MMC型高壓直流輸電系統(tǒng)控制對(duì)策探討

楊樂新

(江蘇師范大學(xué) 連云港校區(qū)，江蘇 連云港 222006)

數(shù)字化智能技術(shù)發(fā)展背景下，人們對(duì)可再生能源發(fā)電作出新規(guī)劃，新能源以其自身體積小、遠(yuǎn)離主電網(wǎng)，具有分散性的優(yōu)勢(shì)，高壓直流輸電系統(tǒng)(High-voltage direct current transmission system)可控性突出，自身靈活、環(huán)保、成本小，是發(fā)展前景廣闊的一種輸電方式，可將分散新電源并網(wǎng)接入〔1〕。而VSC(電壓源換流器)是低電平高壓直流輸電系統(tǒng)核心，而高壓直流輸電系統(tǒng)度高電壓等級(jí)及容量要求嚴(yán)格，低電平VSC無(wú)法滿足。且系統(tǒng)開關(guān)頻率高、輸出電壓諧波大，需濾波器、變壓器、串聯(lián)器等應(yīng)用。而MMC(模塊化多電平變換器)自身模塊化結(jié)構(gòu)突出，以串聯(lián)子模塊電壓疊加可輸出高電壓，且開關(guān)頻率低、可實(shí)現(xiàn)冗余控制，輸出電壓諧波少，無(wú)需變壓器、濾波器支持，可直接應(yīng)用到各大多驅(qū)動(dòng)高壓大功率變換場(chǎng)所，適用于HVDC系統(tǒng)〔2〕。

1 MMC-HVDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制對(duì)策

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC-HVDC輸電系統(tǒng)單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)拓?fù)鋰鷼嘟Y(jié)構(gòu)，上下兩橋臂組成各個(gè)相，各個(gè)橋臂包含n個(gè)子模塊和一個(gè)橋臂電感。子模塊(SM)由IGBT半橋及直流電容構(gòu)成，以IGBT開關(guān)控制T1、T2通斷，確保子模塊可在投入、切除、閉鎖狀態(tài)切換。子模塊投入，此時(shí)輸出電壓為的直流電容電壓Ucj，子模塊切除，無(wú)輸出電壓，子模塊閉鎖多用于故障解決使用，以閉鎖保護(hù)開關(guān)〔3〕。

1.2 控制對(duì)策

MMC正常運(yùn)行時(shí)，各SM輸出Ucj和0電平電壓值，通過(guò)科學(xué)控制算法，使SM輸出電壓疊加，交流側(cè)以近似正弦多電平電壓輸出。MMC直流側(cè)電壓分為上橋臂和下橋臂電壓，只有確保各個(gè)相單元投入狀態(tài)的SM數(shù)量為n，才能確保直流側(cè)電壓穩(wěn)定〔4〕。MMC以多個(gè)子模塊串聯(lián)輸出高電壓，擁有模塊直流電容數(shù)量較多，呈現(xiàn)出分散性特點(diǎn)。系統(tǒng)運(yùn)作，為確保不同橋臂子模塊直流電壓均衡性，需以控制設(shè)備提前對(duì)子模塊電容電壓采樣分析，了解電流實(shí)際情況。最終，針對(duì)電流的正負(fù)，按照實(shí)際情況選擇較低/高電壓子模塊，再加入橋臂，對(duì)電容充/放電。MMC控制裝置要保證 各個(gè)子模塊數(shù)量一致，為滿足算法，MMC需對(duì)三相電壓采樣，對(duì)各個(gè)橋臂電流采樣〔5〕。

圖1 MMC-HVDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 MMC-HVDC輸電系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 組成

