MMC型高压直流输电系统控制对策探讨

杨乐新

(江苏师范大学 连云港校区，江苏 连云港 222006)

数字化智能技术发展背景下，人们对可再生能源发电作出新规划，新能源以其自身体积小、远离主电网，具有分散性的优势，高压直流输电系统(High-voltage direct current transmission system)可控性突出，自身灵活、环保、成本小，是发展前景广阔的一种输电方式，可将分散新电源并网接入〔1〕。而VSC(电压源换流器)是低电平高压直流输电系统核心，而高压直流输电系统度高电压等级及容量要求严格，低电平VSC无法满足。且系统开关频率高、输出电压谐波大，需滤波器、变压器、串联器等应用。而MMC(模块化多电平变换器)自身模块化结构突出，以串联子模块电压叠加可输出高电压，且开关频率低、可实现冗余控制，输出电压谐波少，无需变压器、滤波器支持，可直接应用到各大多驱动高压大功率变换场所，适用于HVDC系统〔2〕。

1 MMC-HVDC拓扑结构及控制对策

1.1 拓扑结构

MMC-HVDC输电系统单端拓扑结构如图1所示，系统拓扑围殴三相结构，上下两桥臂组成各个相，各个桥臂包含n个子模块和一个桥臂电感。子模块(SM)由IGBT半桥及直流电容构成，以IGBT开关控制T1、T2通断，确保子模块可在投入、切除、闭锁状态切换。子模块投入，此时输出电压为的直流电容电压Ucj，子模块切除，无输出电压，子模块闭锁多用于故障解决使用，以闭锁保护开关〔3〕。

1.2 控制对策

MMC正常运行时，各SM输出Ucj和0电平电压值，通过科学控制算法，使SM输出电压叠加，交流侧以近似正弦多电平电压输出。MMC直流侧电压分为上桥臂和下桥臂电压，只有确保各个相单元投入状态的SM数量为n，才能确保直流侧电压稳定〔4〕。MMC以多个子模块串联输出高电压，拥有模块直流电容数量较多，呈现出分散性特点。系统运作，为确保不同桥臂子模块直流电压均衡性，需以控制设备提前对子模块电容电压采样分析，了解电流实际情况。最终，针对电流的正负，按照实际情况选择较低/高电压子模块，再加入桥臂，对电容充/放电。MMC控制装置要保证 各个子模块数量一致，为满足算法，MMC需对三相电压采样，对各个桥臂电流采样〔5〕。

图1 MMC-HVDC拓扑结构

2 MMC-HVDC输电系统组成及工作原理

2.1 组成

文章设计的MMC-HVDC主电路由子模块控制器(24个)、电流数据采集板(9个)及电压数据采集板(3个)共同组成。MMC控制装置完成电路电压、各个桥臂电流及子模块直流电容电压、IGBT状态信息采样，以光纤方式传输到CPU核心板，而CPU由DSP和ARM构成的OMAPL137数据运算单元则对数据及时分析，得到PWM调制波信息及驱动状态保护数据，子模块获取调制波，控制器 EPGA生成PWM脉冲驱动信号，传递给IGBT开关，施加信号后返还状态信息，完成整个控制。

1)CPU

CPU是MMC核心，由主控制器OMAP137、辅助控制器FPGA等组成，控制系统算法、数据运算、PWM调制波产生分配、人机交互、桥臂电容均压及冗余控制。而辅助FPGA则主要作用为记录时间，类似基准时钟，和主控制器、子模块控制器、数据采集板等有必要联系，存在时序关系。不同控制器运行后，向主控器、子模块控制器、数据采集板及时反馈信息，时钟时间保证同步，对应CPU结构如图2所示。

图2 CPU核心硬件结构图

CPU接收到控制器信号后，及时作出反映，对应辅助控制器FPGA进行缓存，通过数据串、并方式转换，最终传递给主监控器。将DSP计算后，计算结果传递给FPGA、OMAPL137的ARM。辅助控制器将DSP的调制波信息以CPU光纤传递到子模块控制器。 其中，ARM功能有：(1)其接收DSP后对数据进行分析，完成后将各项数据信息反馈上位机，在上位机的显示界面上落实运算，便于观察运算的整个过程，了解参数变化就输入输出波形。(2)通过上位机自身的DSP，可在线上对DSP的参数配置，便于操作人员对程序调整。

