一種通用型多電平變換器控制電路板的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種通用型多電平變換器控制電路板，適用于應(yīng)用在中高壓場合的H橋級聯(lián)型多電平變換器和模塊化多電平變換器等多電平結(jié)構(gòu)，其包括主控制板和多塊通過光纖與所述主控制板通信的驅(qū)動擴展板。本實用新型主控制板和驅(qū)動擴展板通過光纖實現(xiàn)電氣隔離，避免了脈沖信號在傳輸過程的電磁干擾，具有良好的控制精度和可擴展性，利于多電平變換器應(yīng)用于中高壓場合。
【專利說明】一種通用型多電平變換器控制電路板
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電力系統(tǒng)中的多電平變換器，特別是一種通用型多電平變換器控制電路板，適用于應(yīng)用在中高壓場合的H橋級聯(lián)型多電平變換器和模塊化多電平變換器等多電平結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著電力系統(tǒng)中的直流輸電、無功功率補償、電力有源濾波器的發(fā)展以及高壓大功率場合的應(yīng)用需求，多電平變換器得到了越來越多的重視，其中H橋級聯(lián)型多電平變換器采用多個H橋單元的串聯(lián)來解決開關(guān)器件的耐壓和容量限制，且各模塊相同，易于模塊化和組裝，能夠減小開關(guān)應(yīng)力，改善輸出電壓波形，采用先進成熟的脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)能夠有效的抑制和消除低次諧波。因此，H橋級聯(lián)型多電平變換器得到了廣泛的重視。同時，模塊化多電平變換器以其易擴展和模塊化設(shè)計等優(yōu)點廣受關(guān)注，能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓等級下的電能交換，與H橋級聯(lián)型多電平變換器不同的是，其具有公共直流側(cè)，使其更加適用于背靠背系統(tǒng)和輕型直流輸電。以上兩種多電平變換器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用得到了越來越多的關(guān)注。
[0003]多電平變換器開關(guān)器件多，采樣信號和控制信號多，需要采樣直流側(cè)信號，不利于應(yīng)用于中高壓場合，目前還沒有針對多電平變換器的控制電路板。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種具有良好的控制精度和可擴展性的通用型多電平變換器控制電路板，為多電平變換器應(yīng)用于中高壓場合提供便利。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型所采用的技術(shù)方案是:一種通用型多電平變換器控制電路板，包括主控制板和多塊通過光纖與所述主控制板通信的驅(qū)動擴展板；所述主控制板包括DSP、與所述DSP連接的FPGA、A/D采樣模塊；所述A/D采樣模塊與頻壓轉(zhuǎn)換模塊連接；所述頻壓轉(zhuǎn)換模塊依次通過過壓保護模塊、故障信號綜合模塊、硬件保護模塊接入輸出PWM信號和封鎖信號的電光轉(zhuǎn)換模塊；所述FPGA通過PWM信號發(fā)送模塊接入所述輸出PWM信號和封鎖信號的電光轉(zhuǎn)換模塊；所述DSP接入所述故障信號綜合模塊；所述頻壓轉(zhuǎn)換模塊、故障信號綜合模塊分別與直流電壓信號光電轉(zhuǎn)換模塊、故障信號光電轉(zhuǎn)換模塊連接；所述驅(qū)動擴展板包括分壓電路、與所述分壓電路連接的壓頻轉(zhuǎn)換模塊、故障信號發(fā)送模塊、用于接收PWM信號的光電轉(zhuǎn)換模塊、用于接收封鎖信號的光電轉(zhuǎn)換模塊；所述壓頻轉(zhuǎn)換模塊、故障信號發(fā)送模塊分別與輸出直流電壓信號的電光轉(zhuǎn)換模塊、輸出故障信號的電光轉(zhuǎn)換模塊連接。
[0006]所述主控制板上還設(shè)有與所述A/D采樣模塊連接的A/D采樣接口、與所述DSP雙向連接的串口通信模塊、與所述DSP連接的過零檢測電路、多個預(yù)留擴展口 ；所述驅(qū)動擴展板上還設(shè)有與所述分壓電路連接的直流側(cè)電壓接口以及與所述故障信號發(fā)送模塊、用于接收PWM信號的光電轉(zhuǎn)換模塊、用于接收封鎖信號的光電轉(zhuǎn)換模塊連接的開關(guān)器件驅(qū)動接口。各種接口使本實用新型的電路板具有良好的可擴展性。
