CN105226959A - 模块化多电平高压变频器的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明模块化多电平高压变频器的控制装置及控制方法，针对模块化多电平高压变频器的特殊结构，提出了适合模块化多电平高压变频器的分层控制方式，包括监控层、控制层、现场层；监控层包括采用LabVIEW设计的具体控制上位机；控制层采用处理计算功能强大的OMAP-L137和FPGA；现场层包括多个数据采集板和多个子控板。对模块化多电平高压变频器的整流侧和逆变侧采用单独的控制方式，DSP数据采集接口资源和PWM输出接口资源数量充分满足模块化多电平高压变频器的控制要求。

Description

模块化多电平高压变频器的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子、自动控制领域，特别是涉及一种模块化多电平高压变频器的控制装置及控制方法。

背景技术

高压变频器广泛应用于大容量高压传动设备中。如，高压变频器作为大功率风机、电机的变频调速设备，主要应用于电力、冶金、矿山、市政等大功率电机使用较多的行业。高压电机可以利用高压变频器实现无极调速，满足生产过程对电机调速的控制要求，提高产品的质量和产量，并可以实现大幅度节能降耗的目的，从而最大限度的降低能源成本，提高企业经济效益。

现在大量使用的高压变频器拓扑结构有：(1)电流源型高压变频器，(2)三电平电压源型变频器，(3)单元串联多电平电压源型变频器。其中，电流源型高压变频器采用大的平波电抗器和快速电流调节装置，过电流保护相对简单，但是存在串联的器件均压、耐压和输出谐波等问题；三电平电压源型变频器可以避免器件串联引起的动态均压问题，但是，输出波形不够完美，谐波含量较多；单元串联多电平电压源型变频器在效率、谐波及功率因数等方面有交大的优势，但是也存在开关频率高、器件损耗大，需要移相变压器等问题。

而采用模块化多电平(modularmultilevel)技术的高压变频器，采用模块化结构，具有可以方便的扩展至多电平、降低了IGBT开关频率、降低了损耗、谐波水平低等优点。模块化多电平高压变频器成为高压变频器的一个新的发展方向。模块化多电平高压变频器的结构图如图1所示，整流部分和逆变部分形成背靠背的对称结构，整流部分提供稳定高压直流电源；逆变部分将高压直流转换为交流电。整流部分和逆变部分的子模块结构相同，子模块结构图如图2所示。

模块化多电平高压变频器子模块众多，电平数很高，控制时需要同时控制整流部分和逆变部分，采集的信号多、控制IGBT的PWM波数量多，换流站要求实时监测和控制，处理器要求处理速度快等。

在专利申请号为“201210435642.5”，名称为“基于模块化多电平变流器的高压大容量变频器系统”中，只是提到了模块化多电平变流器的高压大容量变频器系统的结构，并为未指出其控制装置。

在专利申请号为“201210438113.0”，名称为“基于模块化多电平变流器的可四象限运行的高压大容量变频器系统”中，也只是提到变频器的结构，并未说明其控制装置。

在论文题名为“基于模块化多电平换流器的新型高压变频器拓扑及其控制”，作者郑征的论文中，也只提出了模块化多电平高压变频器的拓扑结构，和采用软件仿真平台，模拟高压变频器的控制，并未提出具体实际控制装置。

针对高压变频器的控制，传统的控制方式中，电压电流的数据采集、PWM波的产生主要靠控制芯片DSP完成，这样设计的DSP不仅要完成数据采集任务，还要实现控制算法和产生PWM波，DSP的任务量繁重，虽然题为”单元串联高压变频器的设计及其应用”、作者为徐孟的论文中提出双DSP的主控制器结构，但DSP数据采集接口资源和PWM输出接口资源数量远远达不到模块化多电平高压变频器的控制要求，如果将这种传统设计方案移植到模块化多电平高压变频器的控制中，将不能胜任模块化多电平高压变频器的控制工作。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足,本发明提供了一种模块化多电平高压变频器的控制装置，采用分层结构化设计，主控芯片采用处理速度更快、处理能力更强、可与上位机实时通信的OMAP芯片；辅控芯片采用能进行数据采集、数据编解码和产生PWM波的FPGA芯片，以满足模块化多电平高压变频器的控制和方便高压变频器扩容。

