一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统，包括DSP、FPGA、与DSP和FPGA相连接通信的外围电路以及上位机控制模块；DSP和FPGA两个控制器通过16位的地址总线和19位的数据总线相连接，DSP所有的IO口都与FPGA相连接；外围电路包括电压电流采样电路、功率管驱动电路、功率管保护电路、上位机与下位机通信电路；电压电流采样电路测量各路电压电流信号送至DSP进行采样处理；功率管驱动电路对FPGA输出的功率管PWM驱动信号进行功率放大后送至双向储能变流器的主功率电路；功率管保护电路采集双向储能变流器的IGBT模块输出的过流保护信号和过温保护信号传输至FPGA；DSP通过上位机与下位机的通信电路与上位机控制模块进行连接通信。本实用新型提供的一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统。
【专利说明】一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及大规模电能存储及电网新能源接入【技术领域】，具体涉及一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统。
【背景技术】
[0002]大容量储能技术的出现与发展颠覆了传统电力系统中电能不能大量存储的概念，大容量电力储能装置的建立一方面对电网的合理应用起到了“削峰填谷”的作用，可以提高电力系统的供电可靠性和电能质量，另一方面对风能和太阳能等间歇性式可再生能源发电安全可靠的接入电网起到了关键作用。由于大规模储能系统可以贯穿电力系统发、输、配、用的各个环节，不仅对传统电力起到改善和改良作用，而且储能技术的发展和应用也将给智能电网的规划、设计、布局以及运行管理等方面带来革命性的变化。
[0003]储能变流器作为电网和储能电池的连接者，肩负着电池充电及电能回网的重任，是电力储能系统中的关键设备之一，其输出电压电流的质量对化学电池的安全性能、使用寿命以及电网的稳定运行起着至关重要的作用；其运行方式、控制精度以及响应速度直接关系着整个储能系统的性能。随着电池储能大规模系统集成、大规模电池储能电站的迅速发展，电网对储能变流器性能的要求也将上升到一个更高的层次。
实用新型内容
[0004]本实用新型涉及一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统，所述双向储能变流器硬件控制系统包括DSP、FPGA、与DSP和FPGA相连接通信的外围电路以及上位机控制|吴块；
[0005]所述DSP和FPGA两个控制器通过16位的地址总线和19位的数据总线相连接，所述DSP所有的1 口都与所述FPGA相连接；
[0006]所述外围电路包括电压电流采样电路、功率管驱动电路、功率管保护电路、上位机与下位机通信电路；
[0007]所述电压电流采样电路一端连接所述双向储能变流器的主功率电路另一端连接所述DSP ；
[0008]所述功率管驱动电路一端连接所述FPGA另一端连接所述双向储能变流器的主功率电路；
[0009]所述功率管保护电路一端连接双向储能变流器的IGBT模块另一端连接所述FPGA ；
[0010]所述DSP通过所述上位机与下位机的通信电路与所述上位机控制模块进行连接通信。
[0011]本实用新型提供的第一优选实施例中:所述主控制器DSP选用TI公司生产的C2000 系列 TMS320F2812PGF-176。
[0012]本实用新型提供的第二优选实施例中:所述辅助控制器FPGA选用ALTERA公司生产的 Cyclone 系列 EP1C6024017N。
[0013]本实用新型提供的第三优选实施例中:所述电压电流采样电路包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、调理电路和光耦隔离电路，所述霍尔电压传感器和霍尔电流传感器一端分别连接所述双向储能变流器的主功率电路另一端分别通过所述信号调理电路和所述光耦隔离电路I连接所述DSP。
[0014]本实用新型提供的第四优选实施例中:所述功率管驱动电路包括功率放大器件和光耦隔离电路2，所述FPGA输出与所述功率放大器件之间通过所述光耦隔离电路2进行隔离。
[0015]本实用新型提供的第五优选实施例中:所述功率管保护电路包括光耦隔离电路3。
[0016]本实用新型提供的第六优选实施例中:所述外围电路包括电源电路；
