СПОСОБ И СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ СЕТИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
METHOD AND SYSTEM OF WIRELESS CONTROL OF SWITCHING DEVICES IN POWER SUPPLY NETWORK

Область техники
Настоящее изобретение относится к связи между контроллером силовой электроники и сетью полупроводниковых переключающих устройств большой мощности. В частности, оно относится к беспроводной связи с множеством силовых преобразователей, также известных как электронные частотные преобразователи, и к синхронизации указанного множества силовых преобразователей.
Уровень техники
Сети энергоснабжения наиболее часто функционируют при номинальных и постоянных напряжении и частоте. Присоединение определенных типов оборудования, таких как, например, генераторы, выдающих электроэнергию с переменным напряжением и/или частотой, может быть осуществлено с использованием электронных частотных преобразователей, также известных как силовые преобразователи. Для работы силовых преобразователей существуют различные способы генерации стробирующих переключающих сигналов, одним из которых является известный способ прямого управления крутящим моментом (Direct torque control, DTC), а другим является хорошо известный способ ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Силовые преобразователи могут быть выполнены так, чтобы обеспечивать возможность управления переменной выдаваемой энергией и преобразования ее в допустимую входную энергию сети энергоснабжения с постоянными номинальными характеристиками. Например, ветрогенераторы, как правило, выдают электроэнергию, зависящую от скорости ветра таким образом, что по мере изменения скорости ветра происходят изменения напряжения и частоты на выходе генератора. Например, для управления и переключения таких переменных источников электроэнергии может быть предусмотрены силовые ШИМ преобразователи, таким образом, что результирующая энергия на входе в сеть энергоснабжения соответствует ее номинальным постоянным напряжению и частоте.
Способ переключения силовых преобразователей описан в международной публикации WO 2006/039823, озаглавленной «Система передачи сигналов для активации силового полупроводникового переключателя и преобразователь, оснащенный системой передачи сигналов такого типа» и принадлежащей ABB Research Ltd. WO 2006/039823 описывает систему передачи сигналов, служащую для активации по меньшей мере одного силового полупроводникового переключателя (S1, S2, Sn), начиная от контроллера (11). От контроллера (11) может быть передан по меньшей мере один управляющий сигнал в по меньшей мере один модулятор (М1, М2, …, Mn) через по меньшей мере один первый путь (3) передачи. Публикация раскрывает, что силовому ШИМ преобразователю может быть передан беспроводной управляющий сигнал и/или задающий сигнал, используя канал оптического сигнала.
Патентный документ US 2008284252, озаглавленный «Способы управления для синхронизации и фазового сдвига для широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для силовых преобразователей» принадлежащий Converteam Tech. Ltd., описывает способ управления множеством силовых преобразователей 1a, 1b и 1c, который может быть использован для взаимодействия с питающей сетью, шиной переменного тока и т.п. Каждый силовой преобразователь содержит сетевой мост 14, работающий в соответствии с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и имеющий один и тот же период переключения. Способ включает обеспечение периода переключения каждого сетевого моста с различным временным смещением относительно исходного момента времени таким образом, что по меньшей мере одна нежелательная гармоника напряжения питающей сети по меньшей мере частично подавляется. Другими словами, различные синхронизирующие сигналы посылаются различным преобразователям, и эти синхронизирующие сигналы используются для локального смещения временного модуля каждого преобразователя.
Технической проблемой таких реализации является то, что связь между контроллером и каждым преобразователем требует очень быстрого канала связи с задержкой всего в несколько микросекунд µs. Альтернативно, локальные временные модули каждого преобразователя должны быть в высшей степени точным в течение длительного периода времени для поддержания достаточной точности вплоть до нескольких микросекунд, что рождает как технические проблемы, так и проблемы стоимости.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является устранение одной или более из вышеупомянутых проблем.
Данное раскрытие описывает использование беспроводной связи между контроллером силовой электроники и сетью полупроводниковых переключающих устройств большой мощности. Управляющие решения передаются из контроллера в виде беспроводных пакетов, адресованных отдельным переключателям или группам переключателей. В контексте системы связи, контроллер называется ведущим устройством, а отдельное переключающее устройство или группа переключающих устройств называется ведомым устройством или узлом. Беспроводной эфирный интерфейс и протокол спроектированы так, что беспроводные пакеты могут быть переданы только в точно определенных временных интервалах (слотах) в периодически повторяющихся временных кадрах. Пакеты могут содержать номер временного интервала, и также могут содержать более неточную временную информацию, такую как номер кадра. Таким образом, во всех узлах может поддерживаться общая мера времени с временным разрешением по меньшей мере таким же хорошим, как разрешение с точностью до границ временного интервала, определенное в беспроводном эфирном интерфейсе.
