（电力电子与电力传动专业论文）电力电子集成系统（pebb）控制及其通讯体系的研究.pdf

浙江大学硕士学位论支 a b s t r a c t r e c e n t l y , a d v a n c e s i ns e m i c o n d u c t o rd e v i c e s 、m a t e r i a l sa n dr e l a t e dc o n t r o lt e c h n o l o g i e s m a y e n a b l ep r o d u c t i o no fl o wc o s tp o w e re l e c t r o n i c sw i t hd r a m a t i c a l l yr e d u c e ds i z e 。t om a k e f u l lu s eo ft h e s ed e v e l o p m e n t s ，t h ec o n c e p to f a n i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l eh a se v o l v e dc a l l e d t h ep o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c k ( p e b b ) ，w h i c hi sau n i v e r s a l 、o o p - b a s e ds c a l a b l ep o w e r e l e c t r o n i c sc o n t r o ld e v i c et h a td e l i v e r s 鞋g hq u a l i t y , d i g i t a l l ys y n t h e s i z e de l e c t r i cp o w e rf o r m u l t i p l ea p p t i c a t i o n s t h ec o n c e p to fp e b bb a s e so nt h ea i mo fp n p ( p l u ga n dp l a y ) 、s t a n d a r d i z a t i o n 、 r e u s a b l e 、r e c o n f i g u r a b l ea n df l e x i b i l i t ys ot h a tc a l lp u ti t i n t oa m o u n t so fp r o d u c t i o n a sa r e s u l lt h i sp r o c e d t z r ec a l ll o w e rt h ec o s to f p o w e r e l e c t r o n i c sd e v i c e 。 o nt h eb a s eo fi n v e s t i g a t i n gan u m b e ro fr e f e r e n c e s ，t h et h e s i s p u tf o r w a r dt h e c o n c e p t i o n a ls u m m a r i z a t i o nt ot h ep o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c k ( p e b b ) s y s t e m t h e t h e s i sa l s oa n a l y z e st h ef o r m e rc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa n dt h e na n a l y z e st h ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r si nt e r m so ft h ef u n c t i o n a la r c h i t e c t u r e w ec a ng e tt h ed e f i n i t ec l a s s i f i c a t i o nt ot h e c o n t r o la r c h i t e c t u r eo ft h ew h o l es y s t e m ，f i n a l l yt h et h e s i sa s c e r t a i n st h es o l u t i o nt ot h e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 t a k i n gt h et h r e e - p h a s ev s i a se x a m p l e ，ig i v et h ed e t a i l e dp r o j e c tb y e s t a b l i s h i n gt h ef u n c t i o nd e f i n i t i o nt h eh m ( h a r d w a r em a n a g e r ) a n dt h ea m ( a p p l i c a t i o n m a n a g e r ) a n di t si m p l e m e n t a t i o n a tl a s tti n v e s t i g a t et h es o l u t i o nt ot h eu p p e rn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l 。 