一种基于储能主从控制结构的可扩展同步控制系统的制作方法
【专利摘要】一种基于储能主从控制结构的可扩展同步控制系统，系统分为VF控制器、就地控制单元两种装置，VF节点、转发节点、就地控制节点三种节点，通过高速光纤实现装置间的通信，达到装置联网以及节点扩展的目的。本系统可以灵活的通过配置实现节点的去除、添加、系统间同步处理、VF控制器的角色自由变换等操作。光纤通信采用8B/10B编解码，并辅以CRC校验保证通信的正常；通过同步码字来保证系统间各个就地控制节点以及VF节点的AD采样、CPU中断、载波相位等同步运行，保证各个就地控制节点运行步调一致，使控制效果最大可能得接近理想效果；VF装置可在外部控制下转换为VF控制节点角色及转发节点角色，大大提高了系统扩展的便捷与灵活性。
【专利说明】一种基于储能主从控制结构的可扩展同步控制系统【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子变频器【技术领域】，适用于储能控制系统中多个就地控制节点协同控制及容量扩展应用。
【背景技术】
[0002]在过去的几十年中，发展了各种控制技术，控制系统的硬件电路也有最初的带分立元件的模拟电路控制，逐渐发展为基于专用和通用集成电路芯片微处理器(microprocessor)、微控制器(microcontroller)、数字信号处理器 DSP (Digital SignalProcessor)和可编程逻辑器件阵列 FPGA (Field 一 Programmable Gate Array)的全数字化控制系统。随着电力电子变频器的储能系统容量需求不断的加大，由于电池、电容发展的限制，只能需要多储能系统级联构成一个大容量的储能系统，即需要多个就地控制装置实现大容量的需求。面对多样的需求，发明一种兼容的可以自由扩展的架构应对不同容量的要求变得成为必要。
[0003]一般的储能系统在面对不容容量的需求时，需要专门开发不同的储能控制系统硬件或者协议来支持要求，造成研发成本高，周期短的缺点，而且不利于产品的升级与维护。市场需要一种可以兼容多个容量标准的架构，并能快速方便的实现扩容或者减容需要，同时对控制效果有更高 要求，此实现架构成为当前的迫切需求。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术所存在的储能变频器系统对不同规格的容量需求时，需要对系统架构进行定制或者修改相关协议的方式进行实现，存在着研发成本高、周期长的缺点，而且不利于产品的升级与维护。本发明公开了基于储能主从控制结构的可扩展同步通讯架构，储能变频器的控制系统分为VF控制器(电压频率变换控制器)、就地控制单元两种装置，VF节点、转发节点、就地控制节点三种节点，其中就地控制单元即为就地控制节点，VF控制器可以通过角色定义为VF节点或者转发节点，节点间通过高速光纤实现装置间的通信，达到装置联网以及节点扩展的目的。所述控制系统可以灵活的通过配置实现节点的去除、添加、不同储能变频器的控制系统间同步处理、VF控制器的角色自由变换等操作。光纤通信采用8B/10B编解码，并辅以CRC校验保证通信的正常；通过同步码字来保证系统间各个就地控制节点以及VF节点的AD采样、CPU中断、载波相位等同步运行,保证各个就地控制节点运行步调一致，使控制效果最大可能得接近理想效果；VF控制器可在外部控制下转换为VF控制节点角色及转发节点角色，大大提高了系统扩展的便捷与灵活性。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:
[0006]一种基于储能主从控制结构的可扩展的同步控制系统所述可扩展同步控制系统包括多级控制节点，控制节点之间通过高速光纤通信，实现控制节点的扩展。
[0007]所述可扩展同步控制系统包括VF控制节点、转发节点、根据链节数可扩展的多个就地控制节点，其特征在于:[0008]VF控制节点、转发节点、就地控制节点均为储能控制系统内的控制节点，其中，就地控制节点为直接控制IGBT的控制节点，多个就地控制节点作为一组与一转发节点相连，所述每一个转发节点与上一级转发节点连接或直接与VF控制节点进行互联；
