三相逆變器分布式控制體系

　　為了構(gòu)建基于PEBB的電力電子分布式控制系統(tǒng)，除了要實(shí)現(xiàn)PEBB標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和控制功能的模塊化，最重要的要使信號(hào)分布、網(wǎng)絡(luò)接口和通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，所以HM、AM和SM之間的控制權(quán)限劃分是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，這決定了不同空間、時(shí)間分布的通信要求，決定了不同管理器執(zhí)行的任務(wù)。

　　三相電壓源型逆變器應(yīng)用廣泛，其拓?fù)渚哂型ㄓ眯?，?duì)其控制體系進(jìn)行分析具有典型意義。按照?qǐng)D1和圖2要求對(duì)三相電壓源型逆變器的控制體系進(jìn)行控制權(quán)限的劃分，從而實(shí)現(xiàn)其分布式控制，如圖3所示，圖中的PB由3組開關(guān)橋臂構(gòu)成。HM主要包括脈沖發(fā)生器、AD轉(zhuǎn)換電路和保護(hù)電路(環(huán)境監(jiān)控、故障檢測(cè))，另外還有通信接口及電平轉(zhuǎn)換電路。

　　AM是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，必須能夠?qū)崿F(xiàn)完整的控制功能。作為一個(gè)例子，圖3中的AM的控制功能包括：角度觀測(cè)、ABC/DQ變換、電流調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、DQ/αβ變換和SVM調(diào)制，整個(gè)控制算法是一個(gè)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為外環(huán)，電流調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)。同時(shí)，AM提供與HM以及其他AM之間的通信機(jī)制。SM可以采用工控機(jī)，也可以采用專門設(shè)計(jì)的微處理器+輸入(鍵盤)+輸出(液晶屏)。不管那種方法，都必須配置足夠的存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)各類基本的控制算法，以便系統(tǒng)初始化時(shí)的功能設(shè)定。

　　接口I1選在脈沖發(fā)生器和SVM調(diào)制器之間，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括：電流采樣、轉(zhuǎn)速采樣、開關(guān)狀態(tài)矢量和矢量的占空比。接口I2選在負(fù)載調(diào)節(jié)器的輸入部分，實(shí)際上是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和SM的接口；在接口I2傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是轉(zhuǎn)速參考值和故障反饋信號(hào)，均為非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。每個(gè)接口均可雙向傳輸信號(hào)，但數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)格式和刷新速率不盡相同。接口I1和I2傳送的數(shù)據(jù)都是數(shù)字變量。

　　對(duì)于每個(gè)數(shù)字變量所需的信道帶寬可表示為

　　B=Kd·fsw·nx. (1)

　　式中:Kd為采樣時(shí)間和傳送時(shí)間的比值，fSW為采樣頻率，即刷新率，nx為所測(cè)量變量的二進(jìn)制位數(shù)，一般假設(shè)采樣頻率和開關(guān)頻率相同。

　　應(yīng)該注意的是，開關(guān)狀態(tài)矢量是3*n階的矩陣，矩陣中每個(gè)量的值域?yàn)閇0 1]，只需一位二進(jìn)制數(shù)就可以表示。將占空比(階矢量)、功率開關(guān)故障信號(hào)、3個(gè)電流采樣值和轉(zhuǎn)速采樣值所需二進(jìn)制位數(shù)均記為N0，那么接口I1所需要的帶寬為

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

　　式中：N1為接口I1中采樣數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù)。同理，接口I2信道帶寬可表示為

　　B2=N2·Kd2·fSW·N0. (3)

　　式中：N2為接口I2中采樣數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù)，取如下的參數(shù)：fsW=20kHz，No=12，Kd1=2，n=3(n取決于不同的控制策略)，因?yàn)楣收戏答佇盘?hào)和電壓參考量很少變化，不需要頻繁采樣，所以取Kd2=0.2。根據(jù)式(2)和(3)，可得三相電壓源型逆變器各個(gè)接口所需的最小信道傳輸能力(Mb/s)，分別為

　　B1=4.2；B2=0.096. (4)

　　上式表明，離主回路越遠(yuǎn)的接口，所需的帶寬越少。基于這點(diǎn)，可以考慮將更多的控制環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)在HM以內(nèi)，這就會(huì)減少其他接口要通信的數(shù)據(jù)量，接口I1所需的帶寬在10Mb/s以下，即使在通信的時(shí)候再加上起始位、地址位、校驗(yàn)位等格式位，I1所需的帶寬也不會(huì)很大，因此這個(gè)接口可以作為HM和AM之間的物理接口。在接口I1實(shí)現(xiàn)AM之間的通信，必須同時(shí)考慮實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸；對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，必須實(shí)現(xiàn)AM之間的同步通信，在計(jì)算接口I1帶寬的時(shí)候并沒(méi)有考慮到非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，但不影響問(wèn)題的表述。

　　接口I2的數(shù)據(jù)通信量顯著減少，一般少于1Mb/s，需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只包括配置信息和監(jiān)控信息，可以作為系統(tǒng)級(jí)通信的接口，也即AM和SM之間的物理接口。構(gòu)建一個(gè)大型分布式控制系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)接口I2可以方便地實(shí)現(xiàn)主、從SM之間的通信。