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基于MMC的电力 电子 变压器系统及其分层控制系统架构

阅读：461发布：2020-05-08

专利汇可以提供基于MMC的电力电子变压器系统及其分层控制系统架构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于MMC的电力电子变压器系统及其分层控制系统架构，采用主+从+ 阀三层控制架构，MMC变换器中的每相桥臂对应有一个从控制器，专门实现该相桥臂的控制，实现同属于一相桥臂中子模块的同步控制，可靠保证同相桥臂中子模块的同步问题，提升系统控制可靠性。而且，控制分层比较合理，主控制器不再过度集中控制，控制任务有一部分由从控制器进行了分担，提升系统故障冗余度和控制可靠性。另外，各层控制功能分布明确，便于在系统控制各环节出故障时，能按层级快速查询检修，提升系统可靠性。还有就是，设立的从控制器能够进行阀控制器的外扩，可扩展性强，能减少后期开发的时间周期，保证系统能应用于更高电压大功率场合。，下面是基于MMC的电力电子变压器系统及其分层控制系统架构专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于MMC的电力电子变压器系统的分层控制系统架构，其特征在于，包括三层控制，分别是：主控制层、从控制层和阀控制层，主控制层包括主控制器，从控制层包括用于分别对应控制MMC变换器中各相桥臂的三个第一从控制器，阀控制层包括用于分别对应控制MMC变换器中各子模块的第一阀控制器，所述主控制器与三个第一从控制器通讯连接，所述第一从控制器与对应桥臂上各子模块对应的第一阀控制器通讯连接，主控制器发送同步指令，三个第一从控制器接收到主控制器发送的同步指令后向对应的第一阀控制器发送同步控制信号，实现同相桥臂中的子模块的同步控制。
2.根据权利要求1所述的基于MMC的电力电子变压器系统的分层控制系统架构，其特征在于，所述从控制层还包括用于控制与MMC变换器的直流侧连接的DC/DC变换器的第二从控制器，所述阀控制层还包括用于控制所述DC/DC变换器中的高压侧变换单元的第二阀控制器和用于控制所述DC/DC变换器中的低压侧变换单元的第三阀控制器，所述主控制器与所述第二从控制器通讯连接，所述第二从控制器与所述第二阀控制器通讯连接，所述第二阀控制器和第三阀控制器通讯连接。
3.根据权利要求2所述的基于MMC的电力电子变压器系统的分层控制系统架构，其特征在于，所述DC/DC变换器由高压侧级联且低压侧并联的M个DC/DC变换电路构成，M≥2，所述第二阀控制器包括M个与各DC/DC变换电路中的高压侧变换单元对应的第二阀控板，所述第三阀控制器包括M个与各DC/DC变换电路中的低压侧变换单元对应的第三阀控板，所述第二从控制器与各第二阀控板通讯连接，各第二阀控板与对应的第三阀控板通讯连接。
4.一种基于MMC的电力电子变压器系统，包括MMC变换器，所述MMC变换器包括三相桥臂，其特征在于，所述电力电子变压器系统还包括一种分层控制系统架构，所述分层控制系统架构包括三层控制，分别是：主控制层、从控制层和阀控制层，主控制层包括主控制器，从控制层包括用于分别对应控制MMC变换器中各相桥臂的三个第一从控制器，阀控制层包括用于分别对应控制MMC变换器中各子模块的第一阀控制器，所述主控制器与三个第一从控制器通讯连接，所述第一从控制器与对应桥臂上各子模块对应的第一阀控制器通讯连接，主控制器发送同步指令，三个第一从控制器接收到主控制器发送的同步指令后向对应的第一阀控制器发送同步控制信号，实现同相桥臂中的子模块的同步控制。
5.根据权利要求4所述的基于MMC的电力电子变压器系统，其特征在于，所述MMC变换器的直流侧连接有DC/DC变换器，所述从控制层还包括用于控制所述DC/DC变换器的第二从控制器，所述阀控制层还包括用于控制所述DC/DC变换器中的高压侧变换单元的第二阀控制器和用于控制所述DC/DC变换器中的低压侧变换单元的第三阀控制器，所述主控制器与所述第二从控制器通讯连接，所述第二从控制器与所述第二阀控制器通讯连接，所述第二阀控制器和第三阀控制器通讯连接。
6.根据权利要求5所述的基于MMC的电力电子变压器系统，其特征在于，所述DC/DC变换器由高压侧级联且低压侧并联的M个DC/DC变换电路构成，M≥2，所述第二阀控制器包括M个与各DC/DC变换电路中的高压侧变换单元对应的第二阀控板，所述第三阀控制器包括M个与各DC/DC变换电路中的低压侧变换单元对应的第三阀控板，所述第二从控制器与各第二阀控板通讯连接，各第二阀控板与对应的第三阀控板通讯连接。

说明书全文

基于MMC的电力 电子 变压器系统及其分层控制系统架构

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子变压器技术领域，具体涉及一种基于MMC的电力电子变压器系统及其分层控制系统架构。