本发明所采取的技术方案是：

一种模块化多电平高压变频器的控制装置，包括现场层、控制层和监控层；

所述现场层包括多个数据采集板和多个子控板；

所述数据采集板包括数据采集板电源模块、数据采集板光纤接口板、FPGA、数据采集板晶振、数据采集板FLASH芯片、AD7606、传感器模块；

所述数据采集板电源模块为数据采集板各芯片提供电源，输入AC220V，输出DC+15V，DC-15V、DC+5V、DC+3.3V、DC+1.2V；

所述传感器模块包括多个霍尔电压传感器和多个霍尔电流传感器；

所述AD7606用于采集变频器相关的电压、电流信号，用于主控板中的控制算法；对差分模拟信号进行采集，把采集到的信号通过并行的方式传送给FPGA；

所述FPGA用于对AD7606采集的数据进行数据编码，将经过并串信号转换将并行信号转换成串行信号，传送给数据采集板上的光纤接口板；

所述数据采集板光纤接口板，用于将数据采集板内FPGA采集的电压、电流电信号转换成光信号，通过光纤传送给主控板；

所述数据采集板晶振，用于为FPGA提供50MHz的振荡频率；

所述数据采集板FLASH芯片，用于存放FPGA的启动程序；

所述子控板包括子控板电源模块、子控板光纤接口板、IGBT驱动板；

所述子控板电源模块，用于为子控板光纤接口板和IGBT驱动提供电源。输入为AC220V，输出为DC+17V、DC+5V、DC-5V；

所述子控板光纤接口板，用于将主控板发送的PWM光信号转换成PWM电信号，再传送给IGBT驱动板；

所述IGBT驱动板，用于驱动各子模块的IGBT的开通和关断，将主控发来的PWM信号进行电平转换。对IGBT欠压和过流保护；

所述控制层包括主控板，

所述主控板包括主控板电源模块、主控板光纤接口板、主控板晶振、SDRAM芯片、主控板FLASH芯片、主控芯片OMAP-L137、辅控芯片FPGA；

所述主控板电源模块为主控板各芯片提供电源，输入DC+5V，输出DC+3.3V、DC+1.8V、DC+1.2V；

所述主控板晶振用于为OMAP-L137和FPGA提供50MHz的振荡频率；

所述主控板光纤接口板用于接收数据采集板传来的电压、电流信息，将主控板产生的PWM电信号，转换成光信号，发送到子控板；

所述SDRAM芯片用于存放OMAP-L137处理过程中产生的数据；

所述主控板FLASH芯片用于存放OMAP-L137和FPGA的启动程序；

所述主控芯片OMAP-L137；用于完成对高压变频器的控制策略计算与处理；

所述辅控芯片FPGA，用于接收现场层的数据采集板发来采集的电压、电流串行信号，将接收的串行信号解码，提取16位有效数据位，转换成并行信号，经过并行总线，传送到OMAP-L137；接收OMAP-L137计算得到的各个子模块的调制波，将调制波与内部产生的三角波进行比较，把得到的子模块IGBT的开关信号PWM波，发往光纤接口板；

所述监控层包括上位机；

所述上位机用于向主控板的主控芯片OMAP-L137和辅控芯片FPGA加载初始化程序；组织接收主控芯片OMAP-L137上传的监测数据；进行数据和波形录入；调用保存数据子程序，将数据保存到计算机硬盘中；进行数据和波形的调用查看，控制变频器相关运行参数；在变频器运行过程中，实时不停机地修改控制程序。

所述控制层与现场层之间通过光纤进行信号传输。

所述霍尔电压传感器用于采集高压变频器交流侧和负载侧三相电压、子模块电容电压信号、整流侧与逆变侧之间的直流电压；霍尔电流传感器用于采集高压变频器交流侧和负载侧三相电流、各桥臂电流信号；采集的电压、电流信号用于实现高压变频器整流侧和逆变侧的装置级控制和系统级控制。

所述主控板光纤接口板包括HFBR-2528光接收器、HFBR-1528光发送器、光电转换电路、电光转换电路。

数据采集板光纤接口板包括HFBR-1528光发送器、电光转换电路。

所述主控芯片OMAP-L137，包括DSPTMS320C6747芯片和ARM926EJ-S芯片，DSP用于完成计算任务，ARM用于完成与上位机的以太网通信任务。

所述上位机与下位机之间的通信协议采用TCP/IP协议。

一种基于模块化多电平高压变频器的控制方法，所述控制方法包括整流侧控制和逆变侧控制；

所述整流侧控制包括装置级控制和系统级控制；

所述装置级控制包括子模块稳压控制和子模块均压控制；

所述系统级控制包括外环功率控制和内环电流控制；

所述外环功率控制包括定有功功率控制和定无功功率控制；

所述逆变侧控制包括装置级控制和系统级控制；

所述装置级控制包括子模块稳压控制和子模块均压控制；

所述系统级控制包括外环功率控制和内环电流控制；

所述外环功率控制采用定直流电压控制和定无功功率控制。

所述整流侧控制采用载波移相调制算法，具体步骤如下：

对于每相个数为2N个子模块的桥臂，2N个子模块的三角载波依次移开1/2N个三角载波周期，对应的相位角为π/N；然后各三角波与调制产生的正弦波比较，产生对应的脉冲宽度信号，这些脉冲宽度信号驱动各子模块的IGBT，控制子模块单元的投入与切除；a、b、c三相调制波原理相同。

所述子模块稳压控制用于实时控制整流侧子模块电容电压，具体方法如下：

以a相为例,使用霍尔电压传感器采集每个子模块中电容的实时电压V_C，V_c与电容电压设定值之间作差,得到a相稳压控制下的电压指令值即),的极性取决于上桥臂电流i_Pa和下桥臂电流i_Na的方向，参与子模块稳压控制。

所述子模块均压控制用于通过控制各相电容电压的平均值来控制各相的总输出电压和控制相间环流，具体方法如下：

通过采样各相各子模块电容电压的平均值与给定的各相各子模块电容电压参考值相比较，经过比例积分调节，生成各相各子模块电容平均电压修正量通过的回馈控制，使三相各子模块电容电压的平均值稳定在给定的电容电压值很小波动范围内，得到子模块均压控制。

所述定有功功率控制，具体控制方法如下：

有功功率参考值P_{s_ref}与系统实际提供的有功功率P_s之差，经过比例积分调节，得到为内环电流控制提供交流侧电流d轴分量的指令值i_{sd_ref}，即i_{sd_ref}＝k_p(P_{s_ref}-P_s)+k_i∫(P_{s_ref}-P_s)dt，其中P_s为有功功率值，P_{s_ref}为有功功率参考值，k_p是比例常数，k_i是积分常数，i_{sd_ref}是内环电流控制提供交流侧电流的d轴分量的指令值。

