MMC控制系統(tǒng)時序邏輯與子模塊故障監(jiān)測

羅 程，趙成勇，張寶順，倪曉軍，翟曉萌，郭春義

（華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206）

0 引言

模塊化多電平換流器MMC（Modular Multilevel Converter）是2001年由德國慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學(xué)的Rainer Marquardt提出，它區(qū)別于以往由多個開關(guān)器件直接串聯(lián)構(gòu)成的兩電平、三電平電壓源換流器VSC（Voltage Source Converter）結(jié)構(gòu)，采用子模塊（SM）級聯(lián)的方式，這種方式可有效降低IGBT器件的損耗和交流側(cè)諧波含量，這種模塊化結(jié)構(gòu)也使得系統(tǒng)更易于擴(kuò)展［1-4］。

自MMC結(jié)構(gòu)提出以來，國內(nèi)外對其進(jìn)行了大量的理論研究，包括其建模、調(diào)制策略、電容均壓、環(huán)流等［5-12］，取得了很大進(jìn)展。針對MMC物理系統(tǒng)及控制器，文獻(xiàn)［13］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)，分析了采用注入增強(qiáng)柵晶體管（IEGT）的優(yōu)勢。文獻(xiàn)［14］建立了基于MOSFET的49電平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，但文中沒有對如何可靠監(jiān)測子模塊的各類故障進(jìn)行說明。文獻(xiàn)［15］給出了一種柔性直流輸電閥基控制器VBC（Valve Base Controller）的設(shè)計思路，并指出傳統(tǒng)直流輸電中的閥基控制設(shè)備與柔性直流輸電中VBC的區(qū)別，但是針對MMC這種多級控制器系統(tǒng)，沒有給出VBC與上層站級控制器以及底層子模塊控制器SMC（Sub-Module Controller）之間協(xié)同工作的方法。文獻(xiàn)［16］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。

本文提出一種控制器同步方法：頂層控制器通過背板總線同時向6個橋臂上的VBC發(fā)送方波同步信號，VBC在檢測到方波信號的上升沿后同時開始一個新的控制周期，繼而向各自橋臂上的所有SMC發(fā)送光纖同步信號，再結(jié)合合理的時序邏輯關(guān)系，通過這種自上而上、分級同步的方法實現(xiàn)了系統(tǒng)3級控制器的配合。針對子模塊過電壓以及欠電壓故障的監(jiān)測，采用硬件模擬電路檢測是否出現(xiàn)過電壓或欠電壓，再通過軟件短時延時算法來判斷故障是否持續(xù)，實現(xiàn)了子模塊過電壓以及欠電壓故障的可靠監(jiān)測，防止了故障保護(hù)系統(tǒng)由于硬件模擬電路的誤差出現(xiàn)誤動。

1 MMC及其物理模擬系統(tǒng)

1.1 MMC基本拓?fù)?/h3>

三相MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其內(nèi)部子模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，其每個橋臂由N個子模塊級聯(lián)構(gòu)成，上下橋臂合起來組成一個相單元，每個橋臂上有一個電抗器L；O為等效中性點；圖1的虛線框中為子模塊結(jié)構(gòu)，iSM和uSM分別為子模塊的電流和電壓，C0為子模塊內(nèi)部電容。

圖1 三相模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of three-phase MMC

子模塊運行狀態(tài)可以根據(jù)其內(nèi)部2個IGBT器件的通斷狀態(tài)分為投入、切除和閉鎖3種：

a.VT1導(dǎo)通、VT2關(guān)斷，子模塊對外呈現(xiàn)其內(nèi)部電容電壓，此時為投入狀態(tài)；

b.VT1關(guān)斷、VT2導(dǎo)通，子模塊對外呈現(xiàn)零電壓，此時為切除狀態(tài)；

c.VT1與VT2均閉鎖，這種工作狀態(tài)為閉鎖狀態(tài)，其為非正常工作狀態(tài)，用于MMC啟動時向子模塊電容進(jìn)行預(yù)充電，或者在發(fā)生系統(tǒng)故障時保護(hù)換流器。

