基于CAN总线的直流变压器状态机交互及其控制策略

基于can总线的直流变压器状态机交互及其控制策略
技术领域
1.本发明涉及电气技术领域，具体涉及一种基于can总线的直流变压器状态机交互及其控制策略。


背景技术：

2.直流变压器(dc transformer，dct)作为柔性直流输电系统中配网组建、多电压等级互联以及新能源并网的关键部分，近年来受到了广泛关注。其中，一类采用模块化多电平变换器技术(modular multilevel converter，mmc)的直流变压器具有模块化、易拓展、低电压应力、低传输损耗等优点，在直流输电领域具有良好的应用前景。
3.图1所示为一种适用于中低压场合的模块化多电平直流变压器。其中，直流变压器的一次侧采用多个半桥子单元的级联结构，二次侧采用全桥整流单元，中间通过一个高频变压器实现电气隔离和功率传输。而如何实现主控制系统和这些众多半桥子单元，全桥整流单元之间的通信交互，是实现mmc稳定运行的关键。目前，对于多控制单元系统通常采用基于tcp/ip协议的以太网通信交互技术。然而，这种方案的组网结构较为复杂、成本高昂，在一些中低成本的应用场合中并不适用。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提出了一种基于can总线的直流变压器状态机交互及其控制策略，极大减小直流变压器对控制系统软硬件资源需求，在实现主控制系统、半桥子单元和全桥整流单元间高速通信的同时，进一步提升直流变压器性能，具有低成本、高效和稳定等特点。
5.为实现上述目的，现提出的方案如下：
6.一种基于can总线的直流变压器状态机交互策略，所述直流变压器包括滤波电感l1、滤波电感l2、滤波电感l3、滤波电感l4、变压器漏感l
t
、变压器t、全桥整流单元和半桥子单元sm11到半桥子单元sm4n，总数为4n个；所述半桥子单元包括第一子单元开关管s
1_i
、第二子单元开关管s
2_i
和子单元电容ci，其中下标i为半桥子单元标号，下标i取值为11到4n；所述全桥整流单元包括第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4和输出电容c
dc
；
7.所述状态机包括主控制系统状态机、半桥子单元状态机和全桥整流单元状态机；所述交互策略包括上位机与主控制系统之间的通信、主控制系统与半桥子单元之间的通信和主控制系统与全桥整流单元之间的通信，具体为：
8.(a)基于can通讯协议中定义五类功能节点，包括上位机节点、第一主控制系统节点、第二主控制系统节点、半桥子单元节点和全桥整流单元节点；其中，上位机节点配置2个邮箱，地址id1邮箱用于发送，地址id2邮箱用于接收；第一主控制系统节点配置4n+1个邮箱，地址id2邮箱用于发送，地址id4到地址id(4n+3)邮箱用于接收；第二主控制系统节点配置2个邮箱，地址id3邮箱用于发送，地址id(4n+4)邮箱用于接收；每个半桥子单元节点配置
2个邮箱，地址id2邮箱用于接收，地址idk邮箱用于发送，标号k取值范围为4到(4n+3)；全桥整流单元节点配置2个邮箱，地址id(4n+4)邮箱用于发送，地址id3邮箱用于接收；
9.(b)定义五种符合can总线协议规范的数据帧，分别为上位机数据帧、第一主控制系统数据帧、第二主控制系统数据帧、半桥子单元数据帧和全桥整流单元数据帧；
10.(c)在s1和s2基础上，所述交互策略如下：上位机向主控制系统状态机发送上位机数据帧，主控制系统状态机接收到上位机数据帧后进行译码，提取上位机参数以切换主控制系统状态机的状态；主控制系统根据当前状态机的状态，分别向半桥子单元状态机和全桥整流单元状态机发送第一主控制系统数据帧和第二主控制系统数据帧，经译码操作后，根据所获指令分别改变半桥子单元状态机的状态和全桥整流单元状态机的状态；半桥子单元和全桥整流单元将当前各自状态机的状态和有关运行参数分别以半桥子单元数据帧和全桥整流单元数据帧的形式发送给主控制系统状态机进行反馈。
