三相逆变器分布式控制体系

　　为了构建基于PEBB的电力电子分布式控制系统，除了要实现PEBB标准结构和控制功能的模块化，最重要的要使信号分布、网络接口和通信协议实现标准化，所以HM、AM和SM之间的控制权限划分是个关键问题，这决定了不同空间、时间分布的通信要求，决定了不同管理器执行的任务。

　　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。