CN107888057A - 一种地铁能量回馈装置的主从控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地铁能量回馈装置的主从控制系统及其控制方法，系统包括主控制器与从控制器。设置在直流柜的主控制器和设置在功率柜的从控制器都利用FPGA；从控制器分为第一组从控制器与第二组从控制器；两组从控制器串联；每组的从控制器并联。控制方法包括以下步骤：一主控制器进行统一的锁相直流电压和电流的双闭环算法计算，将计算得到的对称的一半PWM脉冲信号发送到从控制器。二从控制器接收PWM信号进行死区分配，通过IGBT驱动模块驱动IGBT通断；从控制器将温度故障状态输出电流通过高速光纤发送到主控制器。本发明使得PWM的下发同步性一致性非常高可以简便的拓展容量；当设备的从模块出现故障时从控制器自身可以封锁脉冲保护设备，装置的可靠性高。

Description

一种地铁能量回馈装置的主从控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种地铁能量回馈装置的主从控制系统及其控制方法。

背景技术

地铁能量回馈装置是目前解决地铁运行中由于制动产生的能源消耗问题的主要产品，该装置也能很好的抑制由于列车动能转化为电能导致直流牵引网电压上升危及列车用电安全的危害，积极响应了国家节能减排的号召，大大降低了资源消耗。

目前国内地铁系统主要由750V和1500V两种系统组成，当装置需要使用在不同的电压等级工况中时需要采用不同的选型设计，规格设计，这对于生产和应用来说都面临许多非标准的设计；当前，能量回馈装置又对容量的需求越来越大，尤其对于低电压级的大容量系统，单柜式的设计由于关键器件的容量限制（如IGBT电流等级等）越来越难以满足地铁能量吸收容量的需求，所以模块化的设计是未来发展的趋势。另外，当下市场应用的地铁能量回馈装置控制架构基本采用单系统模式，对于产品的产业化、可兼容性、可拓展性都是比较低的，且不具备冗余功能；或者单一采用独立系统的并联模式实现扩容，虽然具备了冗余功能，但也带来了由于同步性差导致的内部环流，均流性差的风险。

地铁系统中所有的直流母线是相连的，直流侧来源于整流机组，常用的都是基于双闭环控制算法，在模块化的设计中，假如每个模块的PWM存在相位延迟，或者从模块各自独立去控制电压环，势必会面临装置内部环流、均流控制差、同步性低的风险。普通的单控制器系统不能解决多模块的串并联扩容；一般的主从模式，具备了兼容性，但从模块独立采样进行算法控制，生成PWM，又或者主控制器将实时采样的反馈电流统一发送到从模块，从而从模块进行算法控制，生成PWM，这些主从模式都不能很好地解决环流、均流、同步性等问题。对于现有技术采用的控制器（如DSP）来说，若采用主从模式很难实现多个接口的高速光纤通讯，资源限制大，可扩容性小，且串行的流水线操作，可能引起各个模块间的PWM有很大的延迟，这对于地铁模块化能量回馈装置控制要求的PWM高度一致性来说，很难去满足，所以解决装置多模块同步控制这一系列的问题是迫在眉睫的。

现有公开的技术有：专利号CN102231523A用于APF/SVG并联运行的主从控制系统及方法提及了主从控制的模式，该方法使用主控制器采集负载电流信息，提取无功和谐波信息，再根据需要发送给各从控制器，从而控制并联的设备进行有效正确的动态补偿，该系统分别自身进行闭环控制，在地铁系统里直流连接在一起的逆变器工况来说如果各从模块不能保证好的同步性就可能产生内部环流，且该种模式也是不能做到完全保证同步性的；专利号CN 101917148 A 基于高压大功率变频器的主从控制方法，其通过指定多台中的一台变频器为主机，其他各台为从机，从机信号由主机根据其输出指令下发。该控制方法如果应用于多模块的能量回馈装置时，会有主模块与其并联的其他模块存在必然不一致的缺陷发生。另外，该控制方法中指定主机的做法，同样会不利于模块化冗余运行功能的设计。专利号CN200910091191高压链式静止同步补偿器的控制器是一种应用于链式拓扑的中压SVG主从控制方法，该方法特点鲜明解决了链式拓扑需要大量多功率单元的串联，但是功率单元本身功能比较单一，不具备多重可靠保护，且控制系统比较复杂，不太适用于串并联拓扑的模块化能量回馈装置中。