11.优选地，所述主控制系统状态机、半桥子单元状态机和全桥整流单元状态机均包含多种状态：主控制系统状态机包括初始、待机、软起动、运行和故障五个基本状态；半桥子单元状态机包括零态0、零态1、零态2、零态3、充电和放电共六个状态；全桥整流单元状态机包括状态0、状态1、状态2、状态3和状态4共五个状态；
12.进一步的，一种基于can总线的直流变压器状态机控制策略，具体为：
13.(d)系统未开机时，主控制系统状态机的状态为初始；当被外部电路触发或上位机自启后，系统进行开机自检，此后主控制系统状态机的状态更新为待机，并通过所述交互策略完成各半桥子单元状态机和全桥整流单元状态机的更新；当接收到软起动指令时，主控制系统状态机的状态变更为软起动，并根据系统预设的控制方法1和调制策略1，经所述交互方案切换各半桥子单元状态机和全桥整流单元状态机的状态；当软起动完成后，主控制系统进入正常运行状态，并根据控制方法2和调制策略2实时改变各半桥子单元状态机和全桥整流单元状态机的状态；当系统发生故障时，主控制系统状态机的状态转入故障并进行保护动作；
14.(e)初始情况下，半桥子单元状态机的状态为零态0；当执行开机自检后，半桥子单元状态机的状态转为零态1；此后，半桥子单元状态机接收第一主控制系统数据帧并提取其中的控制参数，切换半桥子单元状态机的状态，具体为：当主控制系统的状态机进入软起动时，半桥子单元状态机从第一主控制系统数据帧中提取投入/切除指令，当收到投入指令时半桥子单元状态机的状态由零态1变为充电；当收到切除指令时，半桥子单元状态机的状态由零态1转为零态2；后续运行过程中，半桥子单元对第一主控制数据帧译码，获取投入/切除指令和半桥子单元电流i
sub_i
采样值；依据投入/切除指令，实现充电与零态2之间的切换和放电与零态3之间的切换；依据半桥子单元电流i
sub_i
采样值，实现充电与放电之间的切换和零态2与零态3之间的切换；
15.(f)初始条件下，全桥整流状态机的状态为状态0；当全桥整流单元状态机接收到第二主控制系统数据帧时，进行译码操作并获得控制参数，切换全桥整流单元状态机的状态，具体为：当变压器二次侧电压us采样值大于零时，全桥整流单元状态机的状态变为状态1；当变压器二次侧电压us采样值小于零时，全桥整流单元状态机的状态转为状态4；后续运行过程中，全桥整流单元依据第二主控制系统数据帧中的换流动作指令，实现状态1与状态3之间的切换和状态2与状态4之间的切换；全桥整流单元根据变压器二次侧电流is采样值，
实现状态1与状态2之间的切换和状态3与状态4之间的切换。
16.本技术实施例基于can总线协议定义了用于直流变压器各状态机交互的功能节点和数据帧，给出了各功能节点收发邮箱的配置方法，并提出了上位机、主控制系统、半桥子单元和全桥整流单元四者的交互通信策略；提供了一种基于can总线的直流变压器状态机控制策略，实现了直流变压器各组成部分的协调与灵活控制，使其成为有机统一的整体。与常规方法相比，本提供的策略在兼顾多单元高速通信和多目标特征参数提取的同时，具有更简单的组网结构，成本更低，特别适用于子单元数量较少的场合。
附图说明
17.图1为现有的一种模块化多电平直流变压器电路结构示意图；
18.图2为本技术实施例公开的主控制系统状态机示意图；
19.图3(a)为本技术实施例公开的半桥子单元状态机示意图；
20.图3(b)为本技术实施例公开的半桥子单元状态机各状态对应的模态图；
21.图4(a)为本技术实施例公开的全桥整流单元状态机示意图；
