模块化串联结构高压电源的两级分组控制系统

发布时间：2021-08-24 21:08

　　基于串联结构的模块化组合变换器在中、高压输入电源中得到广泛采用,但是这类变换器中众多子模块的控制都需要高压电气隔离,这对控制系统的设计提出了较高要求。因此,基于两级式控制系统,设计了一种分组控制系统:将邻近的隔离电压较低的子模块结合成一个模块组,组内采用同一个控制器,通过光耦隔离来控制各子模块,从而减少了控制器和光纤数量,因此简化了控制并降低了成本。进而针对模块组结构,设计了一种冗余供电的辅助电源方案,能够提高供电可靠性。基于分组式控制系统搭建了一台输入10 kV、输出375 V、额定功率40 kW、包含36个子模块的谐振式模块化多电平直流变换器样机,并进行了实验验证。 

【文章来源】：电源学报. 2020,18(04)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

单相模块化串联结构变换器拓扑

针对这类变换器，本文提出一种两级分组控制系统结构，如图2所示。控制系统包含1个主控制器和多个子模块控制器，每个子模块控制器通过光耦隔离控制m个子模块，形成一个模块组。主控制器接收各个信号的采样值，执行控制算法，将驱动占空比等控制信息编码下发给子模块控制器。子模块控制器接收控制信号，解码后产生驱动信号，从而控制各个开关管；同时，采样组内所有子模块的电容电压等信号，并将采样结果发送回主控制器。主控制器与子模块控制器之间通过光纤实现通信。为了保证通信的实时性，主控制器与子模块控制器之间采用了点对点的串行通信SCI(seria communication interface）。SCI是一种异步全双工的双线制通信协议，因此主控制器和每个子模块控制器之间只需要连接2根光纤Tx、Rx。为了减小通信负担，可将信号分类，实时性要求较高的信号，如故障状态、驱动占空比等，在每个控制周期均进行收发；实时性要求较低的信号，如开关管温度等，拆分成多组在空闲时刻进行收发。

主控制器采用数字信号处理器DSP(digital signal processor）与可编程门阵列FPGA(field programmable gate array）结合的方案，主要结构如图3所示，包含DSP、FPGA、以太网芯片、光纤收发器等。其中，DSP选用TI公司的TMS320F28377D，负责与上位机通信、系统启停等高层次控制；FPGA选用Intel公司CycloneⅢ系列的EP3C40F324，负责与子模块控制器的串行通信以及执行固定的控制算法。FPGA具有丰富的I/O口，能连接多个子模块控制器，并且得益于内部的并行架构，能同时与所有子模块控制器通信，实时性好。DSP通过EMIF并行总线与FPGA实时交换数据。并行总线上同时扩展有一块以太网芯片，从而DSP能通过以太网或自带的CAN通信将电压、电流、子模块运行状态等数据发送给上位机，并能够接收上位机的指令，从而实现了上位机对系统运行状态的实时监控。

【参考文献】：
期刊论文
[1]MMC控制系统中子模块控制器的设计[J]. 邢长达,郭家虎,朱成杰,梁克靖.  电力系统保护与控制. 2016(03)
[2]适用于大规模MMC的分布式控制系统及两级均压策略[J]. 胡鹏飞,林志勇,周月宾,江道灼,梁一桥.  电力系统自动化. 2014(11)



本文编号：3360726