统发生单点故障或是多点故障时，指定新的主机；主机用于发送载波同步信号，并监控所述N个从机的工作状态；N个从机用于接收所述载波同步信号并实现载波同步，并能在所述并联系统发生单点故障或是多点故障时，自主确定新的主机。本发明能从系统层面解决并联系统出现单点或是多点故障时载波无法同步的问题，提高并联系统载波同步的可靠性及准确性，从而能在载波同步的前提下实现模块的自由投切及大容量模块化并联。

Description

一种基于CAN总线的逆变器并联系统及其载波同步方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器领域，更具体地说是一种基于CAN总线的逆变器并联系统及其载波同步方法。

背景技术

大功率电力电子模块化并联系统中，环流问题是逆变器可靠并联运行的关键技术。共交直流母线冗余并网逆变器的并联运行易产生环流问题，环流会使并网电流畸变严重，增加损耗，降低系统效率。各个模块调制波、载波等不一致性因素，很容易引起模块过流以及模块间环流。对于此结构并网逆变器并联运行产生的环流问题，一般采用注入正负序电流或调节零序电压方式来抑制环流，这些方法对低频环流有一定抑制效果，但无法从本质上解决高频环流问题；即使通过加入隔离变压器问题来切断环流通路，抑制模块间环流，但大大增加了投资成本。

因此现有技术一般通过模块间载波同步解决上述过流及环流问题。但现有技术在实现各模块间载波同步时，系统中由于多台逆变器间参数及传输距离等因素引起的差异，无法实现各模块间的高精度载波同步。且现有技术在解决单点故障时的方法是(单点故障即系统中只出现一个故障时的情况，例如从机无法接收主机同步信号，主机丢失或故障，无法实现载波同步)：加入一个备用主机，备用主机接收并缓存主机的载波同步信号，当预设周期内未接收到主机的载波同步信号，则根据备用主机缓存的载波同步信号来调节载波周期，此方法虽然增加了一台备用主机，降低了系统的故障率，但无法根本解决单点故障问题，电力电子模块化并联系统需要实现热插拔及冗余控制，特别是并联系统逆变器台数增加时，需要快速自由投切，不利于扩展及模块化管理。

发明内容

本发明是为了克服现有技术存在的不足之处，提供一种具有较高准确性和可靠性的基于CAN总线的逆变器并联系统及其载波同步方法，以期能从系统层面解决并联系统出现单点或是多点故障时载波无法同步的问题，提高并联系统载波同步的可靠性及准确性，从而能在载波同步的前提下实现模块的自由投切及大容量模块化并联。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明一种基于CAN总线的逆变器并联系统的特点是包括：中央监控层和模块自主控制层；所述中央监控层由中央监控器构成，所述模块自主控制层由N+1个并联运行的并网逆变器构成，所述中央监控器和N+1个并网逆变器通过数字信号处理器上的CAN控制器与CAN总线连接；并由所述CAN总线进行仲裁并确定主从地位，从而获得一个主机和N个从机；

所述中央监控器用于监控所述主机和N个从机的工作状态，并能在系统发生单点故障或是多点故障时，指定新的主机；

所述主机用于发送载波同步信号，并监控所述N个从机的工作状态；

所述N个从机用于接收所述载波同步信号并实现主从机载波同步，并能在所述并联系统发生单点故障或是多点故障时，自主确定新的主机。

本发明一种基于CAN总线的逆变器并联系统的载波同步方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、所述主机向所述CAN总线发送载波同步信号，所述载波同步信号包括一个CAN总线时钟清零的同步数据帧；所述同步数据帧用于将所述主机和N个从机上的CAN时钟寄存器同时进行清零，并将所述主机和N个从机上的CAN时钟寄存器中的位时钟进行同步计数；

