一种储能变流器过流过压硬件保护系统及方法与流程

1.本发明涉及电力电子变流器技术领域，具体涉及一种储能变流器过流过压硬件保护系统及方法。


背景技术：

2.电力电子装置受所用器件性能的影响，承受过电压、过电流的能力比较差。例如，电动机、变压器等通常可在几倍的额定电流下工作几秒钟或几分钟，而在相同条件下电力电子器件只需0.1秒或更短时间就已损坏。因此，除在设计电力电子装置时合理选择器件的电压、电流容量外，还需专门采取一些保护措施，以防止装置内的器件因过电流、过电压而损坏。
3.过流过压保护措施有硬件保护和软件保护两种，软件保护由于存在程序设计故障和响应时间等问题可能导致保护失效，因此通常需要硬件保护作为最后的防线。常用的硬件过流保护措施包括采用快速熔断器、交流断路器、快速直流开关、快速短路器、电子电路作过电流检测和保护等。常用的过电压保护措施包括采用阻容吸收电路、选用非线性电阻器件、采用电子电路作过电压检测和保护等。
4.在电路板上一般设计有电子电路作过电流、过电压检测和保护，但是这会增加设计的复杂度和额外的成本，并且当需要调整保护参考值的时候非常不方便，只能更换硬件参数或者采用可调电阻手动校正。


