模块化变流器的制作方法

本实用新型涉及电力电子控制技术领域，尤其涉及一种模块化变流器。

背景技术：

与传统的变流器对比而言，变流器的模块化设计具有更高的可靠性、可维护性、设计灵活性等特点。以模块化逆变器为例，模块化逆变器就是将交流逆变部分作为一个功率单元设计，每台模块化逆变器都由若干个功率单元组成。

然而，上述模块化设计增加了控制难度。控制难度主要体现在以下几方面，一是模块化变流器运行时，需满足变流器运行的同步性要求，且功率单元之间无环流；二是需要为模块化变流器中各个功率单元提供及时、可靠的控制及保护功能。

技术实现要素：

本实用新型实施例的目的在于，提供一种模块化变流器，使模块化变流器中各个功率单元能够获得及时、可靠的控制及保护功能的同时，满足了变流器运行同步性的要求，并且，使得功率单元之间无环流。

为实现上述实用新型目的，本实用新型的实施例提供了一种模块化变流器，还包括：与所述多个功率单元一一对应连接的多个功率单元控制装置；所述功率单元控制装置包括功率单元控制器、IGBT驱动电路、故障综合电路、AD采样芯片、通信芯片、数字量输入芯片和数字量输出芯片，并分别与所述功率单元控制器相连接。

优选地，所述功率单元控制器包括：PWM控制模块、AD控制模块、故障处理模块、开入控制模块、开出控制模块和通信模块；

所述PWM控制模块分别与所述故障处理模块、所述AD控制模块和所述通信模块相连接，所述AD控制模块、所述故障处理模块、所述开入控制模块、所述开出控制模块分别与所述通信模块相连接。

优选地，所述PWM控制模块与所述IGBT驱动电路相连接，所述AD控制模块与所述AD采样芯片相连接，所述故障处理模块与所述故障综合电路相连接，所述开入控制模块与所述数字量输入芯片相连接，所述开出控制模块与所述数字量输出芯片相连接，所述通信模块与所述通信芯片相连接。

优选地，所述PWM模块接收所述通信模块下发的占空比数据，并根据所述占空比数据输出PWM脉冲至所述IGBT驱动电路。

优选地，所述故障处理模块从接收到的所述故障综合电路发送的故障信号中获得故障信息，并将故障信息上传至通信模块。

优选地，所述通信模块为光纤通信模块、蓝牙模块、WIFI模块、红外模块中的任意一种。

优选地，所述功率单元控制器为现场可编程逻辑门阵列FPGA或复杂可编程逻辑器件CPLD。

优选地，所述模块化变流器为模块化光伏逆变器。

本实用新型实施例提供的模块化变流器，通过为每个功率单元都配置一个功率单元控制装置，每个功率单元控制装置中包括了功率单元控制器和IGBT驱动电路、故障综合电路、AD采样芯片等外围电路及芯片，功率单元控制器与外围电路及芯片之间协同工作，使模块化变流器中各个功率单元能够获得及时、可靠的控制及保护功能的同时，满足了变流器运行的同步性要求，并且，使得功率单元之间无环流，从而提高了并网性能。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的模块化变流器的结构框图；为方便理解，图中示出了功率单元；

图2为本实用新型实施例一的模块化变流器中功率单元控制器的工作原理示意图；

图3为本实用新型实施例一的模块化变流器中功率单元控制器的结构框图；为方便理解，图中示出了IGBT驱动电路、故障综合电路、AD采样芯片、通信芯片、数字量输入芯片和数字量输出芯片。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例模块化变流器进行详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本领域技术人员可以理解，本实用新型实施例中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。

实施例一

图1为本实用新型实施例一的模块化变流器的结构框图。参照图1，模块化变流器包括：多个功率单元110，以及与多个功率单元110一一对应连接的多个功率单元控制装置120；功率单元控制装置120包括功率单元控制器121、IGBT驱动电路122、故障综合电路123、AD采样芯片124、通信芯片125、数字量输入芯片126和数字量输出芯片127，其中，IGBT驱动电路122、故障综合电路123、AD采样芯片124、通信芯片125、数字量输入芯片126和数字量输出芯片127分别与功率单元控制器121相连接。

