一种变流器的数字控制装置

1.一种用于液流电池变流器的数字控制装置，其特征在于通过对主电路的逆变部分的脉宽调制PWM控制信号进行调节，控制绝缘栅双极型功率管IGBT开关管导通、关闭的时间，以达到控制主电路输出部分的电压、电流的大小，该装置包括：
(1)数据采样部分，其通过霍尔电压、电流传感器以及滤波电路对充电侧的电流、电压信号加以处理，由A/D采样电路进行数字采样；
(2)脉宽调制PWM部分：TMS320F2812芯片根据设定的基准电流、电压值以及所述数据采样部分中采样所得的实际电流、电压值，对实测值与基准值之间的误差信号进行比例、积分运算，得到电压反馈值，将该电压反馈值作为调制波，并与载波信号进行数字运算并输出脉宽调制PWM信号，控制IGBT，以实现电压、电流的控制；
(3)远程通讯部分：通过控制器局域网CAN2.0的控制器与上位机进行通信，以获取变流器开机命令、紧急停机指令，变流过程中的基准电压、电流值，以及将变流过程中的状态量实时回传到控制器局域网CAN2.0串行端口总线上并交由上位机显示；
(4)现场通讯部分：通过RS-485总线完成下位机与控制面板的通信，为现场操作人员获得各种过程参数和开、关机提供良好的人机交互界面；
(5)控制电路板包括DSP主控电路板、驱动及保护电路板及前端信号处理板三个部分，通过编程和外部电路的配合，实现液流电池的充放电控制，在DSP主控电路板的脉宽调制PWM输出信号作用下发出驱动信号，能对IGBT的过电流进行3重保护。

一种变流器的数字控制装置
技术领域
[0001] 本发明属于电力系统控制器领域，具体而言，涉及一种用于液流电池储能系统变流器的数字信号控制装置。
[0002] 背景技术
[0003] 储能技术为解决电力供应链(燃料、发电、输电、配电和用电)现有问题、实现电网可持续发展提供了全新的途径。采用大规模电力储能技术，可以有效缓解用电供需矛盾、提高电网安全和稳定性、改善供电质量，并能促进可再生能源的利用和发展。变流器是储能系统中的一个重要环节，变流器在整个储能系统中充当核心单元的作用，而变流器系统控制平台直接关系着整个储能系统的精确性、可靠性、及相应速度。
[0004] 目前现有的控制器其控制过程大多数是基于模拟信号处理的，且其控制结构都是集中控制结构。传统的控制器各个子系统界限不清晰、结构复杂、单元化程度很低。其应用电磁环境恶劣，各种高频信号的严重干扰很容易导致其发生故障。另外，过去使用模拟信号进行各个子控制装置间的信号传递。各种干扰信号混入模拟信号中，很容易导致控制装置的故障，其结构和处理过程不能适用于分布式控制的要求和全过程数字处理的要求。本发明提出一种可用于液流电池储能系统变流器的通用数字控制器。
[0005] 发明内容
[0006] 本发明提出了一种基于TMS320F2812DSP芯片控制的全数字化液流电池储能变流器控制装置，本发明通过对液流电池本身的充放电特性、荷电状态以及电能消峰填谷应用的研究提出了液流电池电能管理系统。实际应用表明，控制装置具有良好的变流性能。能够使液流电池在较高的速率下达到充满状态，又不影响电池的寿命。
[0007] 依据本发明的用于液流电池变流器的数字控制装置，其特征在于通过对主电路的逆变部分的脉宽调制PWM控制信号进行调节，控制绝缘栅双极型功率管IGBT开关管导通、关闭的时间，以达到控制主电路输出部分的电压、电流的大小，该装置包括： [0008] (1)数据采样部分，其通过霍尔电压、电流传感器以及滤波电路对充电侧的电流、电压信号加以处理，由A/D采样电路进行数字采样；
[0009] (2)脉宽调制PWM部分：TMS320F2812芯片根据设定的基准电流、电压值以及所述数据采样部分中采样所得的实际电流、电压值，对实测值与基准值之间的误差信号进行比例P、积分I运算，得到电压反馈值，将该电压反馈值作为调制波，并与载波信号进行数字运算并输出脉宽调制PWM信号，控制IGBT，以实现电压、电流的控制；
[0010] (3)远程通讯部分：通过CAN2.0的控制器与上位机进行通信，以获取变流器开机命令、紧急停机指令，变流过程中的基准电压、电流值，以及将变流过程中的状态量实时回传到CAN2.0总线上并交由上位机显示；
[0011] (4)现场通讯部分：通过RS-485总线完成下位机与控制面板的通信，为现场操作人员获得各种过程参数和开、关机提供良好的人机交互界面。
[0012] 本发明所公开的液流电池储能变流器控制装置的优点有：
[0013] 1.与传统的变流器相比，本控制装置是在充分考虑了液流电池充放电特性的基础上来选择充电终止方式的，能够有效的延长电池的寿命并发挥电池的最大效能。 [0014] 2.采用数字信号处理芯片作为处理器来代替传统的模拟芯片，设计了数字化变流器的控制器，克服了分立元件过多、电路可靠性差、电路复杂等缺点。
[0015] 3.充分利用DSP处理器内部集成资源丰富、改进的总线结构、工作频率高、指令周期短以及强大的数字信号处理功能等特点，使得数字处理系统在智能控制方面具有突出的优点，生成了有限双极性的PWM控制波形，且具有保护、人机交互等功能，并实现了变流模块与整个系统的基于控制器局域网CAN的通讯功能。
