光伏控制系統(tǒng)中冗余技術(shù)的研究與應(yīng)用

柯程虎，張輝

(1.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710048；2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室,陜西 西安 710049)

太陽能是重要的可再生能源之一，是取之不盡、用之不竭、無污染、人類能夠自由利用的能源，光伏能源被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的新能源。

在幾乎所有的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，都涉及到一系列的大功率、高效率、高質(zhì)量的能量轉(zhuǎn)換和控制，這個過程需要對大量的光伏逆變控制系統(tǒng)進(jìn)行研究[1-3]。

早期的光伏控制系統(tǒng)采用模擬電路來實現(xiàn)比例、積分、微分控制[4]，其優(yōu)點是成本低、容易實現(xiàn)；缺點是參數(shù)調(diào)節(jié)困難，難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法?，F(xiàn)在逐漸轉(zhuǎn)向采用數(shù)字信號處理器(DSP)，通過軟件編程的方法實現(xiàn)控制算法，進(jìn)而實現(xiàn)控制的功能，以往的光伏控制器只采用一片DSP芯片對全部信號進(jìn)行處理，因而處理數(shù)據(jù)較大，從而限制了系統(tǒng)處理信號的效率，若工作時DSP芯片出現(xiàn)故障而停止工作，信號將不能被處理，從而不能實現(xiàn)光伏控制系統(tǒng)的信號處理，故系統(tǒng)可靠性不高。

針對單芯片光伏控制器的以上缺點，有必要考慮雙機(jī)冗余備份技術(shù)[5]在光伏控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

冗余技術(shù)主要包括兩個方面：功能性冗余和結(jié)構(gòu)性冗余。功能性冗余又分為靜態(tài)功能冗余和動態(tài)功能冗余；結(jié)構(gòu)性冗余又分為硬件冗余、軟件冗余和時間冗余[6]。

二十世紀(jì)50年代，馮·諾依曼率先提出了適用容錯技術(shù)中的復(fù)合冗余方法[7]，其基本思想是通過用多個器件冗余組成一個單個器件，來提高單個部件存在的可靠性不高的問題，在同一時期還出現(xiàn)了莫爾-香農(nóng)冗余法[6-7]。二十世紀(jì)60年代則是以硬件冗余容錯為主，硬件冗余是對關(guān)鍵性的部件配備多份，即在物理層面可通過元件的重復(fù)而獲得自動恢復(fù)的作用，如三模冗余、N模冗余等，硬件冗余包括系統(tǒng)級冗余、部件級和元器件級冗余[6-8]。二十世紀(jì)70年代則是解析冗余容錯發(fā)展時期，建立在解析數(shù)學(xué)模型之上的解析冗余技術(shù)得到關(guān)注，并逐漸發(fā)展起來，由美國首先提出了解析冗余技術(shù)代替硬件冗余技術(shù)的想法，即通過比較觀測器的輸出得到系統(tǒng)故障信息的新思想[9]。80年代至今，冗余技術(shù)向著智能化方面發(fā)展，促進(jìn)了冗余技術(shù)發(fā)展進(jìn)程[10-12]。

本文在硬件冗余的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)并設(shè)計了雙機(jī)冗余方案，以TMS320F2812 DSP[13-14]為核心，通過對故障檢測模塊[15]、自動判決模塊關(guān)鍵技術(shù)的研究完成了一種雙DSP冗余結(jié)構(gòu)光伏控制系統(tǒng)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體框架與設(shè)計方案

雙DSP冗余結(jié)構(gòu)光伏控制系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩級式并網(wǎng)逆變[16]的前級為BOOST升壓電路，由光伏陣列PV板、輸入儲能電感L1、功率開關(guān)管Q0、二極管D組成，大電容C1存儲DC-DC經(jīng)BOOST電路升壓后的電壓，后級全橋逆變器由Q1～Q4四個開關(guān)管、并網(wǎng)濾波電感L2、并網(wǎng)濾波電容C2組成，io為并網(wǎng)逆變器的輸出電流，ug為市電電壓。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

DSP1采樣市電電壓、逆變電流、母線電壓信號，輸出PWM控制逆變橋電路。DSP2采樣光伏板電壓、光伏板電流信號,輸出PWM信號控制BOOST升壓電路。當(dāng)DSP1發(fā)生故障，DSP2迅速切換執(zhí)行采樣市電電壓、逆變電流、母線電壓信號工作，輸出PWM(即PWM 7～10)控制逆變橋電路。當(dāng)DSP2發(fā)生故障，DSP1迅速切換并執(zhí)行采樣光伏板電壓、光伏板電流信號工作，輸出PWM(即PWM 2)控制BOOST升壓電路。