所述定无功功率控制，具体控制方法如下：

无功功率参考值Q_{s_ref}与系统实际提供的无功功率Q_s之差，经过比例积分调节，得到为内环电流控制提供交流侧电流q轴分量的指令值i_{sq_ref}，即i_{sq_ref}＝k_p(Q_{s_ref}-Q_s)+k_i∫(Q_{s_ref}-Q_s)dt，其中：Q_S是无功功率值，Q_{s_ref}是无功功率参考值，k_p是比例常数，k_i是积分常数，得到定无功功率控制。

所述内环电流控制，具体控制方法如下：

交流输入侧的三相电流i_sa、i_sb、i_sc经过3/2变换，得到d、q轴分量i_sd、i_sq；交流输入侧的三相电压u_sa、u_sb、u_sc经过3/2变换，得到d、q轴分量u_sd、u_sq；经过内环电流控制算法，得到交流侧输出电压在d、q坐标下的参考值u_{d_ref}和u_{q_ref}，u_{d_ref}和u_{q_ref}经过2/3变换，得到交流输入侧三相参考电压u_ra、u_rb、u_rc，参与调制，得到内环电流控制。

所述定直流电压控制，具体控制方法如下：

直流母线电压U_dc与直流母线电压的参考值U_{dc_ref}之差，经过比例积分调节，得到为内环电流控制提供交流侧电流d轴分量的指令值i_{sd_ref}，即：i_{sd_ref}＝k_p(U_{dc_ref}-U_dc)+k_i∫(U_{dc_ref}-U_dc)dt，其中：U_dc是整流侧和逆变侧之间的直流母线电压，U_{dc_ref}是直流母线电压的参考值，k_p是比例常数，k_i是积分常数，i_{sd_ref}是为内环电流控制提供交流侧电流的d轴分量的指令值，得到定直流电压控制。

本发明相对现有技术的有益效果：

本发明模块化多电平高压变频器的控制装置及控制方法，针对级联型高压变频器的控制，传统的控制方式中，电压电流的数据采集、PWM波的产生主要靠控制芯片DSP完成，这样设计的DSP不仅要完成数据采集任务，还要实现控制算法和产生PWM波，DSP的任务量繁重，另外DSP数据采集接口资源和PWM输出接口资源数量远远达不到模块化多电平高压变频器的控制要求，如果将这种传统设计移植到模块化多电平高压变频器的控制中，将不能胜任模块化多电平高压变频器的控制工作。

本发明模块化多电平高压变频器的控制装置及控制方法，针对模块化多电平高压变频器的特殊结构，提出了适合模块化多电平高压变频器的分层控制方式，包括监控层、控制层、现场层；监控层包括采用LabVIEW设计的具体控制上位机；控制层采用处理计算功能强大的OMAP-L137和FPGA；现场层包括多个数据采集板和多个子控板。对模块化多电平高压变频器的整流侧和逆变侧采用单独的控制方式，DSP数据采集接口资源和PWM输出接口资源数量充分满足模块化多电平高压变频器的控制要求。

