胡興杰，郭家虎,2，馬修情

（1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.上海交通大學(xué)風(fēng)力發(fā)電研究中心，上海 200240）

基于MMC的輕型高壓直流輸電系統(tǒng)控制裝置設(shè)計(jì)

胡興杰1，郭家虎1,2，馬修情1

（1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.上海交通大學(xué)風(fēng)力發(fā)電研究中心，上海 200240）

介紹了MMC-HVDC輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對MMC獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行特性，研究了一種基于MMC的輕型高壓直流輸電系統(tǒng)的主從式架構(gòu)的控制裝置。該控制裝置不僅能滿足MMC系統(tǒng)對于控制算法、數(shù)據(jù)采集、脈沖分配的需要，而且具有在線配置模式、圖形化顯示、使用光纖總數(shù)少、子模塊控制器的智能型和獨(dú)立性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有效解決了系統(tǒng)上電初始化問題。對于MMC控制裝置的通信問題，設(shè)計(jì)了DMA通信方式和基于FPGA的光纖通信，實(shí)現(xiàn)了三級控制器間的高速通信。

高壓直流輸電；模塊化多電平變換器；控制裝置；通信；現(xiàn)場可編程門陣列

近年來，可再生能源發(fā)電得到了迅速發(fā)展，新能源具有分散性、小型化和遠(yuǎn)離主電網(wǎng)等特點(diǎn)，輕型高壓直流輸電系統(tǒng)(voltage source convertor-high voltage DC transmission, VSC-HVDC)是一種高可控、靈活、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性的輸電方式，可以非常有效地將這些分散電源進(jìn)行并網(wǎng)接入[1]。

電壓源換流器(VSC)是VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的核心部件。低電平VSC不能滿足HVDC輸電系統(tǒng)的高電壓等級和大容量的要求，且具有開關(guān)頻率高、輸出電壓諧波大、需要濾波器和變壓器、串聯(lián)器件存在動態(tài)均壓等問題[2]。模塊化多電平變換器(modularmultilevel converter,MMC)具有高度模塊化結(jié)構(gòu)，通過串聯(lián)的子模塊電壓疊加輸出高電壓，具有相對較低的開關(guān)頻率、容易實(shí)現(xiàn)冗余控制、分布電容式能量存儲、輸出電壓諧波含量少、無需額外變壓器和濾波器等優(yōu)點(diǎn)，可直接應(yīng)用于多驅(qū)動中高壓大功率變換場所，并且具有公共直流母線，很容易四象限運(yùn)行，適用于HVDC輸電系統(tǒng)[3-5]。

MMC控制裝置是MMC-HVDC控制系統(tǒng)的核心，由于MMC獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行特性，其控制裝置系統(tǒng)成為了難點(diǎn)。早期研究的MMC控制裝置，具有采樣通道數(shù)較多、隔離要求較高等缺點(diǎn)，不適合用于高壓大功率場合[6-7]。文獻(xiàn)[8]提出了基于DSP和FPGA的MMC控制系統(tǒng)框圖，在該結(jié)構(gòu)中所有的數(shù)據(jù)采樣由主控制器DSP完成，當(dāng)子模塊較多時(shí)將對主控制器造成嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)；文獻(xiàn)[9]研究了一臺17電平、額定功率為2MW的MMC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出在每個(gè)子模塊上安裝一個(gè)控制器，但每個(gè)子模塊和上位機(jī)之間需要三根光纖連接通信；文獻(xiàn)[10]探討了一種三級控制器的系統(tǒng)構(gòu)架，但未就控制器的硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行討論，無法指導(dǎo)工程實(shí)踐。本文研究了一種新型的主從式控制裝置的硬件設(shè)計(jì)，并就基于MMC控制裝置的通信關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論研究。

