一种大功率变频器并联控制系统及驱动同步方法

技术领域

本发明属于变频调速技术领域，尤其是一种大功率变频器并联控制系统及驱动同步方法。

背景技术

变频器是利用电力电子器件的开通与关断将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元和微处理单元等组成。变频器广泛应用于冶金、石油、化工、纺织、电力、建材、煤炭等各个领域。

在某些应用场合需要使用大功率的驱动电机，对应需要大功率的变频器配套进行驱动。由于单机变频器最大容量受电力电子器件、散热技术和成本限制，功率无法做得太高。因此常采用多台同型号变频器并联实现方式，这种方式具有效率高、容量配置灵活、维护方便的特点。

变频器并联工作时需要各变频器功率单元中驱动脉冲信号同时触发，否则会造成装置间的环流，轻则会造成功率损耗，重则会损坏设备。如图1所示，目前常采用的变频器并联控制方式是由一台主设备产生运算给定，再通过星形拓扑通讯方式分发给并联的从设备。这种方式发生通讯故障时便于定位，未发生通讯故障的设备仍可降额运行，但随着并联数量的增加，使主设备硬件设计复杂且布线繁琐。如图2所示，为解决以上问题，可采用环形通讯方式，将运算给定串行发送给并联变频器设备，相较于并行发送方式硬件设计简单、布线方便，但当传送信号线损坏时，无法进行故障定位，并联的变频器设备需要整体停机。同时串行传送使信号传输路径不同，增加信号传输延时，造成并联设备间的触发脉冲信号不一致，无法实现较好的环流抑制效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种大功率变频器并联控制系统及驱动同步方法，能够维持电网稳定运行，能够快速，准确给出最优的负荷转供方案，极大的提升调度员的工作效率，保障电网的安全稳定运行。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种大功率变频器并联控制系统，包括主控制器、多个从控制器和多个功率单元，其中主控制器通过光纤链形连接多个从控制器，每个从控制器通过信号线连接对应的功率单元，用于对应功率单元的控制，多个功率单元并联连接电机，用于电机的驱动。

而且，所述主控制器包括主控制器第一输入接口和主控制器第一输出接口；从控制器包括从控制器第一输入接口、从控制器第二输入接口、从控制器第一输出接口、从控制器第二输出接口；

主控制器第一输出接口连接第一从控制器的第一输入接口，主控制器第一输入接口连接第一从控制器的第一输出接口，前从控制器的第一输入接口与后从控制器的第一输出接口连接，前从控制器的第一输出接口与后从控制器的第一输入接口连接。

而且，所述主控制器采用DSP和FPGA，主控制器用于启停逻辑、工艺控制和矢量控制，

其中启停逻辑用于并联系统的初始化状态、正常运行状态和停机状态的切换和控制；

工艺控制进行风机、泵类、卷曲和提升；

矢量控制用于转速调节、磁链与转矩控制、电流调节、磁链与转矩观测和旋转坐标变换。

而且，所述从控制器采用FPGA，用于功率单元三相输出电流和母线电压的采集，同时接收主控制器的运算给定，生成PWM信号驱动功率单元。

而且，所述从控制器包括通讯处理单元和传输路由单元，通讯处理单元的输入端连接从控制器第一输入接口，用于接收通讯数据并进行处理后输出，通讯处理单元的输出端连接传输路由单元的输入端，传输路由单元的输出端分别连接从控制器第一输出接口和从控制器第二输出接口，传输路由单元的输入端连接从控制器第二输入接口和通讯处理单元的输出端。

一种大功率变频器并联控制系统的驱动同步方法，包括通讯信息建立过程、通讯故障容错和降额运行过程以及驱动信号同步过程。

而且，所述通讯信息建立过程包括以下步骤：

步骤1.1从控制器传输路由单元初始状态保持在第一传输状态，主控制器发送包含从控制器数和工作计数器的信息，从控制器数用于记录主控制器设定的从控制器总个数，工作计数器用于记录当前已处理信息的从控制器个数，主控制器初始发出工作计数器为0；

步骤1.2、从控制器接收到信息后，由通讯处理单元将工作计数器值加1后输出，并将加1后的工作计数器存储作为本从控制器地址号，并将总站数与从控制器地址号比较，如果从控制器地址号小于总站数，传输路由单元保持在第一传输状态；

步骤1.3、当从控制器地址号等于总站数，从控制器识别出自己为尾端从控制器，则传输路由单元切换为第二传输状态，数据回传到前从控制器，数据不做处理，最后回传到主站，此时通讯链路建立，各从控制器完成自动寻址；

