CN105391310B - 大功率变流装置的智能功率单元及控制方法 - Google Patents

大功率变流装置的智能功率单元及控制方法 Download PDF

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Abstract

大功率变流装置的智能功率单元及控制方法。用于高压变频器和光伏逆变器。变频器为每相布置在多层的多功率单元串联而成。功率单元设单元现场可编逻辑阵列FPGA,单片机单元STM32,两者间用串口SPI连接。母线过压检测、温度测量、有闪烁灯指示的桥臂开路短路状态检测和脉宽测量等接FPGA入口,出口接驱动电路。主控系统为在同一主板上的中央数据控制器和层控制器。它与单元FPGA间用两根光纤实现双向传输。且均有通信状态检测,并按规定时序发射实现抗干扰性强、保证故障响应的实时性。脉宽测量死区补偿按真实波形进行,补偿精度最高,变频电机波形不变、扭矩稳定。测试结果表明:通信速度快、同步性好、可靠性高。性能全面优化智能化时成本低。用于变频电机的驱动电源和光伏逆变器电源。

Description

大功率变流装置的智能功率单元及控制方法
(一)技术领域：本发明涉及的变流装置主要包括高压变频器和光伏逆变器。高压变频器一般用于大型高压变频电动机的驱动电源,如火力发电厂、冶炼厂、水泥厂等高压大型风机的驱动电源。光伏逆变器作为供电电源。属交流间或交直流间的变换类 (H02M)。
(二)背景技术
高压变频器用作高压变频电机的调频驱动电源,是一种大功率高电压设备,其结构见图1、图2。见图1,三相交流市电1n经移相变压器获得移相三相交流电1,输入到每相每个功率单元,每相多个功率单元串联(经桥臂中端W1 W2端头串联),形成高压。高压端接变频电机M。图1中仅画2个串联功率单元示意。设一个放在外部总控制柜的主控系统9。见图2,每个功率单元主回路由移相三相交流电1、整流滤波电路2和IGBT全桥逆变器3组成。
见图1,高压变频器每相串联的若干功率单元形成<级联层数>。按电压和功率的需要确定,典型的级联层数为16。采用<级联结构>目的是提高输出波形中基波含量，避免使用体积大，价格昂贵的滤波器。但是随着功率和电圧的增大,级联结构的采用,在故障检测能力、死区补偿精度、信息传输的可靠性、同步控制、成本等方面,现有的控制系统及方法均难以满足需求。
见图9,光伏逆变器虽然主回路由光伏电池1m、电容滤波电路2m、IGBT 三相逆变器3m组成；但同样,对大功率光伏逆变器的控制部分中,故障检测能力、死区补偿精度、信息传输的可靠性、成本等方面,也需性能全面优化及智能化以满足发电和并网要求。
(三)发明内容：
本发明提供的大功率变流装置的智能功率单元及控制方法，其目的就是解决现有高压变频器和光伏 逆变器等故障检测和处理能力不足、死区补偿精度低；同时需保证信息传输的可靠性、同步控制；在性能全面优化智能化同时需要产品成本低亷。
技术方案如下:
大功率变流装置的智能功率单元,包括:1)用于高压变频器,每相均串接多个功率单元形成高压电源；每个功率单元主回路由三相交流市电1n经过移相变压器向各功率单元提供移相后的三相交流电1、整流滤波电路2、IGBT全桥逆变器3组成；或者2)用于光伏逆变器；每相主回路由光伏电池1m、电容滤波电路2m、IGBT三相逆变器3m组成；3) 每个IGBT并联有用于排除故障的旁路二极管；4)每个功率单元内有脉宽测量电路、故障检测电路、驱动电路；外部设有控制所有功率单元的主控系统；其特征是：
1)每个功率单元控制部分设一片现场可编逻辑阵列单元FPGA 5,一片单片机单元STM32 6,两者间用单元高速同步串口SPI 6.1直接连接。脉宽测量电路接单元FPGA输入口；驱动电路接单元FPGA的输出口；单元FPGA与主控系统间用光纤通信系统7传输信息。
2)所述故障检测电路设如下的母线过压检测电路4.1:首端接主回路直流母线电压D端的由电阻R1、R2、R3、R4组成母线电压分压电路4.11,顺次连接运放U1、线性光耦隔离电路4.12；然后再分两路连接:一路经截止频率1kHz的低通滤波器4.14接单元STM32输入IO口；另一路经滞环比较电路4.13接单元 FPGA的输入IO口。
