一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，包括DSP、FPGA、與DSP和FPGA相連接通信的外圍電路以及上位機控制模塊；DSP和FPGA兩個控制器通過16位的地址總線和19位的數(shù)據(jù)總線相連接，DSP所有的IO口都與FPGA相連接；外圍電路包括電壓電流采樣電路、功率管驅(qū)動電路、功率管保護電路、上位機與下位機通信電路；電壓電流采樣電路測量各路電壓電流信號送至DSP進行采樣處理；功率管驅(qū)動電路對FPGA輸出的功率管PWM驅(qū)動信號進行功率放大后送至雙向儲能變流器的主功率電路；功率管保護電路采集雙向儲能變流器的IGBT模塊輸出的過流保護信號和過溫保護信號傳輸至FPGA；DSP通過上位機與下位機的通信電路與上位機控制模塊進行連接通信。本實用新型提供的一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)。
【專利說明】一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及大規(guī)模電能存儲及電網(wǎng)新能源接入【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]大容量儲能技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展顛覆了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中電能不能大量存儲的概念，大容量電力儲能裝置的建立一方面對電網(wǎng)的合理應(yīng)用起到了“削峰填谷”的作用，可以提高電力系統(tǒng)的供電可靠性和電能質(zhì)量，另一方面對風能和太陽能等間歇性式可再生能源發(fā)電安全可靠的接入電網(wǎng)起到了關(guān)鍵作用。由于大規(guī)模儲能系統(tǒng)可以貫穿電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用的各個環(huán)節(jié)，不僅對傳統(tǒng)電力起到改善和改良作用，而且儲能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也將給智能電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計、布局以及運行管理等方面帶來革命性的變化。
[0003]儲能變流器作為電網(wǎng)和儲能電池的連接者，肩負著電池充電及電能回網(wǎng)的重任，是電力儲能系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其輸出電壓電流的質(zhì)量對化學電池的安全性能、使用壽命以及電網(wǎng)的穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用；其運行方式、控制精度以及響應(yīng)速度直接關(guān)系著整個儲能系統(tǒng)的性能。隨著電池儲能大規(guī)模系統(tǒng)集成、大規(guī)模電池儲能電站的迅速發(fā)展，電網(wǎng)對儲能變流器性能的要求也將上升到一個更高的層次。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型涉及一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，所述雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)包括DSP、FPGA、與DSP和FPGA相連接通信的外圍電路以及上位機控制|吳塊；
[0005]所述DSP和FPGA兩個控制器通過16位的地址總線和19位的數(shù)據(jù)總線相連接，所述DSP所有的1 口都與所述FPGA相連接；
[0006]所述外圍電路包括電壓電流采樣電路、功率管驅(qū)動電路、功率管保護電路、上位機與下位機通信電路；
[0007]所述電壓電流采樣電路一端連接所述雙向儲能變流器的主功率電路另一端連接所述DSP ；
[0008]所述功率管驅(qū)動電路一端連接所述FPGA另一端連接所述雙向儲能變流器的主功率電路；
[0009]所述功率管保護電路一端連接雙向儲能變流器的IGBT模塊另一端連接所述FPGA ；
[0010]所述DSP通過所述上位機與下位機的通信電路與所述上位機控制模塊進行連接通信。
[0011]本實用新型提供的第一優(yōu)選實施例中:所述主控制器DSP選用TI公司生產(chǎn)的C2000 系列 TMS320F2812PGF-176。
[0012]本實用新型提供的第二優(yōu)選實施例中:所述輔助控制器FPGA選用ALTERA公司生產(chǎn)的 Cyclone 系列 EP1C6024017N。
[0013]本實用新型提供的第三優(yōu)選實施例中:所述電壓電流采樣電路包括霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、調(diào)理電路和光耦隔離電路，所述霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器一端分別連接所述雙向儲能變流器的主功率電路另一端分別通過所述信號調(diào)理電路和所述光耦隔離電路I連接所述DSP。
[0014]本實用新型提供的第四優(yōu)選實施例中:所述功率管驅(qū)動電路包括功率放大器件和光耦隔離電路2，所述FPGA輸出與所述功率放大器件之間通過所述光耦隔離電路2進行隔離。
[0015]本實用新型提供的第五優(yōu)選實施例中:所述功率管保護電路包括光耦隔離電路3。