附图说明

图1是模块化多电平高压变频器的结构图；

图2是模块化多电平高压变频器中的子模块结构图；

图3是模块化多电平高压变频器的控制装置框图；

图4是控制装置的主控板结构图；

图5是控制装置的数据采集板结构图；

图6是控制装置的子控板结构图；

图7是控制算法中的调制波产生原理图；

图8(a)是装置级控制中的子模块稳压控制图；

图8(b)是装置级控制中的子模块均压控制图；

图9(a)是功率控制中的有功功率控制图；

图9(b)是功率控制中的无功功率控制图；

图9(c)是是功率控制中的定直流电压控制图；

图10是内环电流控制图。

附图中主要部件符号说明：

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明：

附图1-10，一种模块化多电平高压变频器的控制装置，包括现场层、控制层和监控层；

所述现场层包括多个数据采集板和多个子控板；

所述数据采集板包括数据采集板电源模块、数据采集板光纤接口板、FPGA、数据采集板晶振、数据采集板FLASH芯片、AD7606、传感器模块；

所述数据采集板电源模块为数据采集板各芯片提供电源，输入AC220V，输出DC+15V，DC-15V、DC+5V、DC+3.3V、DC+1.2V；

所述传感器模块包括多个霍尔电压传感器和多个霍尔电流传感器；

所述AD7606用于采集变频器相关的电压、电流信号，用于主控板中的控制算法；对差分模拟信号进行采集，把采集到的信号通过并行的方式传送给FPGA；

所述FPGA用于对AD7606采集的数据进行数据编码，将经过并串信号转换将并行信号转换成串行信号，传送给数据采集板上的光纤接口板；

所述数据采集板光纤接口板，用于将数据采集板内FPGA采集的电压、电流电信号转换成光信号，通过光纤传送给主控板；

所述数据采集板晶振，用于为FPGA提供50MHz的振荡频率；

所述数据采集板FLASH芯片，用于存放FPGA的启动程序；

所述子控板包括子控板电源模块、子控板光纤接口板、IGBT驱动板；

所述子控板电源模块，用于为子控板光纤接口板和IGBT驱动提供电源。输入为AC220V，输出为DC+17V、DC+5V、DC-5V；

所述子控板光纤接口板，用于将主控板发送的PWM光信号转换成PWM电信号，再传送给IGBT驱动板；

所述IGBT驱动板，用于驱动各子模块的IGBT的开通和关断，将主控发来的PWM信号进行电平转换。对IGBT欠压和过流保护；

所述控制层包括主控板，

所述主控板包括主控板电源模块、主控板光纤接口板、主控板晶振、SDRAM芯片、主控板FLASH芯片、主控芯片OMAP-L137、辅控芯片FPGA；

所述主控板电源模块为主控板各芯片提供电源，输入DC+5V，输出DC+3.3V、DC+1.8V、DC+1.2V；

所述主控板晶振用于为OMAP-L137和FPGA提供50MHz的振荡频率；

所述主控板光纤接口板用于接收数据采集板传来的电压、电流信息，将主控板产生的PWM电信号，转换成光信号，发送到子控板；

所述SDRAM芯片用于存放OMAP-L137处理过程中产生的数据；

所述主控板FLASH芯片用于存放OMAP-L137和FPGA的启动程序；

所述主控芯片OMAP-L137；用于完成对高压变频器的控制策略计算与处理；

所述辅控芯片FPGA，用于接收现场层的数据采集板发来采集的电压、电流串行信号，将接收的串行信号解码，提取16位有效数据位，转换成并行信号，经过并行总线，传送到OMAP-L137；接收OMAP-L137计算得到的各个子模块的调制波，将调制波与内部产生的三角波进行比较，把得到的子模块IGBT的开关信号PWM波，发往光纤接口板；

所述监控层包括上位机；

所述上位机用于向主控板的主控芯片OMAP-L137和辅控芯片FPGA加载初始化程序；组织接收主控芯片OMAP-L137上传的监测数据；进行数据和波形录入；调用保存数据子程序，将数据保存到计算机硬盘中；进行数据和波形的调用查看，控制变频器相关运行参数；在变频器运行过程中，实时不停机地修改控制程序。

所述控制层与现场层之间通过光纤进行信号传输。

所述霍尔电压传感器用于采集高压变频器交流侧和负载侧三相电压、子模块电容电压信号、整流侧与逆变侧之间的直流电压；霍尔电流传感器用于采集高压变频器交流侧和负载侧三相电流、各桥臂电流信号；采集的电压、电流信号用于实现高压变频器整流侧和逆变侧的装置级控制和系统级控制。

所述主控板光纤接口板包括HFBR-2528光接收器、HFBR-1528光发送器、光电转换电路、电光转换电路。

数据采集板光纤接口板包括HFBR-1528光发送器、电光转换电路。

所述主控芯片OMAP-L137，包括DSPTMS320C6747芯片和ARM926EJ-S芯片，DSP用于完成计算任务，ARM用于完成与上位机的以太网通信任务。

所述上位机与下位机之间的通信协议采用TCP/IP协议。

一种基于模块化多电平高压变频器的控制装置的控制方法，所述控制方法包括整流侧控制和逆变侧控制；

所述整流侧控制包括装置级控制和系统级控制；

所述装置级控制包括子模块稳压控制和子模块均压控制；

所述系统级控制包括外环功率控制和内环电流控制；

所述外环功率控制包括定有功功率控制和定无功功率控制；

所述逆变侧控制包括装置级控制和系统级控制；

所述装置级控制包括子模块稳压控制和子模块均压控制；

所述系统级控制包括外环功率控制和内环电流控制；

所述外环功率控制采用定直流电压控制和定无功功率控制。

所述整流侧控制采用载波移相调制算法，具体步骤如下：

对于每相个数为2N个子模块的桥臂，2N个子模块的三角载波依次移开1/2N个三角载波周期，对应的相位角为π/N；然后各三角波与调制产生的正弦波比较，产生对应的脉冲宽度信号，这些脉冲宽度信号驱动各子模块的IGBT，控制子模块单元的投入与切除；a、b、c三相调制波原理相同。

所述子模块稳压控制用于实时控制整流侧子模块电容电压，具体方法如下：以a相为例,使用霍尔电压传感器采集每个子模块中电容的实时电压V_C，V_C与电容电压设定值之间作差,得到a相稳压控制下的电压指令值即),的极性取决于上桥臂电流i_Pa和下桥臂电流i_Na的方向，参与子模块稳压控制。

所述子模块均压控制用于通过控制各相电容电压的平均值来控制各相的总输出电压和控制相间环流，具体方法如下：

通过采样各相各子模块电容电压的平均值与给定的各相各子模块电容电压参考值相比较，经过比例积分调节，生成各相各子模块电容平均电压修正量通过的回馈控制，使三相各子模块电容电压的平均值稳定在给定的电容电压值很小波动范围内，得到子模块均压控制。

所述的定有功功率控制，具体控制方法如下：

有功功率参考值P_{s_ref}与系统实际提供的有功功率P_s之差，经过比例积分调节，得到为内环电流控制提供交流侧电流d轴分量的指令值i_{sd_ref}，即i_{sd_ref}＝k_p(P_{s_ref}-P_s)+k_i∫(P_{s_ref}-P_s)dt，其中P_s为有功功率值，P_{s_ref}为有功功率参考值，k_p是比例常数，k_i是积分常数，i_{sd_ref}是内环电流控制提供交流侧电流的d轴分量的指令值。

