電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊分布式控制體系

電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊分布式控制體系

大多數(shù)能源電子系統(tǒng)，尤其是大型和大型能源系統(tǒng)的控制，主要采用中央集中控制的數(shù)字控制器。這一系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)通常是根據(jù)客戶的需要進(jìn)行的。由于設(shè)計(jì)安裝和制造需要大量的非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備和部件，因此有必要縮短生產(chǎn)系統(tǒng)的周期，成本高。為了大幅度地改善電力電子系統(tǒng)的質(zhì)量、可靠性和成本,必須采用系統(tǒng)集成技術(shù),實(shí)現(xiàn)電力電子模塊的標(biāo)準(zhǔn)化,開(kāi)發(fā)高度集成的電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊(powerelectronicbuildingblock,PEBB).PEBB模塊將一個(gè)電力電子控制系統(tǒng)的一部分或大部分,包括功率器件、保護(hù)、控制、采樣和驅(qū)動(dòng)電路,集成到一個(gè)模塊或幾個(gè)模塊中.PEBB包括兩種類型的接口:功率傳輸接口和數(shù)據(jù)通信接口.通過(guò)這些接口,幾個(gè)PEBB可以組成一個(gè)系統(tǒng),來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能的分布式電力電子系統(tǒng).用戶通過(guò)軟件的配置就能實(shí)現(xiàn)多個(gè)PEBB模塊之間的相互協(xié)調(diào)工作,以滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用;通過(guò)軟件的配置也可以使同一個(gè)PEBB模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能,具有極大靈活性. 國(guó)內(nèi)對(duì)PEBB及其系統(tǒng)集成的研究剛剛興起,目前的研究都集中在PEBB模塊標(biāo)準(zhǔn)化和通用化上,對(duì)其系統(tǒng)集成方面的研究則較少.本文從系統(tǒng)集成的角度,對(duì)PEBB的控制體系,即電力電子分布式控制體系進(jìn)行了比較全面的分析和研究.1hm-am-sm控制體系研究PEBB的最終目標(biāo)是設(shè)計(jì)出適應(yīng)范圍廣泛的通用PEBB標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模塊,在此基礎(chǔ)上,必須提供一個(gè)簡(jiǎn)單通用的控制體系將PEBB模塊集成在一起,構(gòu)建成一個(gè)控制系統(tǒng).這種控制體系是分布式的.文獻(xiàn)就此問(wèn)題提出了一種分布式2級(jí)控制體系,低級(jí)控制器為硬件管理器(hardwaremanager,HM),高級(jí)控制器為應(yīng)用管理器(applicationmanager,AM),這種控制結(jié)構(gòu)被命名為HM-AM控制體系.HM-AM控制體系和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(fieldbuscontrolsystem,FCS)有一定的相似性,HM如同F(xiàn)CS中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,AM相當(dāng)于FCS中的現(xiàn)場(chǎng)控制器.但是在FCS系統(tǒng)中,往往配備一個(gè)系統(tǒng)級(jí)控制器,這類控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的配置、綜合分析現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳來(lái)的數(shù)據(jù);同時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,可以將系統(tǒng)控制器連接到因特網(wǎng)上.HM-AM體系中沒(méi)有此類控制器,這是它的不足之處.因此,在HM-AM體系的基礎(chǔ)上,增加一個(gè)系統(tǒng)管理器(systemmanager,SM).整個(gè)電力電子控制體系的控制權(quán)限劃分成3級(jí),從低到高分別是:HM、AM和SM,即HM-AM-SM控制體系,如圖1所示.HM跟功率模塊集成在一起,成為主回路的一部分,處理低級(jí)具體的硬件控制任務(wù),接收從AM來(lái)的控制指令,經(jīng)過(guò)處理后傳送到具體的硬件執(zhí)行電路.