CN112421945A - 一种针对光伏直流升压变换器模块化设计的通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对光伏直流升压变换器模块化设计的通信方法，集中型光伏直流升压变换器的模块输入并联/输出串联(IPOS)的组合结构，针对IPOS级联方案电路特点，系统采用集散式控制架构，主控单元和模块控制单元之间以光电隔离单元作为统一对外接口，采用光纤高速通讯实现系统及模块间的协调控制。本发明为针对集散式控制架构的变换器的通信协议，在变换器启动前增加了通信自检功能，在系统启动前进行通信链路的检查，提高了变换器通信可靠性。同时，为保证通信的速度，通信自检数据与通信有效数据之间进行状态装换，通信自检完成后，通信链路间只进行有效数据的传输，同时保持了主控单元和模块控制单元之间的通信速率与可靠性。

Description

一种针对光伏直流升压变换器模块化设计的通信方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种针对光伏直流升压变换器模块化设计的通信方法。

背景技术

为适应光伏输出功率和电压的宽范围变化特性，研究高效DC/DC升压变换器系统集成与控制技术。光伏直流升压变换器采用模块化设计，通过模块输入并联输出串联(IPOS)方式实现变换器的高电压、大功率、高升压比的设计要求。现有技术中，多模块系统主控单元资源配置困难，同时完全分散控制导致运行中模块电压不均衡，容易造成系统故障。

发明内容

本发明的目的是实现光伏直流升压变换器的主控单元和模块控制单元之间通信高速可靠运行。为实现集散控制架构，本发明提出一种针对光伏直流升压变换器模块化设计的通信协议，设备运行前检测通信链路，在保证通信速率的同时提高通信可靠性。针对IPOS级联方案电路特点，采用集散式控制架构，主控单元和模块控制单元之间以光电隔离单元作为统一对外接口，采用光纤高速通讯实现系统及模块间的协调控制。这种方案采用系统集中控制和模块分散控制相结合的方式，有效解决了多模块系统主控单元资源配置的难题，同时规避了完全分散控制导致运行中模块电压不均衡，造成系统故障的风险。

本发明主控单元和模块单元之间采用串口(UART)通信协议，主控单元接收到开机命令后向模块单元发送通信自检数据、模块运行数据以及停机命令。模块控制单元接收主控单元发送的数据的同时，向主控单元发送模块的运行状态、模块采样数据等。为保证主控单元快速保护，模块发送端口分为低速口和高速口，高速口传输模块的运行状态，传输的数据少速度快，以便主控单元快速保护；低速口传输模块的采样数据，传输的数据多速度慢，以便主控单元读取模块运行数据。

模块单元接收到主控单元自检数据后，通过模块控制单元的发送端口向主控单元返回模块的自检数据，主控单元接收到所有模块返回的自检数据后标志着系统的通信自检全部完成，保证了通信的准确性。此后，主控单元与模块控制单元全部进入正常运行状态，主控单元与模块单元之间只传输有效数据，保证通信的快速性。

本发明的技术方案为：一种针对光伏直流升压变换器模块化设计的通信方法，其中，主控控制器以及多个模块控制单元通过统一的光纤接口进行连接，包括如下步骤：

步骤1、在变换器运行前进行主控单元与模块单元之间的通信自检，判断完成主控单元与模块单元间的光纤通信链路检查；

步骤2、如果在变主控单元与所有模块完成通信自检，主控单元向模块控制器传输分隔符数据与移相角数据，使各个模块交错运行，降低输出电流纹波；然后，主控单元与模块单元之间只进行有效数据占空比的传输，通信自检与正常通信之间的解耦，从而保持主控单元与模块单元之间的运行速度；

步骤3、如果变主控单元与所有模块未完成通信自检，则主控单元将一直在通信自检功能能循环，此时设备不会启动，保证主控单元与模块单元之间通信的可靠性，避免了设备的启动后通信故障造成设备故障，保护设备。