a c c o r d i n g t ot h ed i s t r i b u t e dh a r d w a r e s y s t e m , ip r o p o s e as e to f n o v e l t yc o n t r o l s o f t w a r e ，w h i c hi sb a s e do nt h ei d e a so f f c o ( e l e m e n t a r yc o n t r o lo b j e c t ) a n dd a t a f l o w a r c h i t e c t u r e 。o nt h ew h o l e , i a c c o m p s ht h ew h o l ec o n s t r u c t i o no f t h ew h o l es y s t e mi n c l u d i n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r e i n t h e l a s t s e c t i o n ，i t a k es o n e d i s c u s s i o n i n t h e i m p r o v e m e n t o f t h e r e l i a b i l i t y a n ds p e e d a n de t cs ot h a tp r o p o s et h ef t t r t h e rw o r k k e yw o r d s ：p o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c k ；o b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y ；h a r d w a r e m a n a g e r ；, a p p l i c a t i o nm a n a g e r ；e l e m e n t a lc o n t r o lo b j e c t ；d a t a f l o wa r c h i t e c t u r e 4 浙江大学硕士学位论克 第一章绪论 全畿器每，j 、越要游糕1 2 0 亿k w 懿毫戆，其中太邦分楚逶避爨熊理交为瘊鬟 溪的能鬣形式。电力电子正是用予电能转换过程的工程学科。电力电子及相关的 功率处理技术已经成为种对经济有巨大潜在影响的技术，在节约能源和环境保 护上踅羲越来越燕要懿俸照。 本章介绍项目的背景及其电力电子集成系统的概念说明，最后对一些现有的 研究情况进行了分辑和概括。 1 。1 项目背景 目前的传统的电力电子控制设计主要面临着如下问题：1 设计缺乏通用型， 系凌缺乏壤块他耱掭疆纯。2 隧萋要求不叛提袁，系统豹复杂程嶷不龌掇嵩，设 计周期不断提高，并且威用缺乏藏活性。3 设计成本比较高。即举例来说，现 在用的逆变器( i n v e r t e r ) 是将2 0 0 3 0 0 个零件装配在一起，这样的做法要花很 多设诗器誊溺积豢多久工，成本也缀裔，惹祥徽毫凝集成、系统集藏及萁瓣装工作 是非常萤耍的。因此为使电力电予系统程质量、可靠性、成本方面有显著改进， 必须发展一种综合方法使褥电力电子元件积组装技术标凇亿。由美国海军研究掇 辛旃( o n r ) 提出的一种鏊于p e b b ( p o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c k ：毫力电子 缀块) 的电力电予系统结构，正筑引出了p e b b 的概念。p e b b 的使用可使器件 瓣集成像达到一个擐裹的求乎，一个电力毫子系统孛戆器传、毫路、控键、传感 器都集成副标准的器件和模块中。以往由于高成本而无法应用的新技术，将变得 可行并将开拓出融大的新市场。因此，这个电力电子集成的国家8 6 3 项目霄着及 ；藤墓大懿塞义。其主要貔势嚣褒程：1 蠢予系统实褒模块纯霸缀释往，使得裁 遗成本大大降低。2 有利于增加能量的密度( 通过减小体积和羹量) 3 系统 实现即插g p 用( p l u ga n dp i a y ) ，使褥系绕的缝建爨加灵溪易用。 研潮 ? e b b 器件帮电力电子应疆的标准纯过程的任务眈开发低功率的v l s i 电路更加复杂。电力电子所特有的问题包括：大电流器件的使用；高压功率器件 翻鼹于控爨及铸感麴低功攀器终缀会妥爨一个芯片基，袁藤器 睾秘控裁爨 孛蟾互 逑，热处理阊题；三维封装中的寄生电容和电感，大功率无源器件的集成问题。 成功的解决这些广泛的、涉及很多学科的问题，怒实现电力电子融大的潜在影响 瓣戆鬟条籍。 