所述的定无功功率控制，具体控制方法如下：

无功功率参考值Q_{s_ref}与系统实际提供的无功功率Q_s之差，经过比例积分调节，得到为内环电流控制提供交流侧电流q轴分量的指令值i_{sq_ref}，即i_{sq_ref}＝k_p(Q_{s_ref}-Q_s)+k_i∫(Q_{s_ref}-Q_s)dt，其中：Q_S是无功功率值，Q_{s_ref}是无功功率参考值，k_p是比例常数，k_i是积分常数，得到定无功功率控制。

所述的内环电流控制，具体控制方法如下：

交流输入侧的三相电流i_sa、i_sb、i_sc经过3/2变换，得到d、q轴分量i_sd、i_sq；交流输入侧的三相电压u_sa、u_sb、u_sc经过3/2变换，得到d、q轴分量u_sd、u_sq；经过内环电流控制算法，得到交流侧输出电压在d、q坐标下的参考值u_{d_ref}和u_{q_ref}，u_{d_ref}和u_{q_ref}经过2/3变换，得到交流输入侧三相参考电压u_ra、u_rb、u_rc，参与调制，得到内环电流控制。

所述的定直流电压控制，具体控制方法如下：

直流母线电压U_dc与直流母线电压的参考值U_{dc_ref}之差，经过比例积分调节，得到为内环电流控制提供交流侧电流d轴分量的指令值i_{sd_ref}，即：i_{sd_ref}＝k_p(U_{dc_ref}-U_dc)+k_i∫(U_{dc_ref}-U_dc)dt，其中：U_dc是整流侧和逆变侧之间的直流母线电压，U_{dc_ref}是直流母线电压的参考值，k_p是比例常数，k_i是积分常数，i_{sd_ref}是为内环电流控制提供交流侧电流的d轴分量的指令值，得到定直流电压控制。

如图3所示，监控层包含有上位机，上位机可以向下位机加载程序的功能，即向主控板中的主控芯片OMAP-L137和辅控芯片FPGA加载初始化程序的功能。

上位机可以组织接收主控芯片OMAP-L137上传的监测数据，变频器运行人员通过观测实时监控数据，掌握变频器的运行状况。

上位机上有数据和波形录入功能，选定需要保存的数据时间段，点击保存，上位机调用保存数据子程序，将数据保存到计算机硬盘中。

上位机有数据和波形观看功能，选择数据和波形观看，调用波形观看子程序，出现已保存的数据和波形，选择目标，观看数据和波形。

上位机有变频器相关运行参数控制功能，可在变频器运行过程中，实时不停机地修改控制程序，保证变频器系统正常运行。

上位机与下位机之间的通信协议采用TCP/IP协议。

如图3所示，控制层包括主控板。

主控板结构如图4所示。主控板包括电源模块、光纤接口板、晶振、SDRAM芯片、FLASH芯片、主控芯片OMAP-L137、辅芯片FPGA。

主控板的电源模块为主控板各芯片提供电源，输入是+5V，输出有DC+3.3V、DC+1.8V、DC+1.2V。

主控板上的晶振，为OMAP-L137和FPGA提供50MHz的振荡频率。

主控板上的光纤接口板包括：型号为HFBR-2528的光接收器、型号为HFBR-1528的光发送器、光电转换电路、电光转换电路。

主控板上的光纤接口板，功能是：一方面可以接收数据采集板传来的电压、电流信息，另一方面可以将主控板产生的PWM电信号，转换成光信号，发送到子控板。

主控板上的SDRAM芯片用来存放OMAP-L137处理过程中产生的数据。

主控板上的FLASH用来存放OMAP-L137和FPGA的启动程序。

主控板上的主控芯片OMAP-L137，包含DSPTMS320C6747芯片和ARM926EJ-S芯片。DSP完成大量计算任务，ARM完成与上位机的以太网通信任务。

主控板上的主控芯片，功能是完成对高压变频器的控制策略计算与处理。高压变频器分为整流侧控制和逆变侧控制。

模块化多电平高压变频器整流侧控制分为装置级控制和系统级控制，采用载波移相调制算法，a、b、c三相调制波原理相同，现以a相为例，调制波算法如图7所示，装置级控制计算结果、系统级控制计算结果和直流侧电压，进过计算，产生每个子模块的调制信号。

装置级控制包括子模块稳压控制和子模块均压控制，如图7所示。

子模块稳压控制用来实时控制整流侧各子模块电容电压，使其维持在给定的参考值附近。子模块稳压控制如图8(a)所示，是子模块电容电压参考值，V_cja是a相各子模块电容电压实际值，j的取值范围是1～n，n是a相子模块的个数，i_Pa是a相上桥臂的电流，i_Na是a相下桥臂的电流，得到稳压控制下的电容电压参考值参与图7中的调制波算法。

子模块均压控制用来通过控制各相电容电压的平均值来控制各相的总输出电压和控制相间环流。子模块均压控制如图8(b)所示，是子模块电容电压参考值，是子模块电压平均值，i_Pa是a相上桥臂电流，i_Na是a相下桥臂电流。经过两个PI调节算法，得到均压控制下的电容电压参考值参与图7中的调制波算法。

系统级控制包括外环功率控制和内环电流控制，如图7所示。

外环功率控制包括定有功功率控制和定无功功率控制。

其中，定有功功率控制设计框图如图9(a)所示，P_s为有功功率值，P_{s_ref}为有功功率参考值，经过一个PI调节算法，产生的i_{sd_ref}是为内环电流控制提供交流侧电流的d轴分量的指令值。