CPU核心板具有复杂性，系统上电运行，芯片初始化程序及数据接受顺序直接关系到系统能够稳定运行，避免系统数据紊乱、崩溃。因此，设计的CPLD就可有效解决此问题，CPU上电后，一方面，CPLD和FLASH(存放OMAPL137及FPGA的初始化程序信息芯片)联系，控制CPLD片选信号，实现对FLASH控制，并对内部的储存配置程序分配。另一方面，CPLD和OMAPL137、FPGA连接，系统上电后，以CPLD控制OMAPL137、FPGA完成初始配置，确保系统初始化数据传输的稳定性。

2)子模块控制器

子模块控制器为独立控制，硬件结构如图3。

图3 子模块控制器硬件结构

MMC对子模块电容电压精度、采样时间无严格要求，可采用满足要求的廉价线性光耦及12位AD转换芯检测电压。其中，电源系统输入普通电网(220V交流电)，输出4路直流电压源，不同路对应的等级也不同，相互无电气连接，确保电容电压采集及光纤通讯接口等使用。

子模块控制器完成电压采集，将数据和自身IGBT驱动状态信息传送到CPU，接收CPU传递的同步信号及PWM脉冲波信息，生成IGBT。

3)数据采集板

主电路电压、电流数据采集板共同组成数据采集板。结构上为FPGA核心板、电源、电压采集及光纤接口。数据采集板负责电路电压、电流数据采集，也就是对三相电压、各桥臂电流采集，将数据通过光纤传输给CPU，接收CPU同步信号。采集板FPGA核心板同样需落实AD采样控制，实现科学控制的同时需实现并-串转换发送及接收。实际操作中要考虑到模拟电量的精准控制及时效性，设计数据的收集主要通过电压/电流传感器、AD转换芯片(16位)完成。在桥臂电流处理上，要考虑到电流的正负，设计对电路预处理，抬升电压，满足需求。

2.2 工作原理

MMC-HVDC工作为分层控制结构，控制可靠。从上到下实现系统控制、极控制及阀组控制(如图4)。其中，极控制层传送调制比M及移相角到MMC-HVDC控制系统最底层控制，也就是阀组控制层，阀组控制层含有环流抑制、调制及电容电压平衡控制，产生触发脉冲触发换流器阀子模块。

图4 MMC-HVDC控制系统示意图

3 MMC控制装置通信

要保证系统运行稳定，必须保证主从控制器数据正确，通信高效。主控器接受辅控器数据采样信息，向辅控器传递调制波信息。

主控器OMAPL137及辅控器FPGA以DMA方式传递信息。以DMA方式可使数据在模块间快速传输。辅助FPGA接受子模块控制器及数据采集板数据储存后，以DMA接口发出中断请求，DMA中断应放在所有中断最优先级，主控器响应后，主控器储存器及辅控器数据传输，以DMA接口处理，无需主控器暂停运行，DMA以数据块单元实现信息传输，操纵后，主控器返回DMA，完成数据传输，整个过程中，无需主控器参与，可大大提高通讯效率。

辅控器及子模块控制器、数据采集板的数据传输，以异步串口通信协议支持，以光纤为媒介，通讯达到10Mb/s。光纤发送串行数字信号，逐位传输，数字信号进入光纤、传出光纤，需对数据帧封装，而传统串-并/并-串芯片无法满足设计中高效通讯需求，故采用FPGA实现数字信号转换。

4 结束语

文章设计分析了一种通过MMC辅助，确保自身稳定的直流输电系统的主从框架控制装置，采用该系统装置，其控制算法、信息分析、脉冲产生及分配等均可有效完成，且其以信息技术为支持，拥有在线配置、图形具象化功能，系统设计所需光纤量较少，成本低，效率高，子模块控制器独立性突出，可有效解决系统上电初始化，具有广泛推广价值。