基于EtherCAT環(huán)網(wǎng)的MMC故障檢測與容錯(cuò)控制

許文杰 張江娜 梅志敏

摘? 要：模塊化多電平換流器（MMC）拓?fù)涫悄壳案邏?、大容量電力電子裝置的主要配置方案，但因其子模塊數(shù)量較多且易發(fā)生故障，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。文章通過將EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)引入到MMC控制系統(tǒng)，提出一種基于EtherCAT環(huán)網(wǎng)拓?fù)涞腗MC子模塊分布式控制系統(tǒng)構(gòu)架，它采用分布時(shí)鐘的EtherCAT環(huán)網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)子模塊控制單元的精確同步。針對子模塊IGBT開路故障，優(yōu)化后的時(shí)序邏輯可完成子模塊故障信息反饋并大幅度縮短子模塊故障切除時(shí)間，通過對通信鏈路設(shè)置故障冗余，子模塊同步驅(qū)動信號和故障反饋信息得以穩(wěn)定傳輸。最后，搭建了MMC仿真和實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了EtherCAT環(huán)網(wǎng)控制MMC系統(tǒng)在子模塊故障檢測和容錯(cuò)控制的有效性與可行性。

關(guān)鍵詞：模塊化多電平換流器；EtherCAT環(huán)網(wǎng)；分布式控制；故障冗余；容錯(cuò)控制

中圖分類號：TM464? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）08-0051-05

Abstract： Modular Multi-Level Converter （MMC） topology is the main scheme of high voltage and large capacity power electronic devices， however， the sub-modules are many and easy to fail， which seriously affects the stability and reliability of the system. Through introducing EtherCAT industrial Ethernet technology into MMC control system， this paper proposes a MMC sub-module distributed control system architecture based on EtherCAT ring network topology. The precise synchronization of sub-module control units can be realized by using distributed clock EtherCAT ring network communication. Aiming at IGBT open-circuit fault of sub-module， the optimized sequential logic can complete the fault information feedback of sub-module and greatly shorten the fault removal time of sub-module. By setting fault redundancy for communication link， the synchronous driving signal and fault feedback information of sub-module can be transmitted stably. Finally， the simulation and experimental platform of MMC is built， and the experimental results verify the effectiveness and feasibility of EtherCAT ring network control MMC system in sub-module fault detection and fault-tolerant control.

Keywords： Modular Multi-Level Converter; EtherCAT ring network; distributed control; fault redundancy; fault-tolerant control

0? 引? 言

當(dāng)模塊化多電平換流器MMC（Modular Multilevel Converter）向更高電壓等級擴(kuò)展時(shí)，子模塊數(shù)量達(dá)到成百甚至上千，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)量較大，子模塊發(fā)生故障概率較高[1]。傳統(tǒng)CAN現(xiàn)場總線、RS485等通信方式的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)與數(shù)據(jù)段最大長度有限，且通信速率受傳輸距離的

影響較大，難以滿足多個(gè)控制器之間協(xié)調(diào)運(yùn)行以及高速通信的要求。針對上述問題，已有一些學(xué)者開展了相關(guān)研究，其中大部分采用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，通過制定簡單可行的通信協(xié)議來提高節(jié)點(diǎn)同步精度[2]，或是結(jié)合合理的時(shí)序邏輯關(guān)系與軟件算法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制器的配合，完成子模塊故障的可靠監(jiān)測。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)已進(jìn)入全球工控自動化的標(biāo)準(zhǔn)通信技術(shù)之列，其中以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)（EtherCAT）因其高速和高數(shù)據(jù)效率、支持多種物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)[3]，在我國也被逐漸應(yīng)用于伺服驅(qū)動、機(jī)器人等研究中[4]。相比于傳統(tǒng)通信模式，EtherCAT采用“集總幀”的思想，將多個(gè)EtherCAT子報(bào)文集合在一個(gè)數(shù)據(jù)幀中，可以在一個(gè)EtherCAT網(wǎng)段內(nèi)掛載65 535個(gè)從站設(shè)備共同組成高性能的分散式I/O系統(tǒng)，并且EtherCAT提供的分布時(shí)鐘機(jī)制，可以使所有EtherCAT設(shè)備使用相同的系統(tǒng)時(shí)間，從而控制各設(shè)備任務(wù)的同步執(zhí)行[5]。