进一步的，为保证集中控制器快速高效接收模块的运行状态，并在故障时对模块进行快速动作保护，具体包括对于某个模块发生电流过流故障，模块控制单元首先进行保护，然后模块控制单元通过高速光纤向主控单元发送的模块运行码发生变化，主控单元接收到故障的运行码后向剩余模块发送停机命令，剩余模块停止运行，保证了主控单元对模块故障的快速反应时间，模块控制单元光纤发送端分为低速口和高速口，实现主控单元对模块的快速保护，在保障变换器快速高效运行的同时主控单元接收到模块的多路采样数据，了解模块的运行状态。

进一步的，所述步骤2中，所述主控单元向模块控制单元光纤传输数据，主控单元的发送程序模块包括多个状态，发送程序模块有s0，s1，s2，s3，s4，s5，s6六种状态，主控单元在程序启动后进入待机状态(s0)，当接收到上位机发送的启动命令后，程序跳转至通信自检状态(s1)，此时主控单元向模块控制单元循环发送通信自检码，直到主控单元接收到所有模块单元返回的通信自检码，此后，主控单元依次向模块控制单元发送分隔符(s2)、主控单元依次向模块控制单元发送移相角(s3)、主控单元依次向模块控制单元发送移相角CRC校验码(s4)，此后主控单元将循环向模块发送占空比(s5)与占空比数据校验码(s6)，直至主控单元再次接收到启动命令后主控单元才能跳转出此循环，跳转至状态待机状态(s0)。

进一步的，所述模块控制单元向主控单元高速光纤传输的数据，模块控制单元的发送程序模块包括多种状态，发送程序模块有s0，s1，s2，s3，s4四种状态，模块控制单元在程序启动后进入待机状态(s0)，当接收到主控单元发送的自检码后，程序跳转至通信自检状态(s1)，模块控制单元向主控单元循环发送通信自检码，直到模块控制单元接收到主控单元发送的分隔符；此后，模块控制单元循环向主控单元发送模块运行状态码(s2)、模块控制单元循环向主控单元发送模块输出电流(s3)与对应数据的CRC校验码(s4)，直至模块控制单元再次接收到通信自检码后主控单元才能跳转出此循环，跳转至状态待机状态(s0)。

进一步的，所述模块控制单元向主控单元低速光纤传输数据，此时的发送程序模块包括多个状态，发送程序模块有s0，s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7，s8八种状态，模块控制单元在程序启动后进入待机状态(s0)，当接收到主控单元发送的自检码后，程序跳转至通信自检状态(s1)，模块控制单元向主控单元循环发送通信自检码，直到模块控制单元接收到主控单元发送的分隔符；此后，模块控制单元循环向主控单元发送模块输入电压值(s2)、模块钳位电容电压值(s3)、模块电感电流值(s4)、模块IGBT桥臂温度1(s5)、模块IGBT桥臂温度2(s6)、模块IGBT桥臂温度3(s7)与对应数据的CRC校验码(s8)，直至模块控制单元再次接收到通信自检码后主控单元才能跳转出此循环，跳转至状态待机状态(s0)。

本发明的有益效果：

1)本发明可以在变换器运行前进行主控单元与模块单元之间的通信自检，完成主控单元与模块单元间的光纤通信链路检查，保证了主控单元与模块单元之间通信的可靠性，避免了设备的启动后通信故障造成设备故障，保护设备；

2)本发明在变换器完成通信自检后，主控单元与模块单元之间只进行有效数据的传输，实现了通信自检与正常通信之间的解耦，并且保持了主控单元与模块单元之间的运行速度；

3)本发明模块控制单元分为低速口和高速口，实现了主控单元对模块的快速保护，在保障变换器快速高效运行的同时主控单元可以接收到模块的多路采样数据，了解模块的运行状态。

附图说明

图1为本发明的集散式控制保护系统结构图；

图2为主控单元通信发送控制状态转移图；

图3为模块控制单元高速通信发送控制状态转移图；

图4为模块控制单元低速通信发送控制状态转移图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，光伏直流升压变换器控制系统包括一个主控单元与多个模块控制单元。主控单元和模块控制单元之间以光电隔离单元作为统一对外接口，采用光纤高速通讯实现系统及模块间的协调控制。为实现变换器整机高速可靠运行，本发明针对集散式控制架构的变换器设计了通信方法(即通信协议)，本发明的通信方法在变换器启动前增加了通信自检功能，在系统启动前进行通信链路的检查，提高了变换器通信可靠性。同时，为保证通信的速度，通信自检数据与通信有效数据之间进行状态装换，通信自检完成后，通信链路间只进行有效数据的传输，同时保持了主控单元和模块控制单元之间的通信速率与可靠性。

