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三相逆变器分布式控制体系

三相逆变器分布式控制体系

 

三相电压源型逆变器应用广泛,其拓扑具有通用性,对其控制体系进行分析具有典型意义。按照图1和图2要求对三相电压源型逆变器的控制体系进行控制权限的划分,从而实现其分布式控制,如图3所示,图中的PB由3组开关桥臂构成。HM主要包括脉冲发生器、AD转换电路和保护电路(环境监控、故障检测),另外还有通信接口及电平转换电路。

  AM是整个系统的控制核心,必须能够实现完整的控制功能。作为一个例子,图3中的AM的控制功能包括:角度观测、ABC/DQ变换、电流调节、转速调节、DQ/αβ变换和SVM调制,整个控制算法是一个双闭环结构,转速调节为外环,电流调节为内环。同时,AM提供与HM以及其他AM之间的通信机制。SM可以采用工控机,也可以采用专门设计的微处理器+输入(键盘)+输出(液晶屏)。不管那种方法,都必须配置足够的存储空间,存储各类基本的控制算法,以便系统初始化时的功能设定。

  接口I1选在脉冲发生器和SVM调制器之间,传输的数据主要是实时数据,包括:电流采样、转速采样、开关状态矢量和矢量的占空比。接口I2选在负载调节器的输入部分,实际上是转速调节器和SM的接口;在接口I2传输的数据主要是转速参考值和故障反馈信号,均为非实时数据。每个接口均可双向传输信号,但数据量、数据格式和刷新速率不尽相同。接口I1和I2传送的数据都是数字变量。

  对于每个数字变量所需的信道带宽可表示为

  B=Kd·fsw·nx. (1)

  式中:Kd为采样时间和传送时间的比值,fSW为采样频率,即刷新率,nx为所测量变量的二进制位数,一般假设采样频率和开关频率相同。

  应该注意的是,开关状态矢量是3*n阶的矩阵,矩阵中每个量的值域为[0 1],只需一位二进制数就可以表示。将占空比(阶矢量)、功率开关故障信号、3个电流采样值和转速采样值所需二进制位数均记为N0,那么接口I1所需要的带宽为

  B1=(3*n)·Kdl·fsw·1+N1·Kd1·fsw·N0. (2)

  式中:N1为接口I1中采样数据的总个数。同理,接口I2信道带宽可表示为

  B2=N2·Kd2·fSW·N0. (3)

  式中:N2为接口I2中采样数据的总个数,取如下的参数:fsW=20kHz,No=12,Kd1=2,n=3(n取决于不同的控制策略),因为故障反馈信号和电压参考量很少变化,不需要频繁采样,所以取Kd2=0.2。根据式(2)和(3),可得三相电压源型逆变器各个接口所需的最小信道传输能力(Mb/s),分别为

  B1=4.2;B2=0.096. (4)

  上式表明,离主回路越远的接口,所需的带宽越少。基于这点,可以考虑将更多的控制环节设计在HM以内,这就会减少其他接口要通信的数据量,接口I1所需的带宽在10Mb/s以下,即使在通信的时候再加上起始位、地址位、校验位等格式位,I1所需的带宽也不会很大,因此这个接口可以作为HM和AM之间的物理接口。在接口I1实现AM之间的通信,必须同时考虑实时数据和非实时数据的传输;对于实时数据,必须实现AM之间的同步通信,在计算接口I1带宽的时候并没有考虑到非实时数据,但不影响问题的表述。

  接口I2的数据通信量显著减少,一般少于1Mb/s,需传输的数据只包括配置信息和监控信息,可以作为系统级通信的接口,也即AM和SM之间的物理接口。构建一个大型分布式控制系统时,通过接口I2可以方便地实现主、从SM之间的通信。

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