应用于电力电子变压器的通信技术

马志鹏 周东东 程 红

中国矿业大学（北京）

应用于电力电子变压器的通信技术

马志鹏 周东东 程 红

中国矿业大学（北京）

电力电子变压器是作为智能电网建设的关键接口设备，实现对其智能控制具有重要意义。针对电力电子变压器具有多功率单元、多功率级、模块化程度高且需要多控制器协调控制的结构特点，提出了一种多控制器与双口RAM相结合的通信控制方式，并详细介绍了各功率单元、各功率级之间数据信息传输及处理的工作方式。最后，以功率传输级为例进行实验，结果表明该通信控制方式可以更好的实现电力电子变压器的智能协调控制。

电力电子变压器作为新一代智能电网的关键设备，具有高频电气隔离、功率因数可调、故障隔离、控制自由度高以及可实现与电网互联通信等优点，不仅能够能支持分布式发电、储能、可控负荷等设备即插即用，还可以有效地对电能进行管理调度以及故障隔离。

在智能电网建设中，要求电力电子变压器不仅能够实现能量的双向流动，还要求设备运行状态、控制等信息双向、多向流动，充分实现共享电力设备硬件数据信息资源，提高设备的集成度和智能化。目前，针对电力电子变压器的实时通信控制技术仍处于初步研究阶段，如文献采用多DSP控制器与SCI串口通信方式实现电力电子变压器多控制器之间通信，但是这种通信方式速度较低，智能简单地实现变压器各功率单元、各功率级的数据传递，无法真正实现变压器全面数据共享；文献采用DSP与FPGA结合的控制器，通过FPGA实现I/O口扩展，但是该控制结构不利于变压器功能单元的扩展与模块化设计实现。

本文针对电力电子变压器的结构特点提出了一种多CPU结合双口RAM结构的通信方式，充分利用双口RAM信息高速、灵活交换的功能实现各个功率单元之间和各个功率级之间的数据信息（包括状态信息、控制信息等）共享，实现电力电子变压器各功率单元的运行状态监测与控制；各功率级的协调控制、冗余控制，同时可将设备的运行状态等信息上传到变电站，真正做到能量和信息集成于一体的智能电力电子变压器。

电力电子变压器结构特点

大功率电力电子变压器普遍采用级联型拓扑结构如图1所示，由多功率单元串/并联的拓扑结构组成，分为整流级、功率传输级、逆变级三个功率级。由于开关器件数量较多，级联型变压器需要采用多个控制器进行协调，才能完成对整个变压器的控制。并且，目前的在线监测技术主要是通过传感器采集设备的外部信息进行计算得到设备的运行状态，却不能准确得到设备运行的内部信息，因此很难实现设备运行状态的全面检测与控制。

图1　级联型电力电子变压器拓扑

综合电力电子变压器的结构特点和技术要求，为实现各功率单元与各功率级之间的智能协调控制首先需要实现各个控制器之间数据信息灵活高速的双向、多向流动。

图2　通信结构图

图3　功率单元通信示意图

通信结构设计

基于图1所示的电力电子变压器拓扑结构，并充分利用双口RAM高速、可靠、稳定数据通信优点，提出了如图2所示多CPU结合双口RAM结构的通信方式的智能电力电子变压器通信结构。该结构主要由两部分组成：1.功率单元之间通信；2.功率级之间通信。

功率单元之间通信结构是将每个功率单元的控制器与双口RAM的一个接口连接，各个功率单元通过双口RAM的另一个接口采用数据总线方式与整个级的数据处理单元连接。通过双口RAM实现各功率单元之间的数据信息交换，并通过每级的数据处理单元对整个级的数据信息进行处理。

各功率级之间的通信结构是将每级的数据处理单元与双口RAM的一个接口连接，将双口RAM的另一个接口连接到整个变换器的数据处理中心。通过双口RAM实现各功率级的数据信息交换，并通过数据处理中心对整个变换器的数据信息进行处理。

功率单元之间信息流

如图3所示功率单元之间的信息主要实现电力电子变压器各功率单元的闭环控制和监测各个功率单元的运行状态。

本设计将传感器采集到的信息进行共享，一方面用于控制器控制闭环计算，一方面将信息传输到信息处理单元，同时将设备运行的内部信息（包括控制参数信息、控制变量信息）传输到信息处理单元。并且所有信息共享都在控制器每个控制周期开始时候完成，这样做有以下两方面优点：1、不影响控制程序执行；2.实现控制算法和信息处理同步执行，确保系统的实时性。