发明内容

1、所要解决的技术问题：

本发明所需要解决的技术问题在于，提供一种地铁能量回馈装置的主从控制系统及其控制方法。本控制系统结构简单，可以实现多重保护，实现控制的同步性，适应于串并联的模块化能量回馈装置。

本方法中采用高速光纤传递使主从控制器的控指令完全一致；控制器均使用了FPGA并行处理芯片，保证了多相算法计算的严格独立、同步性，且其接收指令的传输延时非常小（在1us左右）,从而可有效抑制能量回馈装置各模块间的环流大小。本控制方法可以做到各模块间的冗余运行，由于各模块接收主控信号独立，即当任一模块因内部故障退出时，均不会影响到其他模块的正常运行，另外模块除了本身具有的IGBT驱动保护、过温保护等基本保护外，还增加了CT电流采样进行过流保护，以及具备开关器件保护等保护功能，大大增加了设备的可靠性。本发明提出的基于FPGA控制器的控制方法，应用于模块化的能量回馈装置中，可有效抑制模块间的环流，提高并联模块间信号的一致性，真正实现模块独立、冗余运行，同时，增加模块自身保护功能，大大提高装置的可靠性。

2、技术方案：

一种地铁能量回馈装置的主从控制系统，其特征在于：包括主控制器与从控制器。

所述主控制器设置在直流柜内，与上位机通过CAN通讯相连；所述主控制器包括FPGA主控板、AD采样模块、主控输入模块、主控输出模块、主控通讯发送模块、主控通讯接收模块；所述AD采样模块、主控输入模块、主控输出模块、主控通讯发送模块、主控通讯接收模块分别与FPGA主控板电路连接。

所述的从控制器设置在功率柜内，所述从控制器包括FPGA从控板、从控采样模块、从控通讯模块、从控输入模块、从控输出模块、PWM输出模块和IGBT驱动模块；所述从控采样模块、从控通讯模块、从控输入模块、从控输出模块、PWM输出模块和IGBT驱动模块分别与FPGA从控板电路连接；所述从控制器在功率柜中分为两组：第一组从控制器与第二组从控制器；所述第一组从控制器与第二组从控制器串联；每组从控制器中的从控制器之间为并联。

进一步地，所述每个从控制器还包括CT采样模块，所述CT采样模块与FPGA从控板电路相连。

进一步地，所述PWM输出模块与所在从控制器组的IGBT驱动模块相连，从而控制IGBT通断。

一种地铁能量回馈装置的主从控制系统的控制方法，包括以下步骤：步骤一：主控制器进行统一的锁相、直流电压和电流的双闭环算法计算，将计算得到的对称的一半PWM脉冲信号发送到从控制器。步骤二：从控制器接收PWM信号进行死区分配，通过IGBT驱动模块驱动IGBT通断；所述从控制器将温度、故障状态、输出电流通过高速光纤发送到主控制器。

进一步地，所述控制方法中的步骤一具体包括：

所述主控制器中通过AD采样模块采集电网电压的相位信息进行统一软件锁相，从控制器不参与锁相，从而保证各从模块的相位一致性。

所述主控制器通过AD采样模块采集的电网电压、电流数据进行双闭环算法计算得到调制量，然后通过SPWM模块得到对称的上桥臂PWM脉冲信号，通过高速光纤将其传送到每个从控制器。

所述主控制器将计算得到的PWM信号、使能信号、故障信号、控制命令通过高速光纤定频地、同步地、高速发送到各从控制器。

所述步骤二具体包括：

从控制器接收到PWM脉冲信号，将脉冲进行死区分配，并实时进行通信校验，当出现校验错误的PWM帧信号时，从控制器自身封锁脉冲，进故障态。

从控制器将所在的从控制器的故障信息、IGBT温度、驱动状态、输出电流的模块信息通过高速光纤定频地发送给主控制器，主控制器解析出各种信息通过从控制器的状态判断装置是否冗余控制。

进一步地，还包括：步骤三：从控制器存在从控制器故障时，从控制器自身封锁脉冲，并发送故障信号到主控制器；所述主控制器接收到故障信号后对故障所在的分控制器组进行同幅度限容运行。

进一步地，还包括：步骤四：所述主控制器与从控制器均为FPGA控制器，三相反馈电流采用同步并行进行；直流电压若存在串联也同步并行进行，并且所有的PWM必须同时并行下发，保证同步性。

进一步地，主控制器往从控制器和从控制器往主控制器的通讯，采用不同频率的定频发送；所述主控制器往从控制器为了保证PWM的低延时特性，采用高频率发送；而从控制器往主控制器为了保证大数据量发送的可靠性采用低频率即采样频率发送。