表1列出了主控单元与模块控制单元通过光纤传输的数据。模块控制单元两路光纤采用相同的光纤接口，采用不同的数据发送模式实现低速传输与高速传输，高速光纤传输的数据少，主要传输模块运行状态码与模块输出电流，保证主控单元快速接收到模块的运行状态，当模块发生故障时，快速进行保护。低速光纤传输的数据比较多，传输模块的6路采样数据，主控单元可以观测多路模块的运行数据。

表1集散式控制系统光纤发送数据表

如图2与表2所示，本发明主控单元向模块控制单元光纤传输的数据与发送程序状态转移图，发送程序由s0，s1，s2，s3，s4，s5，s6六种状态组成，具体步骤如下：

步骤1、主控单元在程序启动后进入待机状态(s0)，当接收到上位机发送的启动命令后，程序跳转至通信自检状态(s1)，此时主控单元向模块控制单元循环发送通信自检码，直到主控单元接收到所有模块单元返回的通信自检码。

步骤2、主控单元依次向模块控制单元发送分隔符(s2)；

步骤3、主控单元依次向模块控制单元发送分隔符移相角(s3)；

步骤4、主控单元依次向模块控制单元发送移相角CRC校验码(s4)；

步骤5、主控单元将循环向模块发送占空比(s5)与占空比数据校验码(s6)，直至主控单元再次接收到启动命令后主控单元才能跳转出此循环，跳转至状态待机状态(s0)。

此过程步骤1为集中控制器向所有模块传输通信自检数据，在主控单元接收到所有模块返回的通信自检码前，主控单元循环向模块控制单元发送自检数据；步骤2为向模块控制单元发送分隔符数据，提醒模块控制单元，系统通信自检完成接下来要接收有效数据；步骤3为主控单元向模块控制单元发送移相角数据，实现所有模块交错运行，降低输出电流纹波；步骤4为主控单元循环向模块发送占空比数据，实现主控系统控制多模块运行。

表2主控单元通信发送控制状态机说明

如图3与表3所示，本发明模块控制单元向主控单元高速光纤传输的数据与发送程序状态转移图，发送程序由s0，s1，s2，s3，s4四种状态组成，模块控制单元在程序启动后进入待机状态(s0)，当接收到主控单元发送的自检码后，程序跳转至通信自检状态(s1)，模块控制单元向主控单元循环发送通信自检码，直到模块控制单元接收到主控单元发送的分隔符。此后，模块控制单元循环向主控单元发送模块运行状态码(s2)、模块输出电流(s3)与对应数据的CRC校验码(s4)，直至模块控制单元再次接收到通信自检码后主控单元才能跳转出此循环，跳转至状态待机状态(s0)。

表3模块控制单元高速通信发送控制状态机说明

如图4与表4所示，本发明模块控制单元向主控单元低速光纤传输的数据与发送程序状态转移图，发送程序由s0，s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7，s8八种状态组成，模块控制单元在程序启动后进入待机状态(s0)，当接收到主控单元发送的自检码后，程序跳转至通信自检状态(s1)，模块控制单元向主控单元循环发送通信自检码，直到模块控制单元接收到主控单元发送的分隔符。此后，模块控制单元循环向主控单元发送模块输入电压值(s2)、模块钳位电容电压值(s3)、模块电感电流值(s4)、模块IGBT桥臂温度1(s5)、模块IGBT桥臂温度2(s6)、模块IGBT桥臂温度3(s7)与对应数据的CRC校验码(s8)，直至模块控制单元再次接收到通信自检码后主控单元才能跳转出此循环，跳转至状态待机状态(s0)。

表4模块控制单元低速通信发送控制状态机说明

主控单元与模块控制单元的通信接收程序与发送程序对应，依次接收发送数据即可，在此不多加描述。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种针对光伏直流升压变换器模块化设计的通信方法，其中，主控控制器以及多个模块控制单元通过统一的光纤接口进行连接，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在变换器运行前进行主控单元与模块单元之间的通信自检，判断完成主控单元与模块单元间的光纤通信链路检查；