步骤1.4、主控制器接收到返回的信息，工作计数器等于总从控制器数，通讯建立结束。

而且，所述当处于第一传输状态时，通讯处理单元连接从控制器第一输出接口和从控制器第一输入接口，从控制器第二输入接口连接从控制器第二输出接口，当处于第二传输状态时，通讯处理单元连接从控制器连接从控制器第一输入接口，通讯处理单元连接从控制器第二输出接口，从控制器第二输入接口连接从控制器第一输出接口。

而且，所述通讯故障容错及降额运行过程包括以下步骤：

步骤2.1、主控制器定时发送周期通讯信息，周期通讯信息包含工作计数器，从控制器接收到周期通讯信息后，由通讯处理单元将工作计数器值加1后输出，不再改变从控制器地址；

步骤2.2、若某个从控制器检测到与它临近的下一个从控制器出现通讯故障，则传输路由单元切换为第二传输状态，通讯故障点之前的从控制器仍然保持通讯；

步骤2.3、主控制器接收到返回的周期通讯信息，读取工作计数器，主控制器得知通讯正常的从控制器数量和通讯故障发生点；

步骤2.4、主控制器根据通讯正常的从控制器数量重新计算运行给定，使并联设备整体降额运行。

而且，所述驱动信号同步过程包括以下步骤：

步骤3.1、主控制器定时发送此时刻主控制器内部的计时器数值T1；

步骤3.2、从控制器接收后记录此刻本地的计时器数值T2，并发送回应命令，同时记录此刻的本地计时器数值T3；

步骤3.3、主控制器接收到回应命令后，记录此刻主控制器的计时器数值T4，并将此数值再次回传给从控制器，同时T4去除多余的返回时间RTime得到修正时间T4F：

T4F＝T4-RTime

步骤3.4、从控制器将接收到的四次数值计算出时钟偏差：

偏差＝[(T4F-T3)-(T2-T1)]/2

从控制器将本地计时器数值减去时钟偏差实现计时器的同步，进而完成驱动信号的同步。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过主控制器并联控制多个从控制器，每个从控制器连接对应的驱动单元，驱动单元分别连接电机，构成了并联控制系统。同时根据并联控制系统的结构特点，实现了通讯信息建立过程、通讯故障容错和降额运行过程以及驱动信号同步过程。本发明的系统结构简单，便于布线，同时整体成本较低，构建的系统能够实现通讯建立、自动寻址，现场调试简单。

2、本发明通过从控制器检测相邻从控制器的状态，当有从控制器出现故障时，切换为第二传输状态，并将工作计数器的数值发送至主控制器，实现通讯故障设备的定位，实现自动降额运行，提升系统运行可靠性。

3、本发明同步了主控制器和从控制器的计时器，进而使并联驱动信号可以达到非常高的同步效果，同步误差小于100ns，减少系统环流，提升系统性能。此同步方法不受设备位置和布线长度影响。

标号说明：

11-主控制器、111-主控制器第一输出接口、112-主控制器第一输入接口、12从控制器、121-从控制器第一输入接口、122-从控制器第一输出接口、123从控制器第二输入接口、124从控制器第二输出接口、13-功率单元、125通讯处理单元、126传输路由单元。

附图说明

图1为星形通讯拓扑并联控制系统示意图；

图2为环形通讯拓扑并联控制系统示意图；

图3为本发明构建的链式通讯拓扑并联控制系统示意图；

图4为本发明从控制器内部结构图；

图5为本发明通讯建立过程示意图；

图6为本发明通讯故障容错及定位过程示意图；

图7为本发明时钟同步方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种大功率变频器并联控制系统，如图3所示，包括主控制器11、多个从控制器12和多个功率单元13，其中主控制器通过光纤链形连接多个从控制器，每个从控制器通过信号线连接对应的功率单元，多个功率单元并联连接电机。主控制器负责电机控制运算、系统整体运行状态控制，从控制器负责电压、电流信号采集，并生成PWM信号驱动功率单元，主控制器通过通讯接收各从控制器返回的母线电压、输出三相电流、工作状态等数据，通过运算和逻辑处理后生成控制给定值及控制命令，并由通讯发送给各从控制器。

并联系统的工作过程为：主控制器接收各从控制器发送的三相输出电流，主控制器将电流求平均值后作为矢量控制的电流返回，通过矢量控制算法计算出电压给定，发送给从控制器，从控制器采用正弦脉冲宽度调制(SPWM)方法，将电压给定与内部载波比较后生成PWM波信号。

主控制器与从控制器均包括计时器，从控制器使用计时器用于生成PWM载波信号，从控制器接主控制器生成的控制给定值，通过给定与PWM载波比较后生成IGBT驱动信号，发送给对应的功率单元。