雙DSP冗余系統(tǒng)方案設(shè)計如圖2所示。光伏板電壓信號、光伏板電流信號、市電電壓信號、母線電壓信號、逆變電流信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊的濾波和限幅后輸入到兩個DSP的A/D中，DSP1采樣處理市電電壓信號、母線電壓信號、逆變電流信號并輸出相應(yīng)的PWM信號控制逆變橋電路，DSP2采樣處理光伏板電壓信號、光伏板電流信號并輸出相應(yīng)的PWM信號控制直流-直流升壓變換器。

當(dāng)DSP2發(fā)生故障，故障檢測模塊通過監(jiān)測DSP2的CLKOUT信號及RESET信號的變化從而產(chǎn)生上升沿信號通知自動判決模塊，自動判決模塊被觸發(fā)后產(chǎn)生由高電平到低電平的跳變并將此低電平送入DSP1指定的I/O口中，當(dāng)DSP1檢測到指定I/O口為低電平時就知道DSP2已經(jīng)發(fā)生故障，從而DSP1程序作出跳轉(zhuǎn)并執(zhí)行光伏板電壓信號、光伏板電流信號的采樣處理及PWM輸出任務(wù)。DSP1發(fā)生故障時，冗余切換原理同上。

圖2 雙DSP冗余系統(tǒng)方案設(shè)計框圖

2 雙DSP冗余系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

雙DSP同時運(yùn)行的情況下時刻檢測故障發(fā)生并迅速切換備份DSP完成冗余工作，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)有：硬件故障檢測模塊設(shè)計、軟件故障檢測模塊設(shè)計、自動判決模塊設(shè)計、雙口RAM模塊設(shè)計。

2.1 硬件故障檢測模塊設(shè)計

硬件故障與正常的DSP最大的區(qū)別就是時鐘輸出引腳CLKOUT信號不同，正常的DSP時鐘輸出引腳為周期性方波，而硬件故障DSP的時鐘輸出引腳停止輸出。因此根據(jù)這一特點，設(shè)計硬件故障檢測模塊原理如圖3所示。

圖3 硬件故障檢測模塊原理圖

圖4 K與CX關(guān)系圖

2.2 軟件故障檢測模塊設(shè)計

系統(tǒng)在實際運(yùn)行中出現(xiàn)最多的不是硬件故障而是像程序跑飛、進(jìn)入不了中斷、程序鎖死等軟件故障[19]?？撮T狗定時器是作為監(jiān)控軟件故障的理想部件，看門狗定時器是DSP芯片中一個獨(dú)立的計數(shù)模塊，如果不周期性地使看門狗計數(shù)寄存器復(fù)位，看門狗模塊將產(chǎn)生計數(shù)溢出，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)復(fù)位，此時DSP的XRS引腳被拉低[20]。根據(jù)這一特點設(shè)計的軟件故障檢測模塊原理如圖5所示。

由圖5可看出軟件故障檢測模塊也是由一個74LS393與一個74LS123組成，只是接法順序與硬件故障檢測模塊不同。DSP的XRS引腳(即RESET信號)接到74LS123的A2輸入端，74LS123的輸出端Q2接到74LS393的2A輸入端，輸出端2Qa接至自動判決模塊。

軟故障模塊通過監(jiān)測DSP的RESET信號的電平變化來判斷是否需要切入冗余備份。通常在DSP正常工作的情況下RESET信號為高電平，此高電平輸入到74LS123的A2端，當(dāng)B2與Clear2都接高電平時，根據(jù)手冊可知，74LS123的Q2輸出低電平，而計數(shù)器74LS393只在2A有下降沿時才開始計數(shù)，因此計數(shù)器輸出最低位2Qa保持低電平不變。當(dāng)有軟故障發(fā)生時并且看門狗溢復(fù)位，使得看門狗復(fù)位狀態(tài)標(biāo)志位置1，從而導(dǎo)致RESET信號輸出低電平，即切入冗余備份。74LS123的Q2產(chǎn)生一正脈沖，使74LS393計數(shù)器的2A端出現(xiàn)下降沿跳變，即74LS393開始計數(shù)，2Qa產(chǎn)生由低電平到高電平的變化并輸出至自動判決模塊。

圖5 軟件故障檢測模塊原理圖

2.3 自動判決模塊設(shè)計

自動判決模塊是根據(jù)故障DSP的硬件、軟件檢測模塊送達(dá)的信號進(jìn)行判決并將判決結(jié)果送至正常DSP的I/O中，當(dāng)正常DSP的I/O檢測到此信號時即刻作出冗余切換。自動判決模塊主要由一個雙上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器74LS74[19]、一個或門74LS32及一個非門74LS04[21]構(gòu)成，如圖6所示。

