應(yīng)用于電力電子變壓器的通信技術(shù)

馬志鵬 周東東 程 紅

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）

應(yīng)用于電力電子變壓器的通信技術(shù)

馬志鵬 周東東 程 紅

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）

電力電子變壓器是作為智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對其智能控制具有重要意義。針對電力電子變壓器具有多功率單元、多功率級、模塊化程度高且需要多控制器協(xié)調(diào)控制的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種多控制器與雙口RAM相結(jié)合的通信控制方式，并詳細(xì)介紹了各功率單元、各功率級之間數(shù)據(jù)信息傳輸及處理的工作方式。最后，以功率傳輸級為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該通信控制方式可以更好的實(shí)現(xiàn)電力電子變壓器的智能協(xié)調(diào)控制。

電力電子變壓器作為新一代智能電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，具有高頻電氣隔離、功率因數(shù)可調(diào)、故障隔離、控制自由度高以及可實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)互聯(lián)通信等優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠能支持分布式發(fā)電、儲能、可控負(fù)荷等設(shè)備即插即用，還可以有效地對電能進(jìn)行管理調(diào)度以及故障隔離。

在智能電網(wǎng)建設(shè)中，要求電力電子變壓器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，還要求設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、控制等信息雙向、多向流動(dòng)，充分實(shí)現(xiàn)共享電力設(shè)備硬件數(shù)據(jù)信息資源，提高設(shè)備的集成度和智能化。目前，針對電力電子變壓器的實(shí)時(shí)通信控制技術(shù)仍處于初步研究階段，如文獻(xiàn)采用多DSP控制器與SCI串口通信方式實(shí)現(xiàn)電力電子變壓器多控制器之間通信，但是這種通信方式速度較低，智能簡單地實(shí)現(xiàn)變壓器各功率單元、各功率級的數(shù)據(jù)傳遞，無法真正實(shí)現(xiàn)變壓器全面數(shù)據(jù)共享；文獻(xiàn)采用DSP與FPGA結(jié)合的控制器，通過FPGA實(shí)現(xiàn)I/O口擴(kuò)展，但是該控制結(jié)構(gòu)不利于變壓器功能單元的擴(kuò)展與模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

本文針對電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了一種多CPU結(jié)合雙口RAM結(jié)構(gòu)的通信方式，充分利用雙口RAM信息高速、靈活交換的功能實(shí)現(xiàn)各個(gè)功率單元之間和各個(gè)功率級之間的數(shù)據(jù)信息（包括狀態(tài)信息、控制信息等）共享，實(shí)現(xiàn)電力電子變壓器各功率單元的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與控制；各功率級的協(xié)調(diào)控制、冗余控制，同時(shí)可將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等信息上傳到變電站，真正做到能量和信息集成于一體的智能電力電子變壓器。

電力電子變壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

大功率電力電子變壓器普遍采用級聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由多功率單元串/并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，分為整流級、功率傳輸級、逆變級三個(gè)功率級。由于開關(guān)器件數(shù)量較多，級聯(lián)型變壓器需要采用多個(gè)控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)，才能完成對整個(gè)變壓器的控制。并且，目前的在線監(jiān)測技術(shù)主要是通過傳感器采集設(shè)備的外部信息進(jìn)行計(jì)算得到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，卻不能準(zhǔn)確得到設(shè)備運(yùn)行的內(nèi)部信息，因此很難實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的全面檢測與控制。

圖1　級聯(lián)型電力電子變壓器拓?fù)?/p>

綜合電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，為實(shí)現(xiàn)各功率單元與各功率級之間的智能協(xié)調(diào)控制首先需要實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制器之間數(shù)據(jù)信息靈活高速的雙向、多向流動(dòng)。

圖2　通信結(jié)構(gòu)圖

圖3　功率單元通信示意圖

通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于圖1所示的電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并充分利用雙口RAM高速、可靠、穩(wěn)定數(shù)據(jù)通信優(yōu)點(diǎn)，提出了如圖2所示多CPU結(jié)合雙口RAM結(jié)構(gòu)的通信方式的智能電力電子變壓器通信結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：1.功率單元之間通信；2.功率級之間通信。

