CN104811063A - 基于多核控制器技术的模块化多电平换流器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力系统运行和控制技术领域，尤其涉及一种基于多核控制器技术的模块化多电平换流器控制方法。本发明将直流输电控制系统分为三层：系统级控制、换流站控制和换流阀控制，其中一个控制系统中包括多个换流站，每个换流站中包括多个换流阀；将八核DSP控制器与模块化多电平换流器相连；在主核完成换流站控制计算后，将6个桥臂的换流阀控制部分分配在不同核之间并行计算，极大地减少计算时间，满足实时控制的要求。这种结构不仅能通过并行提高控制器的计算效率，而且站控和阀控之间的数据在DSP内部能灵活地传递。

Description

基于多核控制器技术的模块化多电平换流器控制方法
技术领域
本发明属于电力系统运行和控制技术领域，尤其涉及一种基于多核控制器技术的模块化多电平换流器控制方法。
背景技术
近几年，随着风力发电、太阳能发电等可再生能源发电的发展，基于电压源换流器的轻型直流输电系统由于具有经济、灵活、高可控性等优点，得到了快速的应用和发展。轻型直流输电广泛应用于可再生能源，比如大型风电场并网、分布式发电并网、孤岛供电、大城市电网供电、非同步交流电网互联、多端直流输电等领域。
基于模块化多电平换流器(modularized multilevel converter，MMC)的高压直流输电是电压源换流器直流输电(high-voltage direct current,HVDC)技术向高电压大功率方向发展的最新成果。MMC-HVDC相比两三电平VSC-HVDC有众多优势，比如容量更大，换流阀制造难度下降，波形质量更高，损耗更低等。
单个电平数较多的MMC换流站一般由数千个子模块构成，以期实现大容量、高冗余度和低波形畸变的电压输出。而含大量子模块的拓扑结构导致电平数较多MMC控制系统建模难度很大，对于电平数较多的MMC物理控制器，不仅需要对数量巨大的子模块状态信息和触发控制字实现实时吞吐，而且必须完成子模块之间的电压均衡控制产生的大量计算，这对MMC控制器的通信和计算能力都提出了严峻的挑战。
发明内容
为了提高模块化多电平换流器的控制器处理能力，提升控制器性能，简化控制器结构，针对模块化多电平换流器运行特点，本发明提出了一种基于多核控制器技术的模块化多电平换流器控制方法，包括：
步骤1、将模块化多电平换流器的控制系统分为三层：系统级控制、换流站控制和换流阀控制，其中一个控制系统中包括多个换流站控制，每个换流站控制中包括6个换流阀控制；
步骤2、将八核DSP控制器与模块化多电平换流器相连；
步骤3、DSP控制器的第一核处理器采集换流站运行信息，包括交流侧三相电压、电流，模块化多电平换流器子模块电容电压、桥臂电流；
步骤4、DSP控制器的第一核处理器根据采集到的换流站运行信息，完成对换流站控制计算，生成6个桥臂的调制波；
步骤5、将第一核处理器生成6个桥臂的调制波并行传递到第二核到第七核这六个处理器中，并将第一核处理器采集到的6个桥臂中的子模块电容电压、桥臂电流分别传递到对应的第二核到第七核这六个处理器中；
步骤6、DSP控制器的第二核到第七核这六个处理器并行完成六个桥臂的调制计算，生成6个桥臂子模块对应的换流阀控制信号；
步骤7、6个桥臂子模块对应的换流阀控制信号传递到第一核处理器，第一核处理器将触发控制信号后从DSP输出；
步骤8、当换流站收到上级系统调度指令时，该调度指令并不直接作为控制器的输入参考值，而是启动系统级控制，确保系统在不同运行方式、不同运行点之间平稳地切换，避免超调以提高系统运行可靠性。
所述换流站控制是根据换流站运行信息计算产生6个桥臂的调制波。
所述换流阀控制是接收换流站产生的调制波，通过调制方式产生子模块的触发信号，并完成子模块的电压均衡控制。
所述换流站控制采用直接电流控制，即矢量控制，并分解为内环电流控制和外环电压控制，其中内环电流控制采用dq解耦控制。
所述换流阀控制根据调制波来确定向开关器件施加开通和关断的控制信号，利用每个子模块上的电压在交流侧产生的电压波形来逼近调制波。
所述换流阀控制采用最近电平逼近调制或载波相移正弦脉宽调制这两种方式。