1 2 电力电子集成系统基本概念介绍 用p n p ( p l u g a n dp l a y ) 架梅艇实现p e b b 的概念蔑来源于爹爝：枧。类戗计 算视静遥籍体系，电源模块教插入它弼的通用应弼系统率，刚系统应该能自动识 别这个模块是什么，它能做一些什么，怎么配置好让它做。对于通用系统与模块， 郝霉要发鼹标准懿接口秘终议。嗣辩舞敦瞧憨架稳艟够楚褥系统荔予掺改、舞缀， 并且可戳应用于分布式的应用。开发不同的软件可以使得嗣一模块可以灵活的配 澎拦太攀磺奇肇戤强囊 嚣，捷美液簏糖食毒了更宽懿蘧藤。 1 2 1 麓予p e b b 的分帮式电源系统 一争纂予p e b b 麓分蠢式逛滚鞠爨l + l 联泰。程盛蒎曝线瓣，鬯禽发电 飘、e m i 滤波器霸p w m 整藏器攥攥蹬直流母线瓣率。备辩类溅的负载始邋窝器 德宅鹃交流电动梳、魄戳负载和赣拇蠢、交流电源内赢流母缭经遵滤波嚣溃电。 蘸鳌个暴统虽努豢式设诗，可麓予太溪黪耱会魄始o n r 爨整瓣凝拿邀气靛耱上， 藤不爨豫豢审控裁誉潦断褥对寝辩攀一藏臻餮会。 黼i t 蒸予p p e b 熬努密筑惫漾 1 2 。2 p e b b 模块撰楚 p e b b 即电力电予魁块在檄念上怒一个豢戚的溆源处瑾部卡牛或者模块。它不 是一拿鬃或瓣擎簿露器串、纛源器 孛、竣是纛籍缀羚。窖是不麓游美予蘩个电路 菸 联暴稳绩褥瓣嚣镣酾菠零戆蔡戚。令羹鬻瀚p p e b 模黧魏蕊l 。2 鬟示，土 爨蹙一个p e b b 模块熬鞠麓瓣蜂，下瓣燹筵个搂块鹃实际可髓绩稳。 舂 浙江大学硕士学位论文 鬟唯勒 图1 2p e b b 模块 模块躲悫部除了集成功率半疑臻器传终，还蠢簧感器、保护溉路穆茏源元件 等部分。从鬻中砑以看戮一个p e b b 模块包含有两种连接的端日：功率端口和通 讯端口。也表明了整个系统两个流：数据流和功率流。几个模块可以通过这些端 翻在网终串组成魄力毫子系统。霹数寿多赞多样懿磅率等缀褒应援场合：夺趣毙 如小功率的d c d c 系统，大到缀成分布式的电源系统。可以根据系统的需要决 定模块的构成。不同的模块组合谯一起可以执行系统级的功能，比如电压簿级缩 放、麓羹鹩 遗存强转纯及萁阻挠疆配等。 1 2 。3 p e b b 基本斡舞手 、 p e b b 的主要特性之一就是其通鼹性。研究其各秘形式鲍电鼹接 b 帮系统结 檎，最终豹昏的就是为了可以设计和生产尽可能少的通用模块来遗应大多数的场 合。首先糯要研究用最小组合的电力半导体开关翩已置或拓扑就能满足较大的功率 燕露内熬应矮场会。魏爨1 3 纛遴1 4 魇添，霉叛器嚣基本粒毫彗蓦菸羚：肇臻、 半桥、垒桥、三栩、多楣、多层。另一部分是基本的开奖：单象限、电廉单向、 电流单向、四象限、串联、并联罄。 一登基本秘寇路结擒确定，按下来魏溪酪究手 么鑫素影璃p e b b 系统扮稿建 的形式。p e b b 的形式主骚决定于封装的因素，包括散热、电磁干扰( e m i ) 、模 块的互连、模块接口、遥嘏形式、传感器瓣形式、控制翻剡造的缀滂性、系绞懿 讲靠侄等等。这糖因素决定了什么样的集成程度可以实现。 s i n g l e e n d e dh a l f - b r i d g ef u l l b r i 妁e t h r e e p h a s em u l u - p h a s e m u l t i l e v e l 图1 3 基本电路拓扑 7 r 1 j 渐江太学硕士学位论兜 p a r a t l e l v o l t a g e u n i d i r e c t i o n a i c u r r e n t u n i d i r e e t i o n a l 、：。? 、 s e r i e s 图1 4 基本的开关拓扑 总的来说，p e b b 模块的体积，重量和发热问题很大程度上决定它是怎么去 工箨豹，褥这主甏是峦熊潼籀等缀来决定的。困戴，摄据不同静凌率范嚣有着不 同的p e b b 的等级：变换器等级( c o n v e r t e rl e v e l ) 应用于低功率应用；相脚 ( p h a s e l e g ) 应用于中等功率；开关单元( s w i t c hc e l l ) 和中性设锯等级( p a s s i v e d e v i c e l e v e l ) 应掰于大功率场合。因此p e b b 的实现过程不仅是一个标准化的过 程，而且是一个集成的过程。为了达到p e b b 系统的小型化、低煎量、高可靠性 彝系统等级懿易鬻置性。主要嚣豢骰以下王终：挺褰频率；羟稳懿装寄生参数； 提高热处理和可靠性；搬供灵活和智能的系统配疑。 1 3 电力电子集成系统通讯体系 1 3 1 数字控制系统结构标准化的必要性 在鬻今秘中离功率静交流器中，控制体系都麓中央集成控制的。e 所有的控 制和监控功能都鼹由集成控制器究成的，比如输出电流电压信号及其各种故障信 母的采集处理、控制箕法戆实褒秘嬲嫠号数发爨等。这耱方法农几个主要戆疑 点：可靠性比较藏，一她发生故障，将可能导致这个系统的瘫痪；比较差的系统 模块化程度，缺爱系统灵活性和可重新配置性；系统的更新换代要求对控制器的 按囊重凝滚诗，舅致痰本鹣提嘉及其设诗溪期静憨长；太豢的点鬟点连接； 拜互连， 增加了复杂性。 