硬件故障檢測模塊或者軟件故障檢測模塊的上升沿電平經(jīng)過一個或門74LS32輸入到觸發(fā)器74LS74的1CLK中，當(dāng)74LS74的1PRE、1CLR都接高電平的時候，根據(jù)手冊可知，1Q的輸出是和觸發(fā)器的1D有關(guān)的，當(dāng)1D為高電平時1Q為低電平，當(dāng)1D為低電平時1Q為高電平。經(jīng)過74LS04反向后進(jìn)入DSP的I/O口。

圖6 自動判決模塊原理圖

2.4 雙口RAM模塊設(shè)計

系統(tǒng)加入雙口RAM模塊設(shè)計主要是為了解決兩個DSP之間的通信問題以及數(shù)據(jù)繼承問題。本文采用CYPRESS公司2K×16CMOS雙端口靜態(tài)RAM芯片CY7C133-55，具有兩套獨(dú)立、完全對稱的地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，兩個端口允許訪問存儲器任意存儲單元，-55表示芯片存取時間為55 ns，采用68管腳的PLCC封裝形式。CY7C133-55電路連接如圖7所示。

圖7 雙口RAM電路

DSP通過片選信號XZCS2接到CY7C133上，擴(kuò)展區(qū)域為DSP的XINTF接口的Zone2區(qū)域，經(jīng)過11根地址線連接，所以訪問外部空間為0x080000～0x080800，由此可知當(dāng)DSP讀寫雙口RAM的過程如下：當(dāng)DSP的WE、XZCS2腳同時為低電平，DSP將向CY7C133寫入16位數(shù)據(jù)；當(dāng)DSP腳WE為高電平、腳XZCS2、RD為低電平時，DSP將讀出CY7C133中的16位數(shù)據(jù)。讀、寫數(shù)據(jù)的地址由該時刻地址線上的值決定，數(shù)據(jù)根據(jù)16位數(shù)據(jù)線傳遞。

3 雙DSP冗余系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計

3.1 雙DSP冗余系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要分為六個大部分：雙DSP模塊、信號調(diào)理模塊、故障檢測[22]及判決模塊、雙口RAM模塊、調(diào)試模塊、電源及復(fù)位模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

1)電源模塊原理設(shè)計

5V、2A的直流電源適配器通過電源接口給硬件系統(tǒng)供電，5V電壓通過跳線帽選擇，一路為雙口RAM模塊、故障檢測及判決模塊供電，另一路通過TI公司的TPS767D301雙輸出低穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電源芯片為DSP提供3.3V和1.8V電壓以及為JTAG口調(diào)試模塊中緩沖芯片提供3.3V電壓。3.3V、1.8V電源模塊原理圖如圖9所示。

圖8 硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖9 3.3V、1.8V電源電路

2)菊花型JTAG接口原理設(shè)計

系統(tǒng)要對兩片TMS320F2812芯片進(jìn)行聯(lián)合仿真調(diào)試，雙DSP系統(tǒng)和一般的單DSP芯片系統(tǒng)調(diào)試方式不同。

因此，必須在仿真器與兩個DSP之間采用多處理器接法的菊花形鏈接，如圖10所示。

圖10 菊花型JTAG接口原理圖

菊花型JTAG鏈接能把仿真器和處理器相隔離并將仿真信號進(jìn)行緩沖以及為兩個DSP提供足夠的信號驅(qū)動。

3.2 雙DSP冗余系統(tǒng)軟件設(shè)計

DSP故障分為硬件故障和軟件故障，都是通過程序檢測各自指定I/O口電平得知是否另一DSP發(fā)生故障[23]。

對于每一個DSP都要在程序中啟動看門狗程序，在程序中定時復(fù)位看門狗計數(shù)器。當(dāng)軟件發(fā)生故障時，例如程序跑飛、進(jìn)入死循環(huán)等，如果沒有及時復(fù)位看門狗計數(shù)器，會導(dǎo)致看門狗計數(shù)器溢出且看門狗復(fù)位即WDFLAG標(biāo)志位置為1，進(jìn)而DSP RESET引腳被置為低電平。對于每一個DSP硬件故障如掉電處理，DSP CLKOUT信號停止，從而通知故障檢測及判決模塊，又由于系統(tǒng)采樣50Hz的正弦信號，對正弦信號一個周期采樣400次，這樣定時器周期設(shè)置為50 μs，一個定時器周期里有比較單元1、2中斷，定時器T1比較中斷及周期中斷，每個中斷時間相隔12.5 μs，從而設(shè)計系統(tǒng)整體程序流程如圖11所示。