所有拓?fù)涮匦怨δ?包括軟開(kāi)關(guān)電路控制和通用功能,如脈寬調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)傳感、A/D轉(zhuǎn)換、死區(qū)補(bǔ)償、保護(hù)和優(yōu)化門極信號(hào)等,都由HM(內(nèi)嵌于PEBB)來(lái)實(shí)現(xiàn).把HM和功率模塊結(jié)合在一起,使得PEBB模塊智能化、對(duì)用戶透明,因而允許AM不依賴于PEBB的拓?fù)?、開(kāi)關(guān)和傳感器的數(shù)目.AM處理應(yīng)用級(jí)任務(wù),如實(shí)現(xiàn)三相逆變器或者全橋直流變換器的控制.AM可以使人們從目前靠低層硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要功能的模式中解放出來(lái).SM執(zhí)行更高級(jí)的控制任務(wù),負(fù)責(zé)系統(tǒng)級(jí)的初始化配置、功能設(shè)定、監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行.在某種程度上,SM就是一個(gè)高級(jí)人機(jī)接口.在通信協(xié)議的支持下,用戶只需在SM上,通過(guò)軟件設(shè)置就可以改變整個(gè)分布式系統(tǒng)的功能.結(jié)合以太網(wǎng)技術(shù),可以將控制體系集成到工廠控制網(wǎng)絡(luò)中(或因特網(wǎng)上).AM可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口I1實(shí)現(xiàn)與其他AM之間的通信;同樣,SM可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口I2實(shí)現(xiàn)與其他SM之間的通信.通過(guò)這兩個(gè)接口可以方便地實(shí)現(xiàn)與其他模塊之間的通信,從而實(shí)現(xiàn)分布式控制體系.不僅要實(shí)現(xiàn)PEBB(內(nèi)嵌HM)的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化,而且也要實(shí)現(xiàn)AM和SM的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化.所以,從廣義的和系統(tǒng)集成的角度來(lái)說(shuō),盡管AM和SM沒(méi)有功率接口,還是可以把它們歸納到PEBB的范疇.PEBB的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化包含軟件和硬件2個(gè)方面.這種廣義PEBB的概念更有利于實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng),更有利于電力電子系統(tǒng)集成.2物理層和應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)第1章所述的3級(jí)分布控制體系,首先需要解決不同模塊之間的通信問(wèn)題.為了確定PEBB之間通信的具體要求,必須分析HM-AM-SM體系的通信模型.分析分布式控制系統(tǒng)最常用的方法是采用基于開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型(opensysteminterconnection,OSI)的分析方法.現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型從OSI七層模型出發(fā),經(jīng)過(guò)精簡(jiǎn)后,一般是3或4層的通信模型.參照現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型,HM-AM-SM體系的通信模型也可以采用如下從低到高的3層結(jié)構(gòu):1)物理層;2)會(huì)話層;3)應(yīng)用層.如圖2所示,電力電子分布式HM-AM-SM控制體系的控制權(quán)限的劃分,與其通信模型有著一個(gè)比較明顯的映射關(guān)系.通信模型的服務(wù)對(duì)象就是控制體系中的PEBB模塊(內(nèi)嵌HM)、主回路和動(dòng)力裝置.1)物理層負(fù)責(zé)通過(guò)物理通信介質(zhì)實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)的物理連接,以保證數(shù)據(jù)的傳送.在物理層上傳送數(shù)據(jù)可能會(huì)發(fā)生差錯(cuò),差錯(cuò)檢測(cè)和修正服務(wù)由會(huì)話層或應(yīng)用層提供.整個(gè)物理層由通信介質(zhì)和節(jié)點(diǎn)收發(fā)器組成.