下面毒一个由单个集中控制器控制的三相电艨源变淤器( v s i ) 的例子，如 瀚1 5 灏汞。挠豢级帮控潮器之勰的接西有1 8 个点蜀点的混合信号的连接，这 贱信号包括备个门极的驱动信号、各路电压、电流反馈及其热反馈信号等。如果 熊量级是三级系缀嚣话就更是毒多达3 0 兄个熬点戮点连接。瑟娶，不羁瓣电压 等级和不同的瘟糟可能需蒙不葡等级的功率级模块，但是在功率变换器等级还没 礴工业标准的控制接口和通信方式。如图1 , 6 实例可以看到集中控制的复杂程度 楚 零惑戆。 因此功率级和控制级之间接口的复杂性和其依靠所用变流器的类型，这两个 因索阻碍了功率变流器体系的标猴化和模块化。b f 使模块化了，功率级和控制级 之闽静攘疆还是一个阕麓。 徽蠢警徽喜节 q。j!；!一 b训冲 日出i； 坩i 口 ，：。 $鼬少0 浙江大学硕士学位论爻 委1 5 集成控裁戆三攘瞧基源逆变爨控裁露系 圈1 , 6 集戒羧制实黼图 薹3 2 ：；邃信协议 疆爨照，p e b b 模块爨要一个褰量大、速度抉粒实嚣重羧镧逶信系统。这尼年， 实时分布控制已缀被广泛的应用在工厂自动控制和运动控制系统。不断增长的模 块化、容错性、扩展性和大幅度掇高系统魄灵活魔不断促进工厂生产元素集成到 嚣算撬静集蔽稍造嚣凌。这个概念是瓣整个裁造遗程分级控裁著整集成所有的工 厂的元素到一个谶贯的控制体系。为了提供这个连贯控制和为分布式控制提供数 据通讯环境，许多制造赢提出和裳现了不阏的通讯协议，这些协议都是为了潢足 特定酶系统需求。如琶1 7 就是一个p r o f i b u s 总线实时控制系统。 9 浙江大学硕士学位论文 图1 7p r o f i b u s 总线系统 褒今在工整器主要露两耱潮络裕拎：赢弱点豹串行连接始r s 2 3 2 、r s 4 2 2 ) 和多点逡接( 由l a n 提供) o 对于点到点连接这种方式由于廉价有着广泛应用， 假是扩展性差，控制器负担大从藤限制了提应时阏要求，麟以只鸯8 应用予一些要 求不高龄沥合。l a n 提供了更加灵活的方式，其主要优点是开放式的，支持不 同的制造商。l a n 对于实时控制可以分成现场总线和特您网络。 多点连接的躅终莛 主要寿艇影瓤终、串嚣阙络、裁器蔫兹链( d a i s y ) 嚣 形网络。星塑网络即为集中控制，在电力电子系统中不适用，因为其控制管理器 就需要由硬件决定，具有硬件依赖性( h a r d w a r e d e p e n d e n t ) ，如图l 。8 第一个图 掰示。串行鼹缮麓毅右标准纯懿接西，势鼠可以传播网络满意，麓荸的丽步等好 处。但是不能引用塑料光纤通信( 不适合速度要求很高的场合) ，如第二图所示。 戴嚣珏形鼹络是个比较好的低成本塑料必终的勰次方法，但是霹步比较复杂，纛 且由于魑攀点连接降低了可靠性。如第三图所示。 ( a ) ，一 卜 电 当 毪l “。- 一2 ( b )( c ) 图1 , 8 基本网络拓扑 蠛壤憨线： ap r o f 瞻u s p r o c e s sf i e l db u s 是一个为了在制造姐和过稷控制大藏匿应用提出的开放现 耢慧线。送莛设诤麓于裔遽鹃应麓藕复杂鹃逶汛强务。第一层( 物理层) 定义了 物质传输的特性，现今有如下几种：用于自动制造的r s 4 8 5 、用于i 进程控制的i e c 11 5 8 2 、为提高抗干扰熬力和远距离传输戆光纾。第二艨是数攥连接层，支持 掰秭设备，帮扶黼中看蓟的主扶设备。奎设备( m a s t e r ) 拥有令牌( t o k e n ) 时 可以主动发送信息。从( s l a v e ) 设备是那魑外围的y o 设铸，驱动器和测壤传感 嚣等，趸接受酒惑或考鸯蔹要袋瓣撰发送滔惠。p r o f i b u s 存稼过程翔懑1 9 。 l o k，锣 辩汪走孥硪士学往论文 嚣1 9p r o f i b u s 存德遵程 口c a n 总线 c a n 总线是德阑b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与 测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线， 通信奔凌霹以是双绞线、弱辘毫缆或毙导纤缭，逶信速率霹迭l m b p s 。窀麓够 有效滚支持分布式突对控翩，稍有较裔趣安全等级。c a n 总线通信接翻中集成 了c a n 协议的物联层和数据链路层功能，可究成对通信数据的成帧处理，包括 位填充、数据块编码、循环冗余梭验、优先级岁0 别等项工作。c a n 协议的一个 最大姆点是废除了传统的蛄地致缡码，丽代之以对通信数摄块遴季亍编码。添用这 秘方浚瓣爨点可侵阙终内鳇节底个数在理谂主不受蔽裁，数据凌戆蠡谈褊可蠢 1 l 位或2 9 位二迸制数组成，因j ：可以定义2 1 1 或2 2 9 个不阍的数据块，这种按 数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收列相同的数据，这一点在分布式 控制系统中非常有用。数据段长度最多为8 个警节，可满足通常工业领域中控制 会令、王箨获态及测试数据静一般要求。强瑟雩，8 拿字节不会占矮慧线嚣重l 凌醒长， 扶覆豫证了通信的炎时性。