基于模型控制模块化多电平MMC变流系统

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背景

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)由多个结构相同的子模块(Sub-module, SM)级联构成。子模块的结构可以分为半H桥型、全H桥型。

相比传统的两电平、三电平变换器，MMC采用子模块级联的方式取代了IGBT器件的直接串联，不存在IGBT的动态均压问题，安装维护容易，易于扩大容量。而相比CHB，MMC省去了移相变压器，使子模块数目与承载功率不再受限制，通过增加子模块数目可灵活地扩展其电压和功率等级。

MMC多电平换流器能够输出更接近正弦波的电压和电流，从而有效减少电网中的谐波含量。这不仅提高了电能质量，还降低了对电网的污染。通过多电平技术，换流器可以更加平滑地调节输出电压和频率，确保电力系统的稳定运行。模块化多电平换流器已经展现出极其重要的工程应用前景。

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实物照片

五电平（24模块）三相MMC变流系统

七电平（36模块）三相MMC变流系统

五电平（16模块）单相MMC变流系统

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装置组成

如下图所示为模块化多电平变换器（MMC）的基本拓扑。其由两个（单相）/三个（三相）相单元构成，各单元均包括上、下两个桥臂，每一桥臂由 N（≥4） 个相同的子模块（sub-module,SM）串联，经限流电抗器与交流侧连接。加入限流电抗器有两个目的，一是可以减小相电流变化率，使其平滑；二是抑制桥臂与直流侧之间和三相桥臂之间的环流。

配置组成：

1)快速原型控制器SP6000/高性能DSP控制器C6000

2)YXPHM-MMCFB01半桥/全桥子模块

3)开放式机箱

4)组柜与配电

5)Simulink控制模型/DSP控制源代码

6)高精度双向直流电源/回馈式源载一体交流电源（选配）

采用快速原型控制器SP6000/高性能DSP控制器C6000同时控制多个SM子模块，具备DSP编程和RCP模型控制（Simulink快速原型开发）两种模式，两种模式可应用于不同的开发阶段和实验场景，优势互补，功能互相验证；

采用YXPHM-MMCFB01子模块搭建的单/三相MMC变流器，其最大功率和电压等级为 20kW/800V，MMC 直流侧电压 800V，每个桥臂含子模块个数为 N≥4，每相共 2N个子模块。

选配高精度双向直流电源/回馈式源载一体交流电源，组成背靠背AC-DC-AC联合测试系统，方便做各类测试实验。

3.1 快速原型控制器SP6000/高性能DSP控制器C6000

研旭公司推出的YXSPACE产品系列，能够将用户设计的图形化的高级语言编写的控制算法（Simulink）转换成DIDO、AIAO量，完成实际硬件控制。同时通过YX-VIEW6000监控组态软件，对控制器进行实时监控，从而完成模型的调试与验证。其基本控制框图如下所示：

控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建，将模型中的接口与硬件驱动接口绑定后，通过编译工具产生可执行文件，下载至SP6000快速原型控制器中运行。对被控对象进行实际控制。

研旭SP6000快速原型控制器配套软件YXSPACE-VIEW6000（以下简称VIEW6000）主要用于配置快速原型控制器外设的工作模式，同时可以实时监测控制过程中的各类运行量，包括采集量、中间控制变量等。另外此软件集成了保护机制，用户只需要设置硬件运行中的极限值，快速原型控制器就会按照此极限值进行实时判断，一旦超过，快速原型控制器会自动停止运行，以达到保护后极功率电路的目的。

VIEW6000软件中包含控制器设置以及组态区。其中控制器设置界面共有4类控制器设置，包括仿真步长设置，DO控制源设置，QEP/CAP模式设置，PWM模块设置。

组态区主要包括功能按钮、组态控件、工作区等。

在实际使用中，用户只需用鼠标拖动各类控件，移至工作区当中，位置根据需求随意放置。双击控件即可设置控件的地址号，这样可完成控件与模型或者硬件的建立关系，操作及其简便。

3.2 YXPHM-MMCFB01半桥/全桥子模块

YXPHM-MMCFB01是一款单相H桥功率模块，可单独使用或组成复杂系统，提供光纤和网口两种数据传输方式。内部使用大量隔离芯片以及抗干扰处理，提高了数据传输的可靠性。功率模块内部集成了栅极驱动电路、PWM硬件死区电路、模拟量采样以及硬件保护功能，高度集成的硬件功能使得该模块非常适用于构建复杂的多级功率拓扑。CPLD芯片对所有的数字信号进行逻辑处理，保证功率模块的处于安全操作范围内。