步骤2、如果在变主控单元与所有模块完成通信自检，主控单元向模块控制器传输分隔符数据与移相角数据，使各个模块交错运行，降低输出电流纹波；然后，主控单元与模块单元之间只进行有效数据占空比的传输，通信自检与正常通信之间的解耦，从而保持主控单元与模块单元之间的运行速度；

步骤3、如果变主控单元与所有模块未完成通信自检，则主控单元将一直在通信自检功能能循环，此时设备不会启动，保证主控单元与模块单元之间通信的可靠性，避免了设备的启动后通信故障造成设备故障，保护设备。

2.根据权利要求1所述的一种针对光伏直流升压变换器模块化设计的通信方法，其特征在于：

为保证集中控制器快速高效接收模块的运行状态，并在故障时对模块进行快速动作保护，具体包括对于某个模块发生电流过流故障，模块控制单元首先进行保护，然后模块控制单元通过高速光纤向主控单元发送的模块运行码发生变化，主控单元接收到故障的运行码后向剩余模块发送停机命令，剩余模块停止运行，保证了主控单元对模块故障的快速反应时间，模块控制单元光纤发送端分为低速口和高速口，实现主控单元对模块的快速保护，在保障变换器快速高效运行的同时主控单元接收到模块的多路采样数据，了解模块的运行状态。

3.根据权利要求1所述的一种针对光伏直流升压变换器模块化设计的通信方法，其特征在于：所述步骤2中，所述主控单元向模块控制单元光纤传输数据，主控单元的发送程序模块包括多个状态，发送程序模块有s0，s1，s2，s3，s4，s5，s6六种状态，主控单元在程序启动后进入待机状态(s0)，当接收到上位机发送的启动命令后，程序跳转至通信自检状态(s1)，此时主控单元向模块控制单元循环发送通信自检码，直到主控单元接收到所有模块单元返回的通信自检码，此后，主控单元依次向模块控制单元发送分隔符(s2)、主控单元依次向模块控制单元发送移相角(s3)、主控单元依次向模块控制单元发送移相角CRC校验码(s4)，此后主控单元将循环向模块发送占空比(s5)与占空比数据校验码(s6)，直至主控单元再次接收到启动命令后主控单元才能跳转出此循环，跳转至状态待机状态(s0)。

4.根据权利要求1所述的一种针对光伏直流升压变换器模块化设计的通信方法，其特征在于：所述模块控制单元向主控单元高速光纤传输的数据，模块控制单元的发送程序模块包括多种状态，发送程序模块有s0，s1，s2，s3，s4四种状态，模块控制单元在程序启动后进入待机状态(s0)，当接收到主控单元发送的自检码后，程序跳转至通信自检状态(s1)，模块控制单元向主控单元循环发送通信自检码，直到模块控制单元接收到主控单元发送的分隔符；此后，模块控制单元循环向主控单元发送模块运行状态码(s2)、模块控制单元循环向主控单元发送模块输出电流(s3)与对应数据的CRC校验码(s4)，直至模块控制单元再次接收到通信自检码后主控单元才能跳转出此循环，跳转至状态待机状态(s0)。

5.根据权利要求1所述的一种针对光伏直流升压变换器模块化设计的通信方法，其特征在于：

所述模块控制单元向主控单元低速光纤传输数据，此时的发送程序模块包括多个状态，发送程序模块有s0，s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7，s8八种状态，模块控制单元在程序启动后进入待机状态(s0)，当接收到主控单元发送的自检码后，程序跳转至通信自检状态(s1)，模块控制单元向主控单元循环发送通信自检码，直到模块控制单元接收到主控单元发送的分隔符；此后，模块控制单元循环向主控单元发送模块输入电压值(s2)、模块钳位电容电压值(s3)、模块电感电流值(s4)、模块IGBT桥臂温度1(s5)、模块IGBT桥臂温度2(s6)、模块IGBT桥臂温度3(s7)与对应数据的CRC校验码(s8)，直至模块控制单元再次接收到通信自检码后主控单元才能跳转出此循环，跳转至状态待机状态(s0)。

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