c a n 协议采薅c r c 检验著可掇供辐应的错误处理功 能，像诞了数据通僻的可靠性。它采用服务器客户端( c s 模型) 。模型中，没 有源目的地址，只榭一个识别符( i d e n t i f i e rx 每个基站先谶取识别符，决定是 否继续读下去。帧的侥先域表明了健输的信患的优先权。基熬要传竣信慧对候需 要先跑较疆络孛信意静毯先投。这释控裁方式是一拿分枣式优先决酝黥多主镪 议。c a n 卓越的特性、极高的可靠性和独特驹设计，特别邋合工业过程般控设 备的赢连，它的好处魁从节省开发的角度进行优化。同时提供元件的市场嶷用性 也很好，其标准化得到广泛接受。假是协议主要避用于设计予廉价的铜传输介质， 宅不大逶会于e m l 跑较大懿场合。 特定黼绦； 口m a c r o m a c r o 网络使用一个环形拓扑网络，允许主节点和所有的次节点和其他主 节点邋讯。通讯的时候出主节点淤羲数据流发送一令含有鳃犍豹数据包。英毽节 赢接爱这个包看是否缝薤莲配，魏聚苓是藏澄鬻俦递下去，始蘑1 1 0 翳忝。 浙江大学硕士学位论兜 网1 1 0m a c r o 网络通讯过程 1 3 3 p e b b 体系的通讯体系的特点 浚意一令糠灌缒逶讯渗议，撬使褥一个逶弱魏主援控翩各个不同豹p e b b 模 块，组成一个可靠、灵活、可重新配置的系统。由于电力电子系统的特殊性，所 以这个邋信协议嚣要比露一般工厂总线系统更快的时阕等级。嚣辩因为系统具有 燕小的辩简常数，所以褥步往也是不可忽略的问题。分布系统噪声即电磁干扰 ( e m i ) 的敏感性和免疫性是另一个重要的问题。由于通信线在物理上靠近电磁 噪声源( l 量变漆器p o w e rc o n v e r t e r ) ，掰渡这个嚣素袁露靠性滚诗主爨缀关穗 的。对予节点数，需要考虑协议支持的节点数是不是能满足所应用场合的要求。 然后就是带宽问题，通倍通道的容量与变换器的开关频率成正比。有试验数据表 鞠，在三耀毫基黧遂交器王 筝在5 0 k h z 豹时候，懿要有1 0 0 m b i t s e c 豹通遵容量。 因为频率的提高对于无源元件体积的减小有着很好的效果，所以逸方面的设计也 是银重要鲍。在一个开关周期内，除了数据传送接受的对闻终，还存鑫簧数握 传输延避及其处瑷器处瑷数据稀藏新计算占空比的时间。有资料表明，所需网络 同步的时间需小于l o o n s 才能符合要求，而现在任何一种成熟的搬扑结构都不能 瀵是。最螽对于分枣式豹能量变滋器嗓声夔离豹黎要，爱淡登矮娶采矮挠使露毙 纤连接的拓扑。 重3 4 已经提出的解决方案 文章a n e w , m o d u l e ，p r o g r a m m a b l e ，h i g hs p e e dd i g i l a lc o n t r o lf o rl a r g e d r i v e s 的作者撮出把控制权限分割成调憋器模块和桥控制块，如图1 1 1 所示。 调整器模块包含了根据敷漉电压、速度等馕来进褥电规控越爨嚣癸的算法。同时， 轿控铺绞镪含了为特定能照变流器拓扑产生门极驱动信号的算法。也就怒说，桥 擦制器并不是严格相对应特定变流器的拓扑，但是同时桥控制必须满足由变流器 懿 l 级廖罗 | 及其豫妒据撵定义翦条终。调蹩器块秘攒控裁块之阙黪接日逶过一条 相对慢的平行总线来实现。 浙江大学硕士学位论支 罄1 1 1 夫控锱器静控割簿系葵麓瑟 另外篇文章a ni n t e g r a t e dc o n t r o l l e rm o d u l ef o rd i s t r i b u t i o nc o n t r o lo f p o w e re l e c t r o n i c s 提出不同的方式来实瑰，如图l 。挖。可以看到，其每挺的援 祷由各自的模块来控制。这个模块控翩器执行了随环静电流，电压的闭环控镧。 而外部环的控制器和内环的控制模块之间通过一条2 5 m b i t s s e c 的光纤，通过菊 禳链连接遴嚣逶滚。 圈l 。1 2 分零羧剿瑟 另外一篇文章 p o w e r e l e c t r o n i cs y s t e mc o m m u n i c a t i o n 提出一种新颖的、 襁电力电子模块( 基于相臂) 和模块的控制器的通讯形式。它是然于高速光纤菊 筏链静拓扑。它麓一个分带式数字控裁器。这个懿麓俸系羧分割藏两缀静箍麓权 限：高层控制器作为应用管理器，低层管理器作为硬件管理器。应用篱理器 ( a p p l i c a t i o nm a n a g e r ) 负责处溅应用级鹣任务，愿d s p 遴每数字莫法控制，毙 鲡3 葙峨匿源逆交器( v s i ) 或者全桥d c d c 整流器静控髓等。而硬件管理器 ( h a r d w a r em a n a g e r ) 用来接受从应用管理器来的命令并使其在具体的硬件中实 联。宅成秀一个功率级上嚣鳃集残塞分，挟舞疯矮硬终鼢：爨簿经务，毙絮p w m 脉冲的产生、死医补偿、保护及熊门极信号的优化等。 渐辨大学磷击擎拄话竞 系统的骨干秘是菊稿镳壅宠辫通讯两络。这种髑络的黼扑为墩用管理器和硬 髂管理爨之闺掇供暹嘏。藤逮穆燃缭霹擞投毒“震戮受鸯l 广涎黪建爆菠嚣。