[0017]所述电源电路主要为DSP和FPGA以及双向储能变流器中其他控制电路提供电源支撑，包括1.9V、3.3V、5V、土 15V,不同电压之间相互隔离。
[0018]本实用新型提供的第七优选实施例中:所述外围电路包括时钟电路；
[0019]所述时钟电路包括DSP的时钟电路和FPGA的时钟电路，DSP的时钟电路由30MHz的有源晶振提供，FPGA的时钟电路由33MHz的有源晶振提供。
[0020]本实用新型提供的第八优选实施例中:所述外围电路包括开关控制电路和工作状态判断电路；
[0021 ] 所述开关控制电路控制连接变流器散热风扇、指示灯以及主功率电路断路器的开关;
[0022]所述工作状态判断电路连接检测所述变流器系统各开关的实时开合状态。
[0023]本实用新型提供的第九优选实施例中:所述外围电路包括Flash存储器、SRAM存储器、复位电路、CAN BUS、EEPR0M、LED阵列、蜂鸣器、按键、拨码开关。
[0024]本实用新型提供的一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统的有益效果包括:
[0025]1、本实用新型提供的一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统，基于双CPU搭建，将DSP强大的数据处理能力和FPGA高集成性、可重复编程性相结合，为实现变流器的自动化、智能化控制提供了紧凑、可靠、高实时性的硬件支持。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]如图1所示为本实用新型提供的一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统与主功率电路连接的结构示意图；
[0027]如图2为本实用新型提供的一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统的结构的实施例的结构示意图；
[0028]如图3所示为本实用新型提供的一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统与主功率电路的连接的控制框图；
[0029]如图4所示为本实用新型提供的一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统的控制流程图。
【具体实施方式】
[0030]下面根据附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0031]本实用新型提供一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统，其结构示意图如图1所示，由图1可知，该双向储能变流器硬件控制系统包括DSP、FPGA、与DSP和FPGA相连接通信的外围电路以及上位机控制模块。DSP和FPGA两个控制器通过16位的地址总线和19位的数据总线相连接，实现高速数据传输，增强两者的控制实时性，另外，DSP所有的1 口都与FPGA相连接，输入输出信号都经FPGA去毛刺和削抖处理，增强了控制的准确性。
[0032]外围电路包括电压电流采样电路、功率管驱动电路、功率管保护电路、上位机与下位机通信电路。电压电流采样电路一端连接双向储能变流器的主功率电路另一端连接DSP ；功率管驱动电路一端连接FPGA另一端连接双向储能变流器的主功率电路；功率管保护电路一端连接双向储能变流器的IGBT模块另一端连接FPGA ;DSP通过上位机与下位机的通信电路与上位机控制模块进行连接通信。
[0033]进一步的，电压电流采样电路测量各路电压电流信号送至DSP进行采样处理；功率管驱动电路对FPGA输出的功率管PWM驱动信号进行功率放大后送至双向储能变流器的主功率电路；功率管保护电路采集双向储能变流器的IGBT模块输出的过流保护信号和过温保护信号传输至FPGA。
[0034]如图2所示为本实用新型提供的一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统的结构的实施例的结构示意图，由图2可知，电压电流采样电路包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、调理电路和光耦隔离电路，霍尔电压传感器和霍尔电流传感器一端分别连接双向储能变流器的主功率电路另一端分别通过信号调理电路和光耦隔离电路I连接DSP。霍尔电压传感器和霍尔电流传感器测量各路电压电流信号后，输出电压电流值经信号调理电路范围限定以及光耦隔离电路I隔离后送至DSP进行采样处理。
