陈耀军1宋忠友2
(1.武汉大学电气工程学院湖北武汉430072
2.国网重庆市电力公司电力科学研究院重庆401123)
摘要：模块化多电平变换器模块数量众多，模块电容电压难以高精度实时测量，本文提出一种电容电压的测量方法，应用该方法，在子模块中，通过AD把电压信号实时转换为数字信号，再把数字信号转换为固定频率的脉宽信号，该信号可以通过光纤或光耦传递给控制中心完成脉宽的测量，从而完成电容电压的模拟/数字/脉宽/数字（A/D/W/D）的变换。该方法转换精度高，实时性好。文中最后通过搭建的560V直流输入每桥臂两个模块的实验平台证实了所提方法的正确性。
关键词：模块化多电平变换器，电容电压，策量，脉宽
1.引言
在中高压应用领域，多电平变换器有着重要的应用地位。2003年，Marquardt和Lesnicar提出了模块化多电平变换器（MMC）的拓扑结构，,其具有模块化的结构，易于实现冗余，可以获得多电平，甚至无谐波的输出，非常适合于中高压应用场合,获得了广泛的关注，被认为是下一代多电平变换器。
工作时，需要对模块电容电压进行均压操作，这就需要实时高精度地测量各个模块的电容电压。电压测量最常用的的方法是采用AD转换芯片，把电压信号转换为数字信号，但由于控制中心远离各个子模块，且为保证绝缘，一般采用光纤和各个子模块通信，直接把AD芯片转换的数字信号通过并行方法传回来不现实，通过串行方法则不能保证其实时性，且容易受干扰。
一种可行的方法是使用压控振荡器（VCO），把电容电压信号转换成频率信号，通过光纤或光耦隔离，传递给控制系统，然后再还原成模拟或数字化的电容电压信号，但由于VCO一般呈非线性，要进行高精度的测量，必须进行非线性校正，这是一项非常繁琐的工作。还有一种方法是采用电压/频率变换芯片，其变换原理有积分恢复型、电压反馈型、交替积分型和电荷平衡型，能够保证其输出有较高的线性度和精度，但其最大的问题是输入一定电压对应的输出频率是统计意义上的频率，即一段时间内的平均频率，但这个一段时间是变化的，因而在频率测量时，要获得较高的精度，必须使用较长的测量时间，这限制了它的应用，难以达到MMC实时控制的要求。还有一种方法是在模块中设计一个AD采集系统，把采集的数据通过串行通信实时传给控制器。但这要求串行通信具有较高的速度，这会增加系统设计的复杂性，且存在着通信故障的风险。
2.MMC拓扑结构及工作原理
在每个开关周期内，首先确定开通和截止模块的数量，接着测量一个桥臂所有模块电容电压，并根据电容电压大小排序，再测量桥臂电流方向，如果桥臂电流大于零，即流入模块电容，这时直流电源通过桥臂电流给模块电容充电，为保证电容均压，需要把电容电压较小的接入电路，而把电容电压较大的旁路，这样电容电压较小的就得到了充电的机会而升高其电压。如果桥臂电流小于零，即模块电容通过桥臂电流放电，这时则需要把电容电压较大的接入电路，使其电压因放电而减小，把电容电压较小的旁路。通过这样的方式可以保证同一桥臂电容电压的均衡。
3.MMC实验平台及实验结果
控制系统组成由信号调理板，控制板和三块信号接口板组成。信号调理板主要完成系统输入输出电压和电流以及桥臂电流信号的变换，使其能够满足控制板AD的输入要求。控制板主要由DSP、FPGA、AD、PLL以及485通信等电路组成，主要完成系统PWM信号的产生，各种信号的测量以及控制算法的执行等，是系统的核心组成部分。DSP芯片采用的是TI公司的TMS320F2812，FPGA采用的是Altera公司的EP2C5。FPGA产生的PWM信号经过信号接口电路缓冲后，通过高速光耦和驱动电路连接，以控制各个模块IGBT的开通和截止，同时模块的驱动及检测电路检测模块的电容电压及电路状态，把电容电压及保护信息传给接口板，经缓冲后传给FPGA。FPGA和DSP之间采用并行数据总线相连，传递信息。FPGA板完成PWM信号的产生，电容电压的测量以及均压等功能，而DSP完成信号的采集、控制算法的执行以及和上位机通讯等功能。PLL为锁相环电路，用于完成对电网频率和相位的锁定，为系统控制提供相位基准。
MMC输出的电压和电流波形，系统采用的是载波重叠PWM调制，即把2N个相位相同的三角波重叠起来，幅值依次相差一个电平，再和两个相位相反的调制波比较，所得PWM信号经过均压调整后控制模块IGBT的开通和关段，就可以获得2N+1电平的输出（N为每个桥臂模块的数量），本文实验平台每桥臂模块数量为2，则输出电压的电平数量为5，而电流则为标准的正弦波，可见MMC输出轻易就可以获得很低的THD。
4.结论
本文提出了一种模块化多电平变换器的电容电压测量策略，该方法通过把电容电压变换为固定频率的脉冲信号，通过光纤远程传到控制中心，再通过测脉宽的方法将其转换为数字信号，该方法测量实时性号，精度高，非常适合应用于模块化多电平变换器。
参考文献
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