龔青苑，姚文熙，呂征宇

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

基于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的模塊化組合變換器，如模塊化多電平變換器 MMC（modular multilevel converter）等，具有模塊化設(shè)計(jì)、輸出諧波特性好、冗余容錯(cuò)等優(yōu)點(diǎn)，適用于中、高壓場(chǎng)合[1]。然而，這類變換器含有多個(gè)子模塊SM（submodule），且每個(gè)子模塊的控制都需要高壓電氣隔離，導(dǎo)致控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為困難。

針對(duì)這類變換器的控制系統(tǒng)，已有學(xué)者提出了多種方案。其中，控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)一般可分為以下3類：①單控制器系統(tǒng)[2-3]，控制器通過(guò)光纖直接控制各個(gè)子模塊，控制較為簡(jiǎn)單，但是每路信號(hào)都需要一根光纖，不適用于模塊數(shù)較多的情況；②兩級(jí)式控制系統(tǒng)[4-5]，包含1個(gè)主控制器與多個(gè)子模塊控制器，每個(gè)子模塊都需要一個(gè)控制器，兩級(jí)式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展；③三級(jí)式控制系統(tǒng)[6-9]，包含站級(jí)、橋臂級(jí)、子模塊級(jí)3種控制器，每級(jí)控制器各承擔(dān)一部分控制任務(wù)以減輕通信壓力，可擴(kuò)展性最強(qiáng)，能夠同時(shí)控制數(shù)百個(gè)子模塊，但是控制器數(shù)量多，控制時(shí)序復(fù)雜。

本文在兩級(jí)式控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出一種子模塊分組控制的方案：每個(gè)子模塊控制器通過(guò)光耦隔離同時(shí)控制相鄰的多個(gè)子模塊，形成一個(gè)模塊組，從而減少控制系統(tǒng)所需的控制器和光纖數(shù)量。在此基礎(chǔ)上，本文提出一種從組內(nèi)多個(gè)子模塊電容取電的冗余輔助電源方案，提高控制器的供電可靠性。根據(jù)本文提出的兩級(jí)分組控制系統(tǒng)搭建一臺(tái)諧振式模塊化多電平直流變換器[10-11]RMMDC（resonant modular multilevel DC/DC converter）樣機(jī)，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證所提出控制系統(tǒng)的有效性。

1 兩級(jí)分組控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

模塊化串聯(lián)結(jié)構(gòu)變換器通過(guò)低壓子模塊的串聯(lián)來(lái)承受高壓輸入，一般由如圖1所示的單相結(jié)構(gòu)組合而成。子模塊有多種形式，最常見的為半橋子模塊，包含模塊電容CSM、開關(guān)管Q1、Q2和故障旁路開關(guān)S1。上管Q1開通、上管Q2關(guān)斷時(shí)，CSM被投入主電路；Q1關(guān)斷而Q2開通時(shí)，CSM被切除。串聯(lián)的一組子模塊被稱為一個(gè)橋臂，通過(guò)改變上下2個(gè)橋臂投入的模塊電容個(gè)數(shù)就能在橋臂的中點(diǎn)輸出交流。

針對(duì)這類變換器，本文提出一種兩級(jí)分組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)包含1個(gè)主控制器和多個(gè)子模塊控制器，每個(gè)子模塊控制器通過(guò)光耦隔離控制m個(gè)子模塊，形成一個(gè)模塊組。主控制器接收各個(gè)信號(hào)的采樣值，執(zhí)行控制算法，將驅(qū)動(dòng)占空比等控制信息編碼下發(fā)給子模塊控制器。子模塊控制器接收控制信號(hào)，解碼后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而控制各個(gè)開關(guān)管；同時(shí)，采樣組內(nèi)所有子模塊的電容電壓等信號(hào)，并將采樣結(jié)果發(fā)送回主控制器。

主控制器與子模塊控制器之間通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)通信。為了保證通信的實(shí)時(shí)性，主控制器與子模塊控制器之間采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行通信SCI（serial communication interface）。SCI是一種異步全雙工的雙線制通信協(xié)議，因此主控制器和每個(gè)子模塊控制器之間只需要連接2根光纖Tx、Rx。為了減小通信負(fù)擔(dān)，可將信號(hào)分類，實(shí)時(shí)性要求較高的信號(hào)，如故障狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)占空比等，在每個(gè)控制周期均進(jìn)行收發(fā)；實(shí)時(shí)性要求較低的信號(hào)，如開關(guān)管溫度等，拆分成多組在空閑時(shí)刻進(jìn)行收發(fā)。