功率变换级之间信息流

图4　功率变换级通信示意图

功率变换级通信方式与功率单元类似，但数据形式不同，数据处理单元将对数据进行筛选和处理，并提取每个功率变换级有用的数据信息（如传输功率大小、传输方向等），这样做有以下两方面优势：1.减小数据通信量提升系统实时效果；2.数据处理中心可以有更多时间做其他数据操作。例如充分分析各级信息做出合理的协调控制等。

如图4所示，采用数据处理中心对整个系统进行信息处理，不仅可以实现控制信息整合、双向多向流动，还可以采用各种通信技术（如以太网、WiFi等）将设备的信息与其他电网设备关联，为实现整个电力设备网络互连打下基础。

数据分析处理

数据分析处理

电力电子变压器数据分成两级处理，功率变换级内部数据处理和整个变压器级间数据集中处理。

功率变换级内部数据处理主要实现：1.每级各个功率单元的协调控制，并且全面提取每级运行状态信息；2.整合每级控制信息及运行状态，将数据传输给数据处理中心进行综合控制。

整个变压器级间数据集中处理主要实现：1.协调各个功率变换级，实现整流级、功率传输级、逆变级三级协调控制；2.将该电力电子变压器信息与其他配电设备、大电网共享，提升整个配电系统信息化、网络化。

控制信息保存

控制信息在双口RAM中保存当设备掉电后信息会丢失，会对控制系统造成严重的后果，工程上针对这类问题做法是将信息存入片外flash，但这种做法是有缺陷的，程序的每个控制周期都会访问片外flash，这样会增加控制程序执行的时间，对于实时性要求较高的，高频开关周期控制的控制系统而言是不合理的。本设计提出了一种存储方式来解决这个问题，在片内flash中开辟一段存储区域用于存放设备的控制信息，这样就会很好的解决系统实时性的问题，具体操作方式：

1.首先建立flash存储区域；

2.将数据写入双口RAM中；

3.建立数据指针，将指针指向双口RAM数据的地址；

图5　实验平台

图6　程序流程图

4.然后将其值赋给flash区相对应的地址当中。

并且控制信息保存避免每次给电都会从初试状态调节，可以增加控制系统稳定性。

实验

本文以电力电子变压器功率传输级为例进行实验，采用TMS320F28335双DSP控制器搭建实验平台如图5所示。

双DSP控制之间通过双口RAM进行数据交换，其中ADSP为功率单元控制器，BDSP为功率传输级的数据处理单元控制器。控制器ADSP主要用于控制主电路信息采集和算法实现，同时将主电路的运行状态信息、控制信息通过双口RAM传输到控制器BDSP，控制器BDSP对该信息进行处理，同时上传到上位机（本实验通过USB与上位机电脑实现通信），实现信息之间的双向传递。

如图6所示，控制系统程序主要包括：

1.系统初始化。定义中断函数及中断变量，初始化系统的各个模块，即时钟模块，中断模块，AD模块，EPWM模块，双口RAM模块。

图7　传统单移相波形

图8　双重移相波形

2.检测是否有中断触发，有中断触发执行中断子程序，没有中断触发，系统等待。

3.执行中断子程序，进行数据处理，闭环控制算法实现，输出控制信号，执行完毕跳出中断。

通信系统程序主要包括：

1.系统初始化。定义中断函数及中断变量，初始化系统的各个模块，即时钟模块，中断模块，USB模块，双口RAM模块。

2.从双口RAM读取测试信息，并进行数据处理，协调算法的运算实现。

3.判断上位机是否发出命令，有命令，执行上位机命令，处理接收数据并写入双口RAM相应的存储单元，没有命令，返回主程序。

图7为电力电子变压器功率传输级在传统单移相控制下的电路交流环节波形图，图8为在上位机控制下变换器从单移相控制切换到双重移相控制下的电路交流环节波形图。

实验结果显示，采用多控制器结合双口RAM结构的通信方式可以灵活的实现信息双向、多向流动及数据信息共享。

结语

采用此种通信控制方式不仅有利于智能电力电子变压器实现信息灵活的双向、多向流动，而且有利于电力电子变压器运行信息的充分共享，为实现电力电子变压器的信息化、网络化、智能化打下基础。

名称 ：无工频变压器级联式多电平变换器关键技术研究 项目编号：51077125