典型应用：

  • 模块化多电平变换器(MMC);

  • H桥级联系统(HCB)；

  • 双有源桥(DAB)；

关键参数：

  • 600V 最大母线电压

  • 30A 最大交流电流

  • 600V/50A IGBT

  • 50kHz 最大开关频率

  • 800ns硬件死区

  • 4光纤输入/1光纤输出

  • 1网口输入/1网口输出

  • 2路/4路PWM选择

  • 电压/电流采样

  • 软关断保护

  • 过压/过流/过温/短路保护

功能框图：

YXPHM-MMCFB01功率模块基本功能框图如图所示，可以实现DC/AC双向变换的功能。外部PWM驱动信号通过4路光纤或者4路光耦给到逻辑芯片CPLD，以实现控制电路与功率电路的电气隔离。功率模块中集成了过压保护、过流保护、过温保护以及短路保护4种保护功能，所有的保护均能够封锁PWM驱动信号，同时也会通过光纤或者光耦将故障信号反馈给外部控制器。

在大多数的应用案例中，可配合SP6000快速原型仿真器更方便的实现算法验证，极大的缩短了开发周期。

保护功能：

功率模块集成的所有保护功能均由硬件电路实现，提高了保护的可靠性。通过对模拟量的实时采集，并由比较电路做出判断，超过设定阈值之后会触发故障信号标志位，故障标志位通过光耦送到CPLD逻辑芯片，CPLD内部对故障信号进行锁存并忽略外部PWM驱动信号，同时会产生一个总的故障反馈信号。为了降低对外部控制器IO口资源的占用，模块内部搭建自复位电路，可实现故障信号标志位清除后对模块的重新控制。

3.3 YX6000D 多功能可编程双向直流电源/电池模拟器

研旭YX6000D系列大功率双向直流电源采用全数字控制技术，在4U机箱体积内功率可实现20kVA，输出电压可达到800V和1000V，输出电流可达到正负50A~100A，输出具有直流电源和有源负载特性，可运行于两象限方式，交流输入具有主动PFC功能，可输出功率，同时待测设备能量可回馈至电网，具有高效、绿色、环保的特点。YX6000D系列电源具有双向直流电源、有源负载、电池模拟和光伏电池模拟功能，四合一多功能设计，一机多用，采用7英寸彩色液晶显示器和简洁的键盘设计，用户可对YX6000D系列电源的功能和参数进行设置和调节。

直流电源模式

电池模拟模式

电阻模拟（有源负载）模式

3.4 YXACS回馈式交流源载一体模拟器

研旭YXACS系列大功率回馈式交流源载一体电网模拟器采用全数字控制技术，输出功率可达正负15kVA-600kVA，输出电压范围0~350Vrms，输出电流可达到正负50~500Arms，输出具有交流电源和负载特性，可运行于四象限方式，输入具有主动PFC功能，可输出功率，同时待测设备能量可回馈至电网，具有高效、绿色、环保的特点。YXACS系列电源具有回馈式交流电源、各类交流交流负载功能，采用7英寸彩色液晶显示器和简洁的键盘设计，用户可对YXACS系列回馈式交流源载一体电网模拟器的功能和参数进行设置和调节。

交流电源稳态模式

交流电源综合模式

交流负载—PQ模式

交流负载模式-RLC模式

交流负载模式-恒流模式

交流负载—可控整流RL模式

交流负载—不控整流模式

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Simulink控制模型/DSP控制源代码

算法详述：

研旭多电平MMC实时变流控制系统MMC子模块、研旭半实物仿真机（SP6000）和实时仿真模型组成，以下对研旭MMC实时仿真模型各个组成部分及其控制模块作详细阐述。