[0007]所述輸出PWM信號和封鎖信號的電光轉(zhuǎn)換模塊、輸出直流電壓信號的電光轉(zhuǎn)換模塊、輸出故障信號的電光轉(zhuǎn)換模塊均采用HFBR-1412電光轉(zhuǎn)換器；直流電壓信號光電轉(zhuǎn)換模塊、故障信號光電轉(zhuǎn)換模塊、用于接收PWM信號的光電轉(zhuǎn)換模塊、用于接收封鎖信號的光電轉(zhuǎn)換模塊均采用HFBR-2412光電轉(zhuǎn)換器；所述壓頻轉(zhuǎn)換模塊、頻壓轉(zhuǎn)換模塊均采用LM331芯片；所述PWM信號發(fā)送模塊采用SN7407芯片；所述故障信號發(fā)送模塊包括用于接收開關(guān)器件故障信號的⑶4069芯片、與所述⑶4069芯片連接的⑶4071芯片、與所述⑶4071芯片連接的三極管；所述過壓保護電路包括依次連接的LM393比較器、TLP521隔離器、⑶4069芯片、⑶4071芯片；所述故障信號綜合模塊包括⑶4013鎖存器和兩塊串聯(lián)的⑶4071芯片，其中一塊⑶4071芯片與所述⑶4013鎖存器連接；所述硬件保護電路包括⑶4069芯片和與所述⑶4069芯片連接的TIL113光耦隔離器、三極管，所述TIL113光耦隔離器與所述三極管并聯(lián)。
[0008]DSP采用定點型TMS320F2812 DSP，F(xiàn)PGA芯片采用Cyclone II系列芯片EP2C5Q208。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型所具有的有益效果為:本實用新型主控制板和驅(qū)動擴展板通過光纖實現(xiàn)電氣隔離，避免了脈沖信號在傳輸過程的電磁干擾，主控制板主要承擔采樣，保護，觸發(fā)脈沖的下發(fā)等任務(wù)，驅(qū)動擴展板主要完成脈沖信號的光電轉(zhuǎn)換，直流側(cè)電壓信號的轉(zhuǎn)換和傳輸，以及模塊故障信號的傳遞，針對多電平變換器采樣信號和控制信號多的特點，本控制電路板提供了可擴展的A/D采樣接口和多路PWM信號的輸出接口，使得其應(yīng)用更具廣泛性和靈活性；DSP芯片采用定點型TMS320F2812 DSP, FPGA芯片采用Cyclone II系列芯片EP2C5Q208，充分利用了 DSP計算速度快，功耗低，性價比高等優(yōu)點，當在軟件系統(tǒng)中加入IQmath庫文件后可以進行浮點運行，大大簡化了計算程序；而FPGA具有眾多可以軟件配置的I/O 口和出色的并行處理能力，DSP和FPGA相互配合，使DSP更專注于信號實時采樣與計算處理，而FPGA發(fā)揮其并行處理能力生成多路PWM出發(fā)信號，極大地提高了系統(tǒng)效率；本控制電路板靈活外擴了數(shù)片ADI公司的高精度AD轉(zhuǎn)換芯片AD7656，其低噪聲，寬帶寬，高精度性能簡化了信號調(diào)理電路的設(shè)計，且提供并行、串行和菊花鏈接口模式，可根據(jù)需要靈活配置；本控制電路板利用光電轉(zhuǎn)換、電光轉(zhuǎn)換和多模光纖連接低電位側(cè)的主控制板和高電位側(cè)的驅(qū)動擴展板，實現(xiàn)了 PWM控制信號，狀態(tài)信號等的傳輸，同時利用壓頻轉(zhuǎn)換和頻壓轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了多電平變換器直流側(cè)電壓的隔離采樣，真正實現(xiàn)了高電位側(cè)與低電位側(cè)的電氣隔離，提高了裝置的安全性和可靠性，有利于多電平變換器在中高壓場合的應(yīng)用；本控制電路板包含了多電平變換器的開關(guān)器件的故障保護模塊，硬件邏輯保護，提高了其在故障情況下的應(yīng)對能力和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本實用新型一實施例結(jié)構(gòu)圖；
[0011]圖2是H橋級聯(lián)型多電平變換器主電路圖；
[0012]圖3是過零檢測電路原理圖；
[0013]圖4 是 AD7656 與 TMS320F2812 接口示意圖；[0014]圖5是電光轉(zhuǎn)換原理圖；
[0015]圖6是光電轉(zhuǎn)換原理圖；
[0016]圖7是直流側(cè)電壓隔離采樣框圖；
[0017]圖8電壓頻率轉(zhuǎn)換電路圖；