步骤2：所述N个从机接收所述载波同步信号后，分别采样自身的CAN总线位时钟值并与CAN总线载波周期位时钟值进行作差比较，获得各自的CAN总线位时钟误差值；

步骤3：所述N个从机根据各自的CAN总线位时钟误差值利用式(1)分别获得自身的载波周期误差值，根据所述载波周期误差值调节所述数字信号处理器上的EPWM时间基准相位寄存器值，从而实现所述N个从机载波信号与所述主机载波信号的同步：

$t_{Ce}^{\left(i\right)}=t_e^{\left(i\right)}\·v_{CAN}\·\frac{T_B}{T_C}---\left(1\right)$

式(1)中，表示所述第i个从机的载波周期误差值，表示所述第i个从机的CAN总线位时钟误差值，v_CAN表示所述CAN总线的速率，T_B表示所述EPWM时间基准周期寄存器值，T_C表示所述载波周期值，1≤i≤N。

当所述逆变器并联系统发生单点故障或是多点故障时，是按如下步骤重新建立主从地位，从而实现载波同步：

步骤1、所述主机定时通过CAN总线向所有从机发送状态信息请求，所有从机响应所述状态信息请求，并将自身序列号及其对应的状态信息发送到CAN总线，使得所述中央监控器通过CAN总线能接收到所有从机各自的序列号及其对应的状态信息；且所有从机通过CAN总线也能接收到其余从机各自的序列号及其对应的状态信息；

若有新的从机加入，则所述新的从机同样响应所述主机发送的状态信息请求，并发送自身序列号及其对应的状态信息发送到CAN总线，同时接收所述其余从机各自的序列号及其对应的状态信息；

步骤2、所述中央监控器和所有从机分别根据各从机序列号的优先级大小进行升序排序，并建立各自的动态队列；所述中央监控器和所有从机分别将排序好的各从机序列号及其对应的状态信息依次排入各自的动态队列中并存入自身内存中；

步骤3、所述主机确认所有从机是否均响应所述状态信息请求，若均有响应，则执行步骤5，确认所有从机的状态信息是否正确；否则，表示存在未响应的从机，则向所述未响应的从机重复发送M次状态信息请求；若重试M次后，所述未响应的从机仍然没有响应，则确认所述未响应的从机丢失，无法与所述CAN总线连接，并执行步骤4；若所述未响应的从机恢复响应，则执行步骤5；

步骤4、所述主机向所述中央监控器和其余均有响应的从机广播发送队列响应更新信息，用于将所述未响应的从机序列号及其对应的状态信息从各自的动态队列中进行清除；

步骤5、所述主机依次判断所有从机所各自对应的状态信息中的错误状态寄存器值是否为零；若为零，则表示从机的状态信息正确且工作正常；并执行步骤7；否则，表示从机的状态信息错误；并对所述状态信息错误的从机重新发送状态信息请求，并判断所述状态信息错误的从机所对应的错误状态寄存器值是否为零，若为零，则执行步骤7，否则，表示从机的状态信息错误，执行步骤6；

步骤6、所述主机向所述中央监控器和其余工作正常的从机广播发送队列状态更新信息，用于将所述状态信息错误的从机序列号及其对应的状态信息从各自的动态队列中进行清除；

步骤7、所有从机监测所述主机发送的载波同步信号是否存在，若存在，表示主机工作正常，并返回步骤1执行；否则，表示主机故障，并向CAN总线广播发送主机故障信息；执行步骤8；

步骤8、所述中央监控器接收所述主机故障信息，并向自身动态队列中队头所对应的从机发送主机标志位；

步骤9、所述动态队列中队头所对应的从机接收所述主机标志位并成为新的主机，从而建立新的主从地位，其他从机重新监控所述新的主机发送的载波同步信号是否存在，若存在，表示新的主机工作正常，并返回步骤1执行；否则表示中央监控器故障或新的主机故障，执行步骤10；