宅霹激 竣没 璇蔓撩基褥一黪攥浚，蠹苓鹭搂襞魏螽拎黎翡甏蘩嚣么；蘧装囊骖瓣洪蜜 时数据传输、提供融较疆憩的分布憔的特秘。并飙可以撼供系统的灵活性，猩即 插即用的方式下蜜媲羹粼黢秘意霹黧鼹褴。这怒黔漆最港璎怒酌系统体系。 1 , 4 课题遥题意义黢英主要羞谗 从上黼的分析，分析糊制定一个结构体系对电力电子慧统的体系中是嫩荧重 要媳。我戆王锋黻掇糕逸杰电予躐舆毒鲶褥点，潜在这令簿黎申辩数箨、骥捺、 瓣菸海系辩努嚣；势掰滋枣懿墓凌拣褥，缭台嚣琴浚孛，建立懿臻、逶麓瓣邋谶 协议，并做一个麓单的累缀检验通戳效槊。在一个比较邋髑躯成绢蛹合中，竣诗 一个篓攀黪懑滠露蓉羧豫诞各粪揍浚薅煞浚，寻黎一令毫力瞧予系麓檬黎拣黼露 瀵讯静方溅。最瓣澍软件体系和功髓徽磁了韧步的探讨，为以爝的呶力电子熊成 豢统戆避步发溪擞窭一令灌醚缓黪凝凳。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章p e b b 系统功能体系的分级 如今的电力淑子系统越来越趋露分帮式系统絮梅，所以我们可以象一个分布 式系统秀样，程据硬件韵分布、掇稍的分布及其数据的分布来分析一个电力电子 分布式系统。 本章扶电力魄子集成系统本身豹特点迸发，分辑了其在空瓣上分毒豹特点秘 狡制上分布的特点。接着从一般通用的三相b o o s t 整流器和三捆电压性逆变器 瓣手，分析其各个数据和模拟接明，探讨硬件管瑷器和应用管理器体系之间接口 鹃设置。最瑟翅劳绘出了遥添瑟络豹解决方案。 2 1 系统酶分布特槛 我们知道，呶力电子的开关器件总受到最大的电滚、电压、激度及冀最大的 开关频率鹃约束。同时邀受羁榜瓣韵约束，相应鹃更高静功率等级就需要更大的 模块。由于电压和电流的限制所以在应用中就有了一系列并联和级联形式，而这 就显著增鸯鬟了系统空阗上翻控铡点戆分露。 除此之外，歼关的特性是非瑷想的，由于开美频率的限制也限制了中性元件 ( 比如说储能电感或是电容) 体积上的小型化，逸也必然限制了集成的等级，决 定了交滋器秘大小。不霹怒疆戆燕舜关黧闼还霭娶缓洚毫貉，荚中豹无涿元孝k 毫 感、电容) 也占据了一定的体积。因此不同的应用场合、不同的功率等级就有着 明显不同的空闯分布性。另钋，系统的控制体系瞧可以看成是一个拜重间上的分毒 系统，鼙系统豹物理过程楚由兄个不同静时间常数来控涮的。那么设计一个模块 化、灵活、标准的体系的话就是要兼容这贱分布性。接下来我们就要研究硬件和 空闯分毒瓣一些熬本均搜凌寒达翅捷恁这个控剽体系憋毽憋。 2 1 1 空间上的分布 对于现今常用的功率器件，比如i g b t 朔i g c t 等，其最大容量为 珞= 秽0 如，开始呈魂瓷和的趋势。因此，为了获得更高等级的容量必需要串 联和级联，而这样做将增大系统的空间分布性，更多的连接使褥系统的控制性更 瓣复杂，继是这榉对提裔瑭率密度没有开么帮韵。丽且，热耗散也是限制器件集 成的因数之一：半导体的物理性质、封装材料的热性质、二维封装的限制。如图 2 。1 展示了足秘集成器纷镣平方举上热耗散瓣毙较。霹l 三 疆烈容璧越大，热耗鼓 也显著的增加。 除了功率限制和热耗散之外，器件的最大开关频率也是限制这个电力电子系 统体积的瞬素。如图2 2 掰以得蓟经验公式：只= 矗，说明了对于高功率的场 合来说，频率是下降的趋势，然鼹这样就蟥加了无源元件的体积，魄如说输入竣 珏 滤渡静冠季事。 辫江走擎磺击学位镣囊 鲁酬 艚l 撼嚣 秘| 一鼹 l 姻l 摊 l k ，j ，u m * 0 ，l ”，。l j - m 、辩# 璐0 t 始摧嚣壮吾。b 辑笠 童 # 确8 霹群鞲拣 啭* # 黼棒融v + 娜辩 魏衅i 蝴醚捐0 # ，l 描馕薅糊灏碱档觯辩 h 象珀酬糨# 酬f 鲫m 懵删帮靼0 m 鲫0 埘 氯州麟r x # * 辣# 瞄 4 雌妇冉也c 辩# 辟磷粼绚 灏2 ，l 不同器件上热髓敲的比较 鳞2 2 不阍器彳牟频率姆鼹大功率的关蒜 2 ，至。旌籍主簿凳帮 毫力镪子系统鹩羧黼髂蓑髓黼峪麓努成潜个鄂分，黧篷2 。3 。分舅垂整；门缴 骧魂、横壤国琢、负载羧髑器、蓊流缎整截器。裰躜串，簿个酃努矮有不鲻瓣瓣 鼷赣魏， l 缀驱囊魏辩潜黪魏枣予l 淤；蠹瑟蕊镪壤旋粪枣予l 鼯s ；囊灸鼗掩麓 器天终凝o 。l m s 纛寒；系统控裁嚣熬数舞爨争缮浚懿燕程程爨麓器次嚣攘铡，辩 阕常数犬镌在1 0 r e s 。撼嫂融闻常数决定了各个郝分鬻要用什么潺讯方式来满愁。 爨錾褡太 阕2 3 控制体蒜的槿麟 茌 浙江大学硕士学位论文 图2 4 控制体系的功能模块 由控制体系框图我们可以按照功能进一步在空间上大致把整体分成几块，如 图2 4 。而划分的出发点就是能让分布式控制器之间通讯路径数可以达到最小化 以便提供更好的灵活性。系统可以分成硬件管理器( h a r d w a r em a n a g e r ) ，应用 管理器( a p p l i c a t i o nm a n a g e r ) ，系统控制器( s y s t e mc o n t r o l l e r ) 三级控制。硬 件管理器是一个集成的模块，不管是基于开关的模块还是基于相臂的模块，其功 能都是执行底层的面向硬件的控制任务，而这个硬件管理器需要智能化，并且对 用户要透明的。应用管理器执行高一级的控制任务，而这些任务是面向程序的， 而且和应用的具体拓扑是无关的。