图1 MMC 控制模型结构

研旭模块化多电平（MMC）两相控制模型如图1所示，其中包括电气参数测量模块、系统差分控制模块、两相环流控制模块、占空比及桥臂子模块均压控制模块、脉宽调制（PWM）波波发生器和过流保护模块组成。电气参数测量模块实时读取研旭RCP仿真系统的AD转换器数值，并将其转换成相应的物理参数为MMC控制模型提供反馈数据和监测数据；系统差分控制模块根据交流电压的给定值和输出反馈值对系统的输出电压和电流实时控制；两相环流控制包括两个环流控制模块，环流控制模块根据一相上、下桥臂的电压和电流反馈值实现上、下桥臂子模块电压控制和上、下桥臂电压的均衡控制；占空比计算和桥臂子模块均压控制模块根据桥臂电压指令和桥臂电气参数反馈值对桥臂各子模块电压进行排序和占空比计算；PWM波发生器根据上、下桥臂的占空比产生上、下桥臂PWM波以驱动各子模块开关器件；过流保护模块可实时采集各子模块故障信号，在系统故障时及时终止仿真运行以保护MMC变流器的开关器件。

图2 研旭MMC电气参数测量系统

MMC电气参数测量系统如图2所示，其中子系统1读取RCP的AD转换器的数值并转换成MMC桥臂物理参数；子系统2、3分别为A相上、下桥臂电流和各子模块电压；子系统4、5分别为B相上、下桥臂电流和各子模块电压；子系统6为A、B相上、下桥臂子模块平均电压；子系统7为A、B相上、下桥臂电流、直流母线电压和交流输出电压。

图3 MMC差分电压控制模型

MMC差分电压控制模型如图3所示（详图可联系研旭商务人员索要）主要包括交流电压给定和反馈值、上、下桥臂电流、电压外环准谐振（PR）控制器、电流内环比例（P）控制器和交流电压前馈，电压外环采用准谐振（PR）控制器，可实现交流电压的无静差控制，电流内环采用纯比例（P）控制器，可提高电流控制的响应速度，电流反馈采用上、下桥臂电流作差值，并采用输出交流电压作为前馈量产生桥臂电压指令的差模分量，形成输出电压、电流双闭环控制结构，具有较高的响应速度和控制精度。

图4 MMC环流控制模块

MMC环流控制模块如图4所示（详图可联系研旭商务人员索要）主要包括子模块电压PI控制器、上、下桥臂电压均衡P控制器以及环流准PR控制器，环流控制模块输入信号为子模块电压指令值、上、下桥臂模块电压平均值、上、下桥臂电流值、差分控制电压指令值和直流母线电压值，子模块电压控制器控制上、下桥臂电压平均值跟踪子模块电压指令值，环流准PR控制器按照子模块电压控制器的输出指令控制上、下桥臂的环流以维持上、下桥臂子模块电压稳定，上、下桥臂电压均衡控制器控制上、下桥臂电压均衡，并采用直流母线电压作为前馈量，将环流控制器和电压均衡控制器的输出以及直流母线前馈作代数和运算，产生桥臂电压指令的共模分量。

图5 MMC子模块均压控制和占空比计算

MMC子模块均压控制和占空比计算如图5所示，其输入信号为桥臂子模块电压指令值和桥臂电气参数信息（包括桥臂电流和各子模块电压），该计算模块在对桥臂子模块电压排序的基础上根据桥臂电流实时计算各子模块占空比，以实现桥臂子模块电压均衡控制，其输出的占空比数目为N（本仿真系统N=4）。

图6 上、下桥臂 PWM波发生器

上、下桥臂PWM波发生器如图6所示，其输入信号为上、下桥臂占空比，占空比数目因桥臂子模块数目N而异（本仿真系统N=4），PWM波发生器可根据给定的占空比数值生成指定占空比、频率和相位的PWM波，并发送至各桥臂子模块的开关器件实现子模块的开关控制。

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测试波形

测试环境：

1)SP6000原型控制器

2)View6000在线实时监控系统

3)YXPHM-MMCFB01功率模组（16模块，单相4桥臂，单桥臂4模块）

4)YX6000D高精度双向直流电源

5)YXACS回馈式源载一体交流电源

测试条件：

1)直流输入780V，输出交流有效值230V 50Hz

2)控制频率5kHz

图7 MMC子模块电压波形

图7中，示波控件A1-A8，B1-B8为单相五电平16个模块直流电压实时波形，Vout是交流输出电压。

图8 MMC子模块电流波形

图8中，示波控件IA1-IA2、IB1-IB2为4个桥臂实时电流波形。

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