3)所述故障检测电路设如下的桥臂状态检测电路4.2:首端接主回路桥臂中点的由电阻R6、R7、R8、R9组成的IGBT桥臂输出电压的分压电路4.21，顺次连接与3V参考电压进行比较的运放U2、高速光耦6N137隔离电路4.22、有电阻R11和R12的分压电路4.23、再接10MHz低通滤波器4.24,最后接单元FPGA的输入IO口；单元FPGA的输出口连接多个LED灯5.1，每个IGBT配置一个LED灯, 且按不同故障状态设不同闪烁信号。
4)所述故障检测电路设如下的散热器温度测量电路4.3:顺次连接并联有电容C14的负温度系数热敏电阻R15、普通电阻R16、R20、R22构成的桥式电路4.31；由电阻 R17、R19、R14、R21、运放U3组成的差分放大电路4.32；线性隔离电路4.33；截止频率为1kHz的低通滤波器4.34；最后接单元STM32的输入IO口。
5)脉宽测量电路4如下组成:①由运放U41、电容C41、电阻R42、R44、R43、 R45、R46组成的基准电压产生电路；②由电容C42、电阻R41、R47组成的积分电路；③由比较器U42和U43组成比较电路,比较器U42和U43输出端S1、S2接单元FPGA 5两个输入IO口；④由晶体管Q41、Q42组成的初始化电路:两晶体管基极分别接单元FPGA 5输出接口G1、G2；⑤设上述R42＝R41；R44＝R47；R43＝ R46﹤﹤(R43+R45+R46)；C41﹥﹥C42。式(A)
6)所述主控系统9内有在同一主板上的中央数据控制器9A和用高速同步串口SPI9C直接连接的每一层的层控制器9B；而各层控制器与该层各个单元FPGA间信息传输采用双向传输的两根光纤的如下光纤通信系统7；第一根光纤7.1两端分别连接与单元FPGA连接的光纤发射器5.1和与层控制器连接在主板上的层光纤接收器9.1；第二根光纤7.2两端分别连接与层控制器连接在主板上的层光纤发送器9.2和与单元FPGA连接的光纤接收器5.2；且单元FPGA和层控制器内分别有专用通信串口5D、9D。
上述大功率变流装置的智能功率单元的控制方法,其特征是
ⅰ)故障检测电路将故障信息输入单元FPGA，由专用通信串口5D将故障信息添加到串口通信数据帧的每一字节中,每一帧数据中都增加一故障信号位；且单元FPGA和层控制器均按专用通信协仪中的以下时序将数据分别发送到光纤发送器5.1和层光纤发送器9.2：①发送2字节无效数据；②发送帧头；③发串口数据；④发送帧尾；⑤发送无效数据；串口空闲时保持发送无效数据。
ⅱ)单元FPGA和层控制器均独立设有通信状态检测：通信状态检测采用硬件描述语言 HDL编写,层控制器在每一个PWM周期中没有收到某一个单元FPGA的通信数据,设置相应存储器为0，同时向同层其他功率单元的单元FPGA发送旁路命令；某一个单元FPGA在每一个PWM周期没有收到层控制器的数据,则通过该单元FPGA控制驱动电路8对桥臂进行停机保护。
ⅲ)在桥臂状态检测电路中,单元FPGA判断的桥臂各种故障类型、对应故障电路状态、处理方法、旁路电流路径及灯闪烁信号如下:1)上臂开路故障:上臂驱动信号为高电平时，驱动电路中驱动光耦返回低电平；控制下臂旁路,IGBT Q2、Q4闭合；电流从桥臂中端W1或中端W2进入,依次流过IGBT Q2、旁路二极管D34或IGBTQ4、旁路二极管D32,从中端W2或中端W1流出；上臂故障指示灯闪烁对应信号。2)上臂短路故障: 下臂驱动信号为高电平时，桥臂状态检测电路输出高电平；控制上臂旁路,IGBT Q1、 Q3闭合；电流从桥臂中端W1或中端W2进入,依次流过旁路二极管D31、IGBT Q3或旁路二极管D33、IGBTQ1,从中端W2或中端W1流出；上臂故障指示灯闪烁对应信号。3) 下臂开路故障:电流流入桥臂时，下臂驱动信号为高电平时，桥臂状态检测电路输出高电平；控制上臂旁路,IGBT Q1、Q3闭合；电流从桥臂中端W1或中端W2进入,依次流过旁路二极管D31、IGBT Q3或旁路二极管D33、IGBTQ1,从中端W2或中端W1流出；下臂故障指示灯闪烁对应信号。4)下臂短路故障:上臂驱动信号为高电平时，驱动电路驱动光耦返回低电平；控制下臂旁路,IGBT Q2、Q4闭合；电流从桥臂中端W1或中端W2进入,依次流过IGBT Q2、旁路二极管D34或IGBTQ4、旁路二极管D32,从中端 W2或中端W1流出；下臂故障指示灯闪烁对应信号。单元FPGA将上述故障信息发送给层控制器，由层控制器控制同层其他功率单元进行相同的故障处理。