[0009]VF控制节点为整个控制系统的主控制器，每套储能控制系统内只有一个VF控制节点，VF控制节点、各转发节点、以及各就地控制节点间通过光纤通道进行控制信息与采样信息的交互；
[0010]VF控制节点与转发节点之间、转发节点与其下一级的转发节点之间、转发节点与就地控制节点均采用光纤通信，并采用8B/10B编解码，辅以CRC校验保证通信的正常；
[0011]储能控制系统反馈量包括系统反馈量与就地反馈量,其中，所述系统反馈量为储能控制系统级的反馈系统电压、电流信号，所述系统反馈量馈入VF控制节点进行系统级控制；所述就地反馈量为储能控制系统中的就地小系统的电压、电流信号，就地反馈量馈入就地控制节点进行就地控制，就地控制节点也可以将就地反馈量通过光纤传给VF控制器进行综合控制；所述VF控制节点根据储能控制系统的系统反馈量与就地反馈量计算相关控制参数，并将控制参数通过光纤通信口发送至各转发节点，所述转发节点将收到的相关控制参数分发输出至下一控制节点或相应的就地控制节点，所述就地控制节点通过光纤接收所述相关控制参数，对储能控制系统中的IGBT或者PCS控制器进行PWM控制。
[0012]本系统可以灵活的通过增减就地控制节点、转发节点的方式实现就地控制节点的去除、添加，达到可扩展就地控制节点的目的，实现大容量的储能系统。
[0013]储能控制系统中各个就地控制器(就地控制节点)需要在同步控制下，储能系统才能正常运行。同步功能通过VF发出的报文中的同步码字来保证所述储能控制系统中各个就地控制节点AD采样时刻以及VF控制节点AD采样时刻、CPU中断、载波相位、三角波产生时刻等同步运行，保证各个就地控制节点运行步调一致，使控制效果最大可能得接近理想效果;
[0014]所述储能控制系统中的VF控制节点、转发节点为同一套VF控制硬件装置，可以通过远程配置为不同的角色，即VF控制硬件装置可在外部控制下转换为VF控制节点角色及转发节点角色，大大提高了系统扩展的便捷与灵活性。
[0015]出于IGBT或者其他主回路器件容量及散热等特性的限制，当储能变流器系统容量需要增加时，须通过多个子系统进行并联或者串联实现，在控制系统的实现方式上为通过增加就地控制节点来实现。当储能控制系统只有一个就地控制节点便能满足需求时，此时不需要VF控制节点和转发节点；当就地控制节点较少时，可以直接挂接在VF控制节点下实现；当VF控制器的通信接口数量不足以满足就地控制节点数量时，可以通过添加转发节点来扩展通信接口，转发节点可以级联，从而实现就地控制节点的扩展。
[0016]当有多个就地控制节点进行控制时，就地控制节点间需要有严格的同步机制保障，用以保障各个就地控制运行的同步性。多个就地控制节点之间的同步通过VF控制节点下发的同步码字来实现，为了保障各个就地控制节点能同时收到同步信号，转发节点的通信延时必须小到忽略统计，防止多个转发节点级联时，同步延时累加造成各个就地节点不能同步的结果。本控制系统中转发节点在内部通过、输入与输入直接互联的方式实现，实验证明每个转发节点的通信延时主要为光电转换延时，数量级为0.1us左右，远小于常用的2K或者3.2K的开关频率，在保证1%的对时误差要求时，可以实现30级以内的转发节点级联。
[0017]转发节点、就地控制节点收到VF节点的控制命令后，进行同步操作，并能自动学习VF节点的同步时间。转发节点、就地控制节点在收到VF节点的同步脉冲后，与节点内的自身节点同步脉冲进行比较，通过误差的反馈调节，自动的适应VF节点的同步脉冲，最终达到本地同步脉冲与VF控制节点的同步脉冲误差最小化，实现本地同步与VF节点的运行步调一致。若系统出现通信故障、或者需要对转发节点进行角色切换时，可以保持与之前的步调一致性。
[0018]通过转发节点角色切换为VF控制节点的方式可以实现一个控制系统切换为两个或者多个控制系统的目的，且控制的步调通过配置实现为步调一致或者各自独立。其中步调一致包括AD采样时间、CPU计算时间、控制时间、调制波相位等参数。
[0019]本发明具有以下有益效果:
[0020]以往储能变频器系统对不同规格的容量需求时，需要对系统架构进行定制或者修改相关协议的方式进行实现，存在着研发成本高、周期长的缺点，而且不利于产品的升级与维护。本发明可以将产品进行控制器的通用化，在有不同容量的储能变频器控制系统需求时，可以通过VF控制节点、转发节点、就地控制节点的结构组合实现，而不需要重新研发，从而节省了大量的人力物力，使产品模块化、通用化，利于储能控制系统的管理与升级。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明的基于主从结构的可扩同步通讯架构示意图；
[0022]图2是系统节点同步示意图(对时脉冲早于O点)；
[0023]图3是系统节点同步示意图(对时脉冲晚于O点)；
[0024]图4是VF装置的角色切换图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
[0026]本发明是一种基于储能主从控制结构的可扩展同步通讯架构，如图1所示，VF控制节点、转发节点、就地控制节点均为储能系统内的控制部分，就地控制节点为直接控制IGBT的控制节点，各个就地控制节点之间通过转发节点与VF控制节点进行互联，VF控制节点为整个控制系统的主控制器，每套储能系统内只有一个VF控制节点。各个节点间通过光纤通道进行控制信息与采样信息的交互。
[0027]所述可扩展同步控制系统包括VF控制节点、转发节点、根据链节数可扩展的多个就地控制节点；所述VF控制节点根据系统反馈量计算相关参数，并将参数通过光纤通信口发出，所述转发节点将收到的光纤通信数据分发输出，所述就地控制节点通过光纤接收相关参数，并结合本地的反馈量进行PWM控制等；
[0028]本系统可以灵活的通过增减就地控制节点、转发节点的方式实现就地控制节点的去除、添加，达到可扩展就地控制节点的目的，实现大容量的储能系统。
[0029]同步功能通过报文中的同步码字来保证系统间各个就地控制节点以及VF节点的AD采样、CPU中断、载波相位等同步运行，保证各个就地控制节点运行步调一致，使控制效果最大可能得接近理想效果；[0030]当系统容量需要增加时，须通过增加就地控制节点来实现。当系统只有一个就地控制节点即满足需求时，不需要VF控制器；当就地控制节点较少时，可以直接挂接在VF控制节点下实现；当VF控制器的通信接口数量不足以满足就地控制节点数量时，可以通过添加转发节点来扩展通信接口，转发节点可以级联，从而实现就地控制节点的扩展。
[0031]系统间架构完全依靠的光纤通信通过定时报文实现，并采用8B/10B编解码，辅以CRC校验保证通信的正常；光纤串口通信包括8B/10B编解码、CRC生成校验及合并、时钟数据恢复(⑶R)、帧同步等功能，8B/10B编解码用来保证光纤通道内丰富的跳变沿，来保证进行时钟数据恢复时内时钟信号的提取。CRC校验用来保证数据通信的正确性。帧同步利用光纤通信内IDLE码字的检测来进行帧头对齐，保证通信报文的字节对齐位置。时钟数据恢复模块利用过采样原理，检测数据跳变沿位置，在串行码流中提取时钟、数据。数据命令识别模块识别光纤通信数据中的命令字及报文数据。其中通信报文的频率为系统中各种开关频率的公倍数，以保证控制信号等间隔下发控制。
[0032]本系统中的VF控制节点、转发节点为同一种VF控制硬件装置，可以通过远程配置为不同的角色，即VF装置可在外部控制下转换为VF控制节点角色及转发节点角色，大大提高了系统扩展的便捷与灵活性。装置内部的FPGA中，分为两种模式即可实现两种角色:光纤发送口发送光纤接收到的数据，即为转发节点；光纤发送口发送CPU下发的数据，即为VF节点。角色的选择通过后台对装置进行配置来实现，在FPGA内部实现即为两种模块的选择。
[0033]图2、图3所示内容为对时方式做了解释:
[0034]当有多个就地控制节点进行控制时，就地控制节点直接需要有严格的同步机制保障，用以保障各个就地控制运行的同步性。同步通过VF下发的同步码字来实现，为了保障各个就地能同时收到同步信号，转发节点的通信延时必须小到忽略统计，防止多个转发节点级联时，同步延时累加造成各个就地节点不能同步的结果。本系统中转发节点在FPGA内部通过直接转发的方式实现。其中对时包括AD采样时间、CPU计算时间、控制时间、调制波相位、本地对时产生机制等参数。