不同的通信帶寬和通信協(xié)議決定了通信介質(zhì)的選擇,常用的有同軸電纜、雙絞線和光纖等.在控制體系的接口I1實(shí)現(xiàn)AM之間通信的時(shí)候,AM的通信接口和收發(fā)器是物理層的一部分;在接口I2實(shí)現(xiàn)SM之間通信的時(shí)候,SM的通信接口和收發(fā)器是物理層的一部分.物理層還包括整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?2)會(huì)話層首先通過(guò)物理層連接到遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)上,然后再為高層管理會(huì)話提供鏈接服務(wù).會(huì)話層也要提供數(shù)據(jù)差錯(cuò)檢測(cè)和修正服務(wù),以達(dá)到物理層傳送無(wú)差錯(cuò)的目的.PEBB之間的通信,有2類不同的數(shù)據(jù)需要傳輸:①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),包括開(kāi)關(guān)頻率信息、占空比、控制量和所有檢測(cè)量,這類數(shù)據(jù)每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都會(huì)發(fā)生變化;②非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),負(fù)責(zé)初始化、監(jiān)測(cè)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息交換.會(huì)話層必須同時(shí)處理好實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸.在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)里,每個(gè)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候都會(huì)引進(jìn)延時(shí),產(chǎn)生失步現(xiàn)象.相比其他通信系統(tǒng),這種延時(shí)對(duì)電力電子通信系統(tǒng)的影響更大,會(huì)導(dǎo)致脈寬調(diào)制輸出的偏移,產(chǎn)生低頻諧波,有可能嚴(yán)重影響電力電子系統(tǒng)的正常工作.會(huì)話層必須處理好數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的同步問(wèn)題,避免失步現(xiàn)象的產(chǎn)生.會(huì)話層的功能基本上由控制體系中的AM來(lái)實(shí)現(xiàn).AM除了執(zhí)行本控制單元的控制功能外,還必須能夠與HM、SM進(jìn)行通信,以及能夠與其他的AM進(jìn)行通信.因此AM將提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制,解決通信當(dāng)中的同步問(wèn)題,提供數(shù)據(jù)差錯(cuò)檢測(cè)和修正服務(wù).3)應(yīng)用層主要包括:①功能庫(kù)(functionblocks,FB),包含了電力電子控制系統(tǒng)常用的控制算法;②信息規(guī)范(messagespecification,MS),定義變量名、數(shù)據(jù)格式、楨格式等;③網(wǎng)絡(luò)管理器(networkmanagement,NM),定義初始化過(guò)程和網(wǎng)絡(luò)操作;④數(shù)據(jù)處理器(datahandler,DH),初始化階段從FB中調(diào)用算法進(jìn)行初始化.應(yīng)用層的功能由控制體系中的SM來(lái)實(shí)現(xiàn),SM可以看成是用戶操作界面.在初始化的時(shí)候,用戶通過(guò)SM調(diào)用功能庫(kù)里的算法以實(shí)現(xiàn)特定的功能.通過(guò)初始化配置后,AM和功率模塊配合使用,可以實(shí)現(xiàn)不同的控制功能,或多個(gè)AM配合使用實(shí)現(xiàn)分布式控制.SM還可以提供網(wǎng)絡(luò)管理和信息規(guī)范功能.3pebc模塊系統(tǒng)中采用PEBB模塊的個(gè)數(shù)取決于:1)PEBB模塊自身的結(jié)構(gòu);2)控制對(duì)象的類型及其功率等級(jí).實(shí)際上控制對(duì)象的類型及其功率等級(jí)又決定了PEBB模塊的結(jié)構(gòu).對(duì)應(yīng)不同功率水平,PEBB可以采用三種不同的形式:1)大功率時(shí),PEBB需采用開(kāi)關(guān)單元和無(wú)源器件來(lái)構(gòu)建;2)中等功率下,采用橋臂結(jié)構(gòu);3)小功率時(shí)則可以是一個(gè)完整的變換器電路.