1 MMC-HVDC系統(tǒng)拓?fù)浼捌渲麟娐穮?shù)

MMC-HVDC輸電系統(tǒng)的單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。MMC系統(tǒng)拓?fù)洳捎萌嘟Y(jié)構(gòu)，每相由上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包含個(gè)子模塊和一個(gè)橋臂電感。其子模塊（SM）主要由一個(gè)IGBT半橋和一個(gè)直流電容構(gòu)成，通過IGBT開關(guān)管T1、T2的通斷，可以使子模塊處于投入、切除和閉鎖三種狀態(tài)。當(dāng)子模塊處于投入狀態(tài)時(shí)，輸出電壓為直流電容電壓Cj；子模塊處于切除狀態(tài)時(shí)，輸出電壓為0；閉鎖狀態(tài)是在子模塊出現(xiàn)故障時(shí)使用，用來保護(hù)IGBT開關(guān)管。

圖1 MMC-HVDC輸電系統(tǒng)單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC通過較多的子模塊串聯(lián)輸出高電壓，所以擁有模塊中的直流電容數(shù)量較多，且具有分散性。系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，為了維持各橋臂子模塊直流電容電壓的均衡、減小內(nèi)部環(huán)流，MMC控制裝置需采樣各子模塊直流電容電壓，根據(jù)橋臂電流的正/負(fù)，選擇電壓較低/高的子模塊插入橋臂，對該直流電容進(jìn)行充/放電。為了保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，MMC控制裝置需保證每相投入的子模塊個(gè)數(shù)是相等的。同時(shí)為了滿足算法需要，MMC控制裝置需采樣三相電壓、三相和每個(gè)橋臂(上、下橋臂)的電流。

2 MMC-HVDC輸電系統(tǒng)的控制裝置

本文設(shè)計(jì)的主電路擁有24個(gè)子模塊控制器、9個(gè)電流數(shù)據(jù)采集板和3個(gè)電壓數(shù)據(jù)采集板。MMC控制裝置系統(tǒng)需要完成主電路的三相電壓、三相以及每個(gè)橋臂的9個(gè)電流、24個(gè)子模塊的直流電容電壓及IGBT狀態(tài)信息的采樣，通過光纖傳輸給CPU核心板，由CPU核心板中的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理單元OMAPL137(主要由DSP+ARM構(gòu)成)進(jìn)行集中的數(shù)據(jù)處理，得到相應(yīng)的PWM調(diào)制波信息及其驅(qū)動狀態(tài)保護(hù)信息，各子模塊控制器獲得對應(yīng)的調(diào)制波信息，并由子模塊控制器的FPGA生成PWM脈沖驅(qū)動信號，再向其IGBT開關(guān)施加脈沖驅(qū)動信號并返還其狀態(tài)信息，從而完成一個(gè)周期的控制。

由以上分析可知，控制裝置系統(tǒng)為了滿足控制算法、數(shù)據(jù)采集、脈沖分配的需要，必須擁有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力、眾多的數(shù)據(jù)采集功能和較多的輸入輸出接口。為了保證數(shù)字采樣信號、調(diào)制波信息和驅(qū)動狀態(tài)信號傳輸過程的可靠性和實(shí)時(shí)性，并且減少各模塊間的相互干擾，需要采用光纖作為MMC控制裝置的數(shù)據(jù)傳輸媒介。

針對上述MMC對其控制裝置系統(tǒng)的要求，同時(shí)基于在線配置、圖形化顯示的思想，本文設(shè)計(jì)了一種主從式架構(gòu)的MMC控制裝置，其總體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。CPU核心板是MMC控制裝置系統(tǒng)的核心，主要由主控制器OMAPL137、輔助控制器FPGA構(gòu)成，作為控制裝置系統(tǒng)的頂層控制器；子模塊控制器、數(shù)據(jù)采集板主要基于FPGA芯片，作為控制裝置系統(tǒng)的底層控制單元。其中主控制器OMAPL137、輔助控制器FPGA和子模塊控制器構(gòu)成了MMC控制裝置的三級構(gòu)架。主控制器OMAPL137主要負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的算法控制設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、在線配置和圖形化顯示。輔助控制器FPGA負(fù)責(zé)和三相所有子模塊控制器、主電路電壓/電流數(shù)據(jù)采集板互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)接收、PWM調(diào)制波和同步信號的分配，以及子模塊控制器的統(tǒng)一保護(hù)、冗余等功能。子模塊控制器是為子模塊的獨(dú)立性控制和智能化而提出的，負(fù)責(zé)子模塊直流電容電壓的采集和發(fā)送、PWM脈沖的產(chǎn)生。數(shù)據(jù)采集板主要負(fù)責(zé)主電路的電壓、電流數(shù)據(jù)采集。下文按控制裝置的主從式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖2 控制系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)連接框圖

