Ｓ、电阻月。Ｓ实现冗余子模块和故障模块的快速
投切；Ｒ为实现均压控制的电阻；ｉｓＭ为流入子模块
的电流。子模块运行状态分投入、切除和闭锁３种： ①Ｖ。导通、Ｖ：关断，子模块通过Ｖ。放电，电流流
１３
研究方向为柔性直流输电技术。
万方数据
第５０卷第３期
２０１６年３月
电力电子技术
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
ｋＨｚ。
３．２均压与环流策略验证
图８ａ为环流抑制的效果．可见．环流除了含 有一定的直流偏置分量外。同时呈现出明显二倍 频脉动，该环流叠加在桥臂电流中使之发生畸变，
ｌ：相调制波Ｉ
一ｌ
＿——
Ｊｆ关量输入｝． １，１＝关量输出｝
ＲＡＭ
斗
开启环流抑制策略后。环流的峰一峰值得到显著抑
制；图８ｂ为换流阀稳定工作在逆变工况后，投入
ｓｙｓｔｅｍ．
ｓｕｂ—ｍｏｄｕｌｅｓ，ａｎ ｔｈｅ
ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｄ ｌｏｗ
ｈｉｅｒａｓｒｃｈｉｃａｌ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｔｏ
ｓｏｌｖｅ
ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ
ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ
ｔｈｅ
ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｅｔａｉｌ ｉｎ
Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｅｒａｓｒｃｈｉｃａｌ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｔａｆｆ，ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ
—●
ｌ桥臂王１、流抑制卜－一Ｊ
电容电压控制策略，可见，每个子模块电压波动较 小，较好实现了各模块电容电压的平衡。
ｒ模块状态卜＿ ］．
ｌ＿二角载波发牛Ｈ竺塑卜Ｊ
ＦＰＧＡ
图６辅助控制器功能不恿图
Ｆｉｇ．６ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ
断：ＤＳＰ２．ＦＰＧＡ２：桥臂电压参考值，子模块状态，
主电路开关动作：ＦＰＧＡ２一ＤＳＰ２：主电路开关动作反 馈，电压、电流硬保护；ＤＳＰｌ一ＤＳＰ２，同上位机一ＤＳＰｌ 内容；ＤＳＰ２．ＤＳＰｌ：子模块电压，主电路电压、电流， 并、离网反馈；ＡＤ—ＤＳＰ２：子模块电压，主电路电
图１
Ｆｉｇ．１
ＭＭＣ拓扑
基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３） （２０１３ＡＡ０５０９０１） 定稿日期：２０１５—０７—０ｌ 作者简介：邵 雷（１９８９一），男，湖北武汉人，硕士研究生，
ＭＭＣ原理与设计
ＭＭＣ由６个对称桥臂构成．每个桥臂上串联若
干个结构相同的子模块与电感￡．上下两个桥臂构
成一个相单元，ＭＭＣ拓扑如图１所示。ＭＭＣ子模 块拓扑如图２所示，包括ＩＧＢＴ、电容Ｃ、旁路开关
Ｖ：
参考电压值下发给ＦＰＧＡ；②ＦＰＧＡ部分，辅助控 制器主要功能如图６所示，充分利用ＦＰＧＡ并行 计算的优势，减轻ＤＳＰ运算负担，在三相参考电 压的基础上。叠加每个子模块电容电压不平衡分 量及桥臂环流分量。
额定频率５０ Ｈｚ；桥臂电感５ ｍＨ；子模块电容容值
２ ０００
ＩＬＦ；桥臂子模块数为４；载波频率２．５
图８环流抑制和电容电压平衡
Ｆｉｇ．８ Ｃｉｒｃｕｌａｔｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ａｎｄ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｂａｌａｎｃｅ
３．３功率阶跃实验验证
为检验实验样机功率阶跃时的暂态特性．在 直流侧升到额定电压６５０ Ｖ，交流侧并网条件下，
给定ｋ，妇阶跃变化，交流侧有功、无功功率Ｐ。，
压、电流；ＦＰＧＡ２．ＳＭＣ：子模块状态，ＰＷＭ脉冲； ＳＭＣ—ＦＰＧＡｌ：子模块状态。
２．２控制系统软件架构
Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ ＭＭＣ
ＭＭＣ控制系统软件架构由换流阀级控制和 换流站级控制组成。换流阀级控制是ＭＭＣ系统特 有的控制策略。换流站级控制又包含外环控制和
图２子模块内部结构
Ｆｉｇ．２ Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｕｂ－ｍｏｄｕｌｅ
ｓｙｓｔｅｍ
ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ
ｏｒｄｅｒ，
ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｔｈｅ
ａ
ｍａｉｎ
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｔｈｅ ｓｕｂ－ｍｏｄｕｌｅ ＭＭＣ
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ
ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌａｙｅｒｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ．