[0018]圖9頻率電壓轉(zhuǎn)換電路圖；
[0019]圖10是FPGA與DSP接口示意圖；
[0020]圖11是PWM信號發(fā)送模塊示意圖；
[0021]圖12是故障信號發(fā)送模塊框圖；
[0022]圖13是過壓保護模塊框圖；
[0023]圖14是故障信號綜合模塊框圖；
[0024]圖15硬件保護電路框圖。
【具體實施方式】
[0025]如圖1，本實用新型一實施例包括主控制板和多塊通過光纖與所述主控制板通信的驅(qū)動擴展板；所述主控制板包括DSP、與所述DSP連接的FPGA、A/D采樣模塊；所述A/D采樣模塊與頻壓轉(zhuǎn)換模塊連接；所述頻壓轉(zhuǎn)換模塊依次通過過壓保護模塊、故障信號綜合模塊、硬件保護模塊接入輸出PWM信號和封鎖信號的電光轉(zhuǎn)換模塊；所述FPGA通過PWM信號發(fā)送模塊接入所述輸出PWM信號和封鎖信號的電光轉(zhuǎn)換模塊；所述DSP接入所述故障信號綜合模塊；所述頻壓轉(zhuǎn)換模塊、故障信號綜合模塊分別與直流電壓信號光電轉(zhuǎn)換模塊、故障信號光電轉(zhuǎn)換模塊連接；所述驅(qū)動擴展板包括分壓電路、與所述分壓電路連接的壓頻轉(zhuǎn)換模塊、故障信號發(fā)送模塊、用于接收PWM信號的光電轉(zhuǎn)換模塊、用于接收封鎖信號的光電轉(zhuǎn)換模塊；所述壓頻轉(zhuǎn)換模塊、故障信號發(fā)送模塊分別與輸出直流電壓信號的電光轉(zhuǎn)換模塊、輸出故障信號的電光轉(zhuǎn)換模塊連接。
[0026]下面結(jié)合附圖以H橋級聯(lián)型多電平變換器作為無功補償器為例對本實用新型做進一步說明。
[0027]H橋級聯(lián)型多電平變換器結(jié)構(gòu)如附圖2所示，H橋級聯(lián)型多電平變換器通過連接電抗器與電網(wǎng)相連，通過改變多電平變換器交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位就可以是該變換器吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，從而實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。控制電路板通過采樣輸出電流信號和各級聯(lián)單元直流側(cè)電壓信號，經(jīng)過一系列控制算法的運算，最終實現(xiàn)對多電平變換器直流側(cè)電壓和輸出無功電流的控制。
[0028]圖2為H橋級聯(lián)型多電平變換器主電路圖，以每相由兩個H橋單元級聯(lián)為例，則三相系統(tǒng)共有6個H橋單元，采用本實用新型所述控制電路板時，整個控制系統(tǒng)由一塊主控制板和6塊驅(qū)動擴展板構(gòu)成，即每個H橋單元需配備一塊驅(qū)動擴展板。下面按功能模塊介紹本實用新型控制電路板各部分工作原理。
[0029](I)過零檢測電路
[0030]如圖3所示，過零檢測電路實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓過零的捕獲，既可以檢測電網(wǎng)相電壓過零點，也可以檢測線電壓過零點，該部分的作用主要是給整個控制系統(tǒng)提供一個同步信號。電網(wǎng)電壓經(jīng)電壓互感器后經(jīng)RC濾波器濾除高頻諧波，再經(jīng)反并聯(lián)二極管Dl、D2限幅，接至比較器LM393的負輸入端，比較器正輸入端接地，LM393的輸出經(jīng)上拉電阻后接到DSP外部中斷引腳，DSP檢測引腳上的跳變信號即捕獲到電網(wǎng)電壓的過零點，考慮到電網(wǎng)電壓的擾動，將比較器設(shè)計為遲滯比較電路，其滯后量由R2和R3決定。為了彌補由RC濾波器和遲滯比較導(dǎo)致的相位滯后可在DSP控制程序中加入相位補償校正。
[0031](2)A/D采樣模塊
[0032]此模塊主要實現(xiàn)對交流側(cè)電流和多電平變換器直流側(cè)電壓的采樣，針對多電平變換器采樣信號的特點，本模塊可擴展數(shù)片AD芯片AD7656，AD7656與DSP2812的接口設(shè)計如附圖4所示，可根據(jù)需要采樣的信號數(shù)量合理外擴AD芯片。DSP地址線經(jīng)譯碼電路后實現(xiàn)對AD7656的片選，AD芯片的BUSY信號經(jīng)譯碼電路綜合后送往DSP，DSP輸出啟動轉(zhuǎn)換信號CONVST啟動采樣。AD采樣數(shù)據(jù)由DSP的數(shù)據(jù)總線進行讀取。