2.1 CPU核心板

CPU核心板是整個(gè)MMC控制系統(tǒng)的核心，主要由主控制器OMAPL137、輔助控制器FPGA、CPLD、FLASH、SDRAM等組成，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的算法控制設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、PWM調(diào)制波產(chǎn)生與分配、在線配置和人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)每個(gè)橋臂直流電容的均壓、子模塊的統(tǒng)一保護(hù)及冗余功能。其中輔助FPGA作為基準(zhǔn)時(shí)鐘和主控制器、子模塊控制器、數(shù)據(jù)采集板等建立時(shí)序關(guān)系，在每個(gè)控制周期開始時(shí)向主控制器、子模塊控制器、數(shù)據(jù)采集板發(fā)送同步信息，實(shí)現(xiàn)所有時(shí)鐘的同步。圖3為CPU核心板硬件結(jié)構(gòu)。

圖3 CPU核心板硬件結(jié)構(gòu)框圖

CPU光纖板接收子模塊控制器的數(shù)據(jù)后，經(jīng)CPU核心板的輔助控制器FPGA緩存以及數(shù)據(jù)串/并轉(zhuǎn)換后傳給主控制器中的OMAPL137，經(jīng)OMAPL137中的DSP計(jì)算后，將處理結(jié)果分別傳給輔助控制器FPGA和OMAPL137中的ARM。輔助控制器FPGA將上述DSP處理產(chǎn)生的調(diào)制波信息，通過CPU光纖板傳送給子模塊控制器。SDRAM作為OMAPL137的外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲器，用來暫存OMAPL137處理計(jì)算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息。

上述ARM的功能有2個(gè)：一是接收DSP處理結(jié)果數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，在上位機(jī)界面中以圖形的形式顯示計(jì)算，方便觀察參數(shù)變化和輸入輸出的波形；二是接收通過上位機(jī)加載的DSP程序，從而實(shí)現(xiàn)對DSP在線配置參數(shù)(比如PI參數(shù))，方便程序的調(diào)試和修改。

鑒于CPU核心板的復(fù)雜性，系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí)，各芯片的初始化程序配置和運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)接收的順序就顯得尤為重要，否則可能出現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)絮亂甚至崩潰。本文設(shè)計(jì)的CPLD有效解決了這一問題。當(dāng)CPU核心板上電后：(1)CPLD與FLASH相連，通過控制CPLD上的片選信號，來控制FLASH (FLASH主要是存放OMAPL137和FPGA的初始化配置程序信息的芯片)內(nèi)部存儲配置程序信息的分配，達(dá)到依次對OMAPL137和FPGA進(jìn)行初始化程序配置的目的；(2)CPLD與OMAPL137、輔助控制器FPGA相連，在系統(tǒng)上電一定時(shí)間后，通過CPLD可以控制OMAPL137和FPGA接收子模塊控制器、主電路電壓/電流數(shù)據(jù)采集板、FPGA等控制器數(shù)據(jù)的先后順序，在這段時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)PGA和OMAPL137均已完成初始化配置，起到了整個(gè)系統(tǒng)初始化后數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo(hù)功能。