基于EtherCAT突出的實(shí)時(shí)性、靈活性以及同步性等優(yōu)勢，本文將EtherCAT引入到MMC控制系統(tǒng)，利用EtherCAT分布時(shí)鐘對各子模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，并通過設(shè)計(jì)合理的時(shí)序邏輯關(guān)系，完成子模塊故障信息的反饋以及冗余子模塊的投切，縮短故障處理時(shí)間，同時(shí)對EtherCAT通信鏈路設(shè)置了故障冗余，以提高系統(tǒng)可靠性。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的合理性和可行性。

1? MMC拓?fù)渑c工作原理

三相MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及半橋子模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中MMC由6個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包含若干個(gè)級聯(lián)的子模塊（SM1至SMN）和一個(gè)橋臂電抗器Larm，上、下橋臂合成為一個(gè)相單元。每個(gè)半橋子模塊中包含1個(gè)懸浮電容C0，2個(gè)IGBT（T1、T2），且每個(gè)IGBT反并聯(lián)一個(gè)二極管（D1、D2），USM為子模塊的輸出電壓，Uc為懸浮電容的電壓，iarm為流過子模塊的橋臂電流。通過控制開關(guān)管T1與T2在導(dǎo)通、關(guān)斷兩種狀態(tài)之間不斷切換，可實(shí)現(xiàn)子模塊的不同工作狀態(tài)[6]。

由MMC結(jié)構(gòu)可知，相較于傳統(tǒng)逆變器，其子模塊內(nèi)包含了大量儲能元件，在實(shí)際運(yùn)行過程中需要監(jiān)控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、控制目標(biāo)數(shù)量眾多[7]，隨著MMC向更高電壓等級擴(kuò)展，多級控制單元協(xié)調(diào)控制難度逐漸增大，同時(shí)系統(tǒng)對通信速率的要求也相應(yīng)提高。

2? 控制系統(tǒng)及其時(shí)序邏輯

2.1? 控制系統(tǒng)架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)子模塊控制器與上層控制器間可靠、高速、大容量的數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)檢測子模塊狀態(tài)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，本文在MMC控制系統(tǒng)中引入EtherCAT協(xié)議，其中通信網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，是由一系列工作節(jié)點(diǎn)通過雙絞線以首尾相接方式構(gòu)成的閉合環(huán)路。相比于點(diǎn)對點(diǎn)連接方式構(gòu)成的星型拓?fù)?，環(huán)型拓?fù)淇梢源蠓葴p少通信主節(jié)點(diǎn)的接口數(shù)量。

在引入EtherCAT后，整個(gè)MMC的控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，其中控制系統(tǒng)作為整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)的大腦，主要包括主站控制器和從站控制器。

在該控制系統(tǒng)中，主站通過EtherCAT環(huán)型網(wǎng)絡(luò)與各個(gè)從站通信，主站是整個(gè)MMC系統(tǒng)的運(yùn)算及控制核心。每個(gè)子模塊對應(yīng)一個(gè)EtherCAT從站，從站采用EtherCAT專用協(xié)議解碼芯片ESC（EtherCAT Slave Controller）與微處理器DSP，根據(jù)主站發(fā)送的調(diào)制波結(jié)合環(huán)流抑制等策略進(jìn)行子模塊調(diào)制控制，并同時(shí)采集子模塊故障信息上傳到主站，從站組成如圖4所示。

2.2? 控制系統(tǒng)時(shí)序邏輯

MMC需要子模塊間協(xié)同工作，由于各個(gè)控制模塊功能不同，因而所選芯片也不盡相同，各個(gè)控制單元分別工作在各自的時(shí)鐘下，其晶振或電路參數(shù)之間的差異會導(dǎo)致子模塊驅(qū)動不同步。本文采用EtherCAT分布時(shí)鐘來保證各從站控制器間的同步。