ⅳ)上述脉宽测量电路采用对应的硬件死区补偿方法如下:
①主控系统向单元FPGA提供给定矩形脉冲波形U7:上升沿零时刻t0,下降沿零时刻 t02。②在时刻t0时,单元FPGA控制晶体管Q42断开,实际脉冲电压Ua经过R41、R47分压给C42充电；此过程是对实际脉冲电压Ua上升沿积分的过程。③当C42两端电压高于基准电压Vref1时，比较器U42输出高电平，单元FPGA 5捕获此上升沿，并记录上升沿积分结束时间为t1；同时，单元FPGA 5控制晶体管Q41闭合，将电容C42两端电压UC42初始化为运放U42输出电压。④设等效矩形脉冲UX上升沿时刻tc1时脉冲高度为Udc，电容C2 两端电压为UC2,令：
根据积分电路，有：
式(B)中在满足式(A)的条件下，有：
获得
⑤在给定脉冲U7下降沿零时刻t02，FPGA控制晶体管Q41断开，电容C42 经过R41、R47放电，此过程是对实际脉冲电压Ua下降沿积分的过程。⑥当电容C42两端电压低于基准电压Vref2时，比较器U43输出低电平，FPGA 捕获此下降沿，并记录下降沿积分结束时间t2；同时，FPGA控制晶体管Q42 闭合，将电容C42两端电压初始化为0。⑦在下降沿积分过程中，假设实际脉冲等效矩形脉冲UX下降沿零时刻为tc2，有：
在满足式(A)的条件下，有：
由此便获得
最后确定出等效矩形脉冲UX宽度为：BX＝tc2-tc1＝t2-t1
⑧单元FPGA 5由获得的脉冲宽度BX和给定的脉冲宽度B7,得到当前脉冲宽度误差△＝BX- B7；并由单元FPGA 5对脉冲误差进行累加，累加结果作为下一次脉冲脉宽的补偿值，即下一次单元FPGA 5输出脉冲宽度等于其接收到的给定脉冲宽度加上脉宽补偿值。单元 FPGA 5输出脉冲经驱动电路控制IGBT全桥逆变器3。
本发明有益效果：
1)功率单元集成直流母线电压测量、直流母线过压保护(见图3)、散热器温度测量(见图5)，不需要单独的信号采集板，节省了成本。2)功率单元集成桥臂状态检测(见图4)，可准确判断桥臂IGBT是否处于开路、短路故障状态。当桥臂IGBT出现开路或者短路时，通过板上的LED灯不同的闪烁状态显示，方便调试工程师快速判断故障并解决问题。3)选用芯片FPGA, 计算速度快,适合智能功率单元全方位控制。4)设计的脉宽测量电路和对应死区补偿方法是按真实脉宽波形进行,死区补偿精度最高；保证变频电机波形不变、扭矩稳定。且测量效率高、测量电路电圧稳定。硬件死区补偿方法达世界先进水平。
5)主控系统与单元FPGA之间采用的光纤通信系统7及通信方法有如下效果:
①光纤通信系统基本是纯硬件实现,避免程序跑飞,通信可靠性高。采用的芯片FPGA,无法破解。②采用中央数据控制器9A和多个层控制器9B直接连接的结构(即CDC-MASTER架构)。该架构通过增加层控制器可以非常容易地扩展系统容量。层控制器也采用普通易于购买的FPGA芯片，使高压变频器成本低。③中央数据控制器与层控制器间直接用高速同步串口9C(SPI), 保证数据帧同步,通信可靠性高。④层控制器与单元FPGA有独立实时通信状态监测装置，在通信中断的条件下，立即启动保护措施，避免IGBT损坏或者输出波形畸变。⑤单元FPGA采用专用通信串口5D，它可以将故障信息添加到与层控制器通信数据帧的每一字节中。为此,方便层控制器实时查看功率单元状态，当功率单元发生故障，层控制器可以立即控制旁路该层所有功率单元，保证高压变频器还可以正常输出。另一方面,也在一定程度上防止非原厂的山寨配件使用。⑥单元FPGA和层控制器按专有通信协议时序发射,其效果是:A.首先设置专用的帧头、帧尾,没有帧头帧尾的数据丢弃,抗干扰性强。B.通信同步速度快,层主控制器与单元FPGA之前通信同步时间小于3us。C.单元FPGA在每一帧数据的每一字节中都增加一故障信号位，保证了故障响应的实时性。此技术可应用于高压大功率变频器、并联大功率光伏逆变器、电网无功功率补偿及谐波治理的功率单元驱动。⑦测试结果表明:通信速度高,同步性好。从CDC(中央数据控制器9A)到SLAVE(单元FPGA)数据传输时间20us(层控制器帧长度为9字节)。CDC和SLAVE定时器误差最大为0.05uS,当载波周期100uS时,误差为万分之5,下行数据延迟为0个PWM,上行数据延迟为1个 PWM。