2.2 子模塊控制器和數(shù)據(jù)采集板

2.2.1 子模塊控制器

子模塊控制器是為子模塊的獨(dú)立性控制和智能化而提出的，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由FPGA核心板、電源系統(tǒng)、電容電壓采集和光纖通信接口等組成。由于MMC對子模塊的直流電容電壓的精度和采樣時(shí)間要求不高，所以采用能滿足系統(tǒng)要求且價(jià)格相對低廉的線性光耦和12位的AD轉(zhuǎn)換芯片來檢測電壓，伴隨著子模塊的增加，成本優(yōu)勢會愈加突出。其中電源系統(tǒng)的輸入為電網(wǎng)220 V交流電，輸出為4路不同等級的直流電壓源，且相互之間無電氣上的連接，以供電容電壓采集、FPGA、光纖通訊接口和兩路IGBT驅(qū)動電路使用。

圖4 子模塊控制板硬件結(jié)構(gòu)框圖

子模塊控制器主要完成子模塊直流電容電壓的采集，并將采集的電壓數(shù)據(jù)和子模塊IGBT的驅(qū)動狀態(tài)信息傳送至CPU核心板，同時(shí)接收CPU核心板發(fā)來的同步信號和PWM脈沖波信息，生成PWM脈沖波驅(qū)動子模塊上的兩個(gè)IGBT。子模塊控制器的核心——FPGA核心板，需要完成驅(qū)動脈沖產(chǎn)生與分配、AD采樣控制、IGBT死區(qū)時(shí)間設(shè)置、并-串轉(zhuǎn)換發(fā)送和串-并轉(zhuǎn)換接收功能。子模塊直流電容0～600 V的電壓信號經(jīng)電容電壓采集電路中的電壓預(yù)處理電路、光耦檢測電路和AD轉(zhuǎn)換電路，最后轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號以供FPGA讀取。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集板

數(shù)據(jù)采集板由主電路電壓、電流數(shù)據(jù)采集板組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由FPGA核心板、電源系統(tǒng)、電壓采集和光纖通信接口等組成。主要負(fù)責(zé)主電路的電壓、電流數(shù)據(jù)采集，包括三相電壓、三相和每個(gè)橋臂(上、下橋臂)的電流，并將采集的電壓、電流數(shù)據(jù)通過光纖端口傳送至CPU核心板，同時(shí)接收CPU核心板發(fā)來的同步信號。

圖5 數(shù)據(jù)采集板硬件結(jié)構(gòu)框圖

采集板的核心——FPGA核心板，需要完成AD采樣控制、并-串轉(zhuǎn)換發(fā)送和串-并轉(zhuǎn)換接收功能。綜合考慮到控制策略對這些模擬電量的精度和實(shí)時(shí)性的要求，本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集選用電壓/電流傳感器、16位的AD轉(zhuǎn)換芯片。對于橋臂電流，考慮到可能出現(xiàn)正負(fù)兩種情況，需設(shè)計(jì)預(yù)處理電路對其電壓進(jìn)行抬升。

3 MMC控制裝置的通信

控制裝置的主從控制器數(shù)據(jù)信息正確、高效的交互通信是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。主控制器需要接收輔助控制器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)采樣信息，并向輔助控制器發(fā)送調(diào)制波信息；輔助控制器把調(diào)制波信息分配給對應(yīng)的子模塊控制器，并把子模塊控制器、數(shù)據(jù)采集板傳來的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給主控制器；子模塊控制器、數(shù)據(jù)采集板接收輔助控制器的數(shù)據(jù)信息，并向輔助控制器返還采樣的數(shù)據(jù)信息。