分布時(shí)鐘機(jī)制使所有從站時(shí)鐘都同步于一個(gè)參考時(shí)鐘，與主站連接的第一個(gè)具有分布時(shí)鐘功能的從站時(shí)鐘即為參考時(shí)鐘。設(shè)定每個(gè)從站時(shí)鐘的時(shí)間控制環(huán)在數(shù)據(jù)幀的SOF（Start of Frame）到達(dá)時(shí)鎖存本地時(shí)鐘時(shí)刻tlocal（n），主站首先通過發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文測得各從站傳輸延時(shí)tdelay（n）和時(shí)鐘初始偏移量toffset（n），然后從參考時(shí)鐘從站讀取其當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間tsys_ref，并寫入各從站時(shí)鐘[7]，之后從站通過公式計(jì)算得到本地時(shí)鐘漂移量?t：

?t=tlocal（n）-toffset（n）-tdelay（n）-tsys_ref

ESC控制本地時(shí)鐘時(shí)間的規(guī)律為每10 ns增加10個(gè)單位，當(dāng)?t＞0時(shí)，則每10 ns增加9個(gè)單位，當(dāng)?t＜0時(shí)，則每10 ns增加11個(gè)單位，以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘漂移補(bǔ)償。在經(jīng)過補(bǔ)償之后，從站將計(jì)算出它的本地系統(tǒng)時(shí)間副本，這個(gè)時(shí)間用來產(chǎn)生同步信號Sync0標(biāo)記，供從站DSP使用。

Sync0信號通常情況下為高電平，并周期性產(chǎn)生一段低電平信號，當(dāng)Sync0信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)中斷事件。時(shí)鐘同步示意圖如圖5所示。

在本控制系統(tǒng)中，主站向各從站發(fā)送調(diào)制波信號，各從站DSP經(jīng)由ESC數(shù)據(jù)交換后在Sync0中斷事件中讀取調(diào)制波，并與載波信號相比較產(chǎn)生各個(gè)子模塊的驅(qū)動信號，以此保證各個(gè)子模塊投切一致。主從站時(shí)序邏輯如圖6所示。

3? 故障檢測與容錯(cuò)方法

MMC中子模塊較多，運(yùn)行過程中可能會發(fā)生故障，引發(fā)輸出畸變、環(huán)流增大、直流側(cè)電壓和電流振蕩等問題。子模塊常見故障類型可以分為2類：子模塊內(nèi)部故障以及驅(qū)動故障。

3.1? 子模塊開路故障檢測

在實(shí)際工程中MMC包含IGBT數(shù)量相對較多，因而更易因散熱、沖擊電壓、沖擊電流等原因發(fā)生故障，系統(tǒng)一般會配備“熱備用”狀態(tài)下的冗余子模塊來確保系統(tǒng)無間斷運(yùn)行[8]。IGBT故障可分為開路故障和短路故障兩種類型，短路故障破壞性較大，因此子模塊本地控制器一般會配備短路保護(hù)。開路故障會造成電壓、電流波形畸變等嚴(yán)重后果，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，因此本文重點(diǎn)分析開路故障的情況。根據(jù)圖1，子模塊發(fā)生開路故障時(shí)輸出電壓特性分析如下：

當(dāng)iarm＜0，且T1開通、T2關(guān)斷時(shí)，若T1發(fā)生開路故障，則原懸浮電容放電回路被阻斷，Uc會持續(xù)增加，無法穩(wěn)定在額定電容電壓附近，故障子模塊所在橋臂的橋臂電壓増大。

當(dāng)iarm＞0，且T1關(guān)斷、T2開通時(shí)，若T2發(fā)生開路故障，則對應(yīng)的子模塊由切除狀態(tài)變?yōu)橥度霠顟B(tài)，懸浮電容異常充電，Uc總體會呈上升趨勢，故障子模塊所在橋臂的橋臂電壓增大。

