一种适用于多种电力变换场合的控制平台的制作方法
【专利摘要】一种适用于多种电力变换场合的控制平台，属于电力系统电力变换控制技术领域。包括核心控制板、母板、各个功能模块板和人机界面HMI。核心控制板、母板和功能模块板均采用插拔式设计，核心控制板通过两个3×32管脚插针插在母板正面。母板作为固定核心控制板和功能模块板的载体的同时，亦作为信号转接的媒介：电源板通过母板为核心控制板和各功能模块板供电；各信号从相应的功能模块板输入，经过核心控制板处理和计算，再从相应的功能模块板输出到变换器外部电路。优点在于，大大提高了硬件配置的灵活性，缩短了产品二次开发的周期，降低了产品的开发成本。
【专利说明】
一种适用于多种电力变换场合的控制平台
技术领域
[0001]本发明属于电力系统电力变换控制技术领域，特别是提供了一种适用于多种电力变换场合的控制平台，适用于风力发电变换器、光伏并网逆变器、储能系统变流器、柔性直流输电换流器、高压变频器等控制系统。
【背景技术】
[0002]在现代工程领域中，电力电子技术已经渗透到各个领域之中，而大功率电力电子器件在电力系统中的应用更是越来越频繁，通过控制功率器件的导通顺序和触发脉冲宽度即可实现功率因数控制、调压、调频等;尤其是在新能源发电领域中，更是离不开电力电子器件组成的变换器，通过电力变换，实现发电并网控制。由于电力系统中变换器结构的不同(如风力发电中的三相全控桥式背靠背变换器、光伏发电中的单级式或双级式逆变器、高压变频或柔性直流输电中的多模块变换器等)，使得电力电子器件类型、控制方式、驱动脉冲数量、保护电路的保护参量、保护路数不尽相同，一般需要根据具体要求有针对性地设计。
[0003]伴随着集成电路技术的不断发展，数字控制技术的不断成熟，尤其是数字信号处理器的大规模应用，电力电子设备数字控制技术发展迅猛。相对于模拟控制，数字控制有其独特的优点，例如控制平台开发周期大大缩短、调试简单方便、抗干扰能力增强、生产制造标准化、智能化程度高等。对于不同的变换器，数字控制技术可以采用统一的控制平台，只需更改相关的软件即可，可大大增强系统保护、故障检测、通讯以及输出电能调节等方面的功能，灵活性大。
[0004]在电力变换领域，传统的设计思路是根据特定的应用场合和资源需求，进行相应的控制系统软、硬件开发设计。为了实现电力变换的功能，若为每种电力变换控制装置均设计特定的控制平台，将花费较长的开发周期和较高的成本。如果应用场合和控制对象改变，则需要重新设计，更是无谓地造成了人力物力资源的浪费。根据各种典型电力变换反馈信号和控制脉冲的数量以及其他硬件资源的需求，提取共性特点并建立各种场合控制资源需求的母集，充分利用DSP和FPGA软件设置的灵活性，并改进外围信号处理电路的设计，最大程度上兼容不同的电力变换一次回路，开发具有较好的灵活性、选择性、可配置性的通用电力变换控制平台，将从很大程度上方便电力变换控制。
【发明内容】
[0005]本发明型的目的在于提供一种适用于多种电力变换场合的控制平台，将常见电力变换控制中所涉及到的硬件电路资源和软件资源依据功能划分进行模块化设计，将硬件电路的每个电量信号处理单元单独设计成模块化的PCB功能模块板，将软件中的常用处理算法封装成单独函数，用以确保平台的通用性和配置的灵活性。
[0006]本发明型的整体设计思路是:根据变换器控制系统的整体电路结构和功能，对整个硬件平台进行模块划分，包括核心控制板、母板、各个功能模块板和人机界面(HMI)。核心控制板采用“DSP+FPGA”的“双核”设计方式，DSP作为主处理器，FPGA作为协处理器;为配合核心控制板工作所需的外围电源电路及输入输出信号处理电路制作成独立的电路板并统一命名为“功能模块板”，根据功能的不同本控制平台共有11块功能模块板;除了核心控制板和功能模块板，控制系统还包括实现前两者信号交互的母板，核心控制板和功能模块板分别插接于母板正、反两面。核心控制板、功能模块板、母板和人机界面共同装于一个标准4U机箱，构成控制系统主体。为了便于现场信号的测量，在控制系统主体之外，还将由传感器组成的电路单独设计为位于控制系统机箱(主体)之外的“信号测量板”，信号测量板的个数由现场信号的多少决定，提高了灵活性。