對于主控制器OMAPL137和輔助控制器FPGA間的信息傳遞，采用DMA方式。對于模塊間大量數(shù)據(jù)的高速傳輸，DMA是一種高效的方法。當(dāng)輔助FPGA接收完子模塊控制器和數(shù)據(jù)采集板的數(shù)據(jù)并緩存后，通過DMA接口向主控制器發(fā)出中斷請求，DMA中斷在主控制器所有中斷中具有最高優(yōu)先級，得到主控制器響應(yīng)信號后，在主控制器的存儲器和輔助控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)的傳輸由DMA接口進(jìn)行管理，而不需要主控制暫?，F(xiàn)行程序?yàn)檩o助控制器服務(wù)，DMA以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，DMA操作完成后，主控制器返回DMA操作完成信號。數(shù)據(jù)傳輸過程中不需要主控制器的參與，從而使得主控制器的效率大為提高。

輔助控制器和子模塊控制器、數(shù)據(jù)采集板之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用了異步串口通信協(xié)議，使用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸媒介，其通信速率為10Mb/s。由于光纖發(fā)送的串行數(shù)字信號是逐“位”傳輸，所以數(shù)字信號進(jìn)入和傳出光纖前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)幀封裝、并-串轉(zhuǎn)換或者串-并轉(zhuǎn)換，普通的串-并/并-串轉(zhuǎn)換芯片很難達(dá)到本設(shè)計(jì)中通信速率的要求，所以采用了FPGA進(jìn)行數(shù)字信號轉(zhuǎn)換和通訊協(xié)議的功能設(shè)計(jì)。光纖通信協(xié)議幀格式如圖6所示。

圖6 光纖通信協(xié)議幀格式

圖6(a)中，每幀數(shù)據(jù)由17位組成，分別為起始位、13位數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位和空閑位，其中CPU核心板向子模塊控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)有三種：同步信號信息、PWM脈沖信息和子模塊保護(hù)信息，所以13位數(shù)據(jù)中有2位數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)類型位；子模塊控制器向CPU核心板發(fā)送的數(shù)據(jù)為12位AD采樣數(shù)據(jù)和一位驅(qū)動狀態(tài)信息。圖6(b)中，每幀數(shù)據(jù)由20位組成，分別為起始位、16位數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位和空閑位，其中CPU核心板向主電路電壓/電流數(shù)據(jù)采集板發(fā)送的數(shù)據(jù)為同步信號信息，數(shù)據(jù)采集板向CPU核心板發(fā)送的數(shù)據(jù)為16位AD采樣數(shù)據(jù)。由以上分析可知，一對光纖即可完成CPU核心板與單個(gè)控制器全部通信數(shù)據(jù)的傳輸。

4 結(jié)論

本文研究了一種基于MMC的輕型直流輸電系統(tǒng)的主從式框架的控制裝置。此種控制裝置在滿足MMC系統(tǒng)對于控制算法、數(shù)據(jù)采集、脈沖分配等需要的同時(shí)，還具有在線配置模式、圖形化顯示、使用光纖總數(shù)少、子模塊控制器的智能型和獨(dú)立性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有效解決了系統(tǒng)上電初始化問題。對于MMC控制裝置的通信問題，設(shè)計(jì)了DMA通信方式和基于FPGA的光纖通信，實(shí)現(xiàn)了三級控制器間的高速通信。

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Controldevice design of lightHVDC transmission system based on MMC

HU Xing-jie1,GUO Jia-hu1,2,MA Xiu-qing1

The topology of the MMC-HVDC transm issionsystem was presented.As to the special structural and operating characteristics ofMMC,amaster-slave controldevice of lightHVDC transm ission system based on MMC was designed.The control device could not only meet the need of the MMC system for control algorithms,data acquisition and pulse distribution,butalso had the advantages of online configurationmode,graphic display,less fiber,high intelligence and independence of sub module controller,etc,resolving the MMC system initialization problem.For the communication problem of the MMC controlldevice,the DMA communication and the fiber communication based on FPGA were designed,realizing the high-speed communication between the three-levelcontrollers.

HVDC transm ission;modularmultilevel converter;controlldevice;communication;FPGA

TM 571

A

1002-087 X(2014)05-0935-03

2013-11-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50907001)

胡興杰(1988—)，男，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟K化多電平變流器與輕型直流輸電。