經(jīng)整理可得子模塊IGBT開路故障對子模塊輸出電壓USM影響分析如表1所示。

上述分析說明，當(dāng)子模塊IGBT發(fā)生開路故障時(shí)會導(dǎo)致子模塊電容電壓超出正常范圍，因此可通過對子模塊懸浮電容安裝電壓傳感器來實(shí)時(shí)檢測每個(gè)子模塊電容電壓值，當(dāng)其超出設(shè)定檢測閾值，則可認(rèn)為該子模塊發(fā)生了IGBT開路故障[9，10]。

由于每個(gè)子模塊采用單獨(dú)的控制器，因此當(dāng)子模塊發(fā)生故障后，從站控制器需要將故障信息上傳至主站，主站經(jīng)控制運(yùn)算后完成故障子模塊的切除與冗余子模塊的投入。對于一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)來說，理論上如果采樣值能夠立刻用于控制運(yùn)算，則生成的數(shù)據(jù)就避免了信號由采樣到上傳給主站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并最終下發(fā)給各橋臂子模塊所產(chǎn)生的延遲時(shí)間，但是由于硬件原因無法實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)當(dāng)首先考慮減小采樣延遲，實(shí)現(xiàn)故障的快速切除，其次在將故障子模塊驅(qū)動信號發(fā)送給冗余子模塊的同時(shí)，還需要保證冗余子模塊與其他正常運(yùn)行子模塊動作同步。

本文采用兩個(gè)PLC控制周期來完成子模塊故障信號采樣上傳以及控制指令下發(fā)，并將Sync0周期設(shè)置為子模塊載波周期，以確保每個(gè)載波周期子模塊間的驅(qū)動信號至少同步一次?？紤]到為了使得冗余子模塊投入后能夠盡快和其他子模塊同步，PLC控制周期為Sync0周期的一半。系統(tǒng)的采樣時(shí)序圖如圖7所示。

3.2? 子模塊開路故障檢測

MMC系統(tǒng)中常見故障除電力電子器件故障外，還包括子模塊驅(qū)動故障。當(dāng)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)網(wǎng)口故障以及鏈路故障時(shí)則會導(dǎo)致子模塊驅(qū)動信號丟失，影響子模塊正常投切。為避免系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)幀傳輸受到影響，本文在上述控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)通信鏈路冗余，提高以太網(wǎng)系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性。

由于采用環(huán)型拓?fù)浣M網(wǎng)方式，系統(tǒng)中第一個(gè)從站與最后一個(gè)從站均與主站相連接，因此本文主站采用雙網(wǎng)口，且每個(gè)網(wǎng)口均具備發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀的功能。根據(jù)故障情況，圖8中列出了冗余系統(tǒng)正常工作和出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)的幀傳播策略：

如圖8，正常情況時(shí)，發(fā)送幀由M網(wǎng)口發(fā)送，經(jīng)過從站節(jié)點(diǎn)的遍歷，經(jīng)N網(wǎng)口接收，進(jìn)入數(shù)據(jù)幀接收隊(duì)列；出現(xiàn)鏈路故障時(shí)，發(fā)送幀由M網(wǎng)口發(fā)送，遍歷至故障點(diǎn)處環(huán)回，經(jīng)M網(wǎng)口接收，交由N網(wǎng)口發(fā)送，從另一個(gè)方向遍歷至故障點(diǎn)處環(huán)回，經(jīng)N網(wǎng)口接收，進(jìn)入數(shù)據(jù)幀接收隊(duì)列。

在鏈路冗余實(shí)現(xiàn)過程中，從站主要通過ESC實(shí)時(shí)檢測兩個(gè)網(wǎng)口PHY（Physical Layer）的數(shù)據(jù)連接信號LINK_MII（0）、LINK_MII（1）以及數(shù)據(jù)有效信號RX_DV（0）、RX_DV（1）來判斷當(dāng)前所在鏈路狀態(tài)，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)傳輸過程中，RX_DV信號只在數(shù)據(jù)有效時(shí)拉高。當(dāng)無有效數(shù)據(jù)時(shí)，ESC將該鏈路端口狀態(tài)寫入對應(yīng)寄存器，并通過全雙工鏈路將下行報(bào)文轉(zhuǎn)為上行報(bào)文送回主站，主站讀取各從站子報(bào)文工作計(jì)數(shù)器（Working Counter，WKC）以及數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)寄存器判斷子報(bào)文是否被正確處理，并將未處理的子報(bào)文交由另一以太網(wǎng)口發(fā)送至對應(yīng)從站處理，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在鏈路故障情況下的正常運(yùn)行。