[0007]核心控制板、母板和功能模块板均采用可插拔式设计，核心控制板通过两个3X32管脚插针插在母板正面。母板作为固定核心控制板和功能模块板的载体的同时，亦作为信号转接的媒介:电源板通过母板为核心控制板和各功能模块板供电；各信号从相应的功能模块板输入，经过核心控制板处理和计算，再从相应的功能模块板输出到变换器等外部电路。
[0008]核心控制板是采用DSP和FPGA芯片的双核主控板:主处理器兼容TMS320F28xx系列DSP，实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，具有高速的数据处理能力，为复杂算法的实现提供了硬件基础;作为协处理器的FPGA采用ALTERA公司的Cyclone系列第四代产品EP4CE115F23C8，包含丰富的逻辑门、寄存器和I/O资源，具有运算速度快、管脚资源多的优点ASP与FPGA通过地址总线、数据总线、片选与控制引脚及其他引脚(PWM、CAP/QEP等)相连。此外，与FPGA相连的芯片还有两块分辨率为16位的ADC7606数模转换芯片和一块分辨率为12位的DAC7625模数转换芯片，分别用于核心控制板模拟信号的输入和输出。为了充分利用FPGA的丰富的I/O资源，除了将其作为核心控制板的AD与DA转换的通道，还作为其他数字信号(PWM、脉冲信号、64路扩展I/O等)输入与输出的通道。此种设计方法旨在提高平台的灵活性和通用性:其一，将功能模块板输入给核心控制板的众多信号都引入FPGA中，利用其管脚资源丰富的优点来扩展核心控制板的信号处理数量，增强控制平台通用性;其二，利用FPGA可编程性好的特点，可以灵活地改变其管脚资源配置，使得控制平台能够兼容管脚分配不同的TMS320F28XX系列DSP;其三，FPGA对众多数据进行预处理后再送入DSP，提高了 DSP的工作效率和平台的控制性能。核心控制板还配备有多种通信电路资源(串口、CAN和网口)，满足不同速率的通信方式，以提高平台的通用性。
[0009]本控制平台共有11块功能模块板，分别通过单个3X32管脚插针插在母板背面，每块功能模块板单独实现对应的电源变换或电量信号处理功能。11块功能模块板分为四类:电源类、模拟信号输入/输出类、数字信号输入/输出类以及电路保护类。其中，电源类功能模块板有电源板A和电源板B;模拟信号输入/输出类功能模块板为四块相同的模拟信号调理板;数字信号输入/输出类功能模块板有一块数字I/O板、一块脉冲信号输入板和两块相同的PWM输出板;电路保护类功能模块板为一块硬件电路保护板。
[0010]针对电源类功能模块板，考虑到板载电源模块功能和电压等级的不同，基于模块化和灵活化的设计需求，本次设计将电源类功能模块板分为两类:AC/DC电路板(电源板A)和DC/DC电路板(电源板B)。电源板A采用宽电压输入魏德米勒10W的AC/DC开关电源模块，将220V交流电转换成24V直流电，供电源板B进行进一步的电源转换。电源板B使用宽电压输入的金升阳20W开关电源模块，将电源板A转换的24V直流电转换为三路电源:5V数字电源、± 15V模拟电源、24V开关电源，为核心控制板和其它功能模块板供电。
[0011]模拟信号调理板的作用是将传感器传输过来的模拟信号调理为适合AD采样芯片的信号。本系统可最多插装四块相同的模拟信号调理板，在实际应用中，可以根据现场反馈信号的路数选择模拟信号调理板的数量，提高了系统的灵活性和可配置性。同时信号调理电路在设计上兼容单极性信号和双极性信号(通过跳线选择)，提高了系统的通用性。