步骤10、所述动态队列中的各从机向所述CAN总线发送争主请求，由所述CAN总线进行仲裁并确定新的主机后，返回步骤1执行。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明提出利用中央监控器和多个并联运行的并网逆变器构成一种基于CAN总线的逆变器并联系统，中央监控器构成中央监控层，多个并联运行的并网逆变器构成模块自主控制层，能从系统层面解决并联系统出现单点或是多点故障时载波无法同步的问题，建立了从中央监控层和模块自主控制层两个层面解决故障的机制；同时利用模块自身的CAN总线位时钟进行同步计数，并精确计算模块间载波同步误差并调节自身载波周期，实现了模块间较高精度的载波同步，系统稳定性及可靠性大大提高。

2、本发明利用CAN时钟寄存器作为载波同步的参考，主机通过CAN总线向从机发送载波同步信号，包括一个CAN总线时钟清零的同步数据帧，此同步数据帧将总线上所有节点的CAN时钟寄存器清零，同时各节点的CAN时钟寄存器将对总线上共同的位时钟进行同步计数，从机接收到主机的载波同步信号后，采样自身的CAN总线位时钟值，再与标准参考值相比较，由得到的差值精确计算从机自身与主机的载波周期误差值，再反向微调自身载波周期值，保持主从机载波同步。与现有技术相比，简化了同步控制算法，提高了并联系统载波同步的精度。

3、本发明通过中央监控层对故障的诊断及故障后重构和模块自主控制层对故障的诊断及故障后重构，从系统层面解决并联系统出现单点或是多点故障载波无法同步的问题。当所述系统发生单点或多点故障时，首先由中央监控层解决故障，若中央监控层无法正常工作，将由模块自主控制层解决故障，同时建立动态队列，通过实时检测，保证此动态队列中均为正常工作模块，避免从机因无法与总线连接或者无法检测到故障而影响主机的重新确定，实现了载波同步下的模块的冗余控制及快速自由投切。与现有技术相比，提高了系统的稳定性及可靠性。

附图说明

图1为本发明逆变器并联系统结构示意图；

图2为本发明主从机实现载波同步方法流程图；

图3为本发明逆变器并联系统故障诊断及故障后重构方法流程图；

图4为本发明图3中建立动态队列方法流程图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于CAN总线的逆变器并联系统及其载波同步方法，是用于解决现有技术中单点或是多点故障时载波无法同步的问题，具体地说，一种基于CAN总线的逆变器并联系统，如图1所示，包括：中央监控层和模块自主控制层；中央监控层由中央监控器构成，模块自主控制层由N+1个并联运行的并网逆变器构成，中央监控器和N+1个并网逆变器通过数字信号处理器上的CAN控制器与CAN总线连接，与总线进行实时通讯；并由CAN总线进行仲裁并确定主从地位，从而获得一个主机和N个从机；

具体地，中央监控器用于监控主机和N个从机的工作状态，并能在系统发生单点故障或是多点故障时，指定新的主机，但不参与载波同步信号的发送和接收；主机用于发送载波同步信号，并监控N个从机的工作状态；N个从机用于接收载波同步信号并实现主从机载波同步，并能在并联系统发生单点故障或是多点故障时，自主确定新的主机。

其中，单点故障包括主机故障或丢失，从机故障或丢失，故障的类型包括两种：1、自身可以将故障状态发送给总线，如出现接收信号错误；2、无法与总线进行通讯连接，如此模块由于电路或程序故障而无法发出信号、与总线连接松脱等；多点故障包括多个单点故障，如主机与从机同时发生故障，或多台从机发生故障。

本实施例中，如图2所示，一种基于CAN总线的逆变器并联系统的载波同步方法包括：

系统中各模块上电初始化后向CAN总线发送争主请求，由CAN总线仲裁确定主机，若该模块主机标志位为1，则此模块做主机，若该模块主机标志位为0，则此模块做从机；

步骤1、主机向CAN总线发送载波同步信号，载波同步信号包括一个CAN总线时钟清零的同步数据帧；同步数据帧用于将主机和N个从机上的CAN时钟寄存器同时进行清零，并将主机和N个从机上的CAN时钟寄存器中的位时钟进行同步计数；