Пакеты, содержащие переключающие решения «включение/выключение» предпочтительно также содержат информацию о моменте (моментах) времени в будущем, когда должно произойти переключение. Управляющий алгоритм может иметь существенно более длинную продолжительность цикла, чем продолжительность цикла, требуемая для временного разрешения «включение/выключение».
Предпочтительное использование варианта реализации настоящего изобретения состоит в использовании беспроводной связи между контроллером силовой электроники и некоторым количеством переключающих устройств большой мощности, например, в силовых преобразующих устройствах. Такие преобразователи обычно содержат модуль переменного тока/постоянного тока (AC/DC), например, выпрямитель, и один или большее количество модулей постоянного тока/переменного тока (DC/AC), например, инверторов. Каждый выпрямитель или инвертор содержат полупроводниковые устройства большой мощности, например IGCT тиристоры (коммутируемые по затвору запираемые тиристоры), которые могут быть включены и выключены по желанию. Обычно присутствуют высокие напряжения и большие токи.
Управляющий алгоритм в результате дает последовательность решений, указывающих отдельным переключателям (таким как силовые преобразователи) включиться или выключиться в определенные моменты времени. Управляющие решения передаются из контроллера в виде беспроводных пакетов, адресованных отдельным переключателям (например, преобразователям) или группам переключателей. Точная синхронизация управляющих сигналов включения/выключения является обязательным требованием для минимизации потерь мощности и предотвращения повреждения оборудования, вызванного чрезмерно большими токами. Требуемая точность во времени находится в пределах 1 микросекунды (µs).
Прежде всего, использование беспроводной связи экономит на монтаже кабелей связи, которые подвержены старению. Беспроводная связь также предусматривает гальваническую развязку между контроллерами и устройствами, которые находятся под высоким напряжением. Это также облегчает реконфигурацию схемы силового преобразователя. Между узлами и контроллером может быть установлена общая мера времени для всех узлов. Дополнительно, отделение точного хронометража от временных характеристик управляющего алгоритма и применение точных временных характеристик, присущих беспроводным протоколам с временными интервалами (слотами), обеспечивает техническое решение, которое уменьшает эксплуатационные требования как к контроллеру, так и к временным характеристикам транзакций этих беспроводных протоколов.
Краткое описание чертежей
Более полное понимание способа и системы согласно настоящему изобретению может быть получено со ссылкой на следующее подробное описание, рассмотренное совместно с сопроводительными чертежами.
Фиг.1 (область техники) изображает схематическую блок-схему известной системы ШИМ управления несколькими силовыми преобразователями.
Фиг.2 изображает схему, где
под вар. 2 раскрыт способ управления множеством преобразователей, в котором передача управляющих сигналов выполняется беспроводным образом, и каждый локальный беспроводной узел синхронизирован согласно варианту реализации настоящего изобретения;
под вар.3 раскрыто изобретение согласно вар.1 и, в частности, альтернативный способ передачи управляющих сигналов, в котором обработка управляющих сигналов выполняется локально согласно варианту реализации настоящего изобретения; и
под вар.4 раскрыто изобретение согласно вар.1 и, в частности, альтернативный способ передачи управляющих сигналов, в котором управляющие параметры содержатся в управляющих сигналах, которые локально обрабатываются согласно другому варианту реализации настоящего изобретения.
Фиг.3 изображает блок-схему сети энергоснабжения согласно варианту реализации настоящего изобретения, изображенному под вар. 2 на фиг.2.
Осуществление изобретения
Фиг.1 (уровень техники) иллюстрирует известный способ широтно-импульсной модуляции (ШИМ), использующийся в полупроводниковых устройствах большой мощности, таких как силовые преобразователи. На фигуре показана группа силовых преобразователей Г сети энергоснабжения. Контроллер (не показан) генерирует два входных сигнала 6 и 7. Сигнал 6 является опорным сигналом и соответствует желаемому выходному напряжению или току преобразователей при переключении, обычно является синусоидальным сигналом. Сигнал 7 представляет собой несущий сигнал, обычно является сигналом пилообразной формы.