定无功功率控制设计框图如图9(b)所示，Q_s为有功功率值，Q_{s_ref}为有功功率参考值，经过一个PI调节算法，产生的i_{sq_ref}是为内环电流控制提供交流侧电流的q轴分量的指令值。

内环电流控制设计框图如图10所示，交流输入侧的三相电流i_sa、i_sb、i_sc经过3/2变换，得到d、q轴分量i_sd、i_sq，交流输入侧的三相电压u_sa、u_sb、u_sc经过3/2变换，得到d、q轴分量u_sd、u_sq，经过内环电流控制算法和2/3变换，得到交流输入侧三相参考电压u_ra、u_rb、u_rc，参与图7中的调制波算法。

模块化多电平高压变频器逆变侧控制也分为装置级控制和系统级控制。

逆变侧的装置级控制与整流侧的装置级控制方法相同。

逆变侧的系统级控制包括外环功率控制和内环电流控制。其中，内环电流控制与整流侧系统级控制中的内环电流控制方法相同；外环功率控制采用定直流电压控制和定无功功率控制，采用定直流电压控制的目的是保持直流电压稳定和有功功率的平衡。

定直流电压控制设计框图如图9(c)所示，U_dc为整流侧和逆变侧之间的直流母线电压，U_{dc_ref}为直流母线电压的参考值，经一个PI控制算法，产生的i_{sd_ref}是为内环电流控制提供交流侧电流的d轴分量的指令值。

定无功功率控制算法原理同整流侧的定无功功率控制。

主控板上的辅控芯片FPGA，一方面接收现场层的数据采集板发来采集的电压、电流串行信号，将接收的串行信号解码，提取16位有效数据位，转换成并行信号，经过并行总线，传送到OMAP-L137；另一方面接收OMAP-L137计算得到的各个子模块的调制波，将调制波与内部产生的三角波进行比较，得到每个子模块IGBT的开关信号PWM波，发往光纤接口板，光纤接口板进行电信号转换成光信号，通过光纤传送到现场层的子控板。

如图3所示，现场层包括多个数据采集板和多个子控板。

如图5所示，数据采集板包括电源模块、光纤接口板、FPGA、晶振、FLASH、AD7606、传感器模块。

数据采集板上的电源模块为数据采集板各芯片提供电源，输入AC220V，输出有DC+15V，DC-15V、DC+5V、DC+3.3V、DC+1.2V。

数据采集板上的传感器模块包括多个霍尔电压传感器和多个霍尔电流传感器。霍尔电压传感器用来采集高压变频器交流侧和负载侧三相电压、各子模块电容电压信号和整流侧与逆变侧之间的直流电压；霍尔电流传感器用来采集高压变频器交流侧和负载侧三相电流、各桥臂电流信号。采集的电压、电流信号用于实现高压变频器整流侧和逆变侧的装置级控制和系统级控制。

数据采集板上的AD7606，用于采集变频器相关的电压、电流信号，用于主控板中的控制算法。AD7606可以同时对8路差分模拟信号进行采集，采集后每帧数据的位数是16位，通过并行的方式传送给FPGA。

数据采集板上的FPGA，对AD7606采集的每帧数据加上一位起始位、一位奇偶校验位、一位停止位，每帧数据编码成19位，经过并串转换将并行信号转换成串行信号，传送给数据采集板上的光纤接口板。

数据采集板上的光纤接口板包括：多个型号为HFBR-1528的光发送器、电光转换电路。光纤接口板将FPGA产生的电信号转换成光信号，通过光纤，传送给主控板的光纤板。

数据采集板上的光纤接口板，将数据采集板内FPGA采集的电压、电流电信号转换成光信号，通过光纤传送给主控板。

数据采集板上的晶振，为FPGA提供50MHz的振荡频率。

数据采集板上的FLASH，用来存放FPGA的启动程序。

如图6所示，子控板包括电源模块、光纤接口板、IGBT驱动板。

子控板上的电源模块，为光纤接口板和IGBT驱动提供电源。输入有AC220V，输出有DC+17V、DC+5V、DC-5V，给光纤接口板和IGBT驱动板供电。

子控板上的光纤接口板包括：型号为HFBR-2528的光接收器、光电转换电路。将主控板发送的PWM光信号准换成PWM电信号，再传送给IGBT驱动。控制层与现场层之间信号通过光纤传输，有利于隔离现场层对控制层之间的电磁干扰和控制信号的远距离传输。

子控板上的驱动板用来驱动各子模块的IGBT的开通和关断，通过IGBT驱动板，将主控发来的PWM信号进行电平转换。PWM信号的高电平转换成+17V，以快速开通IGBT；PWM信号的低电平转换成-5V，以快速关断IGBT。IGBT驱动板还有对IGBT的欠压和过流保护功能，当出现欠压和过流情况，及时关闭IGBT。

本发明模块化多电平高压变频器的控制装置及控制方法，针对模块化多电平高压变频器的特殊结构，提出了适合模块化多电平高压变频器的分层控制方式，包括监控层、控制层、现场层；监控层包括采用LabVIEW设计的具体控制上位机；控制层采用处理计算功能强大的OMAP-L137和FPGA；现场层包括多个数据采集板和多个子控板。对模块化多电平高压变频器的整流侧和逆变侧采用单独的控制方式，DSP数据采集接口资源和PWM输出接口资源数量充分满足模块化多电平高压变频器的控制要求。