[0012]数字I/O板是控制平台的数字信号输入输出电路，负责采集外部继电器开合的开关量，并输出控制开关开合的控制量，可用于风机并网、光伏并网开关及继电器的控制等。同时，数字I /0板还可以作为HVM的外扩板，当控制平台Pmi路数超过12路时，可以使用数字I/o板额外增加PffM输出，增强了系统的控制性能。
[0013]作为一种特殊的数字I/O板，脉冲信号输入板实质上是一种快速的数字信号输入板，特别设计并做成单独的电路板，它能够快速识别高频输入脉冲信号的电平跳变，经过隔离、滤波后输入给核心控制板。脉冲信号输入板的典型应用为用于电机光电码盘信号的输入，可计算电机的转子转速以及转子位置角。
[0014]同样，作为另一种特殊的数字i/o板，Pmi输出板实质上是一种快速的数字信号输出板，其作用是高精度输出高频的脉冲信号，典型应用是输出PWM脉冲波以驱动电力功率模块。本系统可最多插装两块相同的PWM输出板，在实际应用时，可以根据驱动信号路数选择PWM输出板的数量，提高了系统的灵活性和可配置性。为了提高抗干扰能力，采用了光纤，将电信号转换成光信号进行传输，大大降低了一次系统和二次控制系统之间的串扰。除了 PWM信号数出外，PWM输出板还设计有保护电路(该保护电路与平台其他保护电路共同构成完备的电力器件保护机制)，当变换器出现故障时，会发送故障信号给PWM输出板，从而封锁PWM脉冲波的输出。
[0015]硬件电路保护板用于实现对一次系统特别是功率器件的过压、过流保护，有4路过量保护电路和I路相频测量电路。过量保护电路的主要功能是实现一次回路过压、过流保护；相频测量电路的主要功能是实现电网电压(或其他信号)的频率测量和相位测量，同时也能实现欠频、过频保护。
[0016]人机界面设计采用的是昆仑通态人机界面，型号为TPC7062Ti，7英寸显示尺寸，分辨率为800*480像素，具备强大的图像显示和数据处理能力，可以显示系统运行过程中的各个变量以及在线更改运行参数。此款人机界面外部接口丰富，有串行接口、USB接口、以太网口以及CAN接口，可以与核心控制板进行多种方式通信，满足不同通信速率要求。
[0017]有益效果:
[0018]本发明型能够实现光伏并网逆变器、风力发电变换器、储能系统变流器、柔性直流输电换流器等电力变换系统的有效控制;双核控制芯片设计增强了系统的控制能力和稳定性;功能模块化设计最大程度保证各个外围电路板的利用率，大大提高了硬件配置的灵活性，缩短了产品二次开发的周期，降低了产品的开发成本。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的硬件结构示意图。
[0020]图2是本发明的核心控制板的信号示意图。
[0021]图3是本发明的电源板A的电路处理示意图。
[0022]图4是本发明的电源板B的电路处理示意图。
[0023]图5是本发明的模拟信号调理板的电路处理示意图。
[0024]图6是本发明的数字I/O板的电路处理示意图。
[0025]图7是本发明的脉冲信号输入板的电路处理示意图。
[0026]图8是本发明的脉冲信号输入板的一种配置示意图。
[0027 ]图9是本发明的PffM输出板的电路处理示意图。
[0028]图10是本发明的硬件电路保护板的电路处理示意图。
[0029]图11是本发明的硬件电路保护板上过量保护模块电路处理示意图。
[0030]图12是本发明的硬件电路保护板的一种配置情况示意图。
[0031]图13是本发明的系统软件结构示意图。
[0032]图14是本发明的用于双馈风力发电机双PffM变换器控制的结构示意图。
[0033]图15是本发明的用于双馈风力发电机双PWM变换器控制的DSP程序示意图。
[0034]图16是本发明的用于双馈风力发电机双PffM变换器控制的FPGA程序示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明型作进一步详细描述。
