基于CAN總線的載波同步VSC并聯(lián)控制方法

丁 明，朱 燦，陳 忠，陳 中，吳 杰

（1.合肥工業(yè)大學 教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，安徽 合肥 230009；2.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院，安徽 合肥 230022）

0 引言

隨著可再生能源發(fā)電占整個電力系統(tǒng)發(fā)電量的比重不斷提高，配置大容量儲能系統(tǒng)以提高電力系統(tǒng)對大規(guī)模可再生能源發(fā)電的接納能力受到學者的廣泛關注［1-3］。

儲能功率調節(jié)系統(tǒng)PCS（Power Conditioning System）作為直流系統(tǒng)與交流電網(wǎng)的接口，其主要實現(xiàn)儲能系統(tǒng)雙向功率調節(jié)以及其他輔助功能［4-5］。采用電壓源換流器VSC（Voltage Source Converter）模塊并聯(lián)構成的儲能PCS，在制造、運行和維護方面有較好的經(jīng)濟效益，但VSC模塊并聯(lián)帶來控制的復雜性，尤其是共交直流母線結構，很容易引起模塊間環(huán)流。環(huán)流會使并網(wǎng)電流畸變，增加損耗，降低系統(tǒng)效率［6-7］，VSC模塊間的硬件參數(shù)、控制參數(shù)、載波等是否一致均是環(huán)流產生的原因。模塊間載波交錯技術可以有效改善并聯(lián)總電流質量，提高等效開關頻率，降低無源濾波元件的體積和整個系統(tǒng)的費用，但對于共交直流母線VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)，載波交錯導致模塊間的開關控制不同步是產生環(huán)流的主要原因［8-10］。并網(wǎng)型VSC模塊并聯(lián)控制結構主要有集中式和分布式［11-13］。集中式控制通過一個主模塊和多個從模塊來實現(xiàn)，主模塊主要負責功率環(huán)、電壓環(huán)及電流環(huán)計算等功能，從模塊主要負責脈寬調制及保護等功能，主從模塊間需要進行大量快速的數(shù)據(jù)交換，從模塊本身不能獨立工作，可靠性低。分布式控制中所有模塊均相同，不依賴任何模塊及模塊數(shù)，可實現(xiàn)冗余控制，模塊間只需簡單的數(shù)據(jù)交換，降低了對通信速率的要求，但基于無互連線的分布式控制結構實現(xiàn)起來比較復雜。

目前，VSC并聯(lián)運行的同步控制模式有同步母線通信［14-15］、電力載波通信［16］和 CAN 總線通信［17-18］，文獻［15］中多個并聯(lián)電源通過同步信號線實現(xiàn)模塊間同步控制，但系統(tǒng)互連線較多，冗余性差。文獻［17-18］中CAN總線僅用于系統(tǒng)控制量交換，未用于時間基準同步，效率低。CAN總線通信支持分布式控制和多主通信，只需一條總線即可實現(xiàn)全網(wǎng)絡廣播傳送信息，互連線數(shù)目明顯降低，較其他方式更適合VSC并聯(lián)同步控制。

本文在上述集中控制基礎上，結合分布式控制的特點，設計基于CAN總線的載波同步VSC并聯(lián)控制方法。從模塊對主模塊的依賴程度降低，各模塊獨立進行閉環(huán)工作，利用CAN總線時間基準參考實現(xiàn)模塊間較高精度的載波同步，主從模塊間只進行載波同步信息的交互，通信效率有效提高，從而抑制模塊間高頻環(huán)流，同時引入模塊自主監(jiān)控機制，解決冗余控制復雜的問題，獲得良好的動穩(wěn)態(tài)性能。

1 VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)

VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，VSC模塊采用單電感濾波，模塊間并聯(lián)采用共交直流母線結構，交流側并聯(lián)后經(jīng)過濾波電容，再通過△/Y型隔離變壓器并網(wǎng)。VSC模塊采用典型的雙閉環(huán)控制結構，同時采用基于dq變換的鎖相環(huán)同步電網(wǎng)電壓。

圖2為VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)結構圖，并聯(lián)系統(tǒng)由上位機和N個相同的VSC模塊構成，并通過CAN總線互相連接。上位機接受上層調度并向各模塊發(fā)送功率指令，各模塊通過競爭遴選出一個主模塊，其余均為從模塊，主從模塊間進行載波同步信息的交互，并在主從模塊故障時，通過模塊自主監(jiān)控機制解決故障，保證模塊間載波同步，提高系統(tǒng)的可靠性。

圖1 VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)示意圖Fig．1 Schematic diagram of parallel VSC modules

圖2 VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)結構圖Fig．2 Structure of system with parallel VSC modules