1.2 MMC物理模擬系統(tǒng)

MMC物理模擬系統(tǒng)接線如圖2所示。為了降低對實驗室電源的要求，系統(tǒng)采用互拖式的運行結(jié)構(gòu)，2列均為21電平MMC系統(tǒng)，換流器每橋臂串聯(lián)22個子模塊，其中2個子模塊為熱備用；2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)在不同電壓下的運行工況；在系統(tǒng)的交流側(cè)和直流側(cè)預(yù)留了多個外部接口，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。

通過多個開關(guān)間的配合，本系統(tǒng)可開展多種實驗。

a.斷開 QS2，閉合 QF1、QS1、QSa1、QFa1、KMa8、KMa9、KMb8、KMb9、QFb1、QSb1，通過操作 KMb2/3/4可進(jìn)行MMC高壓直流輸電MMC-HVDC（Modular Multilevel Converter High Voltage Direct Current）給無源負(fù)載供電的實驗。

b.閉合 KMa8、KMa9、KMb8、KMb9以及 QS2，系統(tǒng)處于雙端運行狀態(tài)，此時可進(jìn)行兩端MMC環(huán)網(wǎng)運行實驗，用以研究MMC特性。處于這種運行狀態(tài)下時，有功功率只會在兩端換流站和直流線路之間環(huán)形流動，不經(jīng)過實驗室電源，實驗室電源提供的有功量只包含兩端換流站的有功損耗。

c.閉合KMa2/3/4中任意單個或多個開關(guān)，可以研究MMC在交流系統(tǒng)出現(xiàn)電壓不平衡或者短路時的運行工況。

d.閉合KM1、KM2中的1個或2個，可以分別研究MMC-HVDC單極直流短路故障以及雙極直流短路故障。

2 控制系統(tǒng)及其時序邏輯

2.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

本文采用分級控制結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)的控制劃分為3級，即站級控制器、VBC、SMC。其中站級控制器根據(jù)上位機(jī)所給參考量和實時采樣數(shù)據(jù)產(chǎn)生調(diào)制比及移相角，形成正弦電壓參考波，并完成與上位機(jī)的通信；VBC根據(jù)站級控制器產(chǎn)生的參考波，并結(jié)合環(huán)流抑制策略及均壓排序策略來產(chǎn)生各個子模塊所需的觸發(fā)脈沖；SMC根據(jù)VBC所產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖實現(xiàn)對全控器件的可靠觸發(fā)。

圖2 MMC物理模擬系統(tǒng)Fig.2 Physical simulation system of MMC

站級控制器的功能由數(shù)字信號處理器（DSP）與現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）協(xié)同實現(xiàn)。其中DSP負(fù)責(zé)主控芯片F(xiàn)PGA與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信以及系統(tǒng)控制保護(hù)的功能，主控芯片F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)正弦電壓參考波的生成。FPGA和DSP之間通過16位的地址總線和16位的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信，DSP與上位機(jī)之間通過以太網(wǎng)總線進(jìn)行通信。VBC的功能由FPGA實現(xiàn)，負(fù)責(zé)產(chǎn)生各個子模塊所需的觸發(fā)脈沖，并完成VBC與站級控制器的數(shù)據(jù)通信。SMC的功能由復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）實現(xiàn)，負(fù)責(zé)全控器件的可靠觸發(fā)、子模塊信息的采集以及與VBC的數(shù)據(jù)通信?？刂葡到y(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Architecture of control system