[0036]参见图1，本发明型的硬件结构分为四层，依次为人机界面、核心控制板、母板和功能模块板。人机界面选用昆仑通态人机界面，型号为TPC7062Ti，采用串口和DSP进行通信。核心控制板采用“DSP+FPGA”的双核设计方案，DSP芯片兼容TI的TMS320F28xx，FPGA芯片采用ALTERA公司的Cyclone系列第四代产品EP4CE115F23C8。核心控制板通过插针排插在母板正面，各个功能模块板通过插针排插在母板背面，母板在起到固定核心控制板和各个功能模块板的同时，还是整个平台数据传输的媒介。
[0037]图2是核心控制板上DSP与FPGA的连接示意图。DSP通过数据总线、地址总线、片选与控制引脚及其他引脚与FPGA的I/O引脚相连。通过地址与数据总线的相连，DSP可以方便地与FPGA进行数据的交换，并通过FPGA扩展了访问控制范围。因选用的FPGA具有丰富的管脚资源，所以将功能模块板与核心控制板交互的众多信号(模拟输入、模拟输出、PWM输出、脉冲输入等)都引入FPGA中，此种设计方法优点在于:其一，FPGA可编程性良好，将众多信号引入FPGA，通过编程可方便改变管脚资源的配置，S卩FPGA送入DSP的信号可通过FPGA编程灵活修改，从而使得核心控制板可以兼容管脚分配不同的TMS320F28XX系列DSP;再者，主处理器DSP负责复杂算法的实现，进入核心控制板的信号先经过FPGA预处理后再输入给DSP，有利于提高DSP的工作效率和平台的控制性能。主处理器DSP不仅实现复杂算法的计算，还负责控制平台的多速率通信，包括串口通信、CAN通信和网口通信。在进行实际控制中，根据P丽所需资源数，核心控制板工作于不同的模式:当变换器所需PffM路数不大于12路时，DSP可以直接产生PWM脉冲信号，并使用PWM输出板输出PWM脉冲信号；若大于12路时，DSP自身P丽资源有限，可以将占空比数据通过总线写给FPGA，根据DSP计算结果，由FPGA完成P丽脉冲的产生和扩展，并通过FPGA的64路扩展I/O输出，以实现更多数量的PffM脉冲路数。合理采用不同的工作方式，充分发挥DSP与FPGA各自的资源和优势，可以增强控制平台通用性，保证控制平台高效工作。此外，FPGA内部可以构成故障保护逻辑单元，判断故障的发生。当故障发生时，在FPGA内部对PffM脉冲进行封锁。
[0038]图3是电源板A的电路处理示意图，其作用是将输入的220V交流电转换成24V直流电。电源板A输入端输入220V交流电，首先依次经过磁珠和EMC滤波器滤除谐波，再经过宽输入的魏德米勒AC/DC开关电源，将220V交流电变为稳定的24V直流电，最后经RC滤波电路后输至母板，并由其输送到电源板B。
[0039]图4是电源板B的电路处理示意图，其作用是将电源板A转换得到的24V直流电进一步转化为控制系统所需的各类电源(5V数字电源、±15V模拟电源和24V数字电源)，为人机界面、核心控制板和其余的功能模块板供电。电源板B输入端输入24V直流电，依次经过磁珠、EMC滤波器滤波后分别进入四种不同型号的宽输入的金升阳开关电源模块，四种型号的电源模块分别输出5V数字电源，+ 15V模拟电源，-15V模拟电源和24V数字电源，每路均使用村田滤波器滤波，并设有保险丝进行电源保护，以提高可靠性和稳定性。本发明对电源板的分开模块化设计方式旨在提高系统的灵活性并降低改造成本:一般情况下，如果需要改变电源输出，只需要更改电源板A(B)中的电源模块即可；即使需要对AC-DC或DC-DC电路进行颠覆性重新设计，也能保证另一部分电路的相对完整性。
[0040]图5是模拟信号调理板的电路处理示意图，其作用是将传感器采集的一次回路的电压、电流信号进行调理(包括转换、滤波、放大、偏置等环节)，以便采样芯片进行AD采样。每块模拟信号调理板均有8路信号调理电路。每路信号调理电路的处理过程为:首先经过二阶RC电路滤除谐波，再经过电压跟随电路、放大电路和偏置电路进行信号的调理，最后经过一阶RC滤波电路后输出，调理后的信号经母板输入给核心控制板以进行AD采样。为了提高通用性，模拟信号调理板在设计上考虑到了两方面:其一，放大环节的放大倍数可通过电位器调整，以适应大小不同的信号；通过偏置环节的跳线设计，可以灵活选择偏置电平，从而兼容单极性信号和双极性信号。