[0016]本實用新型提供的第六優(yōu)選實施例中:所述外圍電路包括電源電路；
[0017]所述電源電路主要為DSP和FPGA以及雙向儲能變流器中其他控制電路提供電源支撐，包括1.9V、3.3V、5V、土 15V,不同電壓之間相互隔離。
[0018]本實用新型提供的第七優(yōu)選實施例中:所述外圍電路包括時鐘電路；
[0019]所述時鐘電路包括DSP的時鐘電路和FPGA的時鐘電路，DSP的時鐘電路由30MHz的有源晶振提供，F(xiàn)PGA的時鐘電路由33MHz的有源晶振提供。
[0020]本實用新型提供的第八優(yōu)選實施例中:所述外圍電路包括開關(guān)控制電路和工作狀態(tài)判斷電路；
[0021 ] 所述開關(guān)控制電路控制連接變流器散熱風扇、指示燈以及主功率電路斷路器的開關(guān);
[0022]所述工作狀態(tài)判斷電路連接檢測所述變流器系統(tǒng)各開關(guān)的實時開合狀態(tài)。
[0023]本實用新型提供的第九優(yōu)選實施例中:所述外圍電路包括Flash存儲器、SRAM存儲器、復(fù)位電路、CAN BUS、EEPR0M、LED陣列、蜂鳴器、按鍵、撥碼開關(guān)。
[0024]本實用新型提供的一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)的有益效果包括:
[0025]1、本實用新型提供的一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，基于雙CPU搭建，將DSP強大的數(shù)據(jù)處理能力和FPGA高集成性、可重復(fù)編程性相結(jié)合，為實現(xiàn)變流器的自動化、智能化控制提供了緊湊、可靠、高實時性的硬件支持。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]如圖1所示為本實用新型提供的一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)與主功率電路連接的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]如圖2為本實用新型提供的一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]如圖3所示為本實用新型提供的一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)與主功率電路的連接的控制框圖；
[0029]如圖4所示為本實用新型提供的一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)的控制流程圖。

【具體實施方式】
[0030]下面根據(jù)附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步詳細說明。
[0031]本實用新型提供一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由圖1可知，該雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)包括DSP、FPGA、與DSP和FPGA相連接通信的外圍電路以及上位機控制模塊。DSP和FPGA兩個控制器通過16位的地址總線和19位的數(shù)據(jù)總線相連接，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，增強兩者的控制實時性，另外，DSP所有的1 口都與FPGA相連接，輸入輸出信號都經(jīng)FPGA去毛刺和削抖處理，增強了控制的準確性。
[0032]外圍電路包括電壓電流采樣電路、功率管驅(qū)動電路、功率管保護電路、上位機與下位機通信電路。電壓電流采樣電路一端連接雙向儲能變流器的主功率電路另一端連接DSP ；功率管驅(qū)動電路一端連接FPGA另一端連接雙向儲能變流器的主功率電路；功率管保護電路一端連接雙向儲能變流器的IGBT模塊另一端連接FPGA ;DSP通過上位機與下位機的通信電路與上位機控制模塊進行連接通信。
[0033]進一步的，電壓電流采樣電路測量各路電壓電流信號送至DSP進行采樣處理；功率管驅(qū)動電路對FPGA輸出的功率管PWM驅(qū)動信號進行功率放大后送至雙向儲能變流器的主功率電路；功率管保護電路采集雙向儲能變流器的IGBT模塊輸出的過流保護信號和過溫保護信號傳輸至FPGA。
[0034]如圖2所示為本實用新型提供的一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖2可知，電壓電流采樣電路包括霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、調(diào)理電路和光耦隔離電路，霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器一端分別連接雙向儲能變流器的主功率電路另一端分別通過信號調(diào)理電路和光耦隔離電路I連接DSP。霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器測量各路電壓電流信號后，輸出電壓電流值經(jīng)信號調(diào)理電路范圍限定以及光耦隔離電路I隔離后送至DSP進行采樣處理。
[0035]功率管驅(qū)動電路包括功率放大器件和光耦隔離電路2，其中FPGA輸出與功率放大器件之間加入光耦隔離電路2，防止控制電路受到主功率電路影響，增加控制電路的抗干擾能力，功率管驅(qū)動電路主要用來對FPGA輸出的功率管PWM驅(qū)動信號進行功率放大，提升系統(tǒng)的驅(qū)動能力。