2 載波交錯對并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流影響

對于共交直流母線VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)，各個模塊調制波、載波等不一致性因素，容易引起模塊間環(huán)流。當VSC模塊并聯(lián)運行時，若每個模塊控制器的時鐘自由運行，載波相位將形成自由交錯現(xiàn)象。下面以正弦脈寬調制（SPWM）技術為例，分析載波交錯對VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)并網(wǎng)電流的影響，進而揭示載波交錯對VSC模塊間環(huán)流的影響。

2.1 載波交錯引起模塊間高頻環(huán)流

以圖1中2個VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)為例，各模塊均采用SPWM。載波交錯現(xiàn)象如圖3所示，假設2個VSC模塊的調制波相同，圖3給出了一個載波周期內VSC模塊各自的驅動波形，可見在零矢量的重疊區(qū)域 000-111、111-000、000-111，2 個 VSC 模塊間將形成環(huán)路 m-a1-a-aN-n、m-b1-b-bN-n、m-c1-ccN-n。在直流母線電壓的激勵下，將同時對濾波電感進行充電或放電，此時VSC模塊三相電流中將出現(xiàn)環(huán)流；而在其他區(qū)域001-101、101-001，只有m-a1-a-aN-n、m-b1-b-bN-n、m-c1-c-cN-n 中的部分形成環(huán)流通路，在直流母線電壓的激勵下，也將形成環(huán)流。

實際系統(tǒng)中，即使2個VSC模塊的調制波一致，若VSC模塊PWM均采用在三角載波下溢點采樣，由于載波交錯，將導致其中一個VSC模塊相比于另一個VSC模塊的調制波超前或滯后一個交錯角度，即在同一個時段對應的載波周期內，調制波也存在偏差，這將進一步增大環(huán)流。下面將仿真驗證所述載波交錯對模塊間環(huán)流的影響。

圖3 載波交錯現(xiàn)象Fig．3 Phenomenon of carrier interleave

2.2 載波交錯對模塊間環(huán)流影響仿真驗證

以2臺VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)為例，驗證載波交錯對環(huán)流的影響。在MATLAB中搭建仿真電路模型，仿真參數(shù)如下：直流側電壓Udc=650 V，電網(wǎng)頻率為50 Hz，濾波電感L=2 mH，濾波常數(shù)為10-4s，濾波電阻 R=0.01 Ω，dq 調節(jié)器參數(shù) Kp=0.035、Ki=100，開關頻率fs=10 kHz，電網(wǎng)電壓為380 V。假設模塊的初始狀態(tài)相同，給定參考量均為0。

圖4為載波交錯時VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)的電流波形，從上至下依次為VSC模塊并聯(lián)總電流ia、VSC模塊1電流i1a、VSC模塊2電流i2a、VSC模塊1環(huán)流ic1a和VSC模塊2環(huán)流ic2a。其中VSC模塊1與VSC模塊2的載波相差180°；2個VSC模塊輸出有功電流給定均為30 A，無功電流給定均為0?？梢姰擵SC模塊載波交錯時，將出現(xiàn)明顯的高頻環(huán)流。

圖4 載波交錯時VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)電流波形Fig．4 Current waveforms of system with parallel VSC modules for interleaved carriers

圖5為載波同步時VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)的電流波形，其中VSC模塊1、VSC模塊2輸出有功電流給定均為30 A，無功電流給定均為0。由圖5可見當VSC模塊載波同步時，高頻環(huán)流明顯減小。

圖5 載波同步時VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)電流波形Fig．5 Current waveforms of system with parallel VSC modules for synchronized carriers

基于上述理論分析及仿真結果可以看出，共交直流母線VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)中載波交錯現(xiàn)象將產生高頻環(huán)流。高頻環(huán)流的存在很容易引起模塊的過流保護，因此載波同步與否尤為關鍵。下面將介紹基于CAN總線的載波同步實現(xiàn)方法。

3 基于CAN總線的載波同步設計

本文采用CAN總線作為VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)載波同步的通信手段。通過一條CAN總線完成模塊間載波同步等信息的通信，采用較少的互連線實現(xiàn)VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)控制。

3.1 并聯(lián)系統(tǒng)控制時序

VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)中每個模塊配置獨立的DSP控制器，采用下溢中斷處理采樣、閉環(huán)控制算法和通信程序。VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)主從控制時序如圖6所示。根據(jù)SPWM控制特點，主從模塊在第k-1個載波周期下溢點獨立采樣并計算出第k+1個載波周期的輸出參考，占空比計算結果在第k個載波周期下溢時輸出，如圖6中tm1、ts1時段。主模塊在tm2時段向從模塊發(fā)送載波同步信號，從模塊在ts2時段接收主模塊的載波同步信號，并在下一周期與主模塊載波同步，主模塊每4個載波周期發(fā)送一次載波同步信號，保證主從模塊載波同步的實時性。圖6中tm3和ts3時段用于模塊自主監(jiān)控及功率指令的發(fā)送。