技术实现要素：

5.为了克服上述缺陷，本发明提出了一种储能变流器过流过压硬件保护系统及方法。
6.第一方面，提供一种储能变流器过流过压硬件保护系统，所述储能变流器过流过压硬件保护系统包括：arm单元、dsp单元和fpga单元；
7.所述arm单元，用于将上位机下发的遥调遥控数据转发至dsp单元；
8.所述dsp单元，用于基于所述遥调遥控数据和接收的电压电流采样值生成调制波，并将所述调制波和所述遥调遥控数据中的过流过压保护参考值转发至fpga单元；
9.所述fpga单元，用于将所述调制波与三角波进行比较，生成用于驱动储能变流器的igbt 的pwm脉冲信号，并基于电压电流采样值和过流过压保护参考值，利用所述pwm脉冲信号驱动储能变流器的igbt。
10.优选的，所述上位机通过modbus通信协议将遥调遥控数据下发至所述arm单元。
11.进一步的，所述上位机还用于显示所述遥调遥控数据。
12.优选的，所述arm单元通过双口ram与所述dsp单元进行数据交互。
13.优选的，所述dsp单元通过emif总线与所述fpga单元进行数据交互。
14.优选的，所述fpga单元还用于通过ad转换单元采集储能变流器的电压电流采样值，采样速率为200k。
15.进一步的，所述ad转换单元的型号为ad7606。
16.优选的，所述fpga单元具体用于：
17.判断所述电压电流采样值是否大于所述过流过压保护参考值，若是，则封锁所述pwm脉冲信号，否则，利用所述pwm脉冲信号驱动储能变流器的igbt。
18.第二方面，提供一种基于所述储能变流器过流过压硬件保护系统的方法，所述方法包括：
19.arm单元将上位机下发的遥调遥控数据转发至dsp单元；
20.dsp单元基于所述遥调遥控数据和接收的电压电流采样值生成调制波，并将所述调制波和所述遥调遥控数据中的过流过压保护参考值转发至fpga单元；
21.fpga单元将所述调制波与三角波进行比较，生成用于驱动储能变流器的igbt的pwm脉冲信号，并基于电压电流采样值和过流过压保护参考值，利用所述pwm脉冲信号驱动储能变流器的igbt。
22.第三方面，提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；
23.所述处理器，用于存储一个或多个程序；
24.当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现所述的方法。
25.第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现所述的方法。
26.本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：
27.本发明提供了一种储能变流器过流过压硬件保护系统及方法，包括：arm单元、dsp单元和fpga单元；arm单元，用于将上位机下发的遥调遥控数据转发至dsp单元；dsp单元，用于基于遥调遥控数据和接收的电压电流采样值生成调制波，并将调制波和遥调遥控数据中的过流过压保护参考值转发至fpga单元；fpga单元，用于将调制波与三角波进行比较，生成用于驱动储能变流器的igbt的pwm脉冲信号，并基于电压电流采样值和过流过压保护参考值，利用pwm脉冲信号驱动储能变流器的igbt。本发明提供的技术方案采用arm+dsp+fpga 的三核设计，具有如下有益效果：
28.1)本发明将原先由硬件电路实现的硬件过流过压保护功能改为由fpga实现，简化了硬件电路设计，节约了成本。
29.2)传统的硬件电路过流过压保护方案参数调节不便，当保护值需要更改时，必须更改硬件电路。采用本发明提供的基于fpga的过流过压硬件保护方案，当需要修改保护参考值时，只需在上位机进行设置，无需更改硬件电路。
附图说明
30.图1是本发明实施例的储能变流器过流过压硬件保护装置的主要结构框图。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
33.如背景技术中所公开的，电力电子装置受所用器件性能的影响，承受过电压、过电流的能力比较差。例如，电动机、变压器等通常可在几倍的额定电流下工作几秒钟或几分钟，而在相同条件下电力电子器件只需0.1秒或更短时间就已损坏。因此，除在设计电力电子装置时合理选择器件的电压、电流容量外，还需专门采取一些保护措施，以防止装置内的器件因过电流、过电压而损坏。
34.过流过压保护措施有硬件保护和软件保护两种，软件保护由于存在程序设计故障和响应时间等问题可能导致保护失效，因此通常需要硬件保护作为最后的防线。常用的硬件过流保护措施包括采用快速熔断器、交流断路器、快速直流开关、快速短路器、电子电路作过电流检测和保护等。常用的过电压保护措施包括采用阻容吸收电路、选用非线性电阻器件、采用电子电路作过电压检测和保护等。
35.在电路板上一般设计有电子电路作过电流、过电压检测和保护，但是这会增加设计的复杂度和额外的成本，并且当需要调整保护参考值的时候非常不方便，只能更换硬件参数或者采用可调电阻手动校正。
36.为了改善上述问题，本发明提供了一种储能变流器过流过压硬件保护系统及方法，包括： arm单元、dsp单元和fpga单元；arm单元，用于将上位机下发的遥调遥控数据转发至dsp 单元；dsp单元，用于基于遥调遥控数据和接收的电压电流采样值生成调制波，并将调制波和遥调遥控数据中的过流过压保护参考值转发至fpga单元；fpga单元，用于将调制波与三角波进行比较，生成用于驱动储能变流器的igbt的pwm脉冲信号，并基于电压电流采样值和过流过压保护参考值，利用pwm脉冲信号驱动储能变流器的igbt。本发明提供的技术方案采用arm+dsp+fpga的三核设计，具有如下有益效果：
37.1)本发明将原先由硬件电路实现的硬件过流过压保护功能改为由fpga实现，简化了硬件电路设计，节约了成本。
38.2)传统的硬件电路过流过压保护方案参数调节不便，当保护值需要更改时，必须更改硬件电路。采用本发明提供的基于fpga的过流过压硬件保护方案，当需要修改保护参考值时，只需在上位机进行设置，无需更改硬件电路。下面对上述方案进行详细阐述。
39.实施例1