(四)附图说明
图1实施例1:级联高压变频器系统总结构示意图。(说明:图1中线上三条斜短线表示3根线。线上两条斜短线表示2根线。图1中每相仅画出了两个串联功率单元。)
图2实施例1:高压变频器每个功率单元组成示意图。(包括:主回路为电路图,控制单元为框图)
图3母线过压检测电路4.1电路图。
图4桥臂状态检测电路4.2电路图。
图5散热器温度检测电路4.3电路图。
图6脉宽测量电路4电路图。
图7对应死区补偿方法脉宽测量涉及的三个波形示图。说明:
1)给定矩形脉冲波形U7:图中用细实线画出。上升沿零时刻t0,下降沿零时刻t02。由主控系统9提供。2)IGBT逆变器输出的实际PWM脉冲波形Ua:图中用粗实线画出。上升沿开始时刻为t11和下降沿结束时刻为 t12。测量中单元FPGA 5记录的t1是上升沿积分结束时刻，t2是下降沿积分结束时间。3)等效矩形脉冲波形Ux:图中用虚线画出。上升沿零时刻为tc1和下降沿零时刻为tc2。
图8主控系统9、光纤通信系统7和单元FPGA 5间通信框图。
图9实施例2:光伏逆变器每个功率单元组成示意图。(包括:主回路为电路图,控制系统为框图)。
(五)具体实施方式
实施例1:用于高压变频器
见图2,高压变频器每个功率单元主回路由移相后三相交流电1、整流滤波电路2、IGBT全桥逆变器3组成。每个IGBT上并联一个用于自动旁路和故障处理的旁路二极管D31、D32、D33、D34。每个功率单元内有脉宽测量电路 4、故障检测电路、驱动电路8；外部设有控制所有功率单元的主控系统9。
本实施例1改进的控制系统:
1)见图2,功率单元控制部分设一片单元FPGA 5,一片单元STM32 6 (STM32是单片机的型号),两者间用单元高速同步串口SPI 6.1直接连接。脉宽测量电路4接单元FPGA输入口；单元FPGA的输出口接驱动电路8。单元 FPGA与主控系统9间用光纤通信系统7传输信息。见图2,功率单元总控制过程:单元FPGA接收脉宽测量电路4、故障检测电路4.1-4.3信息,并计算确认后上传外部主控系统9,并下达主控系统指令,控制驱动电路8执行。驱动电路直接接IGBT 绝缘栅极,直接控制输出脉冲,比如:包括脉宽pmw调制、自动旁路和故障处理、变频控制等。
2)见图3、图2,设如下的母线过压检测电路4.1:首端接主回路直流母线电压D 端的由电阻R1、R2、R3、R4组成母线电压分压电路4.11,顺次连接运放U1、线性光耦隔离电路4.12；然后再分两路连接:一路经截止频率1kHz的低通滤波器4.14接单元STM32的输入口，由STM32内部数/模转换器(A/D)转换取样；另一路经滞环比较电路4.13接单元FPGA 5的输入IO口判断母线过压状态。
检测及过压保护过程简述:分压电路4.11测出母线电压,由运放U1跟随电路缓冲，经线性光耦隔离电路4.12隔离后,电压一方面经RC低通滤波器滤除高频噪声后送到STM32进行A/D转换后供取样，另一方面经滞环比较电路比较输出高低电平给单元FPGA，用于判断母线状态,当判断母线处于过压状态,单元FPGA 5通过光纤通信系统传輸,主控系统控制停机或者停止减速。
3)见图4、图2,设如下的桥臂运行状态检测电路4.2:首端接主回路桥臂中点W1和W2(也是中点Aa和Ab),由电阻R6、R7、R8、R9组成的IGBT桥臂输出电压的分压电路4.21，顺次连接与3V参考电压进行比较的运放U2、高速光耦6N137隔离电路4.22、分压成幅值为3.3V矩形波的有电阻R11和 R12的分压电路4.23、再接10MHz低通滤波器4.24,最后接到单元FPGA 5的输入IO口。单元FPGA 5的输出口连接有4个LED 5.1，即每个IGBT设置一个LED灯；且按不同故障状态设不同闪烁信号。见图4,桥臂状态检测过程简述:电阻分压电路4.21分压后,由运放U2与3V参考进行比较，比较电流输出信号经数字光耦隔离电路4.22隔离，隔离输出信号再经电阻分压电路4.23分压成幅值为3.3V矩形波后,送入单元FPGA。