На фигуре изображены основные элементы генерации для контроллера силовой электроники. Контроллер генерирует два сигнала
- опорный сигнал 6, также называемый модулирующим сигналом s(t). Он определяет желаемую форму выходного сигнала силового преобразователя, который обычно представляет собой синусоидальную волну регулируемой частоты. Управляющие параметры СР, поданные извне, например, из источника сети энергоснабжения, в контроллер определяют указанный опорный сигнал, и содержат:
(i) Частоту (например, 50 Гц, или переменную, например, 200 Гц),
(ii) Амплитуду, обычно задаваемую в виде коэффициента модуляции (=амплитуде опорного сигнала/амплитуде несущего сигнала).
- несущий сигнал 7. Он обычно представляет собой сигнал пилообразной формы с высокой «частотой переключения», например, 5 кГц.
i
i
Эти два сигнала поступают в компаратор 8. Моменты времени t когда несущий сигнал пересекает модулирующий сигнал, определяют стробирующие переключающие сигналы, которые будут генерироваться согласно схеме управления, представляющей собой, например, ШИМ; в момент времени t в преобразователь направляется стробирующая переключающая команда (также называемая «командой включения/выключения» или «пусковым импульсом»). Последовательность переключающих команд для силовых электронных ключей в преобразователе обеспечивает желаемую выходную мощность. Временная точность переключающих команд должна быть порядка микросекунд (µs). Возможностями для распределения логики между контроллерами и следующей из нее связью между ведущим устройством и ведомыми устройствами в порядке уменьшения требований к скорости каналов связи являются следующие.
i
Способ, изображенный в уровне техники вар. 1, известен из международной публикации WO 2006/039823, раскрывающей централизованное определение управляющих сигналов, используя очень высокоскоростную линию связи. Ведущее устройство выполняет ШИМ генерацию и передает переключающие команды непосредственно в ведомые устройства в моменты времени t переключения. Это выполняется в централизованной архитектуре (11, фиг.1), обычно через оптический кабель. Этот способ может называться асинхронным, так как он не требует синхронизации ведомых устройств: ведомое устройство принимает команду от ведущего устройства в точности в момент времени, когда оно должно подать (направить) фактическую переключающую команду для ключей этого модуля. С другой стороны, этот способ из уровня техники требует очень быстрого канала связи с задержкой в несколько микросекунд.
Согласно варианту реализации аспекта настоящего изобретения, существует некоторое количество улучшенных возможностей связи для модульных преобразователей.
1-4
Фиг.2 изображает архитектурное решение согласно варианту реализации настоящего изобретения в виде модульного преобразователя 20, состоящего из нескольких преобразовательных модулей 1-4. Ведущий контроллер 10 передает управляющие сигналы в ведомые контроллеры. Ведомый контроллер совмещен с преобразовательным модулем 1-4 и снабжен возможностями осуществления связи, как показано на фиг.2 в виде беспроводных узлов N, и осуществления обработки, а каждый локальный или ведомый контроллер предпочтительно непосредственно соединен с силовыми электронными ключами своего модуля.
Силовые выходы преобразовательных модулей соединены для достижения желаемой обшей выходной мощности. Таким образом, переключающие команды для ключей всех модулей должны быть синхронизированы с точностью до нескольких микросекунд.
Возможностями для распределения логики между контроллерами и следующей из нее связью между ведущим устройством и ведомыми устройствами в порядке уменьшения требований к скорости каналов связи являются следующие.
i
1-4
i
Согласно другому варианту реализации, вар. 2, кодированные переключающие команды описаны следующим образом. Ведущее устройство или контроллер 10 выполняет ШИМ, дающую в результате значение t. Он кодирует это значение или, возможно, несколько последовательных значений, в цифровом сообщении и передает это сообщение ведомому устройству N. Ведомое устройство подает переключающую команду для своих ключей в момент времени t основываясь на своем локальном временном модуле. Канал связи может быть медленнее, но при этом требуется, чтобы ведомые устройства синхронизировали свои временные модули с точностью в несколько микросекунд. (Здесь могут быть проблемы с задержкой, делающие сложным этот вариант).
Множественный доступ с разделением по времени (TDMA) является предпочтительным протоколом связи для беспроводной связи ведущее устройство - ведомое устройство. Для каждого ведомого устройства для связи между ведомым и ведущим устройствами выделены установленные периодические временные интервалы (слоты). Это гарантирует детерминированный режим работы передачи данных. Например, протокол беспроводной радиосвязи от ABB под названием WISA (Wireless Interface for Sensors and Actuators, Беспроводной интерфейс к датчикам и исполнительным механизмам) использует TDMA.
Варианты 2-4 требуют синхронизации временных модулей ведомых устройств. Источник [6] предлагает выполнение такой синхронизации, используя преимущества временного поведения, предусмотренного в протоколе TDMA.