文章設(shè)計(jì)的MMC-HVDC主電路由子模塊控制器(24個(gè))、電流數(shù)據(jù)采集板(9個(gè))及電壓數(shù)據(jù)采集板(3個(gè))共同組成。MMC控制裝置完成電路電壓、各個(gè)橋臂電流及子模塊直流電容電壓、IGBT狀態(tài)信息采樣，以光纖方式傳輸?shù)紺PU核心板，而CPU由DSP和ARM構(gòu)成的OMAPL137數(shù)據(jù)運(yùn)算單元?jiǎng)t對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)分析，得到PWM調(diào)制波信息及驅(qū)動(dòng)狀態(tài)保護(hù)數(shù)據(jù)，子模塊獲取調(diào)制波，控制器 EPGA生成PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，傳遞給IGBT開關(guān)，施加信號(hào)后返還狀態(tài)信息，完成整個(gè)控制。

1)CPU

CPU是MMC核心，由主控制器OMAP137、輔助控制器FPGA等組成，控制系統(tǒng)算法、數(shù)據(jù)運(yùn)算、PWM調(diào)制波產(chǎn)生分配、人機(jī)交互、橋臂電容均壓及冗余控制。而輔助FPGA則主要作用為記錄時(shí)間，類似基準(zhǔn)時(shí)鐘，和主控制器、子模塊控制器、數(shù)據(jù)采集板等有必要聯(lián)系，存在時(shí)序關(guān)系。不同控制器運(yùn)行后，向主控器、子模塊控制器、數(shù)據(jù)采集板及時(shí)反饋信息，時(shí)鐘時(shí)間保證同步，對(duì)應(yīng)CPU結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CPU核心硬件結(jié)構(gòu)圖

CPU接收到控制器信號(hào)后，及時(shí)作出反映，對(duì)應(yīng)輔助控制器FPGA進(jìn)行緩存，通過(guò)數(shù)據(jù)串、并方式轉(zhuǎn)換，最終傳遞給主監(jiān)控器。將DSP計(jì)算后，計(jì)算結(jié)果傳遞給FPGA、OMAPL137的ARM。輔助控制器將DSP的調(diào)制波信息以CPU光纖傳遞到子模塊控制器。 其中，ARM功能有：(1)其接收DSP后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成后將各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息反饋上位機(jī)，在上位機(jī)的顯示界面上落實(shí)運(yùn)算，便于觀察運(yùn)算的整個(gè)過(guò)程，了解參數(shù)變化就輸入輸出波形。(2)通過(guò)上位機(jī)自身的DSP，可在線上對(duì)DSP的參數(shù)配置，便于操作人員對(duì)程序調(diào)整。

CPU核心板具有復(fù)雜性，系統(tǒng)上電運(yùn)行，芯片初始化程序及數(shù)據(jù)接受順序直接關(guān)系到系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，避免系統(tǒng)數(shù)據(jù)紊亂、崩潰。因此，設(shè)計(jì)的CPLD就可有效解決此問(wèn)題，CPU上電后，一方面，CPLD和FLASH(存放OMAPL137及FPGA的初始化程序信息芯片)聯(lián)系，控制CPLD片選信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH控制，并對(duì)內(nèi)部的儲(chǔ)存配置程序分配。另一方面，CPLD和OMAPL137、FPGA連接，系統(tǒng)上電后，以CPLD控制OMAPL137、FPGA完成初始配置，確保系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2)子模塊控制器

子模塊控制器為獨(dú)立控制，硬件結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 子模塊控制器硬件結(jié)構(gòu)

MMC對(duì)子模塊電容電壓精度、采樣時(shí)間無(wú)嚴(yán)格要求，可采用滿足要求的廉價(jià)線性光耦及12位AD轉(zhuǎn)換芯檢測(cè)電壓。其中，電源系統(tǒng)輸入普通電網(wǎng)(220V交流電)，輸出4路直流電壓源，不同路對(duì)應(yīng)的等級(jí)也不同，相互無(wú)電氣連接，確保電容電壓采集及光纖通訊接口等使用。