2.2 控制系統(tǒng)時序邏輯

MMC物理系統(tǒng)需要多級控制器協(xié)同工作，由于各個控制模塊功能不同，所選芯片也不盡相同，其晶振或電路參數(shù)之間的差異會引起控制系統(tǒng)的誤差。VBC與SMC采用不同的芯片，它們分別工作在各自的時鐘下，互不影響。基于此，本文提出以下控制系統(tǒng)時序邏輯：

a.站級控制器向6個VBC同時發(fā)送10 kHz的方波信號作為同步信號，使整個系統(tǒng)工作在以站級控制器為統(tǒng)一基準(zhǔn)的固定周期下，即1個控制周期為 100 μs；

b.當(dāng)VBC檢測到同步信號的上升沿時，開始1個控制周期，VBC計時模塊清0，并開始計時；

c.當(dāng) VBC計時模塊計時至 1 μs時，VBC向SMC發(fā)送同步數(shù)據(jù)幀，當(dāng)SMC收到同步幀時，SMC計時模塊清0，并開始計時；

e.當(dāng)VBC計時至70 μs時，其向SMC發(fā)送8位數(shù)據(jù)幀，其中包含IGBT觸發(fā)以及子模塊是否旁路等信息，至此，VBC 1個周期內(nèi)的控制任務(wù)已全部完成，等待下一次同步信號；

f.當(dāng)SMC計時模塊計時至77.5 μs時，進(jìn)行死區(qū)設(shè)置，死區(qū)設(shè)置時間為10 μs；

g.當(dāng)SMC計時至87.5 μs時，將IGBT觸發(fā)信息發(fā)送至驅(qū)動模塊，至此，子模塊1個周期內(nèi)的控制任務(wù)已全部完成；

h.SMC等待下一次同步信號。

VBC與SMC同步時序圖如圖4所示。

圖4 VBC與SMC時序邏輯Fig.4 Sequential logic between SMC and VBC

3 子模塊故障監(jiān)測及上報

子模塊是MMC最基本的工作單元，MMC通過控制子模塊的有序?qū)ê完P(guān)斷實現(xiàn)交流電能到直流電能的變換，子模塊的工作狀態(tài)信息包括子模塊電容電壓、子模塊故障、子模塊旁路信息。其中子模塊的故障可以分為2類：SMC光纖通信故障，包括接收數(shù)據(jù)超時、接收數(shù)據(jù)幀格式錯誤、奇偶校驗錯誤；子模塊內(nèi)部故障，包括子模塊電容過電壓、欠電壓、子模塊溫度超限和IGBT過流故障。本文重點研究子模塊內(nèi)部故障檢測及上報原理。

3.1 子模塊故障監(jiān)測

3.1.1 子模塊過電壓欠電壓故障監(jiān)測

《五經(jīng)臆說》現(xiàn)存十三條，而根據(jù)王陽明自己在《序》中所說，遠(yuǎn)不止此數(shù)，他自稱“凡四十六卷，經(jīng)各十，而禮之說尚多缺，僅六卷云”〔9〕918，從現(xiàn)存各條來看，其主體部分，雖然有不少是對于文義的解釋，但牽強(qiáng)臆斷的為數(shù)不少，正應(yīng)證了“臆說”的題旨，這從一個側(cè)面反映出王陽明解釋古文獻(xiàn)的重要方式是依憑胸臆一味牽強(qiáng)附會。

傳統(tǒng)的過電壓檢測方法是通過硬件電路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，然后將實時檢測的電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，如果超過基準(zhǔn)電壓，即判定為過電壓，欠電壓的檢測方法類似。這種方法雖然操作簡單，但是由于過電壓、欠電壓監(jiān)測電路處于強(qiáng)電強(qiáng)磁場的環(huán)境中，易受到外部的干擾，干擾信號達(dá)到一定強(qiáng)度，疊加至原信號后，若超過過電壓、欠電壓設(shè)定閾值，就可能會引起比較電路判斷錯誤，從而導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)的誤動，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。本文通過硬件模擬電路檢測、軟件算法控制相結(jié)合的方法實現(xiàn)子模塊電容過電壓、欠電壓的可靠監(jiān)測。在子模塊控制板上設(shè)置模擬電路檢測子模塊電容是否過電壓或者欠電壓，為了防止硬件模擬檢測電路的誤差所帶來的過電壓、欠電壓誤動，在軟件上設(shè)置了延時上報故障機(jī)制，即檢測到過電壓或者欠電壓達(dá)到一定時間后，再向上層控制器上報故障，以下為具體的過電壓、欠電壓故障檢測機(jī)制。