步骤2、N个从机接收载波同步信号后，分别采样自身的CAN总线位时钟值并与标准的CAN总线载波周期位时钟值进行作差比较，获得各自的CAN总线位时钟误差值，CAN总线位时钟误差值反应了偏离参考标准的长短，差值为正表示本机的载波周期比参考标准要短；差值为负表示本机的载波周期比参考标准要长；

步骤3：N个从机根据各自的CAN总线位时钟误差值利用式(1)分别获得自身的载波周期误差值，再反向微调自身载波周期值，即根据载波周期误差值调节数字信号处理器上的EPWM时间基准相位寄存器值，从而实现N个从机载波信号与主机载波信号的同步：

$t_{Ce}^{\left(i\right)}=t_e^{\left(i\right)}{\·v}_{CAN}\·\frac{T_B}{T_C}---\left(1\right)$

式(1)中，表示第i个从机的载波周期误差值，表示第i个从机的CAN总线位时钟误差值，v_CAN表示CAN总线的速率，T_B表示EPWM时间基准周期寄存器值，T_C表示载波周期值，1≤i≤N；其中，载波同步是指从机的载波信号与主机的载波信号同频同相。

为了抑制大功率电力电子模块化并联系统中模块间高频环流，一般通过载波同步对其进行控制。其中，高频环流是指由于载波不一致等因素，在各个逆变器模块间按一定路径循环流动的高频次电流，高频环流会使并网电流畸变严重，增加器件损耗，降低系统效率。

本实施例中，CAN总线的速率v_CAN为1Mbps，EPWM时间基准周期寄存器值T_B为2500，载波周期值T_C为100us，每四个载波周期发送一次载波同步信号，则标准的CAN总线载波周期位时钟值为4×T_C·v_CAN＝4×100×1＝400，假设第i个从机采样自身的CAN总线位时钟值为403，则CAN总线位时钟误差值为3，那么第i个从机的载波周期误差值由步骤3中公式(1)可得再根据此载波周期误差值调节数字信号处理器上的EPWM时间基准相位寄存器值，即可实现第i个从机载波信号与主机载波信号的同步，载波同步误差精度控制在0.5％以内。

本实施例中，一种基于CAN总线的逆变器并联系统的载波同步方法，从系统层面解决并联系统出现单点或是多点故障时载波无法同步的问题，系统层面包括中央监控层和模块自主控制层，当系统发生单点或多点故障时，首先将由中央监控层解决故障，若中央监控层故障无法正常工作，将由模块自主控制层解决故障。即当主机故障时，能根据动态队列指定新的主机；模块自主控制层包括模块自身状态监控及组网后系统故障诊断，定时监控自身的状态信息，将此状态信息连同自身序列号发送到总线，同时接收其他的模块的状态信息，并按优先级依次排入动态队列，总线定时更新动态队列，保证此动态队列中均为正常工作模块，当主机故障并且中央控制层故障无法正常工作时，动态队列中的从机自主竞争，确定新的主机，保证主机的存在及可靠运行，避免从机因无法检测到故障而影响主机的重新确定；具体地说，

如图3和图4所示，当逆变器并联系统发生单点故障或是多点故障时，是按如下步骤重新建立主从地位，从而实现载波同步：

步骤1、主机定时通过CAN总线向所有从机发送状态信息请求，所有从机响应状态信息请求，监控自身状态信息，并将自身序列号及其对应的状态信息发送到CAN总线，使得中央监控器通过CAN总线能接收到所有从机各自的序列号及其对应的状态信息；且所有从机通过CAN总线也能接收到其余从机各自的序列号及其对应的状态信息；

若有新的从机加入，则新的从机同样响应主机发送的状态信息请求，监控自身状态信息，并发送自身序列号及其对应的状态信息发送到CAN总线，同时接收其余从机各自的序列号及其对应的状态信息；

步骤2、中央监控器和所有从机分别根据各从机序列号的优先级大小进行升序排序，并建立各自的动态队列；中央监控器和所有从机分别将排序好的各从机序列号及其对应的状态信息依次排入各自的动态队列中并存入自身内存中；其中，所有模块的序列号是唯一确定的，优先级是按照序列号的大小进行升序排序；