22.图4(b)为本技术实施例公开的全桥整流单元状态机各状态对应的模态图；
23.图5为本技术实施例公开的上位机、主控制系统、半桥子单元和全桥整流单元的交互策略和各功能节点的邮箱配置方法；
24.图6为本技术实施例公开的上位机数据帧、第一主控制系统数据帧、第二主控制系统数据帧、半桥子单元数据帧和全桥整流单元数据帧及其编码方法。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.图1所述为现有的一种模块化多电平直流变压器，包括滤波电感l1、滤波电感l2、滤波电感l3、滤波电感l4、变压器漏感l
t
、变压器t、全桥整流单元和半桥子单元sm11到半桥子单元sm4n，总数为4n个；所述半桥子单元包括第一子单元开关管s
1_i
、第二子单元开关管s
2_i
和子单元电容ci，其中下标i为半桥子单元标号，下标i取值为1到4n；所述全桥整流单元包括第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4和输出电容c
dc
；
27.如图2～图4所示，本发明实施例公开了一种基于can总线的直流变压器状态机交互策略，直流变压器状态机包括三个部分：主控制系统状态机，如图2所示；半桥子单元状态机，如图3(a)所示；全桥整流状态机，如图4(a)所示。本发明中，图2所示主控制系统状态机包括初始、待机、软起动、运行和故障五个基本状态，并可以根据需要拓展额外状态丰富系统功能；图3(a)所示半桥子单元状态机包括零态0、零态1、零态2、零态3、充电和放电共六个状态，分别对应图1直流变压器中半桥子单元的各模态，如图3(b)所示；图4(a)所示全桥整流单元状态机包括状态0、状态1、状态2、状态3和状态4共五个状态，分别对应图1直流变压器中全桥整流单元的各模态，如图4(b)所示。
28.如图5所示，该交互策略包括上位机与主控制系统之间的通信、主控制系统与半桥
子单元之间的通信和主控制系统与全桥整流单元之间的通信，具体为：
29.(g)剖析直流变压器组成和交互方式，基于can通讯协议定义五类功能节点，包括上位机节点、第一主控制系统节点、第二主控制系统节点、半桥子单元节点和全桥整流单元节点；其中，上位机节点配置2个邮箱，地址id1邮箱用于发送，地址id2邮箱用于接收，从而实现上位机和主控制系统之间的通信；第一主控制系统节点配置4n+1个邮箱，地址id2邮箱用于发送，地址id4到id(4n+3)邮箱用于接收，进而实现主控制系统和各半桥子单元之间的链接；第二主控制系统节点配置2个邮箱，地址id3邮箱用于发送，地址id(4n+4)邮箱用于接收，负责处理主控制系统和全桥整流单元之间的通信；每个半桥子单元节点配置2个邮箱，地址idk(k取值范围为4到(4n+3))邮箱用于发送，地址id2邮箱用于接收，实现和主控制系统的双向通信；全桥整流单元节点配置2个邮箱，地址id(4n+4)邮箱用于发送，地址id3邮箱用于接收，从而建立和主控制系统的信息交互；
30.(h)进一步的，参照can总线协议规范定义如图6所示五种数据帧格式，分别为上位机数据帧、第一主控制系统数据帧、第二主控制系统数据帧、半桥子单元数据帧和全桥整流单元数据帧；本发明中，数据帧结构包括帧起始、仲裁段、控制段、数据段、crc段、ack段和帧结束，各种数据帧的编码主要针对仲裁段和数据段，具体如下：
31.仲裁段：仲裁段中高11位位邮箱地址，即步骤s100中各id，具体编码取决于将数据帧发送至哪个节点邮箱，则配置为该节点id；
32.数据段：数据段包含mdh和mdl，共8字节，编码方式取决于数据帧类型。本发明中，共有5种编码规律：
33.上位机数据帧——包含开机自检/软起动信号、半桥子单元电压u