所述系统级控制是当系统级控制层接收功率、频率、电压运行指令时，先对控制指令进行检测，判断是否会引起系统冲击，然后将运行指令规范在安全范围之内。
所述系统级控制将系统启停指令进行拆解，并协调安排到各换流站中进行控制。
本发明的有益效果在于：本发明设计了一种将多核技术应用到模块化多电平换流器控制器中的方法，控制器采用了8核数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)，在主核完成换流站控制计算后，将6个桥臂的换流阀控制计算部分分配在不同核之间并行计算，极大地减少计算时间，满足实时控制的要求。这种结构不仅能通过并行提高控制器的计算效率，而且换流站控制和换流阀控制之间的数据在DSP内部能灵活地传递。
附图说明
图1为实验系统主电路接线图。
图2为换流站控制图。
图3为相移载波示意图。
图4为A相子模块载波与调制波示意图。
图5为A相MMC输出阶梯波示意图。
图6为实施例控制效果图。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
本实施例以TI公司生产的KeyStone架构8核DSP作为多核处理芯片，型号为TMS320C6678，主频1GHz。第一核处理器负责换流站控制部分，第二～第七核负责6个桥臂的阀控。本实施例中使用FPGA和多核DSP搭建了MMC控制器，用来控制运行在RTDS实时仿真器上的换流站。其中FPGA负责从RTDS接收控制计算需要的换流站运行信息，传递给DSP，DSP使用本发明提出的方法，在主核完成换流站控制计算后，将6个桥臂的换流阀控制部分分配在不同核之间并行计算。待DSP完成控制计算后，FPGA将触发控制信息从DSP传递给RTDS上的换流站。
本实施例中换流站在RTDS实时仿真器上运行，采用一个单端MMC系统来验证本发明所设计的方法。单端MMC换流站如附图1所示，MMC每个桥臂中有100个子模块，系统参数如表1所示。
表1 MMC实验系统主电路参数
首先，DSP的第一核处理器接收模块化多电平换流站运行信息。
DSP的第一核需要接受的运行信息有：交流侧方面，包括交流母线三相电压us_i、电流is_i以及MMC的6个桥臂电流iij；在直流侧方面，包括直流电压udc和各子模块电容电压Vc_ijk。其中，下标i＝a,b,c，表示abc三相；j＝p或n，分别表示上桥臂或下桥臂；k＝1,2,…,N，表示桥臂中子模块编号，本实施例中N＝100。后文中下标i、j和k的含义与此处相同。
然后，第一核中完成换流站控制部分计算，产生6个桥臂的调制波urij。本实施例采用直接电流控制，也称作矢量控制，如附图2，可以分解为内环电流控制和外环电压控制，其中内环电流控制采用dq解耦控制。
附图2中，abc/dq和dq/abc为dp变换和dq反变换模块，PLL为三相锁相环，PI为比例积分器，Gen_ur是根据相调制波生成桥臂调制波的模块。经过换流站控制部分计算，在第一核处理器中计算生成6个桥臂的调制波urij。其中A*和A是有功类参考值和测量值，B*和B是无功类参考值和测量值。本实施例中控制方式为有功无功控制，其中A*为有功出力参考值，取值为400MW，B*为无功出力参考值，取值为30MVar。
然后，将第一核内生成的调制波urij传递到第二到第七核处理器，将第一核接收到的6个桥臂中的子模块电容电压Vc_ijk、桥臂电流iij，分别传递到对应的6个核处理器中。
换流阀控制计算中主要根据根据调制波确定如何向开关器件施加开通和关断的控制信号，目前应用较为广泛的两种调制策略，最近电平逼近调制和载波相移正弦脉宽调制。本实施例采用载波相移正弦脉宽调制(CPS-SPWM)方法，具体解释如下。
若每个桥臂有N个子模块，将载波相角依次相移2π/N，形成N组载波，供每个桥臂N个子模块使用。若上桥臂使用调制波-urij，下桥臂使用调制波urij，这样可以确保同一时刻，每相只有N个子模块投入运行。
本实施例中N＝100但这里以N＝6为例说明CPS-SPWM方法。其中载波(三角波)频率fc＝200Hz，经相移依次π/3后形成的6组载波如附图3所示。由于三相对称性，仅以A相为示例，上下桥臂各模块的调制波与载波如附图4所示。若调制波大于对应子模块的载波，此时刻对应子模块的触发控制字FP_ijk取1，代表对应子模块投入，若调制波小于对应子模块的载波，此时刻对应子模块的触发控制字FP_ijk取0，代表对应子模块切除。从附图5可以清晰看出采用CPS-SPWM可以根据调制波产生所需电平数的阶梯波。