背景技术

[0002] 电力电子变压器作为一种结合了电力电子技术和电磁技术的电能转换器，通常集中了电气隔离、电能变换和无功补偿等功能，并为分布式可再生能源和储能系统提供了多样的电力接入端口。此外，相较于传统的电力变压器，电力电子变压器具有自保护功能，通过数字控制实现系统实时监控和管理。电力电子变压器极大满足了电力系统当前发展需求，为提高电网智能化水平起到重要作用，目前主要应用于配电网、机车牵引和能源互联网中。

[0003] 基于MMC的电力电子变压器的拓扑，涉及到多级电力转换，能提供高低压交直流三端口。该拓扑的直流母线电压不存在低频波动，输出电压质量高，系统AC/DC级和DC/DC级能相互独立控制，系统模块化和冗余度高。但是该系统应用于高压大功率场合中，MMC和隔离型DC/DC级所需的子模块数较多，其协调控制和多级保护的控制策略较为复杂。其中，MMC拓扑结构中的MMC包括三个桥臂，分别对应三相交流电中的A、B、C三相。

[0004] 申请公布号为CN107154741A的中国发明专利申请文件中公开了一种基于MMC拓扑结构的控制系统，包括主控制器和子模块控制器(也可以称为阀控制器)，其中，主控制器用于向MMC拓扑结构中的子模块发送调制波信息，子模块控制器与MMC拓扑结构中的子模块一一对应，用于控制对应的子模块。该MMC拓扑结构采用两级控制，一个主控制器完成控制算法和系统保护监控，下属设立与子模块相同个数的子模块控制器，每个子模块控制器需要完成对应子模块的数据采集、调制控制和故障检测等功能。该MMC拓扑结构仅两层控制级，控制执行效率较高，但是就MMC控制而言，采用两级控制，主控制器直接与各个子模块控制器通讯连接，主控制器的控制过度集中，控制任务比较繁杂，故障冗余度差，控制负担比较重，控制可靠性差，涉及较多子模块控制时，对主控制器数据资源配置要求较高。而且，由于MMC中的同相桥臂中的子模块的同步要求十分高，主控制器直接与各个子模块控制器通讯连接，无法可靠保证同相桥臂中的子模块的同步。另外，在系统控制各环节出故障时，不能快速按层级快速查询检修，系统控制可靠性较低。

[0005] 另外，在隔离级DC/DC变换器中，目前，同样采用两级控制架构，主控制器完成系统控制算法，下发给子模块控制器完成隔离型DC/DC变换器控制，但由于隔离型DC/DC变换器高低压单元的电压等级相差较大，采用单一子模块控制器，对高低压侧同时进行数据采集和驱动控制时，同步性和隔离性较差，控制信号会存在较大干扰，极大影响控制性能。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种基于MMC的电力电子变压器系统及其分层控制系统架构，用以解决现有的控制系统无法可靠保证同相桥臂中的子模块的同步控制的问题。

[0007] 为实现上述目的，本发明的方案包括：

[0008] 一种基于MMC的电力电子变压器系统的分层控制系统架构，包括三层控制，分别是：主控制层、从控制层和阀控制层，主控制层包括主控制器，从控制层包括用于分别对应控制MMC变换器中各相桥臂的三个第一从控制器，阀控制层包括用于分别对应控制MMC变换器中各子模块的第一阀控制器，所述主控制器与三个第一从控制器通讯连接，所述第一从控制器与对应桥臂上各子模块对应的第一阀控制器通讯连接，主控制器发送同步指令，三个第一从控制器接收到主控制器发送的同步指令后向对应的第一阀控制器发送同步控制信号，实现同相桥臂中的子模块的同步控制。

[0009] 本方案提供的分层控制系统架构包括三层控制，分别是：主控制层、从控制层和阀控制层，主控制层包括主控制器，从控制层包括用于分别对应控制MMC变换器中各相桥臂的三个第一从控制器，阀控制层包括用于分别对应控制MMC变换器中各子模块的第一阀控制器，每一相桥臂对应有一个第一从控制器，专门实现该相桥臂的控制，在主控制器发送同步指令时，这三个第一从控制器能够向对应相桥臂中的各个第一阀控制器发送同步控制信号，实现同属于一相桥臂中的子模块的同步控制，可靠保证了同相桥臂中的子模块的同步问题，满足系统控制同步要求，提升系统控制可靠性。不同相桥臂中的子模块由不同的控制器进行控制，各相桥臂中的子模块的控制相对独立，不同相桥臂中的子模块的控制互不干扰，实现了不同相桥臂中的子模块的隔离控制。而且，系统中的三层控制分别是主控制、相桥臂控制以及各个子模块的控制，分层比较合理，不存在主控制器的过度集中控制的情况，主控制器的控制任务有一部分由从控制器进行了分担，控制任务得到了简化，控制负担减轻了许多，提升系统故障冗余度和控制可靠性。解决了当前MMC控制中存在的控制过度集中和可靠性差的问题。另外，各层控制功能分布明确，便于在系统控制各环节出故障时，能按层级快速查询检修，以及通过直接替换控制器来实现系统快速恢复，提升系统可靠性。还有就是，设立的第一从控制器能够进行阀控制器的外扩，满足MMC变换器的电平数的提升，增加系统架构的灵活配置和后期扩展开发，可扩展性强，减少后期开发的时间周期，通过合理分层的软件功能布局，提高系统的控制模块化和系统可靠性，保证系统能应用于更高电压大功率场合。