圖11 DSP1整體程序流程圖

在第一路A/D轉(zhuǎn)換后插入等待程序，給DSP1及時寫入0x55+0xAA程序并檢測DSP1 I/O口電平，若為高電平則繼續(xù)等待中斷，若為低電平則程序跳轉(zhuǎn)到冗余切換模塊，開始采樣處理5路正弦信號。從而可知程序每隔12.5 μs檢測一次I/O電平，即一旦DSP2發(fā)生故障，DSP1最多12.5 μs切換冗余程序,完成冗余功能。

當(dāng)DSP在等待中斷處檢測到DSP的I/O為低電平時，即程序調(diào)用切換程序，進(jìn)入冗余切換程序，如下所示。

Uint32 io_flag; //定義循環(huán)標(biāo)志位

io_flag=0; //置循環(huán)標(biāo)志位0

while(io_flag==0)

{

if(GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA0= =0)

//檢測DSP的I/O電平

{

void qiehuan()； //調(diào)用切換函數(shù)

}

}

在void qiehuan()程序中首先要關(guān)定時器和看門狗模塊，其次重新初始化系統(tǒng)，打開定時器1、定時器3，開啟5路AD轉(zhuǎn)換，輸出相應(yīng)的PWM波形。程序如下所示。

Void qiehuan(void)

{

EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=0；

//禁止定時器T1

SysCtrlRegs.WDCR= 0x0068；

//禁止看門狗

InitRongyu()； //冗余配置初始化

InitAdc()； //ADC初始化

InitEv()； //EV初始化

EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=1；

//開定時器T1

EvbRegs.T3CON.bit.TENABLE=1；

//開定時器T3

io_flag=1; //置循環(huán)標(biāo)志位1

}

4 系統(tǒng)容錯功能調(diào)試及結(jié)果

本文主要解決的硬件故障是由于DSP芯片因損壞或掉電而不能正常工作時，導(dǎo)致其CLKOUT引腳輸出異常的那一類故障，此類故障必須投入硬件冗余備份才能解決。所以本文通過以下兩種方法來模擬硬件故障。

1)掉電故障

圖12 CLKOUT腳輸出時鐘波形圖

圖13 發(fā)生故障后74LS123的腳跳變圖

2)編寫軟件使得CLKOUT腳波形改變

上述掉電處理僅僅測試了CLKOUT引腳從正常到無的狀況，現(xiàn)在還需要檢測DSP1的CLKOUT時鐘異常輸出的情況下，系統(tǒng)是否能實現(xiàn)容錯功能。

圖14 改變CLKOUT腳周期波形圖

經(jīng)過74LS393后輸出周期為2 128 ns的脈沖信號，因為2 128 ns遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 020 ns，74LS393輸出的負(fù)脈沖信號不會再被觸發(fā)為低電平，因此在程序改變1 020 ns后74LS393輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，此上升沿跳變進(jìn)入自動判決模塊并導(dǎo)致DSP2的IO腳發(fā)生由高電平到低電平的跳變，如圖15所示。DSP2的程序檢測到IO口為低電平時，因此認(rèn)為DSP1發(fā)生故障從而通知DSP2做出反應(yīng)。

圖15 發(fā)生故障后DSP2 IO口電平跳變圖

3)切換結(jié)果

設(shè)置DSP1的定時器T3為1 000 μs,在等待程序處插入檢測DSP1 I/O口電平程序。設(shè)置DSP2的CLKOUT腳輸出15MHz的方波。在兩個DSP同時上電工作時，對DSP2突然掉電處理，此時DSP1檢測到I/O低電平并切換程序輸出相應(yīng)的PWM波形，如圖16所示。

圖16 DSP1冗余切換后PWM輸出波形圖

5 結(jié) 論

本文詳細(xì)講述了雙DSP冗余系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的原理設(shè)計，設(shè)計了雙DSP冗余結(jié)構(gòu)的光伏控制系統(tǒng)的硬件平臺,并在此硬件平臺上設(shè)計了實現(xiàn)系統(tǒng)冗余切換功能的程序。

針對傳統(tǒng)冷備份系統(tǒng)冗余切換速度慢、數(shù)據(jù)采樣頻率低的缺點，設(shè)計了每個DSP分擔(dān)處理信號并通過監(jiān)測各自的關(guān)鍵信號來判斷是否發(fā)生故障并迅速通知備份DSP做出切換的互為備份的系統(tǒng)。

實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)中一個DSP發(fā)生故障，另一DSP能夠及時做出切換，實現(xiàn)雙DSP系統(tǒng)的容錯功能。

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