圖6 VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)主從控制時序Fig．6 Timing of master-slave control for system with parallel VSC modules

3.2 硬件設計

VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)硬件結構如圖7所示，主要包括主電路、IGBT驅動電路以及DSP主控板（AD采樣電路、CAN控制器、PWM控制電路）等。采用高速 DSP（Digital Signal Processing）TMS320F28335，該芯片自帶2通道含32個郵箱的增強型CAN模塊。為了保證數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定性，采用ADI公司隔離式CAN芯片ADM3053作為收發(fā)器，終端加接120 Ω匹配電阻［19］，信息傳輸采用CAN2.0通信協(xié)議，雙絞線傳輸介質。

圖7 VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)硬件結構Fig．7 Hardware structure of system with parallel VSC modules

3.3 CAN總線初始化設計

CAN總線的初始化，主要包括對CAN中斷、引腳設置、定時器設置、波特率設置、郵箱初始化等。設置CAN報文為8個字節(jié)擴展幀，采用1 Mbit/s的速率，保證通信的實效性。CAN模塊郵箱配置包括遠程幀接收應答郵箱、廣播信號幀接收應答郵箱、載波同步數(shù)據(jù)幀接收應答郵箱以及可配置接收發(fā)送郵箱。

3.4 載波同步原理

由于CAN總線上所有節(jié)點的時鐘寄存器均可以對總線上的位時鐘進行同步計數(shù)，因此采用CAN時鐘寄存器作為載波同步時間基準參考［19］。總線上一旦有數(shù)據(jù)流發(fā)生，各節(jié)點通過內部的數(shù)字鎖相環(huán)，提取位時鐘進行計數(shù)，即使總線空閑，鎖相環(huán)仍能通過鎖住的信號繼續(xù)計數(shù)，直到新的數(shù)據(jù)流通過總線，又重新對新的位時鐘進行計數(shù)，各節(jié)點的CAN總線計數(shù)值進行統(tǒng)一歸零。由于是共享的通信線路，各節(jié)點時鐘寄存器對位時鐘的計數(shù)同步，相同時間計數(shù)值相等，從而得到載波同步參考。

要獲得圖6的主從控制時序，需要一個建立同步并保持的機制，載波同步建立過程如下。

第一個模塊上電后，通過郵箱發(fā)送一個遠程幀，并要求其余模塊發(fā)送響應信息，由于是第一個模塊，得不到響應，固定時間后，自動設置為主模塊，并備好遠程應答數(shù)據(jù)，此時不調節(jié)載波周期。第二個至第N個模塊上電后，同樣發(fā)送遠程幀，由于有主模塊的存在而收到應答幀，設置為從模塊。初始化主從地位建立流程如圖8（a）所示。

主模塊查詢到自身有遠程應答信號，確定有從模塊加入，通過郵箱廣播發(fā)送一個CAN總線時鐘清零的載波同步數(shù)據(jù)幀，將總線上所有節(jié)點的時鐘寄存器清零，同時各節(jié)點的時鐘寄存器對總線上共同的位時鐘同步計數(shù)；從模塊收到載波同步數(shù)據(jù)幀后，進入中斷響應，微調載波周期，置軟件同步標志位，同時啟動PWM輸出新的占空比。

載波同步信號在并聯(lián)模塊間傳輸距離不同，各模塊DSP以及晶振之間也有微小的差別，導致工作過程中載波周期存在差異，因此每次下溢中斷時各從模塊需要根據(jù)共同的參考微調自身載波周期。本文中載波周期為100 μs，每4個載波周期同步一次，對應1 Mbit/s標準的CAN總線位時鐘值為400。從模塊每次接收到主模塊發(fā)送的載波同步信號后，先采樣自身CAN總線位時鐘值再與標準的位時鐘值作差比較，得到的差值反映了偏離參考周期的長短，差值為正表示自身的載波周期比參考標準短，差值為負表示自身的載波周期比參考標準長。進而反向微調載波周期值，即可保持主從模塊實現(xiàn)較高精度的載波同步，同步誤差控制在0.5 μs以內。主從模塊載波同步流程如圖8（b）所示。

圖8 初始化主從地位建立及載波同步流程圖Fig．8 Flowchart of master-slave initialization and flowchart of carrier synchronization