[0033](3)電光轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換模塊
[0034]該兩部分模塊主要實現(xiàn)電信號和光信號之間的轉(zhuǎn)換，為高電位側(cè)與低電位側(cè)實現(xiàn)完全電氣隔離提供服務(wù)。電光轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換模塊分別如附圖5、圖6所示，分別采用美國Avago Technologies 公司的 TX HFBR-1412TZ 電光轉(zhuǎn)換器和 RX HFBR-2412TZ 光電轉(zhuǎn)換器。
[0035](4)壓/頻轉(zhuǎn)換模塊、頻/壓轉(zhuǎn)換模塊
[0036]壓/頻轉(zhuǎn)換模塊、頻/壓轉(zhuǎn)換模塊主要針對多電平變換器的子模塊直流側(cè)電壓采樣而設(shè)計。如附圖7、圖8、圖9所示，實現(xiàn)方法為直流側(cè)電壓經(jīng)精密電阻Ra、Rb分壓后，得到滿足壓/頻轉(zhuǎn)換模塊輸入范圍的電壓值，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換得到與電壓值成比例的頻率信號，頻率信號再經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為光信號，由多模光纖傳輸給主控制板，主控制板將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再由頻壓轉(zhuǎn)換模塊還原為電壓信號，送入AD采樣模塊完成對直流側(cè)電壓隔離采樣。
[0037](5) PWM信號的生成和發(fā)送
[0038]FPGA和DSP兩者配合完成PWM信號的生成，DSP生成調(diào)制波信號，F(xiàn)PGA以一定頻率向DSP產(chǎn)生一個中斷，中斷來臨時DSP通過GPIO 口將調(diào)制波數(shù)據(jù)下發(fā)給FPGA，F(xiàn)PGA在其內(nèi)部產(chǎn)生多路三角波信號，三角波與DSP下發(fā)的調(diào)制波進行比較產(chǎn)生多路PWM信號。DSP與FPGA的接口設(shè)計如附圖10所示。PWM信號的發(fā)送模塊如附圖11所示，因FPGA驅(qū)動能力較弱，不足以可靠驅(qū)動后級電光轉(zhuǎn)換電路，因此必須經(jīng)SN7407驅(qū)動后再送給電光轉(zhuǎn)換模塊。
[0039](6)故障信號發(fā)送模塊
[0040]該部分位于驅(qū)動擴展板上，主要完成對開關(guān)器件故障信號的發(fā)送，如附圖12所示，開關(guān)器件的故障信號經(jīng)⑶4069進行邏輯轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)⑶4071進行開關(guān)器件故障的綜合，再由三極管2N5551功率放大后送給電光轉(zhuǎn)換模塊。
[0041](7)保護電路
[0042]保護電路主要包括過壓保護模塊，故障信號綜合模塊，硬件保護模塊等，分別如附圖13、圖14、圖15所示。過壓保護針對多電平變換器直流側(cè)電壓保護設(shè)計，故障信號綜合是對多電平變換器的子模塊故障，過壓信號和DSP輸出保護信號進行綜合。當直流側(cè)電壓過壓或子模塊故障或DSP輸出軟件保護時，硬件保護進行PWM脈沖封鎖，輸出跳閘信號等。在主控制板上由RX HFBR-2412TZ光電轉(zhuǎn)換器分別接收驅(qū)動擴展板發(fā)送的故障信號。由于故障輸出故障信號是一電脈沖，為了準確捕獲到這個脈沖，使用鎖存器CD4013在故障脈沖到來時進行鎖存并輸出一穩(wěn)定高電平，經(jīng)或門CD4071進行邏輯綜合形成總的開關(guān)器件故障信號，該信號與直流側(cè)過壓保護信號，DSP輸出保護信號綜合形成總故障信號，總的故障信號經(jīng)邏輯轉(zhuǎn)換后，經(jīng)三極管2N5551功率放大后送給電光轉(zhuǎn)換模塊，由多模光纖傳輸給驅(qū)動擴展板封鎖開關(guān)器件，同時經(jīng)TIL113光電隔離后驅(qū)動繼電器跳閘。
【權(quán)利要求】