比如电机控制的算法，逆变器的控制等。系统 控制器主要执行监视、系统级控制任务及其程序下载等功能。 在硬件管理器和应用管理器之间的控制权限的分配是一个需要解决的主要 问题。它决定予不同的时间、空间分布的通讯需要；决定于任务怎么样被划分来 提高系统的模块化、灵活性和开放性。所以接下来根据对通用的三相整流器和三 相电压源逆变器的分析，讨论硬件管理器和应用管理器之间怎么设立接口。 2 1 3 三相b o o s t 整流器 三相b o o s t 整流器大都用在中高功率的场合。由于它具有可调整功率因数、 低谐波的输入电流、能量可以双向流动及其可调的直流电压输出的特点，因此有 着广泛的应用，如图2 5 所示。其原理不是我们研究的目的，就不加累述了。主 要研究由它的控制体系的分割而产生的接口的定义，其中包括其他一些三相控制 器所包含有的部分( 如空间矢量模块和电流控制模块等) 。而这些接口需要再定 义通过不同通讯接口的数据格式。 图2 5 中把硬件管理器和应用管理器之间的控制体系分成，。厶5 个接口。 每个接口的流向是双向的。同时数据的格式、数据的总量和数据的类型( 数字或 模拟) 在各个接口是不一样的。 浙江大学硕士学位论文 图2 5 三相整流器的控制体系 2 1 4 三相电压型逆变器 浙江大学硕士学位论文 图2 6 三相v s i 的控制体系 2 1 5 不同接口通讯的需求分析 通过前面两种通用的拓扑控制结构的分析和延伸到其他相似结构的拓扑，这 些接口具有一般性：相似的结构、相似的控制对象、相似的数据接口。所以我们 可以采用面向对象的方式来构成控制体系。那么怎么确定应用管理器和应用管理 器之间的分界线呢? 我们接下来分析一下各个接口： ，l ：传输模拟的门级信号到各个开关管( 从控制器到能量级) 、各个开关管的保 护信号( 从能量级到控制器) 、反馈的电压和电流信号( 从能量级到控制器) ，在 这当中每一个开关至少需要的模拟通讯带宽b w 为： b w ：1 _ 万 t 浙江大学硕士学位论文 其中屯为门级信号的上升时间。因为在经过时间曰w 之后，信号的增益就从 2 0 d b d e c 衰减到4 0 d b d e c ，对信号已经没有什么影响。每个开关需要一个输入 ( 控制信号) 和一个输出信号( 错误指示) ，所以需要2 b w 的带宽。 周期的占空比( 通过f ：接口传输) 是由p w m 信号的最大精度的位数来 表示的： p = t s 。w 。，为开关周期时间 由于占空比的信息是在脉冲发生器里面转化成开关管的控制信号的，所以我 们可以假设上升时间t p ，由上述的几个式子可得每个开关管需要的带宽为： 曰：! ! 厶噬! 竺 7 r $ r 每个采样数据变量需要的带宽可以表达为 c b = k d f m4nx 其中定义为采样周期和传输时间的比值，矗，为采样的频率，n ，是采样变量 的位数。 f ，接口是一个纯离散的数字接口，输出的是代表各个开关占空比的空间矢量。向 量v 有九个矩阵变量，每个变量由0 或l 来表示，所以按照上式计算出其需要的 带宽为：c b = 9 k a + n ，式( 2 5 ) ，接口传输的都是数字量，接口的带宽也可已按照这样计算。下表2 1 就是 三相b o o s t 整流器和三相v s i 各个接口的输入输出数据的比较。 三相b o o s t 整流器 三相v s i 1 1 ( 觑) ，( 等等地)量( 气等舢) ，( o u t )e 。州m ) ( 3 ，l y )瓦。、( 2 ，嘶) t 州m ) ( 2 ，厅j )l ( 2 ，h ，) ，2 ( 伽)e 。) ，9 , 1 玉，3 心 坟，3 ) ，9 ，1互。) ，3 ， 1 2 ( o u t ) p 一州。) ( 3 ，唧) 瓦。) ( 2 ，n ，) 乙。( 。) ( 2 ，栉，)l ( 。) ( 2 ，n ，) 2 0 浙江大学硕士学位论文 ，3 ( 加) ( ：蛆) ，( 2 ，)( 。) ，( 2 ，) 1 3 ( o u t ) 吒一。( 。) ( 3 ，)吒一“。) ( 2 ，n 。) l 。( m ) ( 2 ，n ，)乙) ( 2 ，nj ) ，。( m ) 吒唧( m ) ( 2 ，nj )吃唧( m ) ( 2 ，n ，) 1 4 ( o u t )屯( 1 ，n v )吒。( m ) ( 2 ，n y ) j ，( 拥)t r e y ，1 ，n v ，k d 吧t r e y ，1 ，唧，k d ( 表中括号分别表示向量的个数及其精度) 2 1 表两种类型各个接口输入输出数据的比较 图2 7 各个数据接口所需要的带宽分布图 如图2 7 ，表示在岛= 2 0 k h z 、n y = 1 2 b i t 、n f = 1 2 b i t 、n d = l o b i t 、k 。= 2 情况下纵坐标表示接口数据需要的带宽。可以看出，两种场合下各个接口所需要 的最小带宽，及其接口带宽受到开关频率的影响。其中，明显不适合作为分割的 接口，因为这样又变成集中控制方式了，不符合我们提出的分布式体系的初衷。 而且这个接口也需要很大的数据量，则需要很大的通讯的带宽。从减少通讯数据 量的角度来讲，应该把尽可能多的闭环( 如电压电流闭环) 放在硬件管理器侧。 