[0035]功率管驱动电路包括功率放大器件和光耦隔离电路2，其中FPGA输出与功率放大器件之间加入光耦隔离电路2，防止控制电路受到主功率电路影响，增加控制电路的抗干扰能力，功率管驱动电路主要用来对FPGA输出的功率管PWM驱动信号进行功率放大，提升系统的驱动能力。
[0036]功率管保护电路包括光耦隔离电路3，主要用来采集双向储能变流器的IGBT模块输出的过流保护信号和过温保护信号，双向储能变流器的整流逆变模块和升降压模块各输出三路过流保护信号和一路过温保护信号，所有的保护信号经光耦隔离电3送入FPGA做或运算处理，任何一路保护信号的产生都将使FPGA向DSP发出PWM闭锁信号，禁止功率管动作，保证变流器系统的安全。
[0037]DSP通过上位机与下位机的通信电路与上位机控制模块进行连接通信，上位机与下位机的通信电路基于RS232通信协议建立，并加入滤波电路，防止干扰信号传入。
[0038]主控制器DSP选用TI公司生产的C2000系列TMS320F2812PGF-176，辅助控制器FPGA 选用 ALTERA 公司生产的 Cyclone 系列 EP1C6024017N。
[0039]外围电路还包括电源电路、时钟电路、开关控制电路、工作状态判断电路、Flash存储器、SRAM存储器、复位电路、CAN BUS (Controller Area Network Bus,控制器局域网络总线)、EEPROM、LED阵列、蜂鸣器、按键、拨码开关等功能模块。
[0040]电源电路主要为DSP和FPGA以及双向储能变流器中其他控制电路提供电源支撑，包括1.9V、3.3V、5V、±15V等，不同电压之间相互隔离，以提高整个系统的安全性和抗干扰性。
[0041]时钟电路包括DSP的时钟电路和FPGA的时钟电路，DSP的时钟电路由30MHz的有源晶振提供，FPGA的时钟电路由33MHz的有源晶振提供。
[0042]FPGA通过开关控制电路控制变流器主功率电路的开关的工作，该开关控制电路主要连接变流器散热风扇、指示灯以及主功率电路断路器的开关，主要用于对变流器散热风扇、指示灯以及主功率电路断路器的开关控制。
[0043]FPGA通过工作状态判断电路检测变流器系统各开关的实时开合状态，以此判断变流器的运行阶段，最终实现整个系统的自动化与智能化运行。
[0044]如图3和图4所示分别为本实用新型提供的一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统与主功率电路的连接的控制框图以及控制流程图。
[0045]由图3和图4可知，DSP主控制器模块主要实现对变流器主功率电路实时运行电压电流值进行采样、计算、处理，接收上位机下发的运行命令。DSP通过RS232与上位机建立双向通信，可以实时通过上位机设置系统的工作状态，工作参数以及接收系统回馈信息。DSP内置16个AD转换通道，对双向储能变流器的主功率电路的电压电流信号进行采样，采样信号经处理后形成反馈并与系统给定相比较，反馈和给定值PI运算的结果送至事件管理器，发出12路占空比可调的PWM驱动波形，其中PWM1-6用于变流器整流逆变PEBB模块的驱动，PWM7-12用于变流器升压降压PEBB模块的驱动。
[0046]FPGA辅助控制器模块协助主控制器DSP完成对整个变流器的自动化控制。DSP输出的PWM驱动信号首先经过FPGA进行削抖处理，处理后PWM1-6直接输出至接口电路，PWM7-12经FIFO进行移相处理，用于三相交错式升降压模块的驱动，以减小直流侧输出电压电流纹波，AC/DC模块的PWM控制信号经FPGA消抖和去毛刺后直接输给PEBB驱动电路，控制功率管的开断动作，DC/DC模块的PWM信号经FPGA移相后驱动PEBB动作。其中AC/DC模块PWM驱动信号由事件管理器A产生，DC/DC模块PWM驱动信号由事件管理器B产生。FPGA还实时采集系统工作状态信号，并控制主电路开关动作；当PEBB模块产生过流或过温保护信号时，保护信号首先送至FPGA，经FPGA处理后，产生一个低电平触发信号送至DSP，PDP中断被触发，DSP闭锁PWM输出，起到器件保护作用。