1.一種通用型多電平變換器控制電路板，其特征在于，包括主控制板和多塊通過光纖與所述主控制板通信的驅(qū)動擴展板；所述主控制板包括DSP、與所述DSP連接的FPGA、A/D采樣模塊；所述A/D采樣模塊與頻壓轉(zhuǎn)換模塊連接；所述頻壓轉(zhuǎn)換模塊依次通過過壓保護模塊、故障信號綜合模塊、硬件保護模塊接入輸出PWM信號和封鎖信號的電光轉(zhuǎn)換模塊；所述FPGA通過PWM信號發(fā)送模塊接入所述輸出PWM信號和封鎖信號的電光轉(zhuǎn)換模塊；所述DSP接入所述故障信號綜合模塊；所述頻壓轉(zhuǎn)換模塊、故障信號綜合模塊分別與直流電壓信號光電轉(zhuǎn)換模塊、故障信號光電轉(zhuǎn)換模塊連接；所述驅(qū)動擴展板包括分壓電路、與所述分壓電路連接的壓頻轉(zhuǎn)換模塊、故障信號發(fā)送模塊、用于接收PWM信號的光電轉(zhuǎn)換模塊、用于接收封鎖信號的光電轉(zhuǎn)換模塊；所述壓頻轉(zhuǎn)換模塊、故障信號發(fā)送模塊分別與輸出直流電壓信號的電光轉(zhuǎn)換模塊、輸出故障信號的電光轉(zhuǎn)換模塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用型多電平變換器控制電路板，其特征在于，所述主控制板上還設(shè)有與所述A/D采樣模塊連接的A/D采樣接口、與所述DSP雙向連接的串口通信模塊、與所述DSP連接的過零檢測電路、多個預(yù)留擴展口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用型多電平變換器控制電路板，其特征在于，所述驅(qū)動擴展板上還設(shè)有與所述分壓電路連接的直流側(cè)電壓接口以及與所述故障信號發(fā)送模塊、用于接收PWM信號的光電轉(zhuǎn)換模塊、用于接收封鎖信號的光電轉(zhuǎn)換模塊連接的開關(guān)器件驅(qū)動接□。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3之一所述的通用型多電平變換器控制電路板，其特征在于，所述輸出PWM信號和封鎖信號的電光轉(zhuǎn)換模塊、輸出直流電壓信號的電光轉(zhuǎn)換模塊、輸出故障信號的電光轉(zhuǎn)換模塊均采用HFBR-1412電光轉(zhuǎn)換器；直流電壓信號光電轉(zhuǎn)換模塊、故障信號光電轉(zhuǎn)換模塊、用于接收PWM信號的光電轉(zhuǎn)換模塊、用于接收封鎖信號的光電轉(zhuǎn)換模塊均采用HFBR-2412光電轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的通用型多電平變換器控制電路板，其特征在于，所述壓頻轉(zhuǎn)換模塊、頻壓轉(zhuǎn)換模塊均采用LM331芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?3之一所述的通用型多電平變換器控制電路板，其特征在于，所述PWM信號發(fā)送模塊采用SN7407芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1?3之一所述的通用型多電平變換器控制電路板，其特征在于，所述故障信號發(fā)送模塊包括用于接收開關(guān)器件故障信號的⑶4069芯片、與所述⑶4069芯片連接的⑶4071芯片、與所述⑶4071芯片連接的三極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用型多電平變換器控制電路板，其特征在于，所述過壓保護電路包括依次連接的LM393比較器、TLP521隔離器、⑶4069芯片、⑶4071芯片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用型多電平變換器控制電路板，其特征在于，所述故障信號綜合模塊包括⑶4013鎖存器和兩塊串聯(lián)的⑶4071芯片，其中一塊⑶4071芯片與所述⑶4013鎖存器連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用型多電平變換器控制電路板，其特征在于，所述硬件保護電路包括⑶4069芯片和與所述⑶4069芯片連接的TIL113光耦隔離器、三極管，所述TIL113光耦隔離器與所述三極管并聯(lián)。
【文檔編號】G08C23/06GK203537247SQ201320721612
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】羅安, 劉愛文, 劉奇, 何志興, 劉雷, 徐千鳴, 黎小聰 申請人:湖南大學(xué)