[0036]功率管保護電路包括光耦隔離電路3，主要用來采集雙向儲能變流器的IGBT模塊輸出的過流保護信號和過溫保護信號，雙向儲能變流器的整流逆變模塊和升降壓模塊各輸出三路過流保護信號和一路過溫保護信號，所有的保護信號經(jīng)光耦隔離電3送入FPGA做或運算處理，任何一路保護信號的產(chǎn)生都將使FPGA向DSP發(fā)出PWM閉鎖信號，禁止功率管動作，保證變流器系統(tǒng)的安全。
[0037]DSP通過上位機與下位機的通信電路與上位機控制模塊進行連接通信，上位機與下位機的通信電路基于RS232通信協(xié)議建立，并加入濾波電路，防止干擾信號傳入。
[0038]主控制器DSP選用TI公司生產(chǎn)的C2000系列TMS320F2812PGF-176，輔助控制器FPGA 選用 ALTERA 公司生產(chǎn)的 Cyclone 系列 EP1C6024017N。
[0039]外圍電路還包括電源電路、時鐘電路、開關(guān)控制電路、工作狀態(tài)判斷電路、Flash存儲器、SRAM存儲器、復(fù)位電路、CAN BUS (Controller Area Network Bus,控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線)、EEPROM、LED陣列、蜂鳴器、按鍵、撥碼開關(guān)等功能模塊。
[0040]電源電路主要為DSP和FPGA以及雙向儲能變流器中其他控制電路提供電源支撐，包括1.9V、3.3V、5V、±15V等，不同電壓之間相互隔離，以提高整個系統(tǒng)的安全性和抗干擾性。
[0041]時鐘電路包括DSP的時鐘電路和FPGA的時鐘電路，DSP的時鐘電路由30MHz的有源晶振提供，F(xiàn)PGA的時鐘電路由33MHz的有源晶振提供。
[0042]FPGA通過開關(guān)控制電路控制變流器主功率電路的開關(guān)的工作，該開關(guān)控制電路主要連接變流器散熱風扇、指示燈以及主功率電路斷路器的開關(guān)，主要用于對變流器散熱風扇、指示燈以及主功率電路斷路器的開關(guān)控制。
[0043]FPGA通過工作狀態(tài)判斷電路檢測變流器系統(tǒng)各開關(guān)的實時開合狀態(tài)，以此判斷變流器的運行階段，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化與智能化運行。
[0044]如圖3和圖4所示分別為本實用新型提供的一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)與主功率電路的連接的控制框圖以及控制流程圖。
[0045]由圖3和圖4可知，DSP主控制器模塊主要實現(xiàn)對變流器主功率電路實時運行電壓電流值進行采樣、計算、處理，接收上位機下發(fā)的運行命令。DSP通過RS232與上位機建立雙向通信，可以實時通過上位機設(shè)置系統(tǒng)的工作狀態(tài)，工作參數(shù)以及接收系統(tǒng)回饋信息。DSP內(nèi)置16個AD轉(zhuǎn)換通道，對雙向儲能變流器的主功率電路的電壓電流信號進行采樣，采樣信號經(jīng)處理后形成反饋并與系統(tǒng)給定相比較，反饋和給定值PI運算的結(jié)果送至事件管理器，發(fā)出12路占空比可調(diào)的PWM驅(qū)動波形，其中PWM1-6用于變流器整流逆變PEBB模塊的驅(qū)動，PWM7-12用于變流器升壓降壓PEBB模塊的驅(qū)動。
[0046]FPGA輔助控制器模塊協(xié)助主控制器DSP完成對整個變流器的自動化控制。DSP輸出的PWM驅(qū)動信號首先經(jīng)過FPGA進行削抖處理，處理后PWM1-6直接輸出至接口電路，PWM7-12經(jīng)FIFO進行移相處理，用于三相交錯式升降壓模塊的驅(qū)動，以減小直流側(cè)輸出電壓電流紋波，AC/DC模塊的PWM控制信號經(jīng)FPGA消抖和去毛刺后直接輸給PEBB驅(qū)動電路，控制功率管的開斷動作，DC/DC模塊的PWM信號經(jīng)FPGA移相后驅(qū)動PEBB動作。其中AC/DC模塊PWM驅(qū)動信號由事件管理器A產(chǎn)生，DC/DC模塊PWM驅(qū)動信號由事件管理器B產(chǎn)生。FPGA還實時采集系統(tǒng)工作狀態(tài)信號，并控制主電路開關(guān)動作；當PEBB模塊產(chǎn)生過流或過溫保護信號時，保護信號首先送至FPGA，經(jīng)FPGA處理后，產(chǎn)生一個低電平觸發(fā)信號送至DSP，PDP中斷被觸發(fā)，DSP閉鎖PWM輸出，起到器件保護作用。
[0047]上位機控制模塊通過RS-232實現(xiàn)與DSP的串口通信，主要用于向DSP下發(fā)控制指令、運行參數(shù)等控制信息，并實時接收DSP上傳的變流器運行狀態(tài)及參數(shù)信息并通過界面顯示，增強系統(tǒng)的人機交互能力。具體的，上位機控制模塊通過RS-485實現(xiàn)與儲能電池BMS系統(tǒng)的串口通信，實時讀取電池電壓、充放電電流、溫度、SOC等信息并通過界面顯示；通過TCP/IP Modbus通信協(xié)議與遠端監(jiān)控系統(tǒng)通信，實現(xiàn)儲能變流器遠端控制，可以遠程控制變流器的開機、關(guān)機、暫停等運行狀態(tài)，實時設(shè)定變流器的運行參數(shù)，并讀取變流器系統(tǒng)的實時運行參數(shù)。用戶可以通過上位機界面實時控制系統(tǒng)運行模式，寫入及讀取系統(tǒng)運行參數(shù)，如輸出電壓電流設(shè)定值、實時電壓電流采樣值、PID參數(shù)等，通過上位機控制模塊可以實現(xiàn)變流器本地手動控制和遠程自動控制兩種控制模式。下位機定時向上位機發(fā)送系統(tǒng)運行電氣參數(shù)實時采樣值，通過上位機界面顯示即可以觀察系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
