SST专题3-1 基于光分路器的MMC分布式控制系统架构

模块化多电平变流器MMC凭借其独特的模块化结构以及基于电力电子标准模块power electronics building blocksPEBB的设计理念在电力电子领域的应用日益广泛、备受青睐。采用PEBB构建模块化变流器的概念最早由美国海军研究所于1997年提出该理念为MMC的规模化应用奠定了重要基础。其中将传统集中式电力电子系统的控制模式升级为分布式控制既是采用PEBB构建MMC的核心优势之一也是未来电力电子技术的重要发展趋势。MMC采用标准化模块化结构整个变流器由多个规格一致的子模块串联组成每个子模块通常集成功率开关与无源开关元件。这种结构具备良好的扩展性只需增加每相子模块的数量即可灵活提升变流器的输出电压等级适配不同的应用场景需求。在电力电子系统的控制模式选择上需结合系统容量合理适配对于中小容量的电力电子系统集中式控制模式因其结构简单、可靠性高的特点是较为理想的选择但对于大容量电力电子变流器若仍沿用集中式控制不仅会给主控制器带来沉重的运算与控制负担还会增加系统安装布线的难度导致系统故障率上升同时极易产生严重的电磁干扰影响系统稳定运行。采用PEBB构建的MMC搭配分布式控制方式可显著降低系统数据传输的复杂性提升控制效率同时得益于PEBB的标准化设计模块的维修、更换更为便捷有效降低了系统运维成本。对于N1电平的MMC系统每个相单元需配置2N个PEBB因此选择适配的网络结构以实现对大量PEBB的高效分布式控制显得尤为关键。此外如何确保控制信号同步传输并驱动所有PEBB协同动作是分布式控制模式下需解决的核心问题同步性能的优劣直接决定了MMC系统的运行稳定性与控制精度。一、基于PEBB的MMC子模块构建需要明确的是PEBB与目前大量使用的智能功率模块IPM存在本质区别PEBB主要依照系统整体结构和最优路线布局由不同工艺及器件集成设计而成因此其不属于专门的半导体器件也没有固定的具体电路拓扑。作为模块化配置的功率变换器PEBB具备显著的应用优势可轻松扩展电压等级有效简化系统设计过程、缩短设计周期并降低后期维护成本。同时通过软件程序的灵活配置PEBB可实现多种电能变换需求涵盖逆变、整流、直流斩波、变频控制及励磁控制等多种应用场景。PEBB、IPM和IGBT模块之间的关系如图1所示​​​​​​​ ​​​​​​​ ​​​​​​​图1 PEBB、IPM、IGBT之间的关系PEBB的接口主要分为功率接口与通讯接口两类二者各司其职、协同保障系统正常运行电力电子装置通过功率接口实现电能的高效传输与流动为系统提供稳定的功率支撑而通信接口作为分布式控制系统架构的核心纽带是实现各PEBB模块间信息交互、协同控制的关键。典型PEBB结构如图2所示。图2 典型PEBB结构在PEBB内部既含有控制单元和功率器件同时还具有通信单元、传感测量、电源模块、驱动保护和输入输出滤波等部分。应用于柔性直流输电时可以将半桥型MMC子模块或全桥型子模块作为构建一个PEBB的基本单元。全桥子模块由电容器和两对互补功率开关组成与传统的半桥子模块不同全桥子模块能够以正或负电压和电流极性工作因此也有人称其为四象限变流器子模块。基于全桥PEBB的三相MMC拓扑结构如图3所示。一个换流器包含6个桥臂每个桥臂由一个电抗器与n个PEBB串联而成上下两桥臂合在一起被称为一个相单元。电抗器的主要功能是抑制三相桥臂瞬时直流电压不等引起的相间环流同时还可有效抑制直流母线发生故障时的冲击电流提高系统可靠性。此外如果系统不能快速中断电流可以增加桥臂电感以减少故障电流。