3、有益效果：

（1）本发明采用的主从模式控制的架构，由于只存在主控制器锁相和算法的相关闭环运算，且利用FPGA的并行控制的特性，使得PWM的下发同步性和一致性非常高，理论上各模块之间不存在任何相位差，且高速的光纤通讯速度，保证了PWM的延时在微秒级别(1us以内)，这对于变流器来说严格保证了直流电压外环、电流内环闭环控制的稳定性。脉冲分配在与各驱动直接连接的从控制器上进行，这样能完全保证IGBT对称脉冲不会出现通信误码导致直通的危险。使用此种主从模式的架构使得装置的均流性优，通过样机的实测是非常理想的（小于2%）。

（2）采用本发明的装置与方法可以简便的拓展容量；只要选择的FPGA具备足够的接口，在逻辑资源允许的情况下，设备的模块可以无限的叠加，且在分不同电压等级运行时，只需设置不同电压等级的控制参数就可以简易的实现装置在不同电压等级下运行，软硬件均不必重复开发。

（3）当设备的从模块出现故障时，从控制器自身可以封锁脉冲保护设备，而主控制器接收到从模块故障时会自动同幅度限容，这样其他的模块继续安全稳定运行，由于算法由主控制器统一控制，所以冗余响应快，假设从控制器向主控制器数据传送的频率是4K，则基本上在微秒（250us）级别就能完全响应，实现限容运行。

（4）模块本身除了基本的IGBT驱动保护、过温保护等功能，还增加了模块内部的开关器件保护，并增加了CT电流采样进行实时的过流保护，这大大增加了整个装置的可靠性。

（5）该种主从控制模式的应用，对于地铁中串并联设计的变流器有着极大的便利性和可控性。当地铁系统为750V时，可以采用一组从控制器，如果地铁系统为1500V时采用两组串联从控制器。因此本发明提供的方法可以推广应用于类似于地铁模块化变流器装置的系统，即可应用于各从模块直流侧母排相连，交流侧输出电流并联的不同拓扑的变流器模块化级联装置。

附图说明

图1为一种地铁能量回馈装置的主从控制系统的电路连接图；

图2为一种地铁能量回馈装置的主从控制系统的功能分配和信息交互图；

图3为一种地铁能量回馈装置的主从控制系统的主要控制流程图；

图4为一种地铁能量回馈装置的主从控制系统的冗余控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明：

如图1所示为一种地铁能量回馈装置的主从控制系统的电路连接图。其中主控制器与上位机通过CAN通讯连接，主控制器与所有的从控制器模块用高速光纤2连接，每个从控制器两根高速光纤2，1发1收，其中，当设备工作在1500V系统时，S1N表示串联的第一组从控制器，S2N为与第一组从控制器串联的第二组从控制器。当设备只工作在750V系统时，只需连接第一组或者第二组从控制器。从控制器除了和主控制器的连接外，每个从控制器还有12路PWM至IGBT驱动模块，控制IGBT开关，当然PWM的路数是根据算法和变流器的拓扑不同决定的，不仅限于某一种变流器拓扑。图中PWM与从控制器是通过12路光纤连接。

如图2所示为一种地铁能量回馈装置的主从控制系统的功能分配和信息交互图；从图中可以看出主从控制器的功能区分主要是：主控制器并行独立进行采样、算法运算，并将指令、故障信号、PWM、PWM使能信号等通过光纤发送到从控制器；从控制器将运行状态、故障信息（模块CT过流保护、低压断路器故障等）、输出电流、IGBT温度等通过光纤发送到主控制器，主控制器为了保证PWM的延迟低，采用1M的发送频率（保证PWM延时在1us），而从控制器根据采样频率发送数据。

如图3所示为主从模式实现控制的主要流程图，由于FPGA的并行特性，装置可以工作在并行流水线上，设备的算法和其他功能模块是可以同时进行的，如图所示，通讯及处理模块独立于一条流水线进行，故障保护独立于另一条流水线进行，而算法也为独立一条流水线进行。当主控制器AD采样结束后，将采样的结果送到算法控制模块进行运算，得到闭环控制的调制量，三相的调制量同时进入到SPWM（载波调制模块）得到每相在开关频率内的IGBT开通或关断信号PWM，最后主控制器同时将PWM通过独立的光纤通道同时下发到从控制器，从控制器接收到PWM信号后通过脉冲分配模块，得到最终带有死区的IGBT驱动脉冲，驱动IGBT的通或断。