子模塊控制器完成電壓采集，將數(shù)據(jù)和自身IGBT驅(qū)動(dòng)狀態(tài)信息傳送到CPU，接收CPU傳遞的同步信號(hào)及PWM脈沖波信息，生成IGBT。

3)數(shù)據(jù)采集板

主電路電壓、電流數(shù)據(jù)采集板共同組成數(shù)據(jù)采集板。結(jié)構(gòu)上為FPGA核心板、電源、電壓采集及光纖接口。數(shù)據(jù)采集板負(fù)責(zé)電路電壓、電流數(shù)據(jù)采集，也就是對(duì)三相電壓、各橋臂電流采集，將數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸給CPU，接收CPU同步信號(hào)。采集板FPGA核心板同樣需落實(shí)AD采樣控制，實(shí)現(xiàn)科學(xué)控制的同時(shí)需實(shí)現(xiàn)并-串轉(zhuǎn)換發(fā)送及接收。實(shí)際操作中要考慮到模擬電量的精準(zhǔn)控制及時(shí)效性，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的收集主要通過(guò)電壓/電流傳感器、AD轉(zhuǎn)換芯片(16位)完成。在橋臂電流處理上，要考慮到電流的正負(fù)，設(shè)計(jì)對(duì)電路預(yù)處理，抬升電壓，滿足需求。

2.2 工作原理

MMC-HVDC工作為分層控制結(jié)構(gòu)，控制可靠。從上到下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制、極控制及閥組控制(如圖4)。其中，極控制層傳送調(diào)制比M及移相角到MMC-HVDC控制系統(tǒng)最底層控制，也就是閥組控制層，閥組控制層含有環(huán)流抑制、調(diào)制及電容電壓平衡控制，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖觸發(fā)換流器閥子模塊。

圖4 MMC-HVDC控制系統(tǒng)示意圖

3 MMC控制裝置通信

要保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，必須保證主從控制器數(shù)據(jù)正確，通信高效。主控器接受輔控器數(shù)據(jù)采樣信息，向輔控器傳遞調(diào)制波信息。

主控器OMAPL137及輔控器FPGA以DMA方式傳遞信息。以DMA方式可使數(shù)據(jù)在模塊間快速傳輸。輔助FPGA接受子模塊控制器及數(shù)據(jù)采集板數(shù)據(jù)儲(chǔ)存后，以DMA接口發(fā)出中斷請(qǐng)求，DMA中斷應(yīng)放在所有中斷最優(yōu)先級(jí)，主控器響應(yīng)后，主控器儲(chǔ)存器及輔控器數(shù)據(jù)傳輸，以DMA接口處理，無(wú)需主控器暫停運(yùn)行，DMA以數(shù)據(jù)塊單元實(shí)現(xiàn)信息傳輸，操縱后，主控器返回DMA，完成數(shù)據(jù)傳輸，整個(gè)過(guò)程中，無(wú)需主控器參與，可大大提高通訊效率。

輔控器及子模塊控制器、數(shù)據(jù)采集板的數(shù)據(jù)傳輸，以異步串口通信協(xié)議支持，以光纖為媒介，通訊達(dá)到10Mb/s。光纖發(fā)送串行數(shù)字信號(hào)，逐位傳輸，數(shù)字信號(hào)進(jìn)入光纖、傳出光纖，需對(duì)數(shù)據(jù)幀封裝，而傳統(tǒng)串-并/并-串芯片無(wú)法滿足設(shè)計(jì)中高效通訊需求，故采用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)分析了一種通過(guò)MMC輔助，確保自身穩(wěn)定的直流輸電系統(tǒng)的主從框架控制裝置，采用該系統(tǒng)裝置，其控制算法、信息分析、脈沖產(chǎn)生及分配等均可有效完成，且其以信息技術(shù)為支持，擁有在線配置、圖形具象化功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需光纖量較少，成本低，效率高，子模塊控制器獨(dú)立性突出，可有效解決系統(tǒng)上電初始化，具有廣泛推廣價(jià)值。