其中，主控制器包括主控制器第一输入接口112和主控制器第一输出接口111；从控制器包括从控制器第一输入接口121、从控制器第二输入接口123、从控制器第一输出接口122、从控制器第二输出接口124；主控制器第一输出接口连接第一从控制器的第一输入接口，主控制器第一输入接口连接第一从控制器的第一输出接口，前从控制器的第一输入接口与后从控制器的第一输出接口连接，前从控制器的第一输出接口与后从控制器的第一输入接口连接，依次类推。位于尾部的从控制器只使用一对收发接口，其中第一输出接口和第二输入接口无外部连接。

主控制器可以使用数字信号处理器(DSP)和可编程门阵列(FPGA)实现，主控制器用于启停逻辑、工艺控制和矢量控制，其中启停逻辑用于并联系统的初始化状态、正常运行状态和停机状态的切换和控制；工艺控制进行风机、泵类、卷曲和提升等不同工艺控制要求；矢量控制用于转速调节、磁链与转矩控制、电流调节、磁链与转矩观测和旋转坐标变换。

从控制器可以使用可编程门阵列(FPGA)实现，用于功率单元三相输出电流和母线电压的采集，同时接收主控制器的运算给定，生成PWM信号驱动功率单元。

如图4所示，从控制器包括通讯处理单元125和传输路由单元126，通讯处理单元的输入端连接从控制器第一输入接口，将接收的通讯数据进行处理后输出，为减少通讯延时，可以边接收、处理边输出，通讯处理单元的输出端连接传输路由单元的输入端，传输路由单元的输出端分别连接从控制器第一输出接口和从控制器第二输出接口，传输路由单元的输入端连接从控制器第二输入接口和通讯处理单元的输出端。

主控制器和从控制器通过通讯线依次串接，采用异步串行通讯实现，通讯分为物理层和协议层。物理层实现数据恢复和串并转换。物理层可以使用专用芯片例如PHY芯片实现，也可以使用FPGA开发实现，物理层发送器包括4B/5B编码模块、扰码模块、并串转换模块，物理层接收器数据恢复模块、串并转换模块、解扰模块、4B/5B解码模块。协议层用于实现通讯协议的解析，协议层处理可以使用FPGA实现，主控制器协议层保护通讯处理单元、同步单元，从控制器协议层包含通讯处理单元、自动路由单元、同步单元。

一种大功率变频器并联控制系统的驱动同步方法，包括通讯信息建立过程、通讯故障容错和降额运行过程以及驱动信号同步过程。

通讯信息建立过程包括以下步骤：

步骤1.1从控制器传输路由单元初始状态保持在第一传输状态，主控制器发送包含从控制器数和工作计数器的信息，从控制器数用于记录主控制器设定的从控制器总个数，工作计数器用于记录当前已处理信息的从控制器个数，主控制器初始发出工作计数器为0。

步骤1.2、从控制器接收到信息后，由通讯处理单元将工作计数器值加1后输出，并将加1后的工作计数器存储作为本从控制器地址号，并将总站数与从控制器地址号比较，如果从控制器地址号小于总站数，传输路由单元保持在第一传输状态。

步骤1.3、当从控制器地址号等于总站数，从控制器识别出自己为尾端从控制器，则传输路由单元切换为第二传输状态，数据回传到前从控制器，数据不做处理，最后回传到主站，此时通讯链路建立，各从控制器完成自动寻址。

步骤1.4、主控制器接收到返回的信息，工作计数器等于总从控制器数，通讯建立结束。

如图5所示，通讯信息建立的具体实现方法为：在通讯初始化阶段，从控制器传输路由单元初始状态保持在第一传输状态，主控制器发送通讯建立帧，通讯建立帧如表1所示，包含帧头、通讯状态、从控制器数段、工作计数器段和校验码，其中帧头用于识别通讯帧，通讯状态表示当前主控制器通讯状态，从控制器数为主控制器设定的并联从控制器的总数，工作计数器用于记录当前已处理信息的从控制器个数，主控制器发出通讯建立帧时工作计数器为0。校验码用于数据帧的校验，可以采用CRC校验方式。

表1通讯建立帧

从控制器接收到通讯建立帧后，由通讯处理单元将工作计数器值加1后输出，并将加1后的工作计数器存储作为本从控制器地址号，并将总站数与从控制器地址号比较，如果从控制器地址号小于总站数，传输路由单元保持在第一传输状态。当通讯建立帧传输到尾端从控制器，从控制器地址号等于总站数，则传输路由单元切换为第二传输状态，此时通讯链路建立，各从控制器完成自动寻址，主控制器接收到返回的通讯建立帧，工作计数器等于总从控制器数，通讯初始化阶段结束。