然后，将第二到第七核生成的的触发控制信息FP_ijk传递到第一核，第一核将控制信号从DSP输出，完成控制计算。
本实施例搭建了基于FPGA和DSP的MMC控制系统，来控制运行在RTDS实时仿真器上的换流站。其中FPGA用来将换流站运行信息从RTDS输入到DSP中，并且将DSP控制计算产生的触发控制信号输出到RTDS中。本发明主要涉及控制计算在多核处理芯片中的分布，不对数据输入输出方式做限制。附图6为利用本实施例控制方法下换流站的有功P，无功Q，A相上下桥臂电流iap和ian，A相上桥臂前8个子模块电容电压ucap1～ucap8波形图。
附图6结果表明，有功无功都能准确追踪整定值，子模块波动量峰峰值小于6.38％，各项控制指标都取得较好的效果。
此测试实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于多核控制器技术的模块化多电平换流器控制方法，其特征在于，包括：
步骤1、将模块化多电平换流器的控制系统分为三层：系统级控制、换流站控制和换流阀控制，其中一个控制系统中包括多个换流站控制，每个换流站控制中包括6个换流阀控制；
步骤2、将八核DSP控制器与模块化多电平换流器相连；
步骤3、DSP控制器的第一核处理器采集换流站运行信息，包括交流侧三相电压、电流，模块化多电平换流器子模块电容电压、桥臂电流；
步骤4、DSP控制器的第一核处理器根据采集到的换流站运行信息，完成对换流站控制计算，生成6个桥臂的调制波；
步骤5、将第一核处理器生成6个桥臂的调制波并行传递到第二核到第七核这六个处理器中，并将第一核处理器采集到的6个桥臂中的子模块电容电压、桥臂电流分别传递到对应的第二核到第七核这六个处理器中；
步骤6、DSP控制器的第二核到第七核这六个处理器并行完成六个桥臂的调制计算，生成6个桥臂子模块对应的换流阀控制信号；
步骤7、6个桥臂子模块对应的换流阀控制信号传递到第一核处理器，第一核处理器将触发控制信号后从DSP输出；
步骤8、当换流站收到上级系统调度指令时，该调度指令并不直接作为控制器的输入参考值，而是启动系统级控制，确保系统在不同运行方式、不同运行点之间平稳地切换，避免超调以提高系统运行可靠性。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述换流站控制是根据换流站运行信息计算产生6个桥臂的调制波。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述换流阀控制是接收换流站产生的调制波，通过调制方式产生子模块的触发信号，并完成子模块的电压均衡控制。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述换流站控制采用直接电流控制，即矢量控制，并分解为内环电流控制和外环电压控制，其中内环电流控制采用dq解耦控制。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述换流阀控制根据调制波来确定向开关器件施加开通和关断的控制信号，利用每个子模块上的电压在交流侧产生的电压波形来逼近调制波。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述换流阀控制采用最近电平逼近调制或载波相移正弦脉宽调制这两种方式。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述系统级控制是当系统级控制层接收功率、频率、电压运行指令时，先对控制指令进行检测，判断是否会引起系统冲击，然后将运行指令规范在安全范围之内。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述系统级控制将系统启停指令进行拆解，并协调安排到各换流站中进行控制。
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