圖5為子模塊過電壓故障監(jiān)測框圖，當(dāng)子模塊電容電壓大于設(shè)置的過電壓基準(zhǔn)電壓時，通過模擬比較電路，端口OV輸出高電平，此時將端口輸出信息送至SMC，但SMC不立即上報故障，而是對SMC控制芯片開始計時，設(shè)定延時時長為20 μs。若由于干擾信號造成比較電路判斷錯誤，選擇20 μs的延時可以躲過各種干擾信號造成的電壓毛刺，從而保護(hù)系統(tǒng)不會誤動；若實際存在過電壓欠電壓故障，則須在子模塊承受故障的最大允許時間內(nèi)切除故障。綜合考慮以上2點，為了保證保護(hù)系統(tǒng)的可靠性以及速動性，選擇20μs作為軟件延時時長。如果在20μs之后故障依然存在，則向上層控制器上報故障。

圖5 子模塊過電壓故障監(jiān)測Fig.5 Detection of sub-module overvoltage

圖6 是子模塊欠電壓故障監(jiān)測框圖。當(dāng)子模塊電容電壓小于設(shè)置的欠電壓基準(zhǔn)電壓時，通過模擬比較電路，端口UV輸出高電平，此時將端口輸出信息送至SMC，同樣地，SMC也不立即上報故障，對SMC計時，如果在20 μs之后故障依然存在，則向上層控制器上報故障。

圖6 子模塊欠電壓故障監(jiān)測Fig.6 Detection of sub-module undervoltage

采用這樣的監(jiān)測方法有效降低了系統(tǒng)保護(hù)誤動的概率，提高了運行的可靠性。

3.1.2 子模塊過溫故障及IGBT過流故障監(jiān)測

子模塊的過溫故障監(jiān)測主要是指子模塊內(nèi)IGBT器件的過溫監(jiān)測，在正常運行過程中，IGBT由于不斷的投切，會產(chǎn)生大量的熱量，若熱量不能及時排出，導(dǎo)致IGBT溫度過高，會對IGBT的正常工作造成嚴(yán)重影響。子模塊過溫監(jiān)測是通過溫控電路實現(xiàn)，當(dāng)溫度大于80℃時，溫控開關(guān)閉合，通過變換電路變?yōu)楦唠娖较蚩刂菩酒蠄蠊收稀?/p>

子模塊中IGBT的驅(qū)動模塊采用CONCEPT公司的集成驅(qū)動2SD315A，該驅(qū)動模塊具有相應(yīng)的過流故障監(jiān)測能力，當(dāng)IGBT發(fā)生過流故障時，驅(qū)動模塊能夠快速閉鎖IGBT，并向控制芯片上報故障信息。

3.2 子模塊信息的上報

子模塊需要及時向VBC傳送大量信息，若將這些信息分別通過光纖向上層傳送，需要耗費大量的光纖，并且會大幅增加二次系統(tǒng)的投資成本以及復(fù)雜性。采用給各個子模塊加裝控制器的控制結(jié)構(gòu)，子模塊有足夠的能力去處理電壓采集、故障檢測、信息上報等工作。另外，上文中提到的子模塊過壓以及欠壓的檢測方法，也需SMC在算法上的配合。

SMC通過數(shù)字編碼光纖通信向VBC上報信息，為了保障高效可靠地完成通信，開發(fā)了如下的通信協(xié)議。

SMC與VBC的通信采用異步串行通信方式，數(shù)據(jù)發(fā)送時總是以起始位開始，以停止位結(jié)束，另外還包含數(shù)據(jù)位和校驗位。