4)见图5、图2:设如下的散热器温度测量电路4.3:顺次连接由并联有电容C14的负温度系数热敏电阻R15、普通电阻R16、R20、R22构成的桥式电路4.31；由电阻R17、R19、R14、R20、R21、运放U3组成的差分放大电路 4.32；线性隔离电路4.33；截止频率为1kHz的低通滤波器4.34；最后接单元STM32 6的输入IO口。上述热敏电阻R15贴在每个功率单元内散热器表面。
见图5,散热器温度测量及过热保护过程:当负温度系数热敏电阻R15采集到散热器温度,通过桥式电路4.31、差分放大电路4.32比较放大,再经线性光耦隔离电路4.33 隔离,RC低通滤波器4.34滤波,将比较放大隔离滤波后温度电信号送入单元STM32 6。单元STM326计算判断后，将过热电信号通过串口6.1送入单元FPGA 5,单元 FPGA5通过光纤通信系统传输,主控系统控制停机。
5)见图6,脉宽测量电路4如下组成:①由运放U41、电容C41、电阻R42、 R44、R43、R45、R46组成的基准电压产生电路Ⅰ。②由电容C42、电阻 R41、R47组成的积分电路Ⅱ。③由比较器U42和U43组成比较电路Ⅲ,比较器 U42和U43输出端S1、S2接单元FPGA 5两个输入I0口。④由晶体管Q41、 Q42组成的初始化电路:两晶体管基极分别接单元FPGA 5输出IO口；⑤设上述R42＝R41；R44＝R47；R43＝R46﹤﹤(R43+R45+R46)；C41﹥﹥C42。式 (A)
6)见图2,图8,主控系统9内有在同一主板上的中央数据控制器9A和用高速同步串口 SPI 9C直接连接的高压变频器每一层的层控制器9B。中央数据控制器由一片单片机STM32 9A1和一片FPGA 9A2组成,每一层的层控制器9B由一片FPGA组成。图8中画出了两层层控制器9B；每层层控制器9B与三个单元FPGA 6通信连接。
见图8,每层层控制器9B与该层各个单元FPGA间信息传输采用双向传输的两根光纤的如下光纤通信系统7:第一根光纤7.1两端分别连接与单元FPGA5连接的光纤发射器5.1和与层控制器9B连接在主板上的层光纤接收器9.1；第二根光纤7.2两端分别连接与层控制器9B连接在主板上的层光纤发送器9.2和与单元FPGA5连接的光纤接收器5.2；且单元FPGA5内有专用通信串口5D,层控制器9B内有专用通信串口9D。
一般,第一根光纤7.1是由单元FPGA发送状态数据；第二根光纤7.2是由层控制器向单元FPGA传输指令信号。光纤通信传输速度为12.5Mbit/s。
见图8,上述中央数据控制器9A、两层层控制器9B、与每一层层控制器9B相连的三组层光纤发射器9.2和层光纤接收器9.1等均设同一主板上。主板上中央数据控制器9A和每一层层控制器9B之间均通过高速同步串口(SPI)9C通信,SPI 的通信传输速度为33.3Mbit/s。层控制器9B分两种型号:0:3HB、1:3FB。其中,3HB是指三相半桥。3FB是指三相全桥。
本实施例1上述高压变频器智能功率单元的控制方法,其特征如下
ⅰ)见图2,故障检测电路将故障信息输入单元FPGA，由专用通信串口5D将故障信息添加到串口通信数据帧的每一字节中,每一帧数据中都增加一故障信号位。见图8, 单元FPGA和层控制器均按专用通信协仪中的以下时序将数据分别发送到光纤发送器 5.1和层光纤发送器9.2：①发送2字节无效数据；②发送帧头；③发串口数据；④发送帧尾；⑤发送无效数据；串口空闲时保持发送无效数据。
ⅱ)见图8,单元FPGA和层控制器9B均独立设有通信状态检测：通信状态检测采用硬件描述语言HDL编写,层控制器在每一个PWM周期中没有收到某一个单元FPGA的通信数据, 设置相应存储器为0，同时向同层其他功率单元的单元FPGA发送旁路命令。某一个单元FPGA在每一个PWM周期没有收到层控制器的数据,则通过该单元FPGA控制驱动电路8对桥臂进行停机保护。
ⅲ)见图4,在上述桥臂状态检测电路4.2中,将检测结果送入单元FPGA,单元 FPGA判断的桥臂各种故障类型、对应故障电路状态、处理方法、旁路电流路径及灯闪烁信号如下:
①见图2,上臂开路故障:对应故障电路状态:上臂驱动信号为高电平时，驱动电路中驱动光耦返回低电平。处理方法:控制下臂旁路,IGBT Q2、Q4闭合。旁路电流路径:电流从桥臂中端W1进入,依次流过IGBT Q2、旁路二极管 D34,从中端W2流出；或者，电流从中端W2进入，依次流过IGBTQ4、旁路二极管D32，从中端W1流出。灯闪烁信号:上臂故障指示灯闪烁对应信号一长一短。