40.参阅附图1，图1是本发明的一个实施例的储能变流器过流过压硬件保护系统的主要结构框图。如图1所示，本发明实施例中的储能变流器过流过压硬件保护系统主要包括：arm 单元、dsp单元和fpga单元；
41.所述arm单元，用于将上位机下发的遥调遥控数据转发至dsp单元；
42.所述dsp单元，用于基于所述遥调遥控数据和接收的电压电流采样值生成调制波，并将所述调制波和所述遥调遥控数据中的过流过压保护参考值转发至fpga单元；
43.所述fpga单元，用于将所述调制波与三角波进行比较，生成用于驱动储能变流器的igbt 的pwm脉冲信号，并基于电压电流采样值和过流过压保护参考值，利用所述pwm脉冲信号驱动储能变流器的igbt。
44.本实施例中，所述上位机通过modbus通信协议将遥调遥控数据下发至所述arm单元。
45.在一个实施方式中，所述上位机还用于显示所述遥调遥控数据。
46.本实施例中，所述arm单元通过双口ram与所述dsp单元进行数据交互。
47.本实施例中，所述dsp单元通过emif总线与所述fpga单元进行数据交互。
48.本实施例中，所述fpga单元还用于通过ad转换单元采集储能变流器的电压电流采样值，采样速率为200k。
49.在一个实施方式中，所述ad转换单元的型号为ad7606。
50.本实施例中，所述fpga单元具体用于：
51.判断所述电压电流采样值是否大于所述过流过压保护参考值，若是，则封锁所述pwm脉冲信号，否则，利用所述pwm脉冲信号驱动储能变流器的igbt。
52.本发明采用arm+dsp+fpga的三核设计，其中fpga通过外接ad7606进行电压电流采样， arm端连接上位机软件进行数据交互，dsp和arm通过双口ram进行通信。上位机将过流过压硬件保护参考值下发给arm，arm通过双口ram将数据送给dsp，dsp通过数据总线将参考值发送给fpga。fpga将通过ad7606采样过来的数据进行处理后和参考值进行比较，高于参考值则进行pwm封脉冲处理。
53.实施例2
54.基于同一种发明构思，本发明还提供了一种基于所述储能变流器过流过压硬件保护系统的方法，所述方法包括：
55.arm单元将上位机下发的遥调遥控数据转发至dsp单元；
56.dsp单元基于所述遥调遥控数据和接收的电压电流采样值生成调制波，并将所述调制波和所述遥调遥控数据中的过流过压保护参考值转发至fpga单元；
57.fpga单元将所述调制波与三角波进行比较，生成用于驱动储能变流器的igbt的pwm脉冲信号，并基于电压电流采样值和过流过压保护参考值，利用所述pwm脉冲信号驱动储能变流器的igbt。
58.在一个最优的实施方式中，本发明可以按下述方式实现所述基于所述储能变流器过流过压硬件保护系统的方法，具体为：
59.步骤1：上位机通过modbus通信协议将遥调和遥控值下发给arm，其中其中遥调值中包括过流过压保护参考设定值。同时，上位机读取遥测数据用于实时显示。
60.(1)人机界面由mcgs组态软件设计，通讯规约采用标准的莫迪康modbusrtu协议，采用一主一从的通讯方式。
61.(2)人机界面为上位机，arm所在的控制板为下位机，上位机主动向下位机发送消息；下位机为被动方式，接受上位机发送的指令，并根据信息内容进行响应回送。
62.(3)物理层通讯接口采用rs485，通信波特率选择19200bps，通信数据格式为8个数据位，1个停止位，无校验位，其中字符低位(lsb)在前，即先起始位，后d0-d7位，最后停止位。
63.(4)通信链路的建立与解除均由主站发出的信息帧来控制。每帧由目标地址、功能码、数据信息、校验码组成。
64.步骤2：arm通过双口ram和dsp进行数据交互，将上位机发送过来的遥调和遥控指令发送给dsp，其中包括过流过压保护参考设定值。同时，arm读取dsp的遥测数据和状态数据发送给上位机。
65.步骤3：dsp中将fpga发送过来的采样数据和arm发送过来的遥调遥控数据进行计
算，计算得到的调制波指令发送给fpga，并将从arm收到的过流过压保护参考值发送给 fpga。
66.(1)dsp通过emif总线和fpga进行数据交互，采用应答加中断的通信方式。其中 dsp为主机，fpga为从机。
67.(2)dsp主要负责算法运算，产生调制波；fpga主要负责高速采样、逻辑运算和硬件保护。
68.步骤4：fpga将从dsp接受到的调制波和三角载波进行比较，产生pwm信号驱动igbt 开关。同时，fpga控制ad7606进行电压电流采样，将采样值上送给dsp。同时，fpga 将电压电流采样值和dsp发送过来的过流过压保护参考值进行比较，当采集到的电压电流采样值大于参考值时，关闭pwm信号。
69.(1)fpga中接收到dsp发过来的调制波时，将调制波和三角载波产生模块进行比较，进而产生pwm信号用于驱动igbt的开通和关断。
70.(2)fpga控制ad7606以200k的采样速率进行数据采样，将每个点的采样值进行取绝对值运算后和dsp发送过来的参考值进行比较，当采样值大于参考值的时候，将过流过压标志位置1，同时封锁pwm脉冲。
71.实施例3
72.基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specificintegrated circuit，asic)、现成可编程门阵列 (field-programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例中所述方法的步骤。
73.实施例4
74.基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质 (memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器 (non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中所述方法的步骤。
75.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何
修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。