與文獻(xiàn)[4-5]中每個(gè)子模塊配備一個(gè)控制器的方案相比，在相同子模塊數(shù)量的情況下，本文提出的分組控制系統(tǒng)所需的子模塊控制器和光纖的數(shù)量減少到1/m，因此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，成本更低。同時(shí)，每增加一個(gè)模塊組，系統(tǒng)的子模塊數(shù)量增加m，而只需要占用主控制器的2個(gè)I/O口，因此分組控制系統(tǒng)配置靈活，便于拓展更多的子模塊。然而，受子模塊之間隔離電壓和單個(gè)控制器硬件資源的限制，模塊組的子模塊數(shù)量m不能過(guò)大。綜合考慮各因素，后文選擇m=3進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，即每組3個(gè)半橋子模塊。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器設(shè)計(jì)

主控制器采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP（digital signal processor）與可編程門陣列 FPGA（field programmable gate array）結(jié)合的方案，主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含DSP、FPGA、以太網(wǎng)芯片、光纖收發(fā)器等。其中，DSP選用TI公司的TMS320F28377D，負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信、系統(tǒng)啟停等高層次控制；FPGA選用Intel公司CycloneⅢ系列的EP3C40F324，負(fù)責(zé)與子模塊控制器的串行通信以及執(zhí)行固定的控制算法。FPGA具有豐富的I/O口，能連接多個(gè)子模塊控制器，并且得益于內(nèi)部的并行架構(gòu)，能同時(shí)與所有子模塊控制器通信，實(shí)時(shí)性好。

DSP通過(guò)EMIF并行總線與FPGA實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。并行總線上同時(shí)擴(kuò)展有一塊以太網(wǎng)芯片，從而DSP能通過(guò)以太網(wǎng)或自帶的CAN通信將電壓、電流、子模塊運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，并能夠接收上位機(jī)的指令，從而實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 子模塊控制器設(shè)計(jì)

2.2.1 子模塊控制器結(jié)構(gòu)

子模塊控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示，其主要功能包括：與主控制器通信、子模塊信號(hào)采樣、故障監(jiān)測(cè)、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出、旁路開關(guān)控制。單個(gè)半橋子模塊正常工作所需的信號(hào)如表1所示。AD采樣信號(hào)包括電容電壓、橋臂電流和開關(guān)管溫度。其中，電容電壓用于模塊電壓均衡控制，由于電位接近，子模塊控制器可直接通過(guò)電阻分壓與運(yùn)放差分電路來(lái)采集子模塊電容電壓；橋臂電流可使用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)隔離采樣；開關(guān)管溫度可使用NTC電阻采樣。子模塊控制器輸出各個(gè)子模塊開關(guān)管Q1、Q2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)接收驅(qū)動(dòng)芯片的故障反饋信號(hào)；同時(shí)，在確認(rèn)子模塊故障后，子模塊控制器能夠通過(guò)旁路開關(guān)S1將其切除。子模塊控制器和子模塊功率電路之間的驅(qū)動(dòng)、旁路、故障反饋信號(hào)使用光耦隔離。

為實(shí)現(xiàn)高速AD采樣、串行通信、數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成等，子模塊控制器選用TI公司的DSP芯片TMS320F28335，其具有150 MHz的主頻，包含高速SCI通信模塊、6個(gè)EPWM模塊和 12路EPWM輸出、16路AD轉(zhuǎn)換通道，并且有豐富的I/O口，使用單塊芯片就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)組內(nèi)所有子模塊的采樣與控制，簡(jiǎn)化了子模塊控制器的硬件設(shè)計(jì)。

表1 單個(gè)子模塊的采樣與控制信號(hào)Tab.1 Sampling and control signals for one submodule

2.2.2 輔助供電設(shè)計(jì)

子模塊控制器采用了一種從組內(nèi)子模塊的電容取電的輔助電源方案，如圖5所示。其中，子模塊控制器與組內(nèi)第2個(gè)子模塊的電容共地，如圖5中粗線所示，因此子模塊控制器電位被固定，光耦、電源模塊只需要實(shí)現(xiàn)模塊組內(nèi)的隔離，降低了對(duì)元件所需的隔離電壓等級(jí)。每個(gè)子模塊的電容各連接一個(gè)寬輸入電壓范圍的隔離DC/DC輔助電源模塊，能從模塊電容取電并轉(zhuǎn)換為24 V輸出。這路24 V電源通過(guò)后級(jí)隔離DC/DC轉(zhuǎn)換后，給本模塊內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)芯片等供電。而從3個(gè)子模塊得到的三路隔離24 V電源并聯(lián)后給子模塊控制器供電，形成冗余配置：在其中一個(gè)或兩個(gè)模塊發(fā)生故障、電容失電的情況下，子模塊控制器仍能正常運(yùn)行，從而能夠檢測(cè)故障并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如通過(guò)旁路開關(guān)S1將故障模塊切除。因此，只要模塊組中的任一子模塊的電容電壓穩(wěn)定，子模塊控制器即可工作。并且，利用MMC冗余容錯(cuò)的特性，通過(guò)在設(shè)計(jì)主電路參數(shù)時(shí)增加幾個(gè)子模塊作為備份，那么整個(gè)系統(tǒng)在少量子模塊故障的情況下，也能通過(guò)切除故障模塊而繼續(xù)運(yùn)行，可靠性較高。

結(jié)合輔助供電設(shè)計(jì)，模塊組僅需要將功率端口接入主電路，并使用2根光纖與主控制器通信，即可按照主控制器的指令運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證兩級(jí)分組控制系統(tǒng)的可行性，搭建了一臺(tái)輸入電壓為10 kV的諧振式模塊化多電平直流變換器樣機(jī)。主電路拓?fù)淙鐖D6所示，單相MMC半橋產(chǎn)生方波電壓，接入LLC諧振腔。耦合電感La用于限制橋臂環(huán)流，不影響諧振腔的頻率特性。諧振腔由諧振電容Cr，諧振電感Lr，變壓器勵(lì)磁電感Lm組成，與傳統(tǒng)LLC諧振變換器相同。輸出側(cè)包含二極管D1—D4組成的全橋不控整流電路和濾波電容Co。樣機(jī)的具體參數(shù)見表 2。

表2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)Tab.2 Specifications for the experimental platform

樣機(jī)前級(jí)MMC的每個(gè)橋臂有18個(gè)子模塊串聯(lián)，因此整個(gè)系統(tǒng)包含36個(gè)子模塊，分為12個(gè)模塊組?？刂葡到y(tǒng)包含1個(gè)主控制器和12個(gè)子模塊控制器。主控制器電路板如圖7所示，主要包含DSP、FPGA、以太網(wǎng)芯片和多個(gè)光纖收發(fā)器。子模塊控制器與功率電路的電路板如圖8所示。子模塊控制器直接插裝在子模塊功率板上方。子模塊功率板包含6個(gè)串聯(lián)的子模塊（2個(gè)模塊組），僅通過(guò)P、N兩個(gè)端口接入主電路。每塊子模塊控制器板上包含2個(gè)獨(dú)立的子模塊控制器DSP1、DSP2。以DSP1為例，子模塊控制器通過(guò)與3個(gè)子模塊的接口J1—J3獲得供電并實(shí)現(xiàn)控制；同時(shí)，子模塊控制器通過(guò)一對(duì)光纖收發(fā)器R1/T1與主控制器通信。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)的MMC半橋采用文獻(xiàn)[12]提出的準(zhǔn)方波調(diào)制方式，上下兩橋臂的模塊交替投入，輸出近似于方波的電壓波形，通過(guò)諧振腔和變壓器降壓后，在變壓器副邊通過(guò)不控整流獲得低壓直流。同時(shí)，參考傳統(tǒng)LLC諧振電路的控制策略，通過(guò)調(diào)節(jié)MMC輸出方波的頻率來(lái)閉環(huán)控制輸出電壓。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的可行性，以3 kV輸入電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可模擬額定電壓下的運(yùn)行情況。圖9給出了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的橋臂電壓、諧振腔電壓電流以及輸出電壓波形?？梢钥闯觯趦杉?jí)控制器的配合下，橋臂輸出電壓近似為頻率10 kHz的方波，由于接近諧振點(diǎn)，諧振電流與諧振電容上電壓近似正弦。輸出直流電壓幅值為125 V左右，變換器樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了高變換比的降壓。

使用單個(gè)模塊組測(cè)試所提出的子模塊控制器輔助供電方案，如圖10（a）所示，其中，第3個(gè)子模塊由于故障被旁路。給子模塊組施加直流電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10（b）所示，可見此時(shí)控制器由第2個(gè)子模塊供電，因此電容電壓vSM2略低于vSM1。在單個(gè)模塊故障的情況下，控制器仍能獲得穩(wěn)定的24 V輔助供電vaux，因此模塊組能正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)模塊化串聯(lián)結(jié)構(gòu)的變換器，提出一種兩級(jí)分組控制系統(tǒng)：將鄰近的子模塊結(jié)合為一個(gè)模塊組，共用同一個(gè)子模塊控制器，模塊組內(nèi)通過(guò)光耦實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)隔離；并使用一個(gè)主控制器管理所有的子模塊控制器。此外，本文提出一種冗余供電的輔助電源方案，子模塊控制器從組內(nèi)多個(gè)子模塊的電容取電，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。兩級(jí)分組控制系統(tǒng)減少了控制器和光纖數(shù)量，并且實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，便于拓展更多子模塊。研制了一臺(tái)36個(gè)子模塊的樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提出控制系統(tǒng)的有效性。