c_i
保护阈值、变压器二次侧电流is保护阈值、变压器二次侧电压us保护阈值、输入电流i
dc1
保护阈值、输入电压u
dc1
保护阈值，输出电流i
dc2
保护阈值和输出电压u
dc2
保护阈值；
34.第一主控制系统数据帧——根据主控制系统状态机的当前状态实时编码。初始时，第一主控制系统数据帧的数据段mdh和mdl均缺省，表示当前系统未被触发；当处于待机时，第一主控制系统数据帧的数据段包含主控制系统和半桥子单元状态、半桥子单元电压u
c_i
保护阈值、半桥子单元电压u
c_i
预充值、半桥子单元电流i
sub_i
保护阈值、输入电流i
dc1
保护阈值、输入电压u
dc1
保护阈值、输出电流i
dc2
保护阈值和输出电压u
dc2
保护阈值；当进入软起动和运行时，第一主控制系统数据帧的数据段内容调整为主控制系统和半桥子单元状态、半桥子单元投入/切除动作、半桥子单元电流i
sub_i
采样值、输入电流i
dc2
采样值、输入电压u
dc2
采样值；但系统发生故障时，第一主控制系统数据的数据段包括主控制系统状态、半桥子单元状态和半桥子单元切除动作；
35.第二主控制系统数据帧——根据主控制系统状态机的当前状态实时编码。初始时，第二主控制系统数据帧的数据段mdh和mdl均缺省；当处于待机时，第二主控制系统数据帧的数据段包含主控制系统和全桥整流单元状态、变压器二次侧电压us保护阈值、变压器二次侧电流is保护阈值、输入电流i
dc1
保护阈值、输入电压u
dc1
保护阈值、输出电流i
dc2
保护阈值和输出电压u
dc2
保护阈值；当进入软起动和运行时，第一主控制系统数据帧的数据段内容调整为主控制系统和全桥整流单元状态、全桥整流单元换流动动作1/换流动作2、变压器二次侧电流is采样值，变压器二次侧电压us采样值，输出电流i
dc2
采样值、输出电压u
dc2
采样值；但系统发生故障时，第二主控制系统数据的数据段包括主控制系统状态、全桥整流单元
状态和全桥整流单元封波；
36.半桥子单元数据帧——包括主控制系统状态、半桥子单元状态和半桥子单元电容电压u
c_i
采样值；
37.全桥整流单元数据帧——包括主控制系统状态、全桥整流单元状态、输出电压u
dc2
采样值和输出电流i
dc2
采样值。
38.(i)完成功能节点配置和数据帧编码的基础上，基于can通讯协议的交互策略具体为：
39.上位机与主控制系统——上位机发送上位机数据帧至主控制系统状态机的节点邮箱，主控制系统状态机接收到上位机数据帧后进行译码，提取数据段给配置参数完成主控制系统参数的更新；
40.主控制系统与半桥子单元——主控制系统根据当前状态机的状态，对第一主控制系统数据帧的仲裁段和数据段进行编码，并将信息发送至目标半桥子单元状态机的节点邮箱；半桥子单元状态机接收到第一主控制系统数据帧后进行译码，提取数据段参数并调整半桥子单元状态机的状态，并发送半桥子单元数据帧反馈当前半桥子单元状态机的状态和半桥子单元电容电压u
c_i
采样值；
41.主控制系统与全桥整流单元——主控制系统根据当前状态机的状态，对第二主控制系统数据帧的仲裁段和数据段进行编码，并将信息返送至全桥整流单元状态机的节点邮箱；全桥整流单元状态机接收到第二主控制系统数据后进行译码，提取数据段信息并改变全桥整流单元状态机的状态，并发送全桥整流单元数据帧反馈当前全桥整流单元状态机的状态、输出电压u
dc2
采样值和输出电流i
dc2
采样值；
42.进一步的，为说明本发明交互策略的具体应用场景，本发明实施例公开了一种基于can总线的直流变压器状态机控制策略，如图2～4所示。详细内容如下：