②见图2,上臂短路故障:下臂驱动信号为高电平时，桥臂状态检测电路输出高电平。控制上臂旁路,IGBT Q1、Q3闭合。电流从桥臂中端W1进入, 依次流过旁路二极管D31、IGBT Q3,从中端W2流出；或者，电流从中端W2 进入，依次流过旁路二极管D33、IGBTQ1，从中端W1流出。上臂故障指示灯闪烁对应信号一长两短。
③见图2,下臂开路故障:当电流流入桥臂时，下臂驱动信号为高电平时，桥臂状态检测电路输出高电平。控制上臂旁路,IGBT Q1、Q3闭合。电流从桥臂中端W1进入,依次流过旁路二极管D31、IGBT Q3,从中端W2流出；或者，电流从中端W2进入，依次流过旁路二极管D33、IGBTQ1，从中端W1流出。下臂故障指示灯闪烁对应信号一长一短。
④见图2,下臂短路故障:上臂驱动信号为高电平时，驱动电路驱动光耦返回低电平。控制下臂旁路,IGBT Q2、Q4闭合。电流从桥臂中端W1进入, 依次流过IGBT Q2、旁路二极管D34,从中端W2流出；或者，电流从中端W2 进入，依次流过IGBTQ4、旁路二极管D32，从中端W1流出；下臂故障指示灯闪烁对应信号一长两短。
见图8,单元FPGA将上述故障信息发送给层控制器9B，由层控制器9B控制同层其他功率单元进行相同的故障处理。
ⅳ)与上述脉宽测量电路4相配合的硬件死区补偿方法简述如下:
①见图7,主控系统9向单元FPGA 5提供给定矩形脉冲波形U7:上升沿零时刻t0,下降沿零时刻t02。
②见图6,在时刻t0时,单元FPGA 5控制晶体管Q42断开,实际脉冲电压Ua经过R41、R47分压给C42充电；此过程是对实际脉冲电压Ua上升沿积分的过程。
③见图6,当C42两端电压高于基准电压Vref1时，比较器U42输出高电平，单元FPGA 5捕获此上升沿，并记录上升沿积分结束时间为t1；同时，单元FPGA 5控制晶体管Q41闭合，将电容C42两端电压Uc42初始化为运放U42输出电压。
④见图7,设等效矩形脉冲UX上升沿时刻tc1时脉冲高度为Udc，电容C2 两端电压为UC2,令：
根据积分电路，有：
式(B)中在满足式(A)的条件下，有：
获得
⑤见图7,在给定脉冲U7下降沿时刻t02，见图6,FPGA控制晶体管Q41 断开，电容C42经过R41、R47放电，此过程是对实际脉冲电压Ua下降沿积分的过程。
⑥见图6,当电容C42两端电压低于基准电压Vref2时，比较器U43输出低电平，FPGA捕获此下降沿，并记录下降沿积分结束时间t2。同时，FPGA 控制晶体管Q42闭合，将电容C42两端电压初始化为0。
⑦在下降沿积分过程中，假设实际脉冲等效矩形脉冲下降沿时刻为tc2，有：
在满足式(A)的条件下，有：
由此便获得
最后确定出等效矩形脉冲UX宽度为：
BX＝tc2-tc1＝t2-t1
⑧见图7,单元FPGA 5由获得的脉冲宽度BX和给定的脉冲宽度B7,得到当前脉冲宽度误差△＝BX-B7；并由单元FPGA 5对脉冲误差进行累加，累加结果作为下一次脉冲脉宽的补偿值，即下一次单元FPGA 5输出脉冲宽度等于其接收到的给定脉冲宽度加上脉宽补偿值；见图2,单元FPGA 5输出脉冲经驱动电路6控制IGBT全桥逆变器3。
实施例2:用于光伏逆变器
见图9,本实施例大功率光伏逆变器的智能功率单元及控制方法,除以下特征外,其于与实施例1完全相同:
1)见图9,光伏逆变器的主回路由光伏电池板1m，电容滤波电路2m，IGBT三相逆变桥3m组成。
在实施例1中的高压变频器对应的主回路见图2和图1。见图1,三相变频电源中每相均串接多个<功率单元>而形成高压电源,三相交流市电1经过移相变压器向各<功率单元>提供移相后三相交流电1；每个功率单元主回路由移相后三相交流电1、整流滤波电路2、IGBT全桥逆变器3组成。也就是本实施例2光伏逆变器主回路由图9主回路替代实施例1中图1和图2主回路。
2)见图9,光伏逆变器三相逆变桥3m是3个桥臂，而实施例1图2中高压变频器 IGBT全桥逆变器3为两个桥臂。
3)见图9,光伏逆变器主控系统9m中没有变频程序,而图1实施例1中高压变频器主控系统9中有变频程序。

Claims (2)