[0041]图6是数字I/O板的电路处理示意图，其作用是采集外部开关、继电器开合的开关量，并输出控制开关、继电器开合的控制量。数字信号输入部分有8路数字信号输入电路，数字信号输入后经过一阶RC滤波电路，然后通过光耦隔离后再经过一阶RC滤波电路，最后经过SN74CBTD3384DW电平转换芯片处理后输出，进而通过母板输入给核心控制板。信号输出部分也有8路输出电路，每路输出电路的处理过程为:核心控制板通过母板将要输出的信号输入到数字I/O板的输出电路部分，经过74LS244N芯片进行电平转换，然后经过光耦隔离后输出。
[0042]图7是脉冲信号输入板的电路处理示意图，其作用是对输入的脉冲信号进行电平转换以及毛刺滤除，以便DSP进行捕获。其中，EXA和/EXA是一对互补信号，可经过跳线进行选择，兼容差分信号和普通信号，提高通用性。同样，EXB和/EXB、EXZ和/EXZ也分别是一对互补信号。每路输入电路均一样，输入信号依次通过RC滤波、光耦隔离、RC滤波和74HC14N芯片后输出，通过母板输入核心控制板。74HC14N在实现电平转换的同时，也会利用其施密特特性实现对信号的进一步滤波。完善的滤波电路和电平转换电路设计，有利于滤除高次谐波，确保送入核心控制板的脉冲信号波形良好，能够被DSP正常捕获。
[0043]图9是Pmi输出板的电路处理示意图，其作用是输出Pmi脉冲波以驱动电力功率模块。每块P丽输出板有6路P丽输出电路，核心控制板将P丽信号通过母板传输给P丽输出板，后者输入PWM信号后先通过74LS14芯片进行电平转换，再分别输送给6路输出电路。每路输出电路均是先将PWM信号进行光耦隔离，再输入光纤发射器，将电信号转换成光信号输出给变换器，以隔离一次系统和二次系统，避免电磁干扰。PWM输出板设计有保护逻辑电路，当变流器出现故障时能够封锁PWM脉冲波的输出。其中/OVAl、/0VA2是变流器的IPM模块输出的两路故障信号，正常情况下为高电平，经过逻辑与门后输出高电平信号SHUT，光耦隔离后的每路PWM输出信号都会与SHUT信号进行逻辑“与”运算后才最终输出。如若出现故障，则SHUT变为低电平，PWM的输出也全都被封锁。此外，PWM输出板通过光纤发射器将SHUT信号输出给外围其他电路，用以提供故障信息判断。
[0044]图10是硬件电路保护板的电路处理示意图，其作用是对系统进行过量保护和相频测量。该保护板采用了基于电路单元的模块化设计和基于跳线的灵活化设计方法，提高面向不同应用的保护板的通用性。左侧从上到下依次为单独模块化设计的、元器件集成度较高的4个过量保护模块和I个相频测量模块(即5个电路单元)ο每路过量保护电路输入的信号是三相电压或三相电流，经过过量保护模块后产生过量保护信号，过量保护信号经过滤波和光耦隔离后输出硬件电路保护板，进而通过母板输入给核心控制板的FPGA芯片，用于保护逻辑运算。图11是过量保护模块的电路处理示意图，其作用是判断输入到硬件电路保护板上的信号是否超过设定阈值。Jl和J2插针用于从底板引入电源以及监测信号，J3插针起固定作用。该小板主要由不可控整流电路、过量保护逻辑电路和保护阈值设定电路组成。用二极管组成的不可控整流和电压比较电路相结合的方法，通过输入通道的切换可以实现兼容交流和直流信号过量检测的功能。相频测量电路的输入信号是三相正弦电压，经过相频测量模块后三路正弦信号被处理为三路脉冲信号，每路脉冲信号均通过光耦隔离后输出硬件电路保护板，进而通过母板输入给控制系统进行捕获和频率计算，用于系统的频率保护。对过量保护模块的输入和输出信号跳线设计如下:左侧输入的被保护信号CPl?CP8和DPl?DP8共2*8路信号来自于不同的模拟信号调理板，为增强信号处理的灵活性，每路被保护信号插针设计为三个管脚，通过跳线可以进入任意一个过量保护模块进行处理。由四个保护单元模块输出的四个过量信号，可经过跳线进入任意一路滤波和光耦隔离电路处理后输入给核心控制板。用于每个过量保护模块输出跳线的插针排和用于光电隔离电路输入跳线的插针排的插针数均设计为4个，这样任何一个过量保护模块的输出可配置到一路或多路滤波和光耦隔离电路，而任何一路滤波和光耦隔离电路又可以接受一个或多个过量保护模块的输出信号，这样大大增强了保护信号的组合逻辑，可以实现复杂而灵活的保护功能。