Ｐｌａｎ（８６３）（Ｎｏ．２０１３ＡＡ０５０９０１）
１
引
言
子模块无控制器，增加了硬件接口数量。文献【５］
ＭＭＣ采用模块化设计，具有输出电压电平数 高、谐波特性好、易于扩展等诸多优点，在新能源 接入、向无源网络供电、城市配网等诸多领域有着 广阔的应用前景。越来越多地受到学术界和工业
界的关注Ｉ卜２Ｉ。 目前对ＭＭＣ的研究主要侧重于其数学建模、 调制策略及均压策略等方向的研究．对ＭＭＣ样机
摘要：针对模块化多电平变流器（ＭＭＣ）在高压大功率应用场合模块数较多、控制系统复杂的特点，提出了一种 改进的三级分层控制的系统架构，解决了传统控制系统同步性及可靠性较低等问题。重点研究了该分层控制 系统架构的实现方法，按照由高到低的顺序对上位机控制系统、主控制器、子模块控制保护单元等进行了详细 分析，确定了各控制层之间的通信内容和功能。利用三相９电平ＭＭＣ实验样机对所提控制系统架构进行了实 验验证，证明了所述控制系统的可行性。 关键词：变流器；模块化多电平；控制器
中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１６）０３－００１３－－０４
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ
Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
ＳＨＡＯ Ｌｅｉｌ，ＸＵ Ｊｉａ．ｂｉｎ２，ＺＥＮＧ Ｇｕｏ．ｈｏｎ９１，ＬＩ Ｊｉｎ．ｋｅｌ （１．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ）
提出了在每个子模块上集成一个现场可编程门阵 列（ＦＰＧＡ），通过两根光纤与主控系统通信，该控 制系统各子模块之间存在时钟同步性及可靠性较 低等问题。针对以上问题．提出一种适用于ＭＭＣ 拓扑结构的三层控制系统架构。采用直接均压控
制在一台１０ ｋＶＡ三相９电平ＭＭＣ样机上验证
了控制系统架构的可行性。
２
设计及控制系统架构的关注较少。文献［３］采用两 层控制架构，此种结构采样通道较多，且隔离要求 较高，不适用于高压大功率场合。文献［４］通过增 加桥臂控制器．使得控制的子模块数显著提高，但
路电压、电流，承担换流站级控制。运算得到三相
Ｆｉｇ．７ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＳＭＣ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ
３ ３．１
实
验
ＭＭＣ实验样机参数
为验证控制系统设计的可行性。在１０ ｋＶＡ实 验样机上进行了一系列稳态和动态实验。实验平 台主电路参数如下：额定容量１０ ｋＶＡ：直流侧额
定电压６５０ Ｖ；交流侧额定线电压有效值３８０
Ｖ０１．５０，Ｎｏ．３ Ｍａ；②Ｖ。关断、Ｖ： 导通，子模块对外为零电压，电流通过Ｖ：或ＶＤ： 旁路；③Ｖ。与Ｖ：均闭锁时，用于ＭＭＣ启动时向 子模块电容预充电。或在系统故障时保护换流器。
人机界面完成系统电压电流等信号的显示及
有功和无功的控制：主控系统（ＭＣＳ）接收上位机
ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｎｉｎｅ－ｌｅｖｅｌ
ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｍｏｄｕｌａｒ ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ；ｃｏｎｔｒｏｎｅｒ
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ
ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
内环控制，它是整个控制系统的核心，决定了系统 的运行方式。外环控制是根据不同控制目标（功率 控制和直流电压控制），生成ｄ，口轴电流分量参考
通过控制子模块开关管的导通和关断，可使 各子模块产生不同电平的电压。通过不同的控制 策略，对子模块的输出电压进行有序组合，从而实 现整流、逆变、补偿等功能。
２．１
第５０卷第３期
２０１６年３月
电力电子技术
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖ０１．５０，Ｎｏ．３ Ｍａｒｃｈ ２０１６
模块化多电平变流器的控制架构设计
邵
雷１，徐家彬２，曾国宏１，李金科－
１０００３１）
（１．北京交通大学，国家能源主动配电网技术研发中心，北京１０００４４； ２．北京亿利智慧能源科技有限公司，北京
图３控制系统架构
Ｆｉｇ．３ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
功率平衡的电容电压附加控制策略与基于准比例
谐振控制的环流抑制器。控制框图如图５所示。
１４
万方数据
模块化多电平变流器的控制架构设计
的ＣＴＲ和ＰＷＭ脉冲信号。当ＣＴＲ表示闭锁或旁
洲
路时，ＰＷＭ信号无效。此时ＳＭＣ控制子模块处在 相应状态；当ＣＴＲ为正常时，ＰＷＭ信号有效，由 ＳＭＣ分配子模块上下管的脉冲。ＳＭＣ功能示意图
值ｋ和钿；而内环控制主要目标是实现ｄ，ｇ轴
电流分量的独立控制，跟踪外环生成的参考值，生 成三相调制波。 ｄ，ｑ，０坐标系下电流状态方程表达式如下：
控制系统硬件架构
整机控制系统采用三层控制结构．分别通过 人机界面系统、主控制器和子模块控制器实现。控
制架构如图３所示。
戢比挑Ｈ１ Ｉｕｕ＾ｚ－ｖ。］
根据式（１）的数学模型，设计内环电流解耦控
ｇ。阶跃变化如图９ａ所示，在Ａ点，ｉ埘＝４