本发明模块化多电平高压变频器的控制装置及控制方法，采用模块化多电平结构的高压变频器的控制，包括高压变频器的整流侧控制和逆变侧控制。整流侧控制是将三相交流电源整流成高压直流，逆变侧是将高压直流逆变成三相交流，供给负载动力，达到变频调速、拖动的功能。

现场层的数据采集板采集交流侧三相电压、直流母线电压、交流侧三相电流、整流侧和逆变侧各桥臂电流，采集的信号送入控制层的主控板进行计算处理。主控板将数据处理计算的结果，一方面将相关处理结果通过网线送到监控层的上位机，另一方面将控制算法产生的PWM波送到现场层的子控板。现场层的上位机具有主控板程序加载、数据监测、参数调节、远程控制等功能。现场层的子控板一方面接收主控板产生的PWM信号，驱动子模块的IGBT，控制子模块的投入和切除；另一方面对IGBT具有欠压和过流保护功能。完成对模块化多电平高压变频器的控制。

Claims (15)

1.一种模块化多电平高压变频器的控制装置，其特征在于：包括现场层、控制层和监控层；

所述现场层包括多个数据采集板和多个子控板；

所述数据采集板包括数据采集板电源模块、数据采集板光纤接口板、FPGA、数据采集板晶振、数据采集板FLASH芯片、AD7606、传感器模块；

所述数据采集板电源模块为数据采集板各芯片提供电源，输入AC220V，输出DC+15V，DC-15V、DC+5V、DC+3.3V、DC+1.2V；

所述传感器模块包括多个霍尔电压传感器和多个霍尔电流传感器；

所述AD7606用于采集变频器相关的电压、电流信号，用于主控板中的控制算法；对差分模拟信号进行采集，把采集到的信号通过并行的方式传送给FPGA；

所述FPGA用于对AD7606采集的数据进行数据编码，将经过并串信号转换将并行信号转换成串行信号，传送给数据采集板上的光纤接口板；

所述数据采集板光纤接口板，用于将数据采集板内FPGA采集的电压、电流电信号转换成光信号，通过光纤传送给主控板；

所述数据采集板晶振，用于为FPGA提供50MHz的振荡频率；

所述数据采集板FLASH芯片，用于存放FPGA的启动程序；

所述子控板包括子控板电源模块、子控板光纤接口板、IGBT驱动板；

所述子控板电源模块，用于为子控板光纤接口板和IGBT驱动提供电源。输入为AC220V，输出为DC+17V、DC+5V、DC-5V；

所述子控板光纤接口板，用于将主控板发送的PWM光信号转换成PWM电信号，再传送给IGBT驱动板；

所述IGBT驱动板，用于驱动各子模块的IGBT的开通和关断，将主控发来的PWM信号进行电平转换。对IGBT欠压和过流保护；

所述控制层包括主控板，

所述主控板包括主控板电源模块、主控板光纤接口板、主控板晶振、SDRAM芯片、主控板FLASH芯片、主控芯片OMAP-L137、辅控芯片FPGA；

所述主控板电源模块为主控板各芯片提供电源，输入DC+5V，输出DC+3.3V、DC+1.8V、DC+1.2V；

所述主控板晶振用于为OMAP-L137和FPGA提供50MHz的振荡频率；

所述主控板光纤接口板用于接收数据采集板传来的电压、电流信息，将主控板产生的PWM电信号，转换成光信号，发送到子控板；

所述SDRAM芯片用于存放OMAP-L137处理过程中产生的数据；

所述主控板FLASH芯片用于存放OMAP-L137和FPGA的启动程序；

所述主控芯片OMAP-L137；用于完成对高压变频器的控制策略计算与处理；

所述辅控芯片FPGA，用于接收现场层的数据采集板发来采集的电压、电流串行信号，将接收的串行信号解码，提取16位有效数据位，转换成并行信号，经过并行总线，传送到OMAP-L137；接收OMAP-L137计算得到的各个子模块的调制波，将调制波与内部产生的三角波进行比较，把得到的子模块IGBT的开关信号PWM波，发往光纤接口板；

所述监控层包括上位机；

所述上位机用于向主控板的主控芯片OMAP-L137和辅控芯片FPGA加载初始化程序；组织接收主控芯片OMAP-L137上传的监测数据；进行数据和波形录入；调用保存数据子程序，将数据保存到计算机硬盘中；进行数据和波形的调用查看，控制变频器相关运行参数；在变频器运行过程中，实时不停机地修改控制程序。

2.根据权利要求1所述模块化多电平高压变频器的控制装置，其特征在于：所述控制层与现场层之间通过光纤进行信号传输。

3.根据权利要求1所述模块化多电平高压变频器的控制装置，其特征在于：所述霍尔电压传感器用于采集高压变频器交流侧和负载侧三相电压、子模块电容电压信号、整流侧与逆变侧之间的直流电压；霍尔电流传感器用于采集高压变频器交流侧和负载侧三相电流、各桥臂电流信号；采集的电压、电流信号用于实现高压变频器整流侧和逆变侧的装置级控制和系统级控制。

4.根据权利要求1所述模块化多电平高压变频器的控制装置，其特征在于：所述主控板光纤接口板包括HFBR-2528光接收器、HFBR-1528光发送器、光电转换电路、电光转换电路。