通讯故障容错及降额运行过程包括以下步骤：

步骤2.1、主控制器定时发送周期通讯信息，周期通讯信息包含工作计数器，从控制器接收到周期通讯信息后，由通讯处理单元将工作计数器值加1后输出，不再改变从控制器地址。

步骤2.2、若某个从控制器检测到与它临近的下一个从控制器出现通讯故障，则传输路由单元切换为第二传输状态，通讯故障点之前的从控制器仍然保持通讯。

步骤2.3、主控制器接收到返回的周期通讯信息，读取工作计数器，主控制器得知通讯正常的从控制器数量和通讯故障发生点。

步骤2.4、主控制器根据通讯正常的从控制器数量重新计算运行给定，使并联设备整体降额运行。

通讯故障容错及降额运行的具体实现方法为：通讯初始化阶段结束后，主控制器以固定周期发送周期通讯帧，周期通讯帧如表2所示，包含工作计数器段，从控制器接收到周期通讯信息后，由通讯处理单元将工作计数器值加1后输出，不再改变从控制器地址。每个从控制器，建立一个定时器，当收到周期通讯帧，定时器清零。如图6所示，当定时器超出通讯周期时间，证明此从控制器之前的通讯出现故障，封锁此从控制器驱动输出，并关闭此从控制器的第二输出接口。其前一个从控制器检测到第二输入接口无数据接收，则传输路由单元切换为第二传输状态，通讯故障点之前的从控制器仍然可以保持通讯。

表2周期通讯帧

主控制器接收到返回的周期通讯帧，读取工作计数器，主控制器可以知道通讯正常的从控制器数量和通讯故障发生点。主控制器根据通讯正常的从控制器数量可以重新计算运行给定，使并联设备整体降额运行，具体降额运行方式需要根据应用场景具体定义。

当处于第一传输状态时，通讯处理单元连接从控制器第一输出接口和从控制器第一输入接口，从控制器第二输入接口连接从控制器第二输出接口。此状态作为通讯链路中间从控制器状态。

当处于第二传输状态时，通讯处理单元连接从控制器连接从控制器第一输入接口，通讯处理单元连接从控制器第二输出接口，从控制器第二输入接口连接从控制器第一输出接口。内部无连接，此状态作为通讯链路尾端从控制器状态。

驱动信号同步过程包括以下步骤：

步骤3.1、主控制器定时发送此时刻主控制器内部的计时器数值T1。

步骤3.2、从控制器接收后记录此刻本地的计时器数值T2，并发送回应命令，同时记录此刻的本地计时器数值T3。

步骤3.3、主控制器接收到回应命令后，记录此刻主控制器的计时器数值T4，并将此数值再次回传给从控制器，同时T4去除多余的返回时间RTime得到修正时间T4F：

T4F＝T4-RTime。

步骤3.4、从控制器将接收到的四次数值计算出时钟偏差：

偏差＝[(T4F-T3)-(T2-T1)]/2

从控制器将本地计时器数值减去时钟偏差实现计时器的同步，进而完成驱动信号的同步。

如图7所示，驱动信号同步过程的具体实现方法为：从控制器包括计时器，用于生成PWM载波信号，从控制器接主控制器发出的控制给定与PWM载波比较后生成IGBT驱动信号，发送给对应的功率单元。如果各从控制器计时器同步且给定相同，则能保证驱动信号的同步。

主控制器包含一个计时器，通过同步过程使各从控制器计时器与主控制器计时器同步。同步过程具体如下：主控制器定时发送同步命令，并将主控制器周期计时器此时刻值(记为T1)随同步命令一同发送；功率单元接收到同步命令后，保存T1值，并将功率单元周期计时器此时刻值(记为T2)保存；功率单元回传延迟请求命令，并将功率单元周期计时器此时刻值(记为T3)随延迟请求命令一同发送；主控制器接收到延迟请求命令后，记录主控制器周期计时器此时刻值(记为T4)，并发送延迟反馈命令，并将T4值随命令一同发送；从控制器需要记录第1输出接口输出到第2输入接口返回数据的时间RTime；从控制器接收到延迟反馈命令后，利用计算公式(1)(2)计算出功率单元周期时钟与主控器周期计时器之间的偏差，功率单元周期计时器减去偏差后完成同步。

T4F＝T4-RTime (1)

偏差＝[(T4F-T3)-(T2-T1)]/2 (2)

采用以上同步方法，可以消除主控制器与各从控制器间通讯布线长度不同而造成的通讯延时差异的影响，提高现场设备布置的灵活性。使并联驱动信号可以达到非常高的同步效果，通过实验验证，同步误差小于100ns，减少系统环流，提升并联系统性能。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。