这里，模块化变流器可以为模块化光伏逆变器，但不限于此。

图2为本实用新型实施例一的模块化变流器中功率单元控制器的工作原理示意图，下面结合图2对功率单元控制器121的工作原理进行详细说明。

其工作原理具体如下：在实际应用中，多个功率单元控制装置各自的功率单元控制器分别与主控系统相连接。以模块化光伏逆变器为例，当模块化光伏逆变器上电时，主控系统将外围硬件电路的工作模式配置命令下发给功率单元控制器。该功率单元控制器根据配置命令，发送相应的控制命令给AD采样芯片、数字量输入芯片和数字量输出芯片并执行相应的操作。例如，功率单元控制器控制AD采样芯片采集每个功率单元的交流电压、电流，直流电压、电流数据，并采用光纤通信的方式上传采样数据至主控系统。当主控系统判断模块化光伏逆变器无故障可以启动时，则下发启动和占空比命令，功率单元控制器完成PWM驱动信号的产生。在功率单元工作过程中，功率单元控制器实时监测各电压电流以及故障信号，当发生故障时，封锁PWM脉冲，通过开出电路断开交流功率回路开关S，并且上传故障信息至主控系统，等待主控系统的故障处理。等待系统故障恢复后，功率单元控制器重新启动驱动功能，使得与其对应连接的功率单元重新工作。

在实际应用中，上述IGBT驱动电路122具体可包括顺序连接的光电隔离芯片、功率放大电路和保护电路。其中，光电隔离芯片用于隔离从功率单元控制器121(如FPGA)输出的弱电PWM驱动信号和强电部分的功率电路；功率放大电路用于区分正反向驱动，确保驱动电路有足够的驱动能力和反向关断能力；保护电路集成了驱动电路的过欠压保护以及IGBT的过流关断功能。故障综合电路123具体可包括顺序连接的信号采集电路、信号放大电路和比较电路，通过硬件电路参数配置设置比较电路的阈值。当采集并放大后的信号高于或者低于该阈值时，产生低电平信号，输出到功率单元控制器121。

本实用新型实施例的模块化变流器，通过为每个功率单元都配置一个功率单元控制装置，每个功率单元控制装置中包括了功率单元控制器和IGBT驱动电路、故障综合电路、AD采样芯片等外围电路及芯片。功率单元控制器与外围电路及芯片之间协同工作，实现了为模块化变流器中各个功率单元提供及时、可靠的控制及保护功能的同时，满足了变流器运行的同步性要求，并且，使得功率单元之间无环流，从而提高了并网性能。

在上述实施例的基础上，图3为本实用新型实施例一的模块化变流器中功率单元控制器的结构框图，参照图3，该功率单元控制器121可以包括：PWM控制模块210、AD控制模块220、故障处理模块230、开入控制模块240、开出控制模块250和通信模块260；PWM控制模块210分别与故障处理模块230、AD控制模块220和通信模块260相连接，AD控制模块220、故障处理模块230、开入控制模块240、开出控制模块250分别与通信模块260相连接。

此外，功率单元控制器121中的PWM控制模块210、AD控制模块220、故障处理模块230、开入控制模块240、开出控制模块250和通信模块260分别与外围电路或者外部芯片具有连接关系，以实现对外围电路或者外部芯片的控制、保护等功能。

如图3所示，PWM控制模块210与IGBT驱动电路122相连接，AD控制模块220与AD采样芯片124相连接，故障处理模块230与故障综合电路123相连接，开入控制模块240与数字量输入芯片126相连接，开出控制模块250与数字量输出芯片127相连接，通信模块260与通信芯片125相连接。

进一步地，PWM模块210可接收通信模块260下发的占空比数据，并根据占空比数据输出PWM脉冲至IGBT驱动电路122。

优选地，故障处理模块230从接收到的故障综合电路123发送的故障信号中获得故障信息，并将故障信息上传至通信模块260。

在实际应用中，系统上电时，主控系统将外围硬件电路的工作模式配置命令(如占空比、AD工作方式、开出命令、芯片驱动信号等)下发给功率单元控制器121。该功率单元控制器121中的通信模块260接收配置命令，并根据配置命令发送相应的控制命令给PWM控制模块210、AD控制模块220、开入控制模块240、开出控制模块250，进而控制IGBT驱动电路122、AD采样芯片、数字量输入芯片和数字量输出芯片执行相应的操作。