1.大功率变流装置的智能功率单元,包括:1)用于高压变频器,每相均串接多个功率单元形成高压电源；每个功率单元主回路由三相交流市电(1n)经过移相变压器向各功率单元提供移相后的三相交流电(1)、整流滤波电路(2)、IGBT全桥逆变器(3)组成；或者2)用于光伏逆变器；每相主回路由光伏电池(1m)、电容滤波电路(2m)、IGBT三相逆变器(3m)组成；3)每个IGBT并联有用于排除故障的旁路二极管；4)每个功率单元内有脉宽测量电路、故障检测电路、驱动电路；外部设有控制所有功率单元的主控系统；
其特征是：
1)每个功率单元控制部分设一片现场可编逻辑阵列单元FPGA(5),一片单片机单元STM32(6),两者间用单元高速同步串口SPI(6.1)直接连接；脉宽测量电路接单元FPGA输入口；驱动电路接单元FPGA的输出口；单元FPGA与主控系统间用光纤通信系统(7)传输信息；
2)所述故障检测电路设如下的母线过压检测电路(4.1):首端接主回路直流母线电压D端的由电阻R1、R2、R3、R4组成母线电压分压电路(4.11),顺次连接运放U1、线性光耦隔离电路(4.12)；然后再分两路连接:一路经截止频率1kHz的低通滤波器(4.14)接单元STM32输入IO口；另一路经滞环比较电路(4.13)接单元FPGA的输入IO口；
3)所述故障检测电路设如下的桥臂状态检测电路(4.2):首端接主回路桥臂中点的由电阻R6、R7、R8、R9组成的IGBT桥臂输出电压的分压电路(4.21)，顺次连接与3V参考电压进行比较的运放U2、高速光耦6N137隔离电路(4.22)、有电阻R11和R12的分压电路(4.23)、再接10MHz低通滤波器(4.24),最后接单元FPGA的输入IO口；单元FPGA的输出口连接多个LED灯(5.1)，每个IGBT配置一个LED灯,且按不同故障状态设不同闪烁信号；
4)所述故障检测电路设如下的散热器温度测量电路(4.3):顺次连接并联有电容C14的负温度系数热敏电阻R15、普通电阻R16、R20、R22构成的桥式电路(4.31)；由电阻R17、R19、R14、R21、运放U3组成的差分放大电路(4.32)；线性隔离电路(4.33)；截止频率为1kHz的低通滤波器(4.34)；最后接单元STM32的输入IO口；
5)脉宽测量电路4如下组成:①由运放U41、电容C41、电阻R42、R44、R43、R45、R46组成的基准电压产生电路；②由电容C42、电阻R41、R47组成的积分电路；③由比较器U42和U43组成比较电路,比较器U42和U43输出端S1、S2接单元FPGA两个输入IO口；④由晶体管Q41、Q42组成的初始化电路:两晶体管基极分别接单元FPGA输出接口G1、G2；⑤设上述R42＝R41；R44＝R47；R43＝R46﹤﹤(R43+R45+R46)；C41﹥﹥C42； (A)
6)所述主控系统(9)内有在同一主板上的中央数据控制器(9A)和用高速同步串口SPI(9C)直接连接的每一层的层控制器(9B)；而各层控制器与该层各个单元FPGA间信息传输采用双向传输的两根光纤的如下光纤通信系统(7)；第一根光纤(7.1)两端分别连接与单元FPGA连接的光纤发射器(5.1)和与层控制器连接在主板上的层光纤接收器(9.1)；第二根光纤(7.2)两端分别连接与层控制器连接在主板上的层光纤发送器(9.2)和与单元FPGA连接的光纤接收器(5.2)；且单元FPGA和层控制器内分别有专用通信串口(5D、9D)。
2.按权利要求1所述大功率变流装置的智能功率单元的控制方法,其特征是
ⅰ)故障检测电路将故障信息输入单元FPGA，由单元FPGA专用通信串口(5D)将故障信息添加到串口通信数据帧的每一字节中,每一帧数据中都增加一故障信号位；且单元FPGA和层控制器均按专用通信协仪中的以下时序将数据分别发送到光纤发送器(5.1)和层光纤发送器(9.2)：①发送2字节无效数据；②发送帧头；③发串口数据；④发送帧尾；⑤发送无效数据；串口空闲时保持发送无效数据；
ⅱ)单元FPGA和层控制器均独立设有通信状态检测：通信状态检测采用硬件描述语言HDL编写,层控制器在每一个PWM周期中没有收到某一个单元FPGA的通信数据,设置相应存储器为0，同时向同层其他功率单元的单元FPGA发送旁路命令；某一个单元FPGA在每一个PWM周期没有收到层控制器的数据,则通过该单元FPGA控制驱动电路(8)对桥臂进行停机保护；