[0047]上位机控制模块通过RS-232实现与DSP的串口通信，主要用于向DSP下发控制指令、运行参数等控制信息，并实时接收DSP上传的变流器运行状态及参数信息并通过界面显示，增强系统的人机交互能力。具体的，上位机控制模块通过RS-485实现与储能电池BMS系统的串口通信，实时读取电池电压、充放电电流、温度、SOC等信息并通过界面显示；通过TCP/IP Modbus通信协议与远端监控系统通信，实现储能变流器远端控制，可以远程控制变流器的开机、关机、暂停等运行状态，实时设定变流器的运行参数，并读取变流器系统的实时运行参数。用户可以通过上位机界面实时控制系统运行模式，写入及读取系统运行参数，如输出电压电流设定值、实时电压电流采样值、PID参数等，通过上位机控制模块可以实现变流器本地手动控制和远程自动控制两种控制模式。下位机定时向上位机发送系统运行电气参数实时采样值，通过上位机界面显示即可以观察系统的工作状态。
[0048]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本实用新型的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种基于数字控制的双向储能变流器硬件控制系统，其特征在于，所述双向储能变流器硬件控制系统包括DSP、FPGA、与DSP和FPGA相连接通信的外围电路以及上位机控制模块； 所述DSP和FPGA两个控制器通过16位的地址总线和19位的数据总线相连接，所述DSP所有的1 口都与所述FPGA相连接； 所述外围电路包括电压电流采样电路、功率管驱动电路、功率管保护电路、上位机与下位机通信电路； 所述电压电流采样电路一端连接所述双向储能变流器的主功率电路另一端连接所述DSP ； 所述功率管驱动电路一端连接所述FPGA另一端连接所述双向储能变流器的主功率电路； 所述功率管保护电路一端连接双向储能变流器的IGBT模块另一端连接所述FPGA ； 所述DSP通过所述上位机与下位机的通信电路与所述上位机控制模块进行连接通信。
2.如权利要求1所述的双向储能变流器硬件控制系统，其特征在于，所述主控制器DSP选用TI公司生产的C2000系列TMS320F2812PGF-176。
3.如权利要求1所述的双向储能变流器硬件控制系统，其特征在于，所述辅助控制器FPGA 选用 ALTERA 公司生产的 Cyclone 系列 EP1C6024017N。
4.如权利要求1所述的双向储能变流器硬件控制系统，其特征在于，所述电压电流采样电路包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、调理电路和光耦隔离电路，所述霍尔电压传感器和霍尔电流传感器一端分别连接所述双向储能变流器的主功率电路另一端分别通过所述信号调理电路和所述光耦隔离电路I连接所述DSP。
5.如权利要求1所述的双向储能变流器硬件控制系统，其特征在于，所述功率管驱动电路包括功率放大器件和光耦隔离电路2，所述FPGA输出与所述功率放大器件之间通过所述光耦隔离电路2进行隔离。
6.如权利要求1所述的双向储能变流器硬件控制系统，其特征在于，所述功率管保护电路包括光耦隔离电路3。
7.如权利要求1所述的双向储能变流器硬件控制系统，其特征在于，所述外围电路包括电源电路； 所述电源电路主要为DSP和FPGA以及双向储能变流器中其他控制电路提供电源支撑，包括1.9V、3.3V、5V、土 15V,不同电压之间相互隔尚。
8.如权利要求1所述的双向储能变流器硬件控制系统，其特征在于，所述外围电路包括时钟电路； 所述时钟电路包括DSP的时钟电路和FPGA的时钟电路，DSP的时钟电路由30MHz的有源晶振提供，FPGA的时钟电路由33MHz的有源晶振提供。
9.如权利要求1所述的双向储能变流器硬件控制系统，其特征在于，所述外围电路包括开关控制电路和工作状态判断电路； 所述开关控制电路控制连接变流器散热风扇、指示灯以及主功率电路断路器的开关； 所述工作状态判断电路连接检测所述变流器系统各开关的实时开合状态。
10.如权利要求1所述的双向储能变流器硬件控制系统，其特征在于，所述外围电路包
b。关I 广 ?/t V VT「V J=ItL ?— , -drv1- V 广■ Z J_▲I nr-1r-1 V τιτ/^λτ TH V r? rr k τλ ?γ\ V Η-ττΠ.*ΤΓΙ ~Χ7 V J=ItL Ολ I N.τιτλ 7λτ/-λ V J=ItL Ολ I N.ττοτ-> X τ 1-1 t
【文档编号】H02J3/32GK204013276SQ201320707984
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】渠展展, 闫涛, 刘赟甲, 闫雪生 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 国网福建省电力有限公司电力科学研究院