4? 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

本文首先以MMC的A相上橋臂第一個(gè)子模塊在t為1 s時(shí)發(fā)生IGBT開路故障為例，搭建Simulink模型進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖9所示，可以看出在1 s之后，故障子模塊電容電壓迅速上升，而正常子模塊電容電壓經(jīng)過約0.05 s后基本穩(wěn)定在1.4 kV。通過與正常工況對比，故障工況下該子模塊減少了一個(gè)放電階段，故電容電壓會持續(xù)上升，而隨著子模塊電容電壓的波動，輸出相電壓、直流母線電流、環(huán)流等也會產(chǎn)生相應(yīng)波動。

為了驗(yàn)證上述提出的基于EtherCAT環(huán)網(wǎng)拓?fù)涞腗MC子模塊開路故障檢測方法的可行性以及對鏈路冗余問題的解決，本文搭建了如圖10所示的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺。

主站采用工控機(jī)，基于TwinCAT 3軟件實(shí)現(xiàn)對各從站的控制，TwinCAT 3軟件將模塊化思想以及其靈活的軟件架構(gòu)融入到整個(gè)控制平臺中，幾乎每一種控制應(yīng)用程序都能在TwinCAT 3中實(shí)現(xiàn)。從站控制器ESC選用德國倍福公司研發(fā)的芯片ET1100，微處理器選用DSP芯片TMS320F28379。

當(dāng)主站向各從站發(fā)送數(shù)據(jù)幀，從站間同步精度如圖11所示，由右圖可知兩從站間延時(shí)約為25 ns，從站同步精度較高。

設(shè)定子模塊載波頻率為1 kHz，根據(jù)上節(jié)分析，Sync0周期為1 ms，PLC控制周期為500 μs。當(dāng)子模塊電壓超過額定電壓的120%時(shí)，認(rèn)為子模塊存在過電壓[11]。假設(shè)某一時(shí)刻子模塊電容電壓超出設(shè)定閾值，可得到如下波形如圖12所示。

由圖12可知，從故障發(fā)生（紅色故障標(biāo)志位由1變?yōu)?）到冗余子模塊投入使用（藍(lán)色標(biāo)志位由1變?yōu)?），整個(gè)故障處理所需時(shí)間約為0.7 ms。

當(dāng)使任意兩從站間通信線纜斷開，可得到以下TwinCAT 3 Scope所示波形，根據(jù)圖13可知，在設(shè)置了鏈路冗余后，當(dāng)系統(tǒng)通信鏈路出現(xiàn)故障，主站與兩從站間仍然能夠保持正常數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文方法能夠保證MMC控制系統(tǒng)中各控制單元同步，并且能夠快速有效地檢測子模塊開路故障，實(shí)現(xiàn)子模塊驅(qū)動信號的穩(wěn)定傳輸。

5? 結(jié)? 論

本文首先針對模塊化多電平變流器系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)了基于EtherCAT環(huán)網(wǎng)拓?fù)涞腗MC控制系統(tǒng)方案，該控制系統(tǒng)在多級控制器協(xié)同控制方面采用EtherCAT分布時(shí)鐘進(jìn)行分級同步，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不同步。另外本文在上述控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出了一種子模塊故障檢測方法，該方法不僅具備子模塊開路故障檢測能力，還能夠避免系統(tǒng)通信故障，防止子模塊驅(qū)動信號丟失引起輸出電壓、電流畸變。最后本文搭建了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文方法的有效性與可行性。相比傳統(tǒng)測量方法，本文方法在縮減系統(tǒng)硬件配置的同時(shí)也降低了子模塊開路故障檢測時(shí)間，能夠保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡介：許文杰（1988.07—），女，漢族，湖北宜昌人，教師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)軟件工程。