如图4所示为系统的冗余控制流程图，其中Id是每个模块的直流侧对应额定有功容量，Idmax是能馈装置经过PI输出限幅后的有功总容量，使用本发明的主从控制模式，当某一从控制器自身出现故障后，从控制器自身封锁PWM，并将故障信息发送到主控制器，由于信息传送快，例如采样频率为4K，则发送频率在250US，也就是主控能在一个采样周期内对输出进行图4所示的同幅度限容。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (8)

1.一种地铁能量回馈装置的主从控制系统，其特征在于：包括主控制器与从控制器；

所述主控制器设置在直流柜内，与上位机通过CAN通讯相连；所述主控制器包括FPGA主控板、AD采样模块、主控输入模块、主控输出模块、主控通讯发送模块、主控通讯接收模块；所述AD采样模块、主控输入模块、主控输出模块、主控通讯发送模块、主控通讯接收模块分别与FPGA主控板电路连接；

所述的从控制器设置在功率柜内，所述从控制器包括FPGA从控板、从控采样模块、从控通讯模块、从控输入模块、从控输出模块、PWM输出模块和IGBT驱动模块；所述从控采样模块、从控通讯模块、从控输入模块、从控输出模块、PWM输出模块和IGBT驱动模块分别与FPGA从控板电路连接；

所述从控制器在功率柜中分为两组：第一组从控制器与第二组从控制器；所述第一组从控制器与第二组从控制器串联；每组从控制器中的从控制器之间为并联。

2.根据权利要求1所述的一种地铁能量回馈装置的主从控制系统，其特征在于：

所述每个从控制器还包括CT采样模块，所述CT采样模块与FPGA从控板电路相连。

3.根据权利要求1所述的一种地铁能量回馈装置的主从控制系统，其特征在于：

所述PWM输出模块与所在从控制器组的IGBT驱动模块相连，从而控制IGBT通断。

4.一种如权利要求1-3任一权利要求所述一种地铁能量回馈装置的主从控制系统的控制方法；其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：主控制器进行统一的锁相、直流电压和电流的双闭环算法计算，将计算得到的对称的一半PWM脉冲信号发送到从控制器；

步骤二：从控制器接收PWM信号进行死区分配，通过IGBT驱动模块驱动IGBT通断；所述从控制器将温度、故障状态、输出电流通过高速光纤发送到主控制器。

5.根据权利要求4所述的一种地铁能量回馈装置的主从控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤一具体包括：

所述主控制器中通过AD采样模块采集电网电压的相位信息进行统一软件锁相，从控制器不参与锁相，从而保证各从模块的相位一致性；

所述主控制器通过AD采样模块采集的电网电压、电流数据进行双闭环算法计算得到调制量，然后通过SPWM模块得到对称的上桥臂PWM脉冲信号，通过高速光纤将其传送到每个从控制器；

所述主控制器将计算得到的PWM信号、使能信号、故障信号、控制命令通过高速光纤定频地、同步地、高速发送到各从控制器；

所述步骤二具体包括：

从控制器接收到PWM脉冲信号，将脉冲进行死区分配，并实时进行通信校验，当出现校验错误的PWM帧信号时，从控制器自身封锁脉冲，进故障态；

从控制器将所在的从控制器的故障信息、IGBT温度、驱动状态、输出电流的模块信息通过高速光纤定频地发送给主控制器，主控制器解析出各种信息通过从控制器的状态判断装置是否冗余控制。

6.根据权利要求4所述的一种地铁能量回馈装置的主从控制系统的控制方法，其特征在于：还包括：步骤三：从控制器存在从控制器故障时，从控制器自身封锁脉冲，并发送故障信号到主控制器；所述主控制器接收到故障信号后对故障所在的分控制器组进行同幅度限容运行。

7.根据权利要求4所述的一种地铁能量回馈装置的主从控制系统的控制方法，其特征在于：还包括：步骤四：所述主控制器与从控制器均为FPGA控制器，三相反馈电流采用同步并行进行；直流电压若存在串联也同步并行进行，并且所有的PWM必须同时并行下发，保证同步性。

8.根据权利要求4或5或6或7所述的一种地铁能量回馈装置的主从控制系统的控制方法，其特征在于：主控制器往从控制器和从控制器往主控制器的通讯，采用不同频率的定频发送；所述主控制器往从控制器为了保证PWM的低延时特性，采用高频率发送；而从控制器往主控制器为了保证大数据量发送的可靠性采用低频率即采样频率发送。