图3 基于全桥PEBB的三相MMC拓扑结构二、传统MMC分布式控制系统架构需要注意的是每相包含上百个子模块的MMC系统在实际应用中会面临诸多挑战。首先变流器需配备性能强大的主控制器以执行复杂的控制算法主控制器需实时采集当前时刻的调制信息、子模块电容电压等关键参数完成调制运算后生成下一时刻各子模块的PWM脉冲信号同时各子模块的运行状态、故障信息等也需周期性上报至主控制器。当MMC系统包含大量子模块时主控制器与子模块之间会产生海量信息交互极易导致主控制器负载过重。在此情况下传统集中式控制模式下的单个控制器难以承担该负荷需采用多个控制器协同工作才能满足整个MMC系统的控制需求。目前MMC分布式控制系统架构主要分为两类即环形网络控制系统架构和三级控制系统架构。2.1 环形网络控制系统架构其中环形网络控制系统架构由主控制器和PEBB共同构成主控制器与各PEBB均作为通信网络节点各节点之间通过光纤连接形成级联式环形网络结构。主控制器作为MMC系统采样、控制与调制的核心部件负责生成各类开关命令并对这些命令进行分别打包、调度与传输。为实现精准的数据交互每个网络节点都被分配了唯一的数据处理地址PEBB发送的自身运行状态信息以及接收的开关命令均会作为独立电报进行打包并标注其对应的数据处理地址以便识别。此外每个PEBB内部均集成一个FPGA作为本地控制器专门负责完成各类数据的处理工作保障模块的高效协同运行。环形控制网络结构如图4a所示假设主控制器在时刻以逆时针方向发出数据图4b显示了环网结构中PEBB时序图。PEBB-1在时刻接收主控制器传输的数据并提取内容提取完成后再将数据传至PEBB-2PEBB-2在时刻接收数据并提取内容以此类推PEBB-n在时刻接收数据并提取内容。图4 环形控制网络架构和环形控制网络时序图可见环形控制网络存在以下问题所有数据和命令都需要经过每个节点的接收和转发为此导致相关数据通道容量难以被有效利用起来限制了在多模块大容量电力电子系统中的应用。由于状态机状态转移控制、命令判别以及数据复杂等原因软件程序和通信协议趋于复杂。系统本身固有的数据网络传输延时会随着节点数目的增加不断累积特别是对于包含上百个PEBB的系统而言同步问题难以解决。单个PEBB的故障会导致整个网络的瘫痪因此通信光纤和PEBB冗余对于提高环形网络的可靠性至关重要而当使用双环网结构时光纤和光模块用量增加了一倍以上。2.2三级控制系统架构MMC三级控制系统架构式在集中式控制系统架构的基础上发展而成呈树状分布以A相为例如图5所示这是一种较为典型的MMC三级控制系统架构。主控制器实现系统功率和输出电压控制并通过6根光纤将相应的调制信息传递给3个相控制器。每个PEBB通过2根光纤和上层相控制器直接进行连接下行光纤用于传输系统的保护信息和传输调制信息而上行光纤主要在PEBB状态信息和电容电压信息的传输方面发挥重要作用。各个PEBB控制器完成PWM调制生成及开关管驱动信号。图5 MMC三级控制系统架构但是三级控制系统构架存在以下问题随着PEBB数量的增加相控制器和PEBB控制器之间的光纤和光模块使用量相应地也会增加就增量而言光纤和光模块使用量大约是PEBB个数的两倍之多现场安装布线十分复杂凌乱不利于后期维修于扩展。由于每根光纤的两端各需要一个光模块来实现光电信息转换。在光模块和光纤成本增加的同时也使MMC装置的空间成本和PCB制板成本显著提高。就单相n个PEBB的系统而言单个相控制器模块需要设计2n个光模块接口难度极高且成本昂贵。仍然需要对各PEBB控制器进行复杂的同步控制增加了控制系统的难度。