在空閑時，發(fā)送信號線為邏輯高電平1，通信開始時，首先發(fā)送起始位，起始位為邏輯低電平0；起始位之后為數(shù)據(jù)位，SMC向VBC發(fā)送24位的數(shù)據(jù)位；之后為奇偶校驗位，采用偶校驗方式；停止位為1位邏輯高電平，表示1幀通信完成。

圖7 SMC發(fā)送的通信幀的格式Fig.7 Format of communication frame sent by SMC

通信幀格式如圖7所示。通信協(xié)議規(guī)定SMC向VBC發(fā)送的數(shù)據(jù)位為24位，依次為IGBT2故障狀態(tài)位、IGBT1故障狀態(tài)位、過電壓故障狀態(tài)位、欠電壓故障狀態(tài)位、過溫故障狀態(tài)位、光纖通信故障狀態(tài)位、機(jī)械旁路狀態(tài)位、12位子模塊電容電壓值以及5位數(shù)據(jù)保留位，其中，子模塊電容電壓通過AD轉(zhuǎn)換芯片直接得到，用12位的數(shù)字量來表示。

4 實驗結(jié)果

4.1 物理模擬系統(tǒng)參數(shù)

物理模擬系統(tǒng)控制部分按照以上所述的控制架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，一次部分交流側(cè)、直流側(cè)以及子模塊參數(shù)如下。

a.交流側(cè)參數(shù)：額定電壓為380 V；額定有功功率為100 kW；變壓器變比為380 V/2000 V；限流電阻為50 Ω；橋臂電抗為20 mH。

b.直流側(cè)參數(shù)：電平數(shù)為21；額定電壓為4 kV；額定電流為25A；平波電抗為15mH；線路阻抗為2Ω。

4.2 雙端穩(wěn)態(tài)運行實驗結(jié)果

啟動時，應(yīng)先對MMC系統(tǒng)的2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)行解鎖操作使之運行于正常工況下，此時實驗室電源為兩側(cè)系統(tǒng)提供電壓支持、無功功率及有功功率損耗。運行穩(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3 kV、輸送功率參考值為30 kW，錄波設(shè)備監(jiān)測到的波形如圖8—11所示。圖8為定直流電壓端閥側(cè)C相交流電流波形，其測量有效值為12.2 A，由于模擬量的采集未進(jìn)行濾波處理，電流波形諧波含量較大。圖9為定直流電壓端測得的直流電壓波形，其值穩(wěn)定在3 kV，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30 kW左右，定有功功率控制效果良好。圖11為定有功功率端C相下橋臂子模塊電壓波形，可以看出22個子模塊電容電壓均處于150 V左右，均壓效果良好。

圖8 閥側(cè)C相交流電流Fig.8 AC current of phase C at valve side

圖9 直流電壓Fig.9 DC voltage

圖10 有功功率Fig.10 Active power

圖11 子模塊電壓Fig.11 Voltage of sub-modules

由上述實驗結(jié)果知，MMC物理模擬系統(tǒng)可以有效地控制直流電壓、輸送功率并且進(jìn)行子模塊電壓的均衡，說明了本文所提時序邏輯的可行性。

5 結(jié)論

本文分別針對MMC物理模擬系統(tǒng)各級控制器間的時序邏輯以及子模塊的過電壓欠電壓故障監(jiān)測進(jìn)行了研究。對物理模擬系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)實驗，驗證了所提時序邏輯的可行性。該物理模擬系統(tǒng)在多級控制器協(xié)同控制方面采用自上而下、分級同步的時序控制邏輯，有效地避免了不同控制單元由于自身晶振的差異所引起的控制系統(tǒng)誤差。另外，該物理模擬系統(tǒng)具有檢測子模塊故障，并能將子模塊各類故障上報的特點，其中對子模塊過電壓欠電壓故障的檢測，采用了硬件模擬電路檢測結(jié)合軟件控制的方法，減小了系統(tǒng)保護(hù)誤動的概率，提高了運行的穩(wěn)定性。