步骤3、主机确认所有从机是否均响应状态信息请求，若均有响应，则执行步骤5，确认所有从机的状态信息是否正确；否则，表示存在未响应的从机，则向未响应的从机重复发送M次状态信息请求；若重试M次后，未响应的从机仍然没有响应，则确认未响应的从机丢失，无法与CAN总线连接，并执行步骤4；若未响应的从机恢复响应，则执行步骤5；

步骤4、主机向中央监控器和其余均有响应的从机广播发送队列响应更新信息，用于将未响应的从机序列号及其对应的状态信息从各自的动态队列中进行清除；

步骤5、主机依次判断所有从机所各自对应的状态信息中的错误状态寄存器值是否为零；若为零，则表示从机的状态信息正确且工作正常；并执行步骤7；否则，表示从机的状态信息错误；并对状态信息错误的从机重新发送状态信息请求，并判断状态信息错误的从机所对应的错误状态寄存器值是否为零，若为零，则执行步骤7，否则，表示从机的状态信息错误，执行步骤6；

步骤6、主机向中央监控器和其余工作正常的从机广播发送队列状态更新信息，用于将状态信息错误的从机序列号及其对应的状态信息从各自的动态队列中进行清除；

步骤7、所有从机监测主机发送的载波同步信号是否存在，若存在，表示主机工作正常，并返回步骤1执行；否则，表示主机故障，并向CAN总线广播发送主机的故障信息；执行步骤8；

优选地，中央监控层对故障的诊断及故障后重构，如步骤8：

步骤8、中央监控器接收主机故障信息，并向自身动态队列中队头所对应的从机发送主机标志位；

步骤9：动态队列中队头所对应的从机接收主机标志位并成为新的主机，从而建立新的主从地位，其他从机重新监控新的主机发送的载波同步信号是否存在，若存在，表示新的主机工作正常，并返回步骤1执行；否则表示中央监控器故障或新的主机故障，执行步骤10；

优选地，模块自主控制层对故障的诊断及故障后重构，如步骤10：

步骤10：动态队列中的各从机向CAN总线发送争主请求，由CAN总线进行仲裁并确定新的主机后，返回步骤1执行。

优选地，步骤4和步骤6中将故障从机的序列号及其对应的状态信息从各自的动态队列中进行清除，保证此动态队列中均为正常工作模块，避免步骤10中动态队列里的各从机向CAN总线发出争主请求时，因无法与总线连接或者无法检测故障而影响主机的重新确定，实现模块自主控制层对故障的诊断及故障后重构。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为主。

Claims (3)

1.一种基于CAN总线的逆变器并联系统，其特征是包括：中央监控层和模块自主控制层；所述中央监控层由中央监控器构成，所述模块自主控制层由N+1个并联运行的并网逆变器构成，所述中央监控器和N+1个并网逆变器通过数字信号处理器上的CAN控制器与CAN总线连接；并由所述CAN总线进行仲裁并确定主从地位，从而获得一个主机和N个从机；

所述中央监控器用于监控所述主机和N个从机的工作状态，并能在系统发生单点故障或是多点故障时，指定新的主机；

所述主机用于发送载波同步信号，并监控所述N个从机的工作状态；

所述N个从机用于接收所述载波同步信号并实现主从机载波同步，并能在所述并联系统发生单点故障或是多点故障时，自主确定新的主机。

2.一种基于CAN总线的逆变器并联系统的载波同步方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、所述主机向所述CAN总线发送载波同步信号，所述载波同步信号包括一个CAN总线时钟清零的同步数据帧；所述同步数据帧用于将所述主机和N个从机上的CAN时钟寄存器同时进行清零，并将所述主机和N个从机上的CAN时钟寄存器中的位时钟进行同步计数；