[0045]图13是控制平台软件设计示意图，在硬件采用模块化设计的基础上，为适应多种电力变换的需求，软件也采用模块化的通用设计，具体说明如下:
[0046]1、主处理器DSP具有强大的数据处理能力和高运算速度，主要负责实现各种复杂算法的快速计算，在DSP程序中将各种电力变换控制策略中常用的Park变换及发变换、Clark变换及反变换、数字P1、一阶滤波器、功率计算、SVPWM等算法编程开发成单独的功能模块函数，以方便调用。
[0047]2、协处理器FPGA时序严格、速度快、可编程性好、具有强大的并发处理能力等特点，将功能比较固定且对系统实时性和速度要求比较高的功能加入到FPGA中，其程序主要包含AD采样控制、脉冲信号的捕获处理、PffM输出、故障信号处理和保护模块。
[0048]3、对于不同的电力变换控制场合，只需要在DSP的主中断程序中调用需要的功能模块函数便可快速实现相应的核心控制算法。这种灵活的软件设计，大大缩减了控制软件的开发周期，再配合上模块化的可配置的硬件设计，使得该控制平台具有较大程度的通用性。
[0049]以图14控制双馈风力发电机双PWM变换器为例，下面对本设计通用电力变换控制平台的应用及控制过程进行说明。
[0050]1、图14是双馈风力发电机系统结构图。一次回路分为五部分，分别为:风机及齿轮箱、双馈风力发电机、背靠背变换器、网侧电抗器和并网开关。二次回路为本设计的通用电力变换控制平台，所需采集的信号有电机定子和转子三相电流、电网三相电压和电流、直流母线电压、并网开关的开合量、光电码盘信号，以及IPM故障信号;输出的控制信号包括:网侧变换器的6路PffM脉冲、机侧变换器的6路PffM脉冲以及并网开关的开合量。
[0051 ] 2、硬件的配置:
[0052 ] I)核心控制板:根据图14可知，控制平台输出总PWM脉冲数为12路，可以选择由DSP产生实现或由FPGA实现，因为PffM脉冲数不大于12路，所以直接采用DSP提供的PffM信号。
[0053]2)模拟信号调理板:控制平台所需采集的一次回路电量信号有电机定子和转子三相电流、电网三相电压和电流、直流母线电压，总共为13路信号，需要配置两块模拟信号调理板。模拟信号调理板I的I?6路分别调理电机定子和转子三相电流的传感器采集值，模拟信号调理板2的I?7路分别调理电网三相电压、电网三相电流和直流母线电压的传感器采集值。
[0054]3)数字I/O板:控制平台需要采集电机定子并网开关的开合量，以实现电机的准确并网，所以需要用到数字I/o板上的三路数字输入电路和三路数字输出电路。
[0055]4)脉冲信号输入板:电机转子的转速及转子位置角是控制中必须要知道的，通过在电机转子上安装的光电码盘信号的输入可以获得。光电码盘输出的信号有A、B、Z三路，分别输入到脉冲信号输入板的EXA、EXB、EXZ，并使用跳线实现信号类型(普通、差分)配置并接到74HC14N电平转换芯片上，如图8所示。
[0056]5)硬件电路保护板:控制平台需要对电机定子电流、电机转子电流、网侧变换器输入交流电流和直流母线电压进行过量保护，并对电网电压进行欠频或过频保护，根据这些要求，将硬件电路保护板配置成图12所示。其中CPl?CP3为电机定子三相电流传感器采集值，通过跳线将其送入过量保护模块I，输出通过跳线接入滤波、光耦隔离I模块;CP4?CP6为电机转子三相电流传感器采集值，通过跳线将其送入过量保护模块2，输出通过跳线接入滤波、光耦隔离2模块;DPl?DP3为电网三相电压传感器采集值，通过跳线接入相频测量模块;DP4?DP6为网侧变换器输入三相交流电流的传感器采集值，通过跳线接入过量保护模块3，输出通过跳线接入滤波、光耦隔离3模块;DP7为直流母线电压传感器采集值，通过跳线接入过量保护模块4，输出通过跳线接入滤波、光耦隔离4模块。此种配置方法只是众多配置方法中的一种，前提是对于电压或电流的过量保护，只要将其三相信号输入到同一过量保护模块即可，配置方式非常灵活。