圖9 模塊自主監(jiān)控機制流程圖Fig．9 Flowchart of independent module monitoring mechanism

為了保證主模塊的存在及可靠運行，避免主模塊故障失效時，從模塊因無法與總線連接或無法檢測到故障而影響主模塊的重新確定，在傳統(tǒng)主從控制基礎上引入模塊自主監(jiān)控機制，整個系統(tǒng)不會因為主模塊的故障而癱瘓。模塊自主監(jiān)控機制流程圖如圖9所示，各模塊上電主從地位建立后，從模塊監(jiān)控自身狀態(tài)信息，此狀態(tài)信息為CAN錯誤狀態(tài)寄存器的數(shù)值［19］，將此狀態(tài)信息連同自身序列號發(fā)送到總線，同時接收其他從模塊的狀態(tài)信息。每個模塊有一個獨立的序列號，并按序列號優(yōu)先級順序依次排入動態(tài)隊列，模塊組網(wǎng)后定時更新模塊動態(tài)隊列，主模塊在每個交流電源周期向從模塊發(fā)送模塊狀態(tài)信息請求。若某個從模塊沒有響應或狀態(tài)信息錯誤，設置發(fā)送次數(shù)Ns，重新發(fā)送狀態(tài)信息請求，若仍然沒有響應或狀態(tài)信息錯誤，則確認此模塊丟失或故障，將此模塊序列號從動態(tài)隊列中清除，若收到響應信號，則重新檢測模塊信息是否正確，若有新的從模塊加入或故障的從模塊恢復正常，則將其加入此動態(tài)隊列，保證動態(tài)隊列中從模塊均為正常工作模塊。當主模塊丟失或故障時，動態(tài)隊列中的從模塊向總線發(fā)出爭主請求，由總線仲裁確定新的主模塊，系統(tǒng)可靠性大幅提高。

4 實驗驗證

根據(jù)本文所提方法研制了2臺基于VSC模塊并聯(lián)的儲能PCS樣機，并進行實驗驗證。每臺VSC模塊含獨立的直流濾波電容、主電路、DSP控制器和濾波電感，在模塊耦合點并聯(lián)后經(jīng)濾波電容和變壓器并入380 V配電網(wǎng)，直流側為650 V/75 kW·h電池儲能系統(tǒng)。

圖10為VSC模塊并聯(lián)運行時主模塊向CAN總線發(fā)送的載波同步信號（其中下圖為上圖點劃線框部分的放大圖，后同），每4個載波周期發(fā)送一次，保證主從模塊載波同步。圖11為主從模塊同一時刻載波周期信號波形，從放大窗口可以看出一致性較好，載波同步誤差控制在0.5 μs以內，能夠滿足VSC并聯(lián)控制對載波同步精度要求。

圖10 載波同步信號波形Fig．10 Waveforms of carrier synchronization signal

圖11 主從模塊同一時刻載波周期信號波形Fig．11 Waveforms of periodic carrier signal of master and slave modules at same time

圖12為VSC模塊載波同步并聯(lián)運行實驗波形。VSC模塊1、VSC模塊2的有功給定為3.5 kW，無功給定為0。其中圖12（a）給出了模塊電感電流和模塊間環(huán)流波形，圖12（b）給出了模塊電感電流和模塊并聯(lián)電流波形。由圖12可以看出，2臺共交直流母線VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)模塊間高頻環(huán)流得到了有效抑制，穩(wěn)態(tài)性能良好。

圖12 VSC模塊載波同步并聯(lián)運行實驗波形Fig．12 Experimental waveforms of parallel VSC modules with carrier synchronization

圖13為VSC模塊并聯(lián)運行時功率突變實驗波形。圖13（a）中2臺VSC模塊初始功率均為0，同時突增有功至3.5 kW。圖13（b）中2臺VSC模塊初始有功給定為3.5 kW，同時突降至0.2 kW。圖13（c）中單臺VSC模塊有功給定從0突增至3.5 kW，圖13（d）中單臺VSC模塊有功給定從3.5 kW突減至0。由圖13可以看出，2臺共交直流母線VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)功率突變瞬間模塊并聯(lián)電流沒有發(fā)生明顯的突變，動態(tài)性能良好。

圖13 VSC模塊并聯(lián)運行時功率突變實驗波形Fig.13 Experimental waveforms of parallel VSC modules with active power mutation

5 結論

本文針對儲能PCS中共交直流母線并聯(lián)運行VSC模塊的高頻環(huán)流抑制問題，通過分析載波交錯對并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流的影響，引入模塊自主監(jiān)控機制，設計了一種基于CAN總線的載波同步實現(xiàn)方法。實驗結果表明：

a.采用本文所提基于CAN總線的載波同步方法，共交直流母線VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)中載波同步誤差不超過0.5%，模塊間高頻環(huán)流得到有效抑制，系統(tǒng)動穩(wěn)態(tài)性能良好；

b.通過建立模塊自主監(jiān)控機制，解決了主從控制結構中冗余控制性能不佳的問題，實現(xiàn)模塊的快速自由投切，系統(tǒng)可靠性大幅提高，同時各VSC模塊均相同，易于大容量模塊化擴展，具有良好的工程可實現(xiàn)性。

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