具体地，通信模块260将占空比下发给PWM控制模块210，PWM控制模块210输出PWM脉冲至IGBT驱动电路122。PWM控制模块210发送AD启动信号至AD控制模块220。

通信模块260将AD工作方式设定发送给AD控制模块220，AD控制模块220发送AD驱动信号至AD采样芯片124，还接收AD采样芯片124返回的AD采样数据，并将AD采样数据缓存到各自相应地址后，上传至通信模块260。

上述各信号定义：

(1)占空比：即产生PWM驱动脉冲的脉宽信号，表征了IGBT的开关时间。

(2)AD启动信号：FPGA内部AD模块的启动信号。本实用新型设计的AD控制模块需要接收到启动命令之后才发出对外部AD芯片的控制信号。

(3)AD工作方式：即工作或停止，本实用新型设计的控制装置为通用控制器，因此对于外围AD芯片可以分别设置其工作或停止。

(4)AD驱动信号：本实用新型中的AD芯片均需通过串口发送时序控制命令，才能使AD正常工作。这些控制信号包括启动命令、时钟、地址等信号。

(5)AD采样数据：即AD芯片的输出，该信号为包含了地址信息的串行数据，根据AD芯片的不同，输出位数不等。通信模块260将芯片驱动信号发送给开入控制模块240，开入控制模块240转发该芯片驱动信号至数字量输入芯片126，还接收数字量输入芯片126发送的开入信号，并根据开出信号上传开入信息至通信模块260。

经过功率单元控制器121中各个模块和相应的外围硬件电路配合完成上述动作，使得功率单元110进入工作过程。在功率单元110工作过程中，功率单元控制器121实时监测对应的功率单元110的各电压电流以及故障信号。

当发生故障时，故障综合电路123将故障信号发送至故障处理模块230，故障处理模块230接收到该故障信号后，发送用于指示封锁PWM脉冲的信号至PWM控制模块210，同时，故障处理模块230从故障信号中获得故障信息，并将故障信息上传至通信模块260，通信模块260接收到故障信息后，下发开出命令至开出控制模块250，开出控制模块250将芯片驱动信号及输出命令发送给数字量输出芯片127，以断开交流侧的断路器。并且，通信模块260通过通信芯片125将故障信息发送至主控系统。

故障恢复后，通信模块260发送用于表征故障解除的信号至主控系统，主控系统接收到该信号后发送故障复位命令至通信模块260。通信模块260将该故障复位命令转发至故障处理模块230，故障处理模块230接收到该故障复位命令后，发送用于指示解除封锁PWM脉冲的信号至PWM控制模块210。同时，通信模块260下发开出命令至开出控制模块250，开出控制模块250将芯片驱动信号及输出命令发送给数字量输出芯片127，以闭合交流侧的断路器。

需要说明的是，通信模块260可以为光纤通信模块、蓝牙模块、WIFI模块、红外模块中的任意一种。在实际应用中，通常，采用最优的通信方式即光纤通信，其具有可靠、抗干扰性强等优势，同时极大地增强了功率单元之间的同步性。

以下对前述PWM控制模块、AD控制模块、故障处理模块、开入控制模块、开出控制模块和通信模块(以光纤通信模块为例)分别进行详细说明。

(1)故障处理模块

故障处理模块读取硬件电路的保护电路信号，送入内部逻辑，经滤波后，判断故障等级。判断故障有效后，封锁PWM脉冲的同时将包含故障等级和故障信号的故障信息上传到主控系统的CPU。其中，故障信号可包括交流过流、交流过压、直流过流、直流过压、IGBT温度保护以及电抗器温度保护信号。

(2)PWM控制模块

PWM控制模块通过输出一组周期固定、占空比可变的波形，控制功率单元工作。主控系统的数字信号处理器(DSP)可通过配置寄存器的方式对任一功率单元相应的功率单元控制器中的PWM控制模块进行配置，配置信息包括PWM启动/停止、PWM周期、三相占空比、时基计数器数值、死区时间使能/禁止/死区时间等。