Беспроводной эфирный интерфейс и протокол спроектированы так, что беспроводные пакеты могут быть переданы только в точно определенные временные интервалы в периодически повторяющихся временных кадрах или временной сетке. Определенное количество временных интервалов образует синхронизирующий кадр. Ведущее устройство (контроллер) является ведущим устройством в плане задания временных характеристик. Все или некоторые из пакетов из ведущего устройства содержат номер временного интервала, и могут также содержать более неточную временную информацию, такую как, например, номер кадра.
1-4
Предполагается, что каждый узел N имеет локальный таймер и определенную возможность проведения обработки. Узел использует временную информацию, включенную во все беспроводные пакеты, приходящие от ведущего устройства, даже если они не адресованы самому узлу. Каждый раз, когда узел обнаруживает пакет, он корректирует свой внутренний таймер. Для поддержания желаемого разрешения во времени частоты отдельных временных модулей в узлах не должны отклоняться более чем на заданную величину в интервале между такими корректировками. Это может быть достигнуто как при помощи более дорогого кварцевого генератора в узле, так и более частыми корректировками в виде пакетов из ведущего устройства.
Для последнего варианта, если обычные пакеты для принятия решений являются слишком редкими, могут быть вставлены с регулярными интервалами пустые пакеты; самое большее один пакет в каждый временной интервал. Таким путем может поддерживаться общее представление времени во всех узлах с разрешением во времени по меньшей мере таким же хорошим, как и точность до границ временного интервала, часто в диапазоне +/- половины бита или продолжительности символа, включенного в беспроводной эфирный интерфейс. Заданный узел может поддерживать это системное время независимо от того, как часто и в каких временных интервалах прибывают его собственные управляющие пакеты.
Схема на фиг.3 изображает последовательность действий для выполнения указанного способа. Она показывает следующие этапы:
1
4
30 - контроллер 10 передает пакеты данных в ведомые устройства или узлы N-N, расположенные локально по отношению к каждому преобразователю 1-4
32 - локальный узел обрабатывает полученную передачу, адресованную указанному узлу или не адресованную ему, выделяет временную синхронизирующую информацию и обновляет локальный временной блок
33 - локальный узел обрабатывает полученную передачу и обрабатывает любые управляющие сигналы, адресованные указанному узлу
i
35 - локальный узел отправляет переключающий сигнал в преобразователь в момент времени t
На этапе 33 временная синхронизирующая информация может быть извлечена из пакета данных различными способами; из кода синхронизации, номера временного интервала, номера кадра или комбинации любых из них.
Управляющие пакеты должны содержать управляющую информацию для переключения «включение/выключение» также, как и информацию о моменте (моментах) времени в ближайшем будущем, когда должно произойти переключение. Из-за того, что точное соответствие времени может поддерживаться отдельно, как описано выше, управляющий замкнутый цикл должен поддерживать только режим решений «включение/выключение», который обычно является гораздо более щадящим.
Примером беспроводного протокола является вышеупомянутый протокол беспроводной радиосвязи WISA (Wireless Interface for Sensors and Actuators, Беспроводной интерфейс к датчикам и исполнительным механизмам) от ABB. Ведущее устройство WISA передает пакеты один за другим почти непрерывно. Пакеты адресованы конкретным узлам или являются пустыми пакетами. Это обеспечивает разрешение во времени вплоть до +/- 0,5 микросекунд, между тем как пакеты в любой конкретный узел могут передаваться в условиях миллисекунд, например, каждые ~2 мс.
k
1-4
i
Согласно другому предпочтительному варианту реализации связь может осуществляться, как показано под вар. 3. Вариант 3 на фиг.2 описывает передачу опорного сигнала (тип распределенной ШИМ 1): отсчеты опорного сигнала s периодично передаются посредством многоадресной передачи из ведущего устройства или контроллера 10 в ведомые устройства, допустим, раз в мс. Учитывая этот опорный сигнал, каждое ведомое устройство N может использовать локально сгенерированную несущую для определения момента t переключения. Этот многоадресный канал связи может быть даже еще медленнее, но при этом снова требуется синхронизация ведомых устройств.
Согласно другому предпочтительному варианту реализации используется еще один способ связи: вар. 4, вариант 4, в котором происходит передача управляющих параметров (распределенная ШИМ 2). Когда опорный сигнал может быть описан при помощи небольшого количества медленно изменяющихся управляющих параметров СР (таких как коэффициент модуляции), ведущий контроллер может передать эти параметры по медленному каналу связи. Затем ШИМ генерация полностью выполняется в ведомых устройствах, которые должны быть синхронизированы. Связь может осуществляться по медленному каналу, но этот вариант является менее гибким, чем вариант 3.