功率單元之間通信結(jié)構(gòu)是將每個(gè)功率單元的控制器與雙口RAM的一個(gè)接口連接，各個(gè)功率單元通過雙口RAM的另一個(gè)接口采用數(shù)據(jù)總線方式與整個(gè)級的數(shù)據(jù)處理單元連接。通過雙口RAM實(shí)現(xiàn)各功率單元之間的數(shù)據(jù)信息交換，并通過每級的數(shù)據(jù)處理單元對整個(gè)級的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。

各功率級之間的通信結(jié)構(gòu)是將每級的數(shù)據(jù)處理單元與雙口RAM的一個(gè)接口連接，將雙口RAM的另一個(gè)接口連接到整個(gè)變換器的數(shù)據(jù)處理中心。通過雙口RAM實(shí)現(xiàn)各功率級的數(shù)據(jù)信息交換，并通過數(shù)據(jù)處理中心對整個(gè)變換器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。

功率單元之間信息流

如圖3所示功率單元之間的信息主要實(shí)現(xiàn)電力電子變壓器各功率單元的閉環(huán)控制和監(jiān)測各個(gè)功率單元的運(yùn)行狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)將傳感器采集到的信息進(jìn)行共享，一方面用于控制器控制閉環(huán)計(jì)算，一方面將信息傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?，同時(shí)將設(shè)備運(yùn)行的內(nèi)部信息（包括控制參數(shù)信息、控制變量信息）傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?。并且所有信息共享都在控制器每個(gè)控制周期開始時(shí)候完成，這樣做有以下兩方面優(yōu)點(diǎn)：1、不影響控制程序執(zhí)行；2.實(shí)現(xiàn)控制算法和信息處理同步執(zhí)行，確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

功率變換級之間信息流

圖4　功率變換級通信示意圖

功率變換級通信方式與功率單元類似，但數(shù)據(jù)形式不同，數(shù)據(jù)處理單元將對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和處理，并提取每個(gè)功率變換級有用的數(shù)據(jù)信息（如傳輸功率大小、傳輸方向等），這樣做有以下兩方面優(yōu)勢：1.減小數(shù)據(jù)通信量提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)效果；2.數(shù)據(jù)處理中心可以有更多時(shí)間做其他數(shù)據(jù)操作。例如充分分析各級信息做出合理的協(xié)調(diào)控制等。

如圖4所示，采用數(shù)據(jù)處理中心對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行信息處理，不僅可以實(shí)現(xiàn)控制信息整合、雙向多向流動(dòng)，還可以采用各種通信技術(shù)（如以太網(wǎng)、WiFi等）將設(shè)備的信息與其他電網(wǎng)設(shè)備關(guān)聯(lián)，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力設(shè)備網(wǎng)絡(luò)互連打下基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)分析處理

數(shù)據(jù)分析處理

電力電子變壓器數(shù)據(jù)分成兩級處理，功率變換級內(nèi)部數(shù)據(jù)處理和整個(gè)變壓器級間數(shù)據(jù)集中處理。

功率變換級內(nèi)部數(shù)據(jù)處理主要實(shí)現(xiàn)：1.每級各個(gè)功率單元的協(xié)調(diào)控制，并且全面提取每級運(yùn)行狀態(tài)信息；2.整合每級控制信息及運(yùn)行狀態(tài)，將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行綜合控制。

整個(gè)變壓器級間數(shù)據(jù)集中處理主要實(shí)現(xiàn)：1.協(xié)調(diào)各個(gè)功率變換級，實(shí)現(xiàn)整流級、功率傳輸級、逆變級三級協(xié)調(diào)控制；2.將該電力電子變壓器信息與其他配電設(shè)備、大電網(wǎng)共享，提升整個(gè)配電系統(tǒng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化。