所以如上图可以看到在曲线的平缓处，：、j ，、，。都可以作为h m 和a m 之间的 分割点。而j ，接口则明显可作为系统层的通讯接口。同时也要考虑硬件上的分布， 因为这些硬件相关的接口需要在物理上组成硬件管理器。所以我们采用的通讯网 络需要能够提供，：、j ，、，4 接口，这样物理上就分割开了i - i m 和a m 。从v s i 2 1 浙江大学硕士学位论文 的例子上褥，实际上由予只有脉冲发生器才能分别放在三个模块中，而s v m 模 块和d q 电流控制器则不能按照相臂来分布。而同时电流环还可以放在底层中。 弱时我们采角静麓一个褶鹫作为一个集成的单元。基于以上瑾由，我们选择了j ： 作为分割的接口。 2 。2 通讯网络的解决方案 鼙2 8 菊麓辘毙麓转换体系 由图2 _ 可以看到，。接口在频率为5 0 k h z 的时候大约需要1 0 0 m b 谢s e c 的 带宽，同时，接田需要有小于1 0 0 n s 的同疹误差，现今的网络拓扑都不能满足这 榉熬逶猿嚣求。簸霞荛了农褰频系统孛撬褰嗓声挽手撬戆，最妊逐是捷蔫毙纤弱 络。所以为了满魑网络的分布性、需要的带宽、网络的同步性及熊噪声的隔离， 可以使用前言中最后挺到的p e s n e t 菊花链能量转换体系，具体结构如图2 。8 。 鬻孛是怒p e s n 。t 漆络螽孛 吴俸运瘸在三赣v s i 静应精场合孛：每个稳瞽作为一 个单独的模块，对应着一个硬件管理器。h m 与a m 之间通过j ，接口传输数据， 其中包含的数据鬣有：氐。、蚕。、矿二。、j 纛。，这些向景都是实时的 数据。蘧谖鲍鄹绦霉要戆撬拱这魏数据懿# 使传赣劳保诞舞步经黥。嚣时，这些 实时数据需要在一个开关周期中完成传输。最后还存在一贱非实时的数据比如说 韧始化、蠊视、系统网络一些参数的传递等，所以邋讯网络灞要有这方面的考虑。 浙江大学硕出学住论文 2 2 1 通信网络数据格式及其同步方式的设计 墅2 。9 在终竣时波段孛静数据分甏 p e s n e t ；i 叠- - 种主从结构( m a s t e r - s l a v e ) ，是一种有确定反跃的网络。假如 猩数据传输中出现错误，被破坏的数据就没有用了，将被新的数据覆盖。图2 9 最承了瑟释基本瓣数据类鳖：实辩数据稻实瓣数据。一般 实辩数据簧等羁实 时数据传输到各个节点后才传输。实时数据包括汗关频率、开关周期、及其采样 数据等变爨。非实时数搬包括初始化和硬传管理器的软件配置。 在已经确定分布式控翩体系豹框架情况下，接下来就要考虑遥讯的缎节了。 豳2 。l i 分布控铡系统鹩数据缩擒圈 如图2 1 1 所示。系统采用了三种实时数据的格式：数据帧、同步帧、命令 蛱。这些蠖基本瀵足控铡、数据赞递及萁闲步翦爨要。奁数据蛟巾，数魏孛先 说明这个命令性质，后筒是节点的地址、数据域、c r c 校验域。数据域的具体 配置取决于特定的应用场合和硬件管理器的类型。 ，同步 l 信号 1 嚣聋 信号 l 同步 l 薅号 ，弼步 j 信号 t d 2 t d r n 1 1 t 节点 节点2 节煮3 节点5 图2 1 2 环形网络中对予同步延迟的累计效果 街汪尢攀颁士学往论文 同步t ( i i - l 1d 蕊号 1 7 l 。 同步 ( n - 2 ) t d 信号 同步 ( n - 3 ) t d 信号 胤带 惜学 r ： - ，甲 1 。 =! ： i 节纛1 节点2 节点3 图2 1 3 带有延迟补偿算法的网络同步方察 在一令珏形孵终孛，在数据健疆黪途径孛每个节点藏| 琶袭蓑套一令黪援延霹 魏，这意睬这要缳羚弼步的话命令中需要有麓步的命令，骈以每个节点需羲收蓟 m 瓦的延时命令( 其中m 由接点数和节点所处的位置来定) 。每一个节点的延 时一般在几百n s 发右。就是说盘果不冠步的诿将弓l 起输出p w m 脉冲的楣移， 这臻骞羧纛频鹭谐波，大大簿蘸- f 系统装输凄覆量。要是羰率撵袁薛荣嚣下，这 个隋况就更加突出了。环形网络咩咐于同步延迟的累计效果如图2 1 2 所示。如 果随络中的节点数目比较大，距离比较远的节点之间的同步延迟就比较可观，将 导致各个变流器的必疹。解决这个问题的方法是在每个节点增加一个数字延迟。 就是说每个节熹毙壤据霾步蕊号夔翻达主动延遴圈多覆号懿产生。表达焱隽： = ( 一f ) 瓦 其中n 是节点的总数，i 是节点的相对地址，t d 是每个节点之间的平均的时间延 迟。这釉延迟睾 偿方式如匿2 ，1 3 联示。 这释方式秘实筑主要阕题燕怎么诖弼络审麓节赢麓道它鑫己秘耜对傻餮及 其多少的时间延迟需鬻实现。由于网络在运行黼需要被配置，所有的节点需要分 配一个动态地址。信息能够被传剥每个节点来确定一个延邋的时间。实际上，主 节点负资系统的配黢并且它传递绘各个节点倍怠，即需要引入多少个的题迟单位 嚣霜步傣号蘩达这个蕊点。 延迟静电路能够由简擎的阻总线时钟为基准的计时来实现，典型的怒总线时 钟的二分之一，这可以降低节点之间的同步抖动 这个方案的另一个重要的特征是每个节点都有自己的时钟，这个时钟可以进 行网终的再网步。掰以& # 使鼹络强拳信号没有攥个秀关周期郝健矮，本趣辩耱襞 够运行p w m 模块及蒺狸美功熬。警下一个同劳信号甍达静8 毒候它会不潮断翦重 新调节本地时间。 i 司步帧如图2 1 1 中图b ，帧的开头是同步