[0016] 编制了基于C语言和汇编语言混合编程系统控制软件，不仅具有很高的可读性和可移植性，而且具有高速数据处理和动态调整功能，有很高的实时性和良好的控制功能。实现了控制软件的专业化和智能化。
[0017] 附图说明
[0018] 下面结合附图进一步说明本发明作说明。
[0019] 图1为本发明中的变流器控制装置整体结构框图；
[0020] 图2为本发明中的数字控制原理框图；
[0021] 图3为本发明中的实时操作系统结构框图。
[0022] 具体实施方式
[0023] 1、硬件电路的设计：
[0024] 液流电池储能变流器实际上就是一种开关电源，由功率变换主电路和控制回路两部分组成，其系统结构框图如附图1所示。它主要由交流电网滤波电路、输入整流滤波电路、IGBT主电路、输出整流滤波电路、控制电路、保护动作电路、辅助电源、检测、监测电路几个部分组成。IGBT主电路采用相同的控制电路结构，变流过程的原理如下所述：1)、DC/DC变换模块基本原理是：直流电压通过高频变换器的IGBT模块将直流电压进行变换，再经过输出滤波电路，得到需要的高品质直流电压。2)、AC/DC(Analog to Digital converter)变换模块基本原理是：交流输入电压经电网滤波，再通过变换器IGBT模块将工频交流电压整流变换成一定的直流电压，最后经过输出整流滤波电路，得到需要的高品质直流电压。3)、DC/AC变换模块基本原理是：直流输入电压经电网滤波，再通过变换器IGBT模块将直流电压逆变变换成一定的高频交流电压，最后经过输出交流滤波电路，得到需要的高品质工频交流电压。
[0025] 控制电路是通过对主电路的逆变部分的脉宽调制PWM控制信号进行调节，控制IGBT开关管导通、关闭的时间，以达到控制主电路输出部分的电压、电流的大小。 [0026] 控制电路板包括DSP主控电路板、驱动及保护电路板及前端信号处理板三个部分。整个控制单元以TMS320F2812为核心，通过编程和外部电路的配合，实现液流电池的充放电控制，在主控板的脉宽调制PWM输出信号作用下发生驱动信号，能对IGBT的过电流进行3重保护。由于采集下来的电流电压信号中有的是直接从高压回路中通过分压的方式采集得到，容易对微处理器及其扩展储存器数字电路造成干扰，因此用前端信号处理板对采集信号进行预处理，同时也使主控板得到了简化。如附图2所示，电源控制单元共有下述各个部分组成：
[0027] (1)数据采样部分：通过霍尔电压、电流传感器以及滤波电路对充电侧的电流、电压信号加以处理，由A/D采样电路进行数字采样。
[0028] (2)脉宽调制PWM调制部分：TMS320F2812根据设定的基准电流、电压值以及上述(1)中采样所得的实际电流、电压值，对实测值与基准值之间的误差信号进行P(比例)、I(积分)运算，得到电压反馈值，该电压作为调制波与载波信号进行数字运算并输出PWM信号，控制IGBT，以实现电压、电流的控制。
[0029] (3)远程通讯部分：通过CAN2.0控制器与上位机进行通信，以获取变流器开机命令、 紧急停机指令，变流过程中的基准电压、电流值，以及将变流过程中的状态量实时传递到回传到CAN总线上并交由上位机显示。
[0030] (4)现场通讯部分：该模块通过RS-485总线完成下位机与控制面板的通信，为现场操作人员获得各种过程参数和开、关机提供了良好的界面。
[0031] 2、控制单元的程序设计：
[0032] 电源控制装置的软件设计作为整个控制装置的主体部分，具有至关重要的作用，是控制的核心环节。如附图3所示采用的实时控制装置结构。利用RTOS内核中C函数对系统初始化，创建任务，对工作状态进行判断，并对变流过程的任务进行调度，以及对异常状态进行处理的程序流程。上电以后，程序依次进行，系统初始化、变流控制任务创建、调取参数等子程序，完成整个主程序的准备工作。随后调用通讯程序，读取面板数据，并等待开始指令。开始信号来临以后，根据所选择的策略，调用相应的变流策略程序，进行初始判断，正常策略控制，异常过程保护控制等。
[0033] 整个控制过程采用“循环+中断”的程序结构，对实时性要求不高的CAN通信、RS-485通信发送过程，放在主循环程序中顺序执行，而对实时性要求较高的AD采样过程以及PI计算程序放在中断服务程序中，另因RS-485通信接收数据的随机性，也将其放在中断中加以处理。一旦满足了中断触发条件，相应的子程序将立即得到执行，从而保证了控制的实时性。
[0034] 根据液流电池的电路模型参数和电网波动的负载特性，设计了相应的数字采样、滤波算法和数字PID控制器。实验结果证明系统具有较高的调节精度和响应速度，可以满足不同复杂充放电要求。
[0035] 此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。