[0010] 进一步地，所述从控制层还包括用于控制与MMC变换器的直流侧连接的DC/DC变换器的第二从控制器，所述阀控制层还包括用于控制所述DC/DC变换器中的高压侧变换单元的第二阀控制器和用于控制所述DC/DC变换器中的低压侧变换单元的第三阀控制器，所述主控制器与所述第二从控制器通讯连接，所述第二从控制器与所述第二阀控制器通讯连接，所述第二阀控制器和第三阀控制器通讯连接。

[0011] 设置专门控制DC/DC变换器的第二从控制器，而且，通过第二阀控制器专门控制DC/DC变换器中的高压侧变换单元，通过第三阀控制器专门控制DC/DC变换器中的低压侧变换单元，第二从控制器与第二阀控制器通讯连接，第二阀控制器和第三阀控制器之间通讯连接，第二从控制器下发同步信号给第二阀控制器，通过第二阀控制器中转第二从控制器与第三阀控制器间的信息交互，第二阀控制器能够将第二从控制器下发的同步信号同步转给第三阀控制器，从硬件上完成DC/DC变换器的高低压侧的同步控制。而且，不同侧的变换单元中的开关器件配置不同的控制器进行控制，实现了高压侧变换单元和低压侧变换单元的高低压隔离要求，保持了DC/DC变换器的隔离特征，降低了高低压的驱动控制信号之间的信号干扰问题，实现高压侧和低压侧的精准同步控制。同样解决了现有的DC/DC变换器的控制存在控制过度集中和控制隔离性较差的问题。

[0012] 进一步地，所述DC/DC变换器由高压侧级联且低压侧并联的M个DC/DC变换电路构成，M≥2，所述第二阀控制器包括M个与各DC/DC变换电路中的高压侧变换单元对应的第二阀控板，所述第三阀控制器包括M个与各DC/DC变换电路中的低压侧变换单元对应的第三阀控板，所述第二从控制器与各第二阀控板通讯连接，各第二阀控板与对应的第三阀控板通讯连接。

[0013] 第二从控制器与所有的第二阀控板通讯连接，向所有的第二阀控板下发同步信号，保证所有的DC/DC变换电路的同步控制，而控制单个DC/DC变换电路的高压侧和低压侧对应的阀控板之间通讯连接，第二从控制器下发给第二阀控板的同步信号能同时转给第三阀控板，从硬件上完成同步控制，能避免信号干扰，实现精准快速的单个DC/DC变换电路的高低压侧同步控制。因此，能够保证单个DC/DC变换电路的高低压侧的同步控制和多个DC/DC变换电路间的同步控制。而且，不同侧的变换单元中的开关器件配置不同的控制器进行控制，实现了高压侧变换单元和低压侧变换单元的高低压隔离要求，降低了高低压的驱动控制信号之间的信号干扰问题，保证系统的稳定控制。另外，设立的第二从控制器能够进行阀控制器的外扩，满足DC/DC变换电路数的提升，提升系统的电压等级和功率等级，整体可扩展性强，减少后期开发的时间周期，保证应用于更高电压大功率场合。

[0014] 本发明还提供一种基于MMC的电力电子变压器系统，包括MMC变换器，所述MMC变换器包括三相桥臂，所述电力电子变压器系统还包括一种分层控制系统架构，所述分层控制系统架构包括三层控制，分别是：主控制层、从控制层和阀控制层，主控制层包括主控制器，从控制层包括用于分别对应控制MMC变换器中各相桥臂的三个第一从控制器，阀控制层包括用于分别对应控制MMC变换器中各子模块的第一阀控制器，所述主控制器与三个第一从控制器通讯连接，所述第一从控制器与对应桥臂上各子模块对应的第一阀控制器通讯连接，主控制器发送同步指令，三个第一从控制器接收到主控制器发送的同步指令后向对应的第一阀控制器发送同步控制信号，实现同相桥臂中的子模块的同步控制。

[0015] 本方案提供的基于MMC的电力电子变压器系统中的分层控制系统架构涉及三层控制，分别是：主控制层、从控制层和阀控制层，主控制层包括主控制器，从控制层包括用于分别对应控制MMC变换器中各相桥臂的三个第一从控制器，阀控制层包括用于分别对应控制MMC变换器中各子模块的第一阀控制器，每一相桥臂对应有一个第一从控制器，专门实现该相桥臂的控制，在主控制器发送同步指令时，这三个第一从控制器能够向对应相桥臂中的各个第一阀控制器发送同步控制信号，实现同属于一相桥臂中的子模块的同步控