步骤2：所述N个从机接收所述载波同步信号后，分别采样自身的CAN总线位时钟值并与CAN总线载波周期位时钟值进行作差比较，获得各自的CAN总线位时钟误差值；

步骤3：所述N个从机根据各自的CAN总线位时钟误差值利用式(1)分别获得自身的载波周期误差值，根据所述载波周期误差值调节所述数字信号处理器上的EPWM时间基准相位寄存器值，从而实现所述N个从机载波信号与所述主机载波信号的同步：

$t_{Ce}^{\left(i\right)}=t_e^{\left(i\right)}\·v_{CAN}.\frac{T_B}{T_C}---\left(1\right)$

式(1)中，表示所述第i个从机的载波周期误差值，表示所述第i个从机的CAN总线位时钟误差值，v_CAN表示所述CAN总线的速率，T_B表示所述EPWM时间基准周期寄存器值，T_C表示所述载波周期值，1≤i≤N。

3.根据权利要求2所述的载波同步方法，其特征是：当所述逆变器并联系统发生单点故障或是多点故障时，是按如下步骤重新建立主从地位，从而实现载波同步：

步骤1、所述主机定时通过CAN总线向所有从机发送状态信息请求，所有从机响应所述状态信息请求，并将自身序列号及其对应的状态信息发送到CAN总线，使得所述中央监控器通过CAN总线能接收到所有从机各自的序列号及其对应的状态信息；且所有从机通过CAN总线也能接收到其余从机各自的序列号及其对应的状态信息；

若有新的从机加入，则所述新的从机同样响应所述主机发送的状态信息请求，并发送自身序列号及其对应的状态信息发送到CAN总线，同时接收所述其余从机各自的序列号及其对应的状态信息；

步骤2、所述中央监控器和所有从机分别根据各从机序列号的优先级大小进行升序排序，并建立各自的动态队列；所述中央监控器和所有从机分别将排序好的各从机序列号及其对应的状态信息依次排入各自的动态队列中并存入自身内存中；

步骤3、所述主机确认所有从机是否均响应所述状态信息请求，若均有响应，则执行步骤5，确认所有从机的状态信息是否正确；否则，表示存在未响应的从机，则向所述未响应的从机重复发送M次状态信息请求；若重试M次后，所述未响应的从机仍然没有响应，则确认所述未响应的从机丢失，无法与所述CAN总线连接，并执行步骤4；若所述未响应的从机恢复响应，则执行步骤5；

步骤4、所述主机向所述中央监控器和其余均有响应的从机广播发送队列响应更新信息，用于将所述未响应的从机序列号及其对应的状态信息从各自的动态队列中进行清除；

步骤5、所述主机依次判断所有从机所各自对应的状态信息中的错误状态寄存器值是否为零；若为零，则表示从机的状态信息正确且工作正常；并执行步骤7；否则，表示从机的状态信息错误；并对所述状态信息错误的从机重新发送状态信息请求，并判断所述状态信息错误的从机所对应的错误状态寄存器值是否为零，若为零，则执行步骤7，否则，表示从机的状态信息错误，执行步骤6；

步骤6、所述主机向所述中央监控器和其余工作正常的从机广播发送队列状态更新信息，用于将所述状态信息错误的从机序列号及其对应的状态信息从各自的动态队列中进行清除；

步骤7、所有从机监测所述主机发送的载波同步信号是否存在，若存在，表示主机工作正常，并返回步骤1执行；否则，表示主机故障，并向CAN总线广播发送主机故障信息；执行步骤8；

步骤8、所述中央监控器接收所述主机故障信息，并向自身动态队列中队头所对应的从机发送主机标志位；

步骤9、所述动态队列中队头所对应的从机接收所述主机标志位并成为新的主机，从而建立新的主从地位，其他从机重新监控所述新的主机发送的载波同步信号是否存在，若存在，表示新的主机工作正常，并返回步骤1执行；否则表示中央监控器故障或新的主机故障，执行步骤10；

步骤10、所述动态队列中的各从机向所述CAN总线发送争主请求，由所述CAN总线进行仲裁并确定新的主机后，返回步骤1执行。