[0048]最后應(yīng)當說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解:依然可以對本實用新型的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本實用新型精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)字控制的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，其特征在于，所述雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)包括DSP、FPGA、與DSP和FPGA相連接通信的外圍電路以及上位機控制模塊； 所述DSP和FPGA兩個控制器通過16位的地址總線和19位的數(shù)據(jù)總線相連接，所述DSP所有的1 口都與所述FPGA相連接； 所述外圍電路包括電壓電流采樣電路、功率管驅(qū)動電路、功率管保護電路、上位機與下位機通信電路； 所述電壓電流采樣電路一端連接所述雙向儲能變流器的主功率電路另一端連接所述DSP ； 所述功率管驅(qū)動電路一端連接所述FPGA另一端連接所述雙向儲能變流器的主功率電路； 所述功率管保護電路一端連接雙向儲能變流器的IGBT模塊另一端連接所述FPGA ； 所述DSP通過所述上位機與下位機的通信電路與所述上位機控制模塊進行連接通信。
2.如權(quán)利要求1所述的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，其特征在于，所述主控制器DSP選用TI公司生產(chǎn)的C2000系列TMS320F2812PGF-176。
3.如權(quán)利要求1所述的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助控制器FPGA 選用 ALTERA 公司生產(chǎn)的 Cyclone 系列 EP1C6024017N。
4.如權(quán)利要求1所述的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓電流采樣電路包括霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、調(diào)理電路和光耦隔離電路，所述霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器一端分別連接所述雙向儲能變流器的主功率電路另一端分別通過所述信號調(diào)理電路和所述光耦隔離電路I連接所述DSP。
5.如權(quán)利要求1所述的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，其特征在于，所述功率管驅(qū)動電路包括功率放大器件和光耦隔離電路2，所述FPGA輸出與所述功率放大器件之間通過所述光耦隔離電路2進行隔離。
6.如權(quán)利要求1所述的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，其特征在于，所述功率管保護電路包括光耦隔離電路3。
7.如權(quán)利要求1所述的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，其特征在于，所述外圍電路包括電源電路； 所述電源電路主要為DSP和FPGA以及雙向儲能變流器中其他控制電路提供電源支撐，包括1.9V、3.3V、5V、土 15V,不同電壓之間相互隔尚。
8.如權(quán)利要求1所述的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，其特征在于，所述外圍電路包括時鐘電路； 所述時鐘電路包括DSP的時鐘電路和FPGA的時鐘電路，DSP的時鐘電路由30MHz的有源晶振提供，F(xiàn)PGA的時鐘電路由33MHz的有源晶振提供。
9.如權(quán)利要求1所述的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，其特征在于，所述外圍電路包括開關(guān)控制電路和工作狀態(tài)判斷電路； 所述開關(guān)控制電路控制連接變流器散熱風扇、指示燈以及主功率電路斷路器的開關(guān)； 所述工作狀態(tài)判斷電路連接檢測所述變流器系統(tǒng)各開關(guān)的實時開合狀態(tài)。
10.如權(quán)利要求1所述的雙向儲能變流器硬件控制系統(tǒng)，其特征在于，所述外圍電路包



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【文檔編號】H02J3/32GK204013276SQ201320707984
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】渠展展, 閆濤, 劉赟甲, 閆雪生 申請人:國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學研究院, 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院