43.(j)初始条件下，系统未运行时主控制系统状态机的状态为初始；当主控制系统检测到启动信号时，系统执行开机自检，检测各部分故障并判断是否符合运行条件，此后主控制系统状态机进入待机状态；本发明中，启动信号可通过外部电路或上位机产生；
44.当系统通过开机自检后，经过一段延时或由上位机产生软起动指令，主控制系统接收到软起动指令后切换状态机状态，并根据系统预设的控制方法1和调制策略1分别向半桥子单元状态机和全桥整流单元状态机发送第一主控制系统数据帧和第二主控制系统数据帧，实时改变半桥子单元状态机和全桥整流单元状态机的状态。本发明中，控制方法1可采用降频软起动、移相变占空比软起动等控制方法，调制策略1可采用双重移相、三重移相、最近电平调制和载波移相等调制策略；
45.当系统软起动完成后，主控制系统进入正常运行状态，此时主控制系统根据控制方法2和调制策略2调整第一主控制系统数据帧和第二主控制系统数据帧，动态更新半桥子单元状态机和全桥整流单元状态机；本发明中，控制方法1由控制对象和应用场合决定，可以输出侧电压/电流闭环控制或是输入侧电压/电流闭环控制等，调制策略2可采用双重移相、三重移相、最近电平调制和载波移相等调制策略；
46.当系统发生故障后，主控制系统状态机转入故障并进行保护动作，向半桥子单元发送切除指令和向全桥整流单元发送封波指令。
47.(k)初始条件下，半桥子单元状态机的状态为零态0，电路中各储能元件均未初始
化；当运行开机自检后半桥子单元状态机的状态转为零态1，直流输入电压u
dc1
对各半桥子单元充电，此时半桥子单元电压u
c_i
＝u
dc1
/2n；此后半桥子单元接收第一主控制系统数据帧并提取半桥子单元投入/切除指令和半桥子单元电流i
sub_i
采样值，切换半桥子单元状态机的状态，具体为：在零态1时，当接收到投入指令时，半桥子单元状态机的状态变为充电；反之，当接收到切除指令时，半桥子单元状态机的状态转为零态2。后续运行过程中，半桥子单元的状态切换同时基于此时半桥子单元电流i
sub_i
采样值。当收到切除指令时，充电向零态2转变，放电向零态3转变；反之，当收到投入指令时，状态反向变化；当半桥子单元电流i
sub_i
采样值大于零时，放电向充电转变，零态3向零态2转变；反之，当半桥子单元电流i
sub_i
采样值小于零时，状态反向变化。
48.(l)初始情况下，全桥整流状态机的状态为状态0；当接收到主控制系统发送的第二主控制系统数据帧时，全桥整流单元提取换流动作指令、变压器二次侧电压us采样值和变压器二次侧电流is采样值，切换全桥整流单元状态机的状态，具体为：当变压器二次侧电压us采样值大于零时，全桥整流单元状态机的状态变为状态1；反正，当二次侧电压us采样值小于零时，全桥整流单元状态机的状态转为状态4；后续运行过程中，全桥整流单元依据换流动作指令和变压器二次侧电流is采样值切换状态机的状态。当收到换流动作1指令时，状态3向状态1转变，状态4向状态2转变；反之，当收到换流动作2指令时，状态反向变化；当变压器二次侧电流is采样值大于零时，状态2向状态1转变，状态4向状态3转变；反之，当变压器二次侧电流is采样值小于零时，状态反向变化。
49.综上阐述可知，本发明提出的基于can总线的直流变压器状态机交互及其控制策略，能够在实现多单元高速通信和多目标特征参数提取的同时，比传统以太网通讯具有更简单的组网结构，成本更低廉，故在低成本和子单元较少的应用场合更具优势。
50.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在实际的关系或者顺序。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，而非对其限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。