控制信息保存

控制信息在雙口RAM中保存當(dāng)設(shè)備掉電后信息會(huì)丟失，會(huì)對控制系統(tǒng)造成嚴(yán)重的后果，工程上針對這類問題做法是將信息存入片外flash，但這種做法是有缺陷的，程序的每個(gè)控制周期都會(huì)訪問片外flash，這樣會(huì)增加控制程序執(zhí)行的時(shí)間，對于實(shí)時(shí)性要求較高的，高頻開關(guān)周期控制的控制系統(tǒng)而言是不合理的。本設(shè)計(jì)提出了一種存儲方式來解決這個(gè)問題，在片內(nèi)flash中開辟一段存儲區(qū)域用于存放設(shè)備的控制信息，這樣就會(huì)很好的解決系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的問題，具體操作方式：

1.首先建立flash存儲區(qū)域；

2.將數(shù)據(jù)寫入雙口RAM中；

3.建立數(shù)據(jù)指針，將指針指向雙口RAM數(shù)據(jù)的地址；

圖5　實(shí)驗(yàn)平臺

圖6　程序流程圖

4.然后將其值賦給flash區(qū)相對應(yīng)的地址當(dāng)中。

并且控制信息保存避免每次給電都會(huì)從初試狀態(tài)調(diào)節(jié)，可以增加控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)

本文以電力電子變壓器功率傳輸級為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用TMS320F28335雙DSP控制器搭建實(shí)驗(yàn)平臺如圖5所示。

雙DSP控制之間通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其中ADSP為功率單元控制器，BDSP為功率傳輸級的數(shù)據(jù)處理單元控制器。控制器ADSP主要用于控制主電路信息采集和算法實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將主電路的運(yùn)行狀態(tài)信息、控制信息通過雙口RAM傳輸?shù)娇刂破鰾DSP，控制器BDSP對該信息進(jìn)行處理，同時(shí)上傳到上位機(jī)（本實(shí)驗(yàn)通過USB與上位機(jī)電腦實(shí)現(xiàn)通信），實(shí)現(xiàn)信息之間的雙向傳遞。

如圖6所示，控制系統(tǒng)程序主要包括：

1.系統(tǒng)初始化。定義中斷函數(shù)及中斷變量，初始化系統(tǒng)的各個(gè)模塊，即時(shí)鐘模塊，中斷模塊，AD模塊，EPWM模塊，雙口RAM模塊。

圖7　傳統(tǒng)單移相波形

圖8　雙重移相波形

2.檢測是否有中斷觸發(fā)，有中斷觸發(fā)執(zhí)行中斷子程序，沒有中斷觸發(fā)，系統(tǒng)等待。

3.執(zhí)行中斷子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)，輸出控制信號，執(zhí)行完畢跳出中斷。

通信系統(tǒng)程序主要包括：

1.系統(tǒng)初始化。定義中斷函數(shù)及中斷變量，初始化系統(tǒng)的各個(gè)模塊，即時(shí)鐘模塊，中斷模塊，USB模塊，雙口RAM模塊。

2.從雙口RAM讀取測試信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，協(xié)調(diào)算法的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。

3.判斷上位機(jī)是否發(fā)出命令，有命令，執(zhí)行上位機(jī)命令，處理接收數(shù)據(jù)并寫入雙口RAM相應(yīng)的存儲單元，沒有命令，返回主程序。

圖7為電力電子變壓器功率傳輸級在傳統(tǒng)單移相控制下的電路交流環(huán)節(jié)波形圖，圖8為在上位機(jī)控制下變換器從單移相控制切換到雙重移相控制下的電路交流環(huán)節(jié)波形圖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用多控制器結(jié)合雙口RAM結(jié)構(gòu)的通信方式可以靈活的實(shí)現(xiàn)信息雙向、多向流動(dòng)及數(shù)據(jù)信息共享。

結(jié)語

采用此種通信控制方式不僅有利于智能電力電子變壓器實(shí)現(xiàn)信息靈活的雙向、多向流動(dòng)，而且有利于電力電子變壓器運(yùn)行信息的充分共享，為實(shí)現(xiàn)電力電子變壓器的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化打下基礎(chǔ)。

名稱 ：無工頻變壓器級聯(lián)式多電平變換器關(guān)鍵技術(shù)研究 項(xiàng)目編號：51077125