[0057]6) Pmi输出板。控制平台需要输出网侧变换器的6路PWM脉冲和机侧变换器的6路P丽脉冲，因此需要两块P丽输出板。网侧变换器IPM模块和机侧变换器IPM分别输出两路故障信号到相应的PWM输出板。
[0058]3、软件的配置:
[0059]1)DSP的软件配置。
[0060]如图15所示，DSP的主中断程序依次调用了一阶滤波器、坐标变换、电网频率测量、磁链观测、电机转子转速及位置测量、功率数字P1、转子电路数字P1、坐标反变换和SVPffM功能函数。对于其他的电力变换场合，只需要根据相对应的控制方法调用不同的功能函数或改变功能函数的调用顺序便可实现相应的控制功能，保证控制平台的通用性和配置的灵活性。
[0061]2) FPGA的软件配置。
[0062]图16为FPGA的程序，有AD采样程序、捕获处理程序和保护模块。对于其他电力变换场合，考虑到这些程序是必须的而且是通用的，又对系统的实时性要求较高，所以固定在FPGA中，具有很好的通用性。
[0063]以上针对双馈风力发电机双Pmi变换器的控制需要的HVM脉冲数为12路，采用DSP提供的PWM信号。对于高压变频、柔性直流输电中的多模块变换器等，PWM驱动脉冲数超出12路，要实现相应控制，需要更改平台的软、硬件配置:其一，因信号测量(模拟信号调理、数字1/0、脉冲信号输入)、保护类似，此处不再赘述;其二，由于PWM脉冲数大于12路，DSP自身的PWM资源有限，此时需要更改核心控制板的工作模式，使DSP仅完成算法运算，然后将占空比等信息传递给FPGA，FPGA产生PWM信号，不通过P丽输出板而是通过FPGA的64路扩展I/O输出。
[0064]综上所述，本控制平台基于软、硬件模块化的设计，使其具有较大程度的通用型。面对不同电力变换场合，根据信号测量、PWM脉冲数、保护路数来灵活配置硬件资源，根据具体的控制方法来配置软件资源，便可实现对电力变换的快速控制。
【主权项】
1.一种适用于多种电力变换场合的控制平台，其特征在于，包括核心控制板、母板、各个功能模块板和人机界面HMI; 核心控制板、母板和功能模块板均采用插拔式设计，核心控制板通过两个3X32管脚插针插在母板正面。母板作为固定核心控制板和功能模块板的载体的同时，亦作为信号转接的媒介:电源板通过母板为核心控制板和各功能模块板供电；各信号从相应的功能模块板输入，经过核心控制板处理和计算，再从相应的功能模块板输出到变换器外部电路； 核心控制板采用“DSP+FPGA”的“双核”设计方式，DSP作为主处理器，FPGA作为协处理器;为配合核心控制板工作所需的外围电源电路及输入输出信号处理电路制作成独立的电路板并统一命名为“功能模块板”，根据功能的不同本控制平台共有11块功能模块板;除了核心控制板和功能模块板，控制系统还包括实现前两者信号交互的母板，核心控制板和功能模块板分别插接于母板正、反两面。核心控制板、功能模块板、母板和人机界面共同装于一个标准4U机箱，构成控制系统主体;在控制系统主体之外，还将由传感器组成的电路单独设计为位于控制系统机箱主体之外的“信号测量板”。2.