[0035]当节点加电启动后，当没有光纤通信中的对时报文到来时，其按照自己的三角波计数情况产生三角波；当有对时脉冲后，三角波相位会被变为对时相位。
[0036]其当对时脉冲到来的时刻稍早于三角波O点到来之前时，波形如图2所示:
[0037]当对时脉冲到来的时刻稍晚于三角波O点到来之前时，波形如图3所示:
[0038]对时脉冲发送的周期为系统运行所有开关周期的最小公倍数，用以保证每种开关频率都能对时成功。由于对时脉冲是在VF设备上发出的，VF设备的时钟频率与就地设备的时钟频率不同源，又可能上电时刻不同会导致系统在第一次对时时三角波变化较大，此时不应有任何操作。在第一次对时之后，每次对时对就地三角波的调整都会在O?2个时钟周期内，属于相位微调。
[0039]转发节点、就地控制节点收到VF节点的控制命令后，进行同步操作，并能自动学习VF节点的同步时间调整本地同步脉冲，实现本地同步与VF节点的运行步调一致。在系统出现通信故障、或者进行角色切换时，可以保持与之前的步调一致性。
[0040]图4对转发节点的角色转换功能做了诠释:
[0041]当系统希望分离为两个或者多个系统分别控制时，可以将转发节点转换为VF节点。即图4中系统I中的某个转发节点转换为VF节点后，转换为系统2和系统3两个系统进行独立运行。此时转换后的VF节点通过学习后的对时步调对系统3进行控制，系统2则还是受此前的VF节点控制。
【权利要求】
1.一种基于储能王从控制结构的可扩展冋步控制系统，其特征在于: 所述可扩展同步控制系统包括多级控制节点，控制节点之间通过高速光纤通信，实现控制节点的扩展。
2.根据权利要求1所述的同步控制系统，所述可扩展同步控制系统包括VF控制节点、转发节点、根据链节数可扩展的多个就地控制节点，其特征在于: VF控制节点、转发节点、就地控制节点均为储能系统内的控制节点，为储能控制系统的一部分，其中，就地控制节点为直接控制IGBT的控制节点，多个就地控制节点作为一组与一转发节点相连，所述每一个转发节点与上一级转发节点连接或直接与VF控制节点进行互联； VF控制节点为整个控制系统的主控制器，每套储能控制系统内只有一个VF控制节点，VF控制节点、各转发节点、以及各就地控制节点间通过光纤通道进行控制信息与采样信息的交互； VF控制节点与转发节点之间、转发节点与其下一级的转发节点之间、转发节点与就地控制节点均采用光纤通信，并采用8B/10B编解码，辅以CRC校验保证通信的正常。 储能系统反馈量包括系统反馈量与就地反馈量，其中，所述系统反馈量为储能系统级的反馈系统电压、电流信号，所述系统反馈量馈入VF控制节点进行系统级控制；所述就地反馈量为储能系统中的就地小系统的电压、电流信号，就地反馈量馈入就地控制节点进行就地控制，就地控制节点也可以将就地反馈量通过光纤传给VF控制器进行综合控制。所述VF控制节点根据储能系统的系统反馈量与就地反馈量计算相关控制参数，并将控制参数通过光纤通信口发送至各转发节点，所述转发节点将收到的相关控制参数分发输出至下一控制节点或相应的就地控制节点，所述就地控制节点通过光纤接收所述相关控制参数，对储能系统中的IGBT或者PCS控制器进行PWM控制。
3.根据权利要求2所述的同步控制系统，其特征在于: 储能控制系统中各个就地控制节点需要在同步控制下，储能系统才能正常实现控制功能，各控制节点之间的同步功能通过VF控制节点发出的报文中的同步码字来保证所述储能控制系统中各个就地控制节点AD采样时刻以及VF控制节点AD采样时刻、CPU中断、载波相位、三角波产生时刻的同步运行。
【文档编号】G05B19/418GK103558824SQ201310540888
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月5日 优先权日:2013年11月5日
【发明者】贾海林, 张效宇, 陈秋荣, 赵璐璐, 韩建, 陈建卫, 操丰梅, 张涛, 刘树, 刘志超 申请人:北京四方继保自动化股份有限公司