5.根据权利要求1所述模块化多电平高压变频器的控制装置，其特征在于：数据采集板光纤接口板包括HFBR-1528光发送器、电光转换电路。

6.根据权利要求1所述模块化多电平高压变频器的控制装置，其特征在于：所述主控芯片OMAP-L137，包括DSPTMS320C6747芯片和ARM926EJ-S芯片，DSP用于完成计算任务，ARM用于完成与上位机的以太网通信任务。

7.根据权利要求1所述模块化多电平高压变频器的控制装置，其特征在于：所述上位机与下位机之间的通信协议采用TCP/IP协议。

8.一种基于模块化多电平高压变频器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括整流侧控制和逆变侧控制；

所述整流侧控制包括装置级控制和系统级控制；

所述装置级控制包括子模块稳压控制和子模块均压控制；

所述系统级控制包括外环功率控制和内环电流控制；

所述外环功率控制包括定有功功率控制和定无功功率控制；

所述逆变侧控制包括装置级控制和系统级控制；

所述装置级控制包括子模块稳压控制和子模块均压控制；

所述系统级控制包括外环功率控制和内环电流控制；

所述外环功率控制采用定直流电压控制和定无功功率控制。

9.根据权利要求8所述基于模块化多电平高压变频器的控制方法，其特征在于：所述整流侧控制采用载波移相调制算法，具体步骤如下：

对于每相个数为2N个子模块的桥臂，2N个子模块的三角载波依次移开1/2N个三角载波周期，对应的相位角为π/N；然后各三角波与调制产生的正弦波比较，产生对应的脉冲宽度信号，这些脉冲宽度信号驱动各子模块的IGBT，控制子模块单元的投入与切除；a、b、c三相调制波原理相同。

10.根据权利要求8所述的基于模块化多电平高压变频器的控制方法，其特征在于：所述子模块稳压控制用于实时控制整流侧子模块电容电压，具体方法如下：

以a相为例,使用霍尔电压传感器采集每个子模块中电容的实时电压V_C，V_C与电容电压设定值之间作差,得到a相稳压控制下的电压指令值即 的极性取决于上桥臂电流i_Pa和下桥臂电流i_Na的方向，参与子模块稳压控制。

11.根据权利要求8所述的基于模块化多电平高压变频器的控制方法，其特征在于：所述子模块均压控制用于通过控制各相电容电压的平均值来控制各相的总输出电压和控制相间环流，具体方法如下：

通过采样各相各子模块电容电压的平均值与给定的各相各子模块电容电压参考值相比较，经过比例积分调节，生成各相各子模块电容平均电压修正量通过的回馈控制，使三相各子模块电容电压的平均值稳定在给定的电容电压值很小波动范围内，得到子模块均压控制。

12.根据权利要求8所述的基于模块化多电平高压变频器的控制方法，其特征在于：所述定有功功率控制，具体控制方法如下：

有功功率参考值P_{s_ref}与系统实际提供的有功功率P_s之差，经过比例积分调节，得到为内环电流控制提供交流侧电流d轴分量的指令值i_{sd_ref}，即i_{sd_ref}＝k_p(P_{s_ref}-P_s)+k_i∫(P_{s_ref}-P_s)dt，其中P_s为有功功率值，P_{s_ref}为有功功率参考值，k_p是比例常数，k_i是积分常数，i_{sd_ref}是内环电流控制提供交流侧电流的d轴分量的指令值。

13.根据权利要求8所述的基于模块化多电平高压变频器的控制方法，其特征在于：所述定无功功率控制，具体控制方法如下：

无功功率参考值Q_{s_ref}与系统实际提供的无功功率Q_s之差，经过比例积分调节，得到为内环电流控制提供交流侧电流q轴分量的指令值i_{sq_ref}，即i_{sq_ref}＝k_p(Q_{s_ref}-Q_s)+k_i∫(Q_{s_ref}-Q_s)dt，其中：Q_S是无功功率值，Q_{s_ref}是无功功率参考值，k_p是比例常数，k_i是积分常数，得到定无功功率控制。

14.根据权利要求8所述的基于模块化多电平高压变频器的控制方法，其特征在于：所述内环电流控制，具体控制方法如下：

交流输入侧的三相电流i_sa、i_sb、i_sc经过3/2变换，得到d、q轴分量i_sd、i_sq；交流输入侧的三相电压u_sa、u_sb、u_sc经过3/2变换，得到d、q轴分量u_sd、u_sq；经过内环电流控制算法，得到交流侧输出电压在d、q坐标下的参考值u_{d_ref}和u_{q_ref}，u_{d_ref}和u_{q_ref}经过2/3变换，得到交流输入侧三相参考电压u_ra、u_rb、u_rc，参与调制，得到内环电流控制。

15.根据权利要求8所述的基于模块化多电平高压变频器的控制方法，其特征在于：所述定直流电压控制，具体控制方法如下：

直流母线电压U_dc与直流母线电压的参考值U_{dc_ref}之差，经过比例积分调节，得到为内环电流控制提供交流侧电流d轴分量的指令值i_{sd_ref}，即：i_{sd_ref}＝k_p(U_{dc_ref}-U_dc)+k_i∫(U_{dc_ref}-U_dc)dt，其中：U_dc是整流侧和逆变侧之间的直流母线电压，U_{dc_ref}是直流母线电压的参考值，k_p是比例常数，k_i是积分常数，i_{sd_ref}是为内环电流控制提供交流侧电流的d轴分量的指令值，得到定直流电压控制。