由于控制算法的需要，同一个主控系统的CPU下挂载的多个功率单元的PWM输出需要同步。同步意为每一个功率单元的PWM时钟同步于光纤下传信号中的时钟；主控系统的CPU在同一时刻下发的多个PWM更新占空比指令，应当被多个功率单元同时执行，并且不同的功率单元之间PWM跳变沿时间差值不大于100ns，且误差不随时间累积。

(3)AD控制模块

AD控制模块实现对此AD采样芯片的控制并读取A/D转换结果。其中，模拟量的采集包括直流输入电压、直流输入电流、交流电压、交流电流。

(4)开入控制模块和开出控制模块

该功率单元控制器上有16路数字量输入、8路数字量输出，用于控制外围设备即数字量输入芯片和数字量输出芯片。数字量输入芯片具有兼容SPI接口，数据流为并行输入串行输出。开入控制模块只需要下发时序指令，数字量输入芯片会输出串行数据至开入控制模块。并将读入数据转换为并行数据，并进行数字滤波后，定时上传主控系统的CPU。并根据主控系统的CPU的下发指令更新数字量输出的电平。

数字量输出芯片也具有串行接口，开出控制模块需要将开出命令以及芯片的时序指令下发到芯片的串口，该数字量输出芯片则会在输出端输出正确的电平。在初始上电以及故障时，所有输出电平都处于默认停机时刻状态。

(5)光纤通信模块

由于同一个主控系统CPU下挂载的各个功率单元控制器存在同步要求，功率单元控制器应当能从主控系统的CPU下发命令中恢复时钟，并将其至少应用于PWM控制模块的时钟输出。功率单元控制器在每个PWM中断后开始A/D转换，每次A/D转换完成后主动向主控系统的CPU上传A/D转换结果、数字输入量的状态以及其他状态信息的数据(需要在A/D转换完成后立即上传上述数据)。主控系统的CPU定期下发控制命令、PWM占空比、数字量输出指令等信息。功率单元控制器每隔半个PWM周期向主控系统的CPU传递数据一次。

如采用光纤通信技术，功率单元控制器与主控系统的CPU的通讯可使用一收一发两根光纤实现。可使用50M光纤通信模块，信号频率24MHz。此外，光纤数据收发具有断线检测、数据校验、错误重传、故障状态下自动封锁PWM输出等功能。

优选地，该功率单元控制器121可以为现场可编程逻辑门阵列FPGA或复杂可编程逻辑器件CPLD，但不限于此。

在实际应用中，以FPGA为例，模块化变流器的硬件过压、过流、IGBT过温等硬件保护信号直接与FPGA引脚相连。不需要经过主控系统的CPU，直接通过FPGA内部硬件逻辑完成脉冲封锁以及故障信息上传的功能，提供了有效可靠的硬件保护。此外，本实施例不对FPGA以及CPLD的型号做具体限定。

需要说明的是，本申请是利用了FPGA或者CPLD的常规处理功能，本申请的核心在于多个功率单元和与多个功率单元一一对应连接的多个功率单元控制装置组成的整个架构，以及功率单元控制装置内部的框架结构。

由此，本实用新型实施例的模块化变流器，还具有如下技术效果：

一方面，功率单元控制器由PWM控制模块、AD控制模块、故障处理模块、开入控制模块、开出控制模块和通信模块组成，且外围电路及芯片(如IGBT驱动电路、故障综合电路、AD采样芯片)与功率单元控制器内各个模块直接相连，完成PWM脉冲驱动、故障保护、开入开出信号处理以及和主控CPU完成光纤通信功能，由此，集成了多种外围电路的控制功能。从而节约了主控系统的资源，提高了系统实时性。

另一方面，在本实施例中，可以采用如光纤通信、蓝牙、WIFI等多种通信方式。使得模块化变流器与外界通信的灵活性更强。尤其是采用光纤通信模块提高了抗干扰性，并且，极大地增强了功率单元之间的同步性。

再一方面，功率单元控制器通过FPGA或CPLD实现，尤其是在故障发生时，FPGA不经过主控系统的CPU，第一时间主动执行保护动作，封锁脉冲断开交直流开关。从而进一步为功率单元提供全面、快速、可靠的保护功能。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。