根据权利要求1所述的控制平台，其特征在于，主处理器兼容TMS320F28xx系列DSP，实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，具有高速的数据处理能力，为复杂算法的实现提供了硬件基础；作为协处理器的FPGA采用Cy c lone系列第四代产品EP4CE115F23C8，包含丰富的逻辑门、寄存器和I/O资源，运算速度快、管脚资源多；DSP与FPGA通过地址总线、数据总线、片选与控制引脚及其他引脚相连，其他引脚包括PWM、CAP/QEP;此外，与FPGA相连的芯片还有两块分辨率为16位的ADC7606数模转换芯片和一块分辨率为12位的DAC7625模数转换芯片，分别用于核心控制板模拟信号的输入和输出；为了充分利用FPGA的丰富的I/O资源，除了将其作为核心控制板的AD与DA转换的通道，还作为其他数字信号PWM、脉冲信号、64路扩展I/O输入与输出的通道;此种设计方提高平台的灵活性和通用性:将功能模块板输入给核心控制板的众多信号都引入FPGA中，利用其管脚资源丰富来扩展核心控制板的信号处理数量，增强控制平台通用性;利用FPGA可编程性好的特点，灵活地改变其管脚资源配置，使得控制平台能够兼容管脚分配不同的TMS320F28XX系列DSP;FPGA对众多数据进行预处理后再送入DSP，提高了DSP的工作效率和平台的控制性能；核心控制板还配备有多种通信电路资源:包括串口、CAN和网口；满足不同速率的通信方式，提高平台的通用性。3.根据权利要求1所述的控制平台，其特征在于，功能模块板分别通过单个3X32管脚插针插在母板背面，每块功能模块板单独实现对应的电源变换或电量信号处理功能；11块功能模块板分为四类:电源类、模拟信号输入/输出类、数字信号输入/输出类以及电路保护类； 电源类功能模块板有电源板A和电源板B;模拟信号输入/输出类功能模块板为四块相同的模拟信号调理板;数字信号输入/输出类功能模块板有一块数字I/O板、一块脉冲信号输入板和两块相同的PWM输出板;电路保护类功能模块板为一块硬件电路保护板。4.根据权利要求3所述的控制平台，其特征在于，电源类功能模块板分为两类:AC/DC电路板即电源板A和DC/DC电路板即电源板B;电源板A采用宽电压输入魏德米勒10W的AC/DC开关电源模块，将220V交流电转换成24V直流电，供电源板B进行进一步的电源转换；电源板B使用宽电压输入的金升阳20W开关电源模块，将电源板A转换的24V直流电转换为三路电源:5V数字电源、± 15V模拟电源、24V开关电源，为核心控制板和其它功能模块板供电。5.根据权利要求3所述的控制平台，其特征在于，模拟信号调理板的作用是将传感器传输过来的模拟信号调理为适合AD采样芯片的信号;最多插装四块相同的模拟信号调理板，信号调理电路在设计上兼容单极性信号和双极性信号，提高了系统的通用性。6.根据权利要求3所述的控制平台，其特征在于，数字I/O板是控制平台的数字信号输入输出电路，负责采集外部继电器开合的开关量，并输出控制开关开合的控制量，用于风机并网、光伏并网开关及继电器的控制。同时，数字I/O板还作为PffM的外扩板，当控制平台PWM路数超过12路时，使用数字I/O板额外增加PffM输出，增强了系统的控制性能。7.根据权利要求3所述的控制平台，其特征在于，电路保护板用于实现对一次系统特别是功率器件的过压、过流保护，有4路过量保护电路和I路相频测量电路;过量保护电路的；功能是实现一次回路过压、过流保护;相频测量电路的主要功能是实现电网电压；的频率测量和相位测量，同时也能实现欠频、过频保护。8.根据权利要求1所述的控制平台，其特征在于，人机界面设计采用的是昆仑通态人机界面，型号为TPC7062Ti，7英寸显示尺寸，分辨率为800*480像素，具备强大的图像显示和数据处理能力，显示系统运行过程中的各个变量以及在线更改运行参数;该人机界面外部接口丰富，有串行接口、USB接口、以太网口以及CAN接口，与核心控制板进行多种方式通信，满足不同通信速率要求。
【文档编号】H02M1/00GK105867238SQ201610258470
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】刘其辉, 孙亮亮, 宋诗雨, 葛立坤, 周静敏
【申请人】华北电力大学