以六相電機(jī)為例,如果功率是兆瓦級(jí)的,其PEBB模塊采用橋臂結(jié)構(gòu),那么需6個(gè)PEBB模塊;如果功率只有幾個(gè)千瓦,其PEBB模塊采用完整的變換器結(jié)構(gòu),一般包含3個(gè)橋臂,那么只需2個(gè)PEBB模塊.圖3為基于PEBB模塊的電力電子分布式控制體系,圖中功率開(kāi)關(guān)模塊(powerblock,PB)和HM集成在一起就是PEBB模塊.PEBB模塊的個(gè)數(shù)決定了AM模塊的個(gè)數(shù).AM通過(guò)接口I1實(shí)現(xiàn)與HM、其他AM之間的通信.接口I1的帶寬要求比較高,所以可采用光纖作為通信介質(zhì),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话銥榄h(huán)形.這部分的通信實(shí)現(xiàn)是一個(gè)難點(diǎn).在所有的AM當(dāng)中設(shè)置一個(gè)主節(jié)點(diǎn),其他為從節(jié)點(diǎn).接口I1要求的實(shí)時(shí)性比較高,作為一個(gè)措施,可設(shè)置一個(gè)同步時(shí)鐘信號(hào).即從主節(jié)點(diǎn)AM輸出時(shí)鐘信號(hào),其他從節(jié)點(diǎn)AM取主節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘為輸入時(shí)鐘,所有的AM都在同一時(shí)鐘頻率下工作.這是解決好同步問(wèn)題的關(guān)鍵.SM通過(guò)接口I2實(shí)現(xiàn)與AM、其他SM之間的通信.接口I2的帶寬要求不高,實(shí)時(shí)性的要求也不高,所以可選的通信技術(shù)范圍比較寬,甚至可以采用一般的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)TCP/IP協(xié)議.基于PEBB模塊的電力電子分布式控制系統(tǒng)借鑒了FCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想,兩者有些類似,但是應(yīng)用場(chǎng)合和控制對(duì)象不同.FCS主要是為化工設(shè)備提供分布式過(guò)程自動(dòng)化控制,而電力電子分布式控制系統(tǒng)是為電力電子設(shè)備提供分布式實(shí)時(shí)自動(dòng)化控制.這就意味著電力電子分布式控制的處理速度必須更快.同時(shí),因?yàn)闀r(shí)間常數(shù)更小,所以系統(tǒng)同步問(wèn)題變得很突出.分布式控制器的噪聲敏感性也是另一個(gè)要考慮的問(wèn)題.因?yàn)榭刂破鞲咏β首兞髌?也就更接近噪聲源,所以系統(tǒng)的抗噪聲性能對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性影響很大.4相電壓源型變壓器的最小信道傳輸能力為了構(gòu)建基于PEBB的電力電子分布式控制系統(tǒng),除了要實(shí)現(xiàn)PEBB標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和控制功能的模塊化,最重要的要使信號(hào)分布、網(wǎng)絡(luò)接口和通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化.所以HM、AM和SM之間的控制權(quán)限劃分是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,這決定了不同空間、時(shí)間分布的通信要求,決定了不同管理器執(zhí)行的任務(wù).三相電壓源型逆變器應(yīng)用廣泛,其拓?fù)渚哂型ㄓ眯?對(duì)其控制體系進(jìn)行分析具有典型意義.按照?qǐng)D1和圖2要求對(duì)三相電壓源型逆變器的控制體系進(jìn)行控制權(quán)限的劃分,從而實(shí)現(xiàn)其分布式控制,如圖4所示.圖中的PB由3組開(kāi)關(guān)橋臂構(gòu)成.HM主要包括脈沖發(fā)生器、AD轉(zhuǎn)換電路和保護(hù)電路(環(huán)境監(jiān)控、故障檢測(cè)),另外還有通信接口及電平轉(zhuǎn)換電路.AM是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心,必須能夠?qū)崿F(xiàn)完整的控制功能.作為一個(gè)例子,圖4中的AM的控制功能包括:角度觀測(cè)、ABC/DQ變換、電流調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、DQ/αβ變換和SVM調(diào)制,整個(gè)控制算法是一個(gè)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為外環(huán),電流調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán).同時(shí),AM提供與HM以及其他AM之間的通信機(jī)制.SM可以采用工控機(jī),也可以采用專門設(shè)計(jì)的微處理器+輸入(鍵盤)+輸出(液晶屏).不管那種方法,都必須配置足夠的存儲(chǔ)空間,存儲(chǔ)各類基本的控制算法,以便系統(tǒng)初始化時(shí)的功能設(shè)定.接口I1選在脈沖發(fā)生器和SVM調(diào)制器之間,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),包括:電流采樣、轉(zhuǎn)速采樣、開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量和矢量的占空比.接口I2選在負(fù)載調(diào)節(jié)器的輸入部分,實(shí)際上是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和SM的接口;在接口I2傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是轉(zhuǎn)速參考值和故障反饋信號(hào),均為非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).每個(gè)接口均可雙向傳輸信號(hào),但數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)格式和刷新速率不盡相同.接口I1和I2傳送的數(shù)據(jù)都是數(shù)字變量.對(duì)于每個(gè)數(shù)字變量所需的信道帶寬可表示為B=Kd·fSW·nx.(1)式中:Kd為采樣時(shí)間和傳送時(shí)間的比值,fSW為采樣頻率,即刷新率,nx為所測(cè)量變量的二進(jìn)制位數(shù).一般假設(shè)采樣頻率和開(kāi)關(guān)頻率相同.應(yīng)該注意的是,開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量是3×n階的矩陣,矩陣中每個(gè)量的值域?yàn)閇01],只需一位二進(jìn)制數(shù)就可以表示.將占空比(階矢量)、功率開(kāi)關(guān)故障信號(hào)、3個(gè)電流采樣值和轉(zhuǎn)速采樣值所需二進(jìn)制位數(shù)均記為N0,那么接口I1所需要的帶寬為B1=(3×n)·Kd1·fSW·1+N1·Kd1·fSW·N0.(2)式中:N1為接口I1中采樣數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù).同理,接口I2信道帶寬可表示為B2=N2·Kd2·fSW·N0.(3)式中:N2為接口I2中采樣數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù).取如下的參數(shù):fSW=20kHz,N0=12,Kd1=2,n=3(n取決于不同的控制策略),因?yàn)楣收戏答佇盘?hào)和電壓參考量很少變化,不需要頻繁采樣,所以取Kd2=0.2.根據(jù)式(2)和(3),可得三相電壓源型逆變器各個(gè)接口所需的最小信道傳輸能力(Mb/s),分別為B1=4.2;B2=0.096.(4)上式表明,離主回路越遠(yuǎn)的接口,所需的帶寬越少.基于這點(diǎn),可以考慮將更多的控制環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)在HM以內(nèi),這就會(huì)減少其他接口要通信的數(shù)據(jù)量.接口I1所需的帶寬在10Mb/s以下,即使在通信的時(shí)候再加上起始位、地址位、校驗(yàn)位等格式位,I1所需的帶寬也不會(huì)很大,因此這個(gè)接口可以作為HM和AM之間的物理接口.在接口I1實(shí)現(xiàn)AM之間的通信,必須同時(shí)考慮實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸;對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),必須實(shí)現(xiàn)AM之間的同步通信.在計(jì)算接口I1帶寬的時(shí)候并沒(méi)有考慮到非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),但不影響問(wèn)題的表述.接口I2的數(shù)據(jù)通信量顯著減少,一般少于1Mb/s,需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只包括配置信息和監(jiān)控信息,可以作為系統(tǒng)級(jí)通信的接口,也即AM和SM之間的物理接口.構(gòu)建一個(gè)大型分布式控制系統(tǒng)時(shí),通過(guò)接口I2可以方便地實(shí)現(xiàn)主、從SM之間的通信.5電