Контроллер 10 может быть соединен с узлом беспроводной ЛВС (локальной вычислительной сети) и/или другим типом беспроводного узла, выполняющего любой протокол радиосвязи, подходящий для промышленного применения, такой как любой стандарт, выпущенный Специальной группой по технологии Bluetooth, любой вариант IEEE-802.11, WiFi, UWB (ultra wide band, сверхширокополосная связь), ZigBee или IEEE-802.15.4, IEEE-802.13 или эквивалентный, или аналогичный им. Может быть предпочтительна технология радиосвязи в диапазоне ISM (industrial, scientific and medical, промышленный, научный и медицинский) со средствами существенного подавления интерференции (помех), например, с помощью технологии расширения спектра. Беспроводная связь также может осуществляться, используя оптические каналы, включая, например, инфракрасные (ИК) средства и протоколы, такие как IrDA, IrCOMM или подобные. Беспроводная связь также может осуществляться, используя магнитное взаимодействие или электростатическое взаимодействие. Беспроводная связь в ИК диапазоне может осуществляться, например, при помощи эфирного способа, также известного как технология диффузной передачи в ИК диапазоне.
Способы вариантов реализации, таких как на фиг.3, как описано выше и в других частях этого описания, могут выполняться при помощи компьютерных приложений, содержащих элементы компьютерных программ или программный код, который, будучи загружен в процессор или компьютер, обеспечивает выполнение этапов способа компьютером или процессором.
Функции способов для синхронизации временных модулей и для обработки переключающих сигналов и выработки переключающих сигналов могут выполняться при помощи функций цифровой обработки, алгоритмов и/или при помощи аналоговых компонентов или аналоговых схем или при помощи комбинации как цифровых, так и аналоговых функций. Аналогично, способы могут выполняться, используя конфигурируемые компоненты аппаратного обеспечения, такие как одна или более схем FPGA (field programmable gate array, программируемая пользователем вентильная матрица). Могут быть также использованы другие типы аппаратного обеспечения, такие как программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) или специализированная интегральная микросхема (специализированная ИС).
Способы настоящего изобретения могут, как ранее описано, выполняться с помощью одной или более компьютерных программ, содержащих элементы компьютерных программных кодов или участки программного кода, которые обеспечивают выполнение компьютером указанного способа, используя уравнения, алгоритмы, данные, сохраненные значения и вычисления, описанные ранее. Часть этих программ может быть сохранена в процессоре, как указано выше, но также и в ПЗУ, ОЗУ, ППЗУ, ЭППЗУ или ЭСППЗУ микросхеме или аналогичных запоминающих устройствах. Программа частично или целиком может также храниться на или в другом подходящем считываемом компьютером носителе, таком как магнитный диск, магнито-оптическое запоминающее устройство, в энергозависимом запоминающем устройстве, во флеш-памяти, как программа прошивки, хранящаяся на сервере данных или в одном или более массиве серверов данных. Могут также быть использованы другие известные и подходящие носители информации, включая съемные накопители, такие как флеш-карты и другая съемная флеш-память, накопители с жестким диском и т.п.
Ссылки
[2] Никола Селанович, Люк Мейсенк, Мйкл Мазур, Пол Рудольф, «Система передачи сигналов для активации силового полупроводникового коммутатора и преобразователь, оснащенный системой передачи сигналов такого типа». Патентная заявка, ABB Research, WO 2006/039823, дата приоритета 04.10.2005.
[3] Стефан Брехот, Франсуа Коста, «Привод затвора БТИЗ высокой мощности при помощи беспроводной передачи данных», CES/IEEE Пятая международная конференция по силовой электронике и управлению движением, IPEMC 2006, 14-16 августа 2006 г.
[5] «АРЕС 2209: Беспроводное управление IGBT», Power Electronics Europe, выпуск 3,2009.
Следует заметить, что хотя служащие примером варианты реализации настоящего изобретения описаны выше, существуют различные изменения и модификации, которые могут быть сделаны в раскрытом решении без выхода за объем настоящего изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения. Таким образом, настоящее изобретение может быть применено относительно электронных частотных преобразователей различных типов, и управляться согласно различным управляющим способам, которые не ограничиваются ШИМ или DTC. В частности, настоящее изобретение не ограничивается использованием только беспроводных протоколов TDMA, но может применяться с использованием любых беспроводных протоколов, обеспечивающих передачу информации, которая может быть использована для обеспечения временной синхронизации.