ⅲ)在桥臂状态检测电路中,单元FPGA判断的桥臂各种故障类型、对应故障电路状态、处理方法、旁路电流路径及灯闪烁信号如下:
1)上臂开路故障:上臂驱动信号为高电平时，驱动电路中驱动光耦返回低电平；控制下臂旁路,IGBT Q2、Q4闭合；电流从桥臂中端W1或中端W2进入,依次流过IGBT Q2、旁路二极管D34或IGBTQ4、旁路二极管D32,从中端W2或中端W1流出；上臂故障指示灯闪烁对应信号；
2)上臂短路故障:下臂驱动信号为高电平时，桥臂状态检测电路输出高电平；控制上臂旁路,IGBT Q1、Q3闭合；电流从桥臂中端W1或中端W2进入,依次流过旁路二极管D31、IGBTQ3或旁路二极管D33、IGBTQ1,从中端W2或中端W1流出；上臂故障指示灯闪烁对应信号；
3)下臂开路故障:电流流入桥臂时，下臂驱动信号为高电平时，桥臂状态检测电路输出高电平；控制上臂旁路,IGBT Q1、Q3闭合；电流从桥臂中端W1或中端W2进入,依次流过旁路二极管D31、IGBT Q3或旁路二极管D33、IGBTQ1,从中端W2或中端W1流出；下臂故障指示灯闪烁对应信号；
4)下臂短路故障:上臂驱动信号为高电平时，驱动电路驱动光耦返回低电平；控制下臂旁路,IGBT Q2、Q4闭合；电流从桥臂中端W1或中端W2进入,依次流过IGBT Q2、旁路二极管D34或IGBTQ4、旁路二极管D32,从中端W2或中端W1流出；下臂故障指示灯闪烁对应信号；
单元FPGA将上述故障信息发送给层控制器，由层控制器控制同层其他功率单元进行相同的故障处理；
ⅳ)所述脉宽测量电路采用对应的硬件死区补偿方法如下:
①主控系统向单元FPGA提供给定矩形脉冲波形U7:上升沿零时刻t0,下降沿零时刻t02；
②在时刻t0时,单元FPGA控制晶体管Q42断开,实际脉冲电压Ua经过R41、R47分压给C42充电；此过程是对实际脉冲电压Ua上升沿积分的过程；
③当C42两端电压高于基准电压Vref1时，比较器U42输出高电平，单元FPGA 5捕获此上升沿，并记录上升沿积分结束时间为t1；同时，单元FPGA 5控制晶体管Q41闭合，将电容C42两端电压Uc42初始化为运放U42输出电压；
④设等效矩形脉冲UX上升沿时刻tc1时脉冲高度为Udc，电容C2两端电压为UC2,令：
根据积分电路，有：
式(B)中在满足式(A)的条件下，有：
获得
<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>RC</mi> <mn>42</mn> </msub> <mfrac> <msub> <mi>R</mi> <mn>46</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mn>43</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>45</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>46</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
⑤在给定脉冲U7下降沿零时刻t02，FPGA控制晶体管Q41断开，电容C42经过R41、R47放电，此过程是对实际脉冲电压Ua下降沿积分的过程；
⑥当电容C42两端电压低于基准电压Vref2时，比较器U43输出低电平，FPGA捕获此下降沿，并记录下降沿积分结束时间t2；同时，FPGA控制晶体管Q42闭合，将电容C42两端电压初始化为0；
⑦在下降沿积分过程中，假设实际脉冲等效矩形脉冲UX下降沿零时刻为tc2，有：在满足式(A)的条件下，有：
由此便获得
最后确定出等效矩形脉冲UX宽度为：BX＝tc2-tc1＝t2-t1
⑧单元FPGA由获得的脉冲宽度BX和给定的脉冲宽度B7,得到当前脉冲宽度误差△＝BX-B7；并由单元FPGA对脉冲误差进行累加，累加结果作为下一次脉冲脉宽的补偿值，即下一次单元FPGA输出脉冲宽度等于其接收到的给定脉冲宽度加上脉宽补偿值；单元FPGA输出脉冲经驱动电路控制IGBT全桥逆变器(3)。
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