基于MMC的柔性直流輸電站級控制器的設(shè)計(jì)及其動模實(shí)驗(yàn)

羅 程，趙成勇，張寶順，倪曉軍，翟曉萌，郭春義

（新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

基于MMC的柔性直流輸電站級控制器的設(shè)計(jì)及其動模實(shí)驗(yàn)

羅 程，趙成勇，張寶順，倪曉軍，翟曉萌，郭春義

（新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

站級控制器是模塊化多電平換流器柔性直流輸電控制系統(tǒng)的核心部分，與上位機(jī)、下層控制器協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電的可靠控制。對基于MMC-HVDC站級控制器主要功能進(jìn)行了分析，提出了一種站級控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并針對該硬件結(jié)構(gòu)以及功能需求設(shè)計(jì)了軟件程序邏輯。研制了基于該站級控制器的4KV/100KW的MMC-HVDC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在樣機(jī)上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)以及電壓階躍實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠正確快速進(jìn)行有功類無功類物理量的調(diào)節(jié)，并能對交流系統(tǒng)故障以及控制器通信故障進(jìn)行清除，驗(yàn)證了站級控制器硬件結(jié)構(gòu)及程序邏輯的正確性。

柔性直流輸電；模塊化多電平換流器；站級控制器；實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

0　引 言

模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）區(qū)別于以往由多個(gè)開關(guān)器件直接串聯(lián)構(gòu)成的兩電平、三電平電壓源換流器（voltage source converter，VSC）結(jié)構(gòu)［12］，采用子模塊級聯(lián)的方式有效降低了串聯(lián)絕緣柵雙級型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）器件的損耗、降低交流側(cè)諧波含量，另外這種結(jié)構(gòu)也避免了兩電平三電平電壓源換流器中大量IGBT串聯(lián)所引起的系統(tǒng)可靠性的問題［35］。

MMC結(jié)構(gòu)自提出以來，得到了廣泛的關(guān)注與研究，包括建模［67］、調(diào)制策略［810］、電容均壓［1113］、保護(hù)［14］等，在理論研究上取得了巨大進(jìn)展，而針對MMC物理系統(tǒng)及控制器的研究較少，文獻(xiàn)［15］介紹了基于南澳柔性直流輸電示范工程的背靠背大功率柔性直流輸電樣機(jī)。文獻(xiàn)［16］給出了一種柔性直流輸電閥基控制器的設(shè)計(jì)思路，并指出柔性直流輸電中的閥基控制器與傳統(tǒng)直流輸電中閥基控制設(shè)備的區(qū)別。文獻(xiàn)［17］建立了基于MOSEET的MMC樣機(jī)，采用光纖隔離測控復(fù)用電路有效地降低了光纖通道數(shù)，并且保證了全控器件觸發(fā)的可靠性，但未對站級控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。文獻(xiàn)［18］介紹了Trans Bay Cable工程的建模過程，但并未對其物理系統(tǒng)及控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

本文設(shè)計(jì)了基于MMC的柔性直流輸電站級控制器，首先分析了其基本功能，包括有功類無功類物理量控制，系統(tǒng)級保護(hù)以及與上位機(jī)、閥基控制器的數(shù)據(jù)通信。在站級控制器硬件結(jié)構(gòu)上采用數(shù)字信號處理器（digital signal processor，DSP）與現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array，EPGA）配合使用的設(shè)計(jì)方案，提高了系統(tǒng)物理控制器的控制精度，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。在軟件程序上，根?jù)兩塊芯片實(shí)現(xiàn)的功能分別進(jìn)行程序邏輯設(shè)計(jì)，比例積分（proportional-integral，PI）調(diào)節(jié)器采用離散式PI算法，有效地防止了控制中的偏差積累，另外利用DSP的外部中斷設(shè)計(jì)了快速切除故障通道，進(jìn)一步保證了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。基于該站級控制器，研制了4KV/100KW的MMCHVDC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對樣機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)以及電壓階躍實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠正確快速進(jìn)行有功類無功類物理量的調(diào)節(jié)，并能實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)故障保護(hù)以及控制器通信故障保護(hù)等功能。

1　MMC基本拓?fù)浼翱刂破骷軜?gòu)

1.1MMC基本拓?fù)?/p>

三相模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其子模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，其每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊級聯(lián)構(gòu)成，上下橋臂組成一個(gè)相單元，每個(gè)橋臂串聯(lián)一個(gè)電抗器L。

圖1　三相模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

子模塊運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)其內(nèi)部兩個(gè)IGBT器件的通斷狀態(tài)分為投入、切除和閉鎖3種：①T1導(dǎo)通T2關(guān)斷，子模塊輸出電壓為內(nèi)部電容電壓，此時(shí)為投入狀態(tài)；②T1關(guān)斷T2導(dǎo)通，子模塊對外呈現(xiàn)零電壓，此時(shí)為切除狀態(tài)；③T1與T2均閉鎖，這種工作狀態(tài)為非正常工作狀態(tài)，用于MMC啟動時(shí)向子模塊電容進(jìn)行預(yù)充電，或者用于系統(tǒng)故障時(shí)保護(hù)換流器，此時(shí)為閉鎖狀態(tài)。

1.2MMC-HVDC物理控制器架構(gòu)

MMC-HVDC物理控制可分為系統(tǒng)級控制、站級控制、閥級控制、子模塊級控制。其中系統(tǒng)級控制為MMC-HVDC控制系統(tǒng)的最高層，產(chǎn)生有功類和無功類物理量參考值作為下一層控制的輸入?yún)⒖剂?。換流器站級控制根據(jù)系統(tǒng)級控制所下發(fā)的有功和無功類物理量參考值，得到調(diào)制波，提供給下一層的閥級控制。這是MMC-HVDC系統(tǒng)控制中的核心部分，也是本文研究的主要內(nèi)容。換流器閥級控制根據(jù)站級控制生成的調(diào)制波，采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方法和電容電壓平衡控制策略生成控制命令。子模塊級控制接收來自閥級控制的命令，通過對控制命令的解碼產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，最終實(shí)現(xiàn)對子模塊IGBT的控制。

圖2　MMC-HVDC物理控制器結(jié)構(gòu)示意圖

2　站級控制器設(shè)計(jì)

2.1站級控制器基本功能

站級控制器作為控制系統(tǒng)核心部分，承擔(dān)著有功類無功類物理量的控制、系統(tǒng)級保護(hù)以及與上位機(jī)、下層控制器通信的功能。

站級控制器最基本的功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功類無功類物理量的控制，對于VSC型換流器，目前常用的控制策略主要分為間接電流控制和直接電流控制兩大類。間接電流控制是根據(jù)所控制物理量的實(shí)際測量值和參考值之間的偏差值，直接經(jīng)由PI控制器得到相應(yīng)的調(diào)制比M和移相角δ兩個(gè)物理量。直接電流控制包括外環(huán)電壓控制和內(nèi)環(huán)電流控制兩大部分。外環(huán)電壓控制根據(jù)MMC-HVDC系統(tǒng)級控制目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)定交流電壓、定無功功率、定有功功率、定直流電壓和定交流系統(tǒng)頻率等控制模式，而內(nèi)環(huán)電流控制用于實(shí)現(xiàn)交流側(cè)電流波形和相位的直接控制，以快速跟蹤參考電流。

站級控制器還承擔(dān)著系統(tǒng)保護(hù)的功能，保護(hù)主要分為兩類，一類是系統(tǒng)電氣量過限保護(hù)，另一類是控制器通信故障保護(hù)。系統(tǒng)電氣量過限包括電源側(cè)、閥側(cè)各相電壓過壓，各相電流過流，橋臂電流過流，直流電壓過壓以及直流電流過流。在站級控制器中比較交流電氣量有效值、直流電氣量平均值與設(shè)定保護(hù)值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電氣量過限保護(hù)?？刂破魍ㄐ殴收习ㄕ炯壙刂破髋c閥基控制器通信故障，閥基控制器與子模塊控制器通信故障等。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到這些故障，會通過快速切除故障通道進(jìn)行保護(hù)響應(yīng)，快速切除故障通道將在2.3節(jié)詳述。

站級控制器在運(yùn)行中需要與閥級控制以及上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，配合完成控制任務(wù)。站級控制器與閥基控制器之間通過自定義的串行通信協(xié)議進(jìn)行通信，站級控制器將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)制比M與移相角δ、橋臂電流方向、周期同步信號傳至閥基控制器，閥基控制器將子模塊電容電壓、子模塊狀態(tài)、橋臂故障類型、橋臂故障信號送至站級控制器。站級控制器與上位機(jī)之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，站級控制器將子模塊電容電壓、子模塊狀態(tài)（過溫、過壓、欠壓、IGBT故障以及通信故障）、橋臂故障類型、一次系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)（變壓器電流電壓、橋臂電流、直流電壓電流、有功功率以及無功功率）、橋臂故障信號、調(diào)制比M與移相角δ、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)傳給上位機(jī)用于顯示，上位機(jī)將有功類無功類物理量參考值、PI調(diào)節(jié)器比例與積分常數(shù)、保護(hù)整定值下發(fā)至站級控制器。

2.2站級控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，采用EPGA與數(shù)字信號處理器DSP配合進(jìn)行控制已經(jīng)成為一種趨勢。與DSP基于順序執(zhí)行指令的方式不同，EPGA是基于大規(guī)模數(shù)字電路的并行硬件實(shí)現(xiàn)［19］，可以做到實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)。

站級控制器采用DSP與EPGA配合使用的硬件架構(gòu)，其中DSP主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信及系統(tǒng)保護(hù)功能。EPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的間接/直接電流控制以及與下層閥基控制器的通信功能。EPGA采用altera公司的EP3C25E324，即圖3中的①；DSP采用TI公司的TMS320E28335，即圖3中的②；DSP與EPGA之間采用16位數(shù)據(jù)總線通信結(jié)構(gòu)。DSP與上位機(jī)的通信采用WIZnet公司的W5300芯片進(jìn)行以太網(wǎng)通信，即圖3中的③，④為以太網(wǎng)硬件接口。另外，采用RS485作為開關(guān)量通信接口，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的快速動作以及開關(guān)量狀態(tài)的及時(shí)返回，即圖3中的⑤。EPGA與下層閥基控制器間的通信依靠背板信號傳輸實(shí)現(xiàn)，圖3中的⑥為背板信號以及板級電源接口。

圖3　站級控制器電路板

2.3站級控制器程序設(shè)計(jì)

根據(jù)DSP與EPGA所實(shí)現(xiàn)功能的不同，分別進(jìn)行程序邏輯設(shè)計(jì)。DSP程序邏輯架構(gòu)如圖4所示，EPGA程序邏輯架構(gòu)如圖5所示。

圖4　DSP程序邏輯架構(gòu)

DSP在主程序中輪詢讀取EPGA數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)通信程序與上位機(jī)進(jìn)行通信，保證上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示的實(shí)時(shí)性。保護(hù)功能通過中斷實(shí)現(xiàn)，針對過電壓過電流之類的電氣量超限故障，設(shè)置定時(shí)器中斷程序，在定時(shí)器中斷程序中，對電氣量是否超限進(jìn)行檢測，為了防止保護(hù)誤動作，在程序中設(shè)置若電氣量連續(xù)超過限值兩次才會進(jìn)行保護(hù)的控制邏輯，這樣的設(shè)置有效降低了系統(tǒng)保護(hù)誤動率。針對控制器通信故障，設(shè)置外部中斷程序，將所有的控制器通信故障在EPGA中進(jìn)行或運(yùn)算，如果出現(xiàn)任意一種故障，則向DSP特定引腳發(fā)送低電平信號，監(jiān)測到低電平信號后DSP進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)動作。通過這兩種保護(hù)的相互配合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

圖5　EPGA程序邏輯架構(gòu)

EPGA主要功能是實(shí)現(xiàn)有功類無功類物理量的控制，其控制需要上位機(jī)提供的有功類無功類變量的參考值、PI調(diào)節(jié)器的比例與積分常數(shù)、由采樣芯片提供的相關(guān)電氣量的實(shí)際值，可分別通過讀取DSP下發(fā)控制量程序段以及采集電氣量計(jì)算程序段完成，經(jīng)過PI控制程序的計(jì)算，得到調(diào)制比和移相角，再經(jīng)過調(diào)制波生成程序，產(chǎn)生調(diào)制波，通過與閥基控制器的通信程序，將生成的調(diào)制波送至閥基控制器，進(jìn)行下一級控制。將PI程序計(jì)算得到的調(diào)制比和移相角直接通過與DSP的通信程序，送至DSP，進(jìn)而送至上位機(jī)顯示，用于PI控制器的調(diào)節(jié)。另外，在2.1中提到的站級控制器的保護(hù)功能中的控制器通信故障保護(hù)也需要EPGA的配合，EPGA通過采集控制器的通信情況，判斷有無故障，若存在故障，則通過置低DSP中特定引腳，實(shí)現(xiàn)DSP的外部中斷。

針對PI控制器的調(diào)節(jié)，采用離散化的增量式PI控制算法，可以有效地防止偏差積累，且易于編程實(shí)現(xiàn)［20］。

3　實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及其動模實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

基于該站級控制器的設(shè)計(jì)思想，研制了MMCHVDC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)接線如圖6所示，為降低對實(shí)驗(yàn)室電源的要求，系統(tǒng)采用環(huán)網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)，兩列均為21電平MMC換流器，每橋臂串聯(lián)22個(gè)子模塊，其中2個(gè)子模塊為熱備用，開關(guān)器件采用IGBT，兩列MMC系統(tǒng)之間通過直流電纜連接，直流線路上裝有開關(guān)。電源側(cè)設(shè)置有調(diào)壓器，可用來測試系統(tǒng)在不同電壓下的運(yùn)行工況。另外，在系統(tǒng)的交流側(cè)和直流側(cè)預(yù)留了多個(gè)外部接口，可用來進(jìn)行故障設(shè)置以及多端柔性直流輸電系統(tǒng)的擴(kuò)展。

圖6　MMC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

表1為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)一次部分參數(shù)。

表1　實(shí)驗(yàn)樣機(jī)一次部分參數(shù)

3.2雙端穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

啟動時(shí)，先對MMC系統(tǒng)的兩列分別進(jìn)行充電，待充電完畢后，切除充電電阻，再分別對兩端進(jìn)行解鎖操作使之運(yùn)行于正常工況下，此時(shí)實(shí)驗(yàn)室電源為兩端換流器提供無功功率及有功功率損耗。運(yùn)行穩(wěn)定以后，將直流線路上的開關(guān)閉合，并將其中一端切換至定有功功率模式，實(shí)現(xiàn)了功率的環(huán)網(wǎng)流動。

上位機(jī)設(shè)定直流電壓參考值為4KV輸送功率參考值為30KW，錄波設(shè)備監(jiān)測到的波形如下圖所示。圖7為定直流電壓端閥側(cè)A相交流電流波形，其測量有效值為8.62A。圖8為定有功功率端換流器出口電壓波形，系統(tǒng)為21電平，因此閥側(cè)電壓波形呈較平滑正弦波，其測量有效值為1.1KV，由于模擬量的采集未進(jìn)行濾波處理，電流電壓波形諧波含量較大。圖9為定直流電壓端測得的直流電壓波形，其值穩(wěn)定在4KV，可看出定直流電壓控制能夠很好地穩(wěn)定直流電壓。圖10為直流線路傳輸有功功率波形，其值穩(wěn)定在30KW左右，定有功功率控制效果良好。圖11為子模塊電壓波形，子模塊電壓變化平穩(wěn)，說明均壓策略的有效性。

圖7　閥側(cè)A相電流

圖8　換流器出口A相電壓

圖9　直流電壓

圖10　有功功率

圖11　子模塊電壓

3.3電壓階躍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的動態(tài)性能，對系統(tǒng)進(jìn)行直流電壓階躍實(shí)驗(yàn)。先使系統(tǒng)運(yùn)行于2KV/10KW的穩(wěn)態(tài)工況下，將定直流電壓端的直流電壓參考值從2KV階躍至2.5KV，系統(tǒng)經(jīng)過1s達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，直流電壓穩(wěn)定在2.5KV。圖12為直流電壓階躍實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖12　直流電壓階躍

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，MMC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可以有效地控制直流電壓、輸送功率并且具備一定的動態(tài)響應(yīng)能力，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的站級控制器在系統(tǒng)控制上的正確性。

4　結(jié)束語

本文針對MMC物理系統(tǒng)的站級控制器進(jìn)行了研究，并通過在樣機(jī)系統(tǒng)中對研制的站級控制器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)以及電壓階躍實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)站級控制器硬件結(jié)構(gòu)的合理性以及程序邏輯的正確性。該站級控制器在硬件結(jié)構(gòu)上采用DSP與EPGA配合的設(shè)計(jì)方案，EPGA的硬實(shí)時(shí)并行處理數(shù)據(jù)保證了控制的實(shí)時(shí)性。在軟件結(jié)構(gòu)上分別對各芯片進(jìn)行程序邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了有功類無功類物理量控制以及系統(tǒng)保護(hù)等功能，另外在保護(hù)中引入快速切除故障通道，使保護(hù)在下層控制器出現(xiàn)通信故障時(shí)也能夠迅速動作，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

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（責(zé)任編輯:楊秋霞）

The Design of Station Controller of Flexible HVDC Based on MMC and Its Dynamic Simulation Experiment

LUO Cheng，ZHAO Chengyong，ZHANG Baoshun，NI Xiaojun，ZHAI Xiaomeng，GUO Chunyi
（State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources（North China Electric Power University），Beijing 102206，China）

The station controller is the core of flexible HVDC control system for modular multilevel converter（MMC），which is coordinated with the host computer and lower controller to realize the reliable control of flexible HVDC transmission.In this paper，the main function of station controller based on MMC-HVDC is analyzed，and the hardware architecture design scheme of station controller is proposed.In addition，the software program logic is designed according to the hardware scheme and functional requirement.Furthermore，a 4k V/100k W MMC-HVDC experimental prototype based on the designed station controller is developed，on which several stability and voltage experiments are carried out.The results show that the system can quickly regulate active and reactive physical quantities， and protect system from AC system fault and controller communication fault，which verify the correctness of the designed hardware configuration and program logic of station controller.

flexible HVDC；modular multilevel converter（MMC）；station controller；experimental prototype

1007-2322（2015）02-0064-06

A

TM727

2014-04-14

羅 程（1990—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊?，E-mail：luocheng.ncepu@gmail.com；

趙成勇（1963—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹绷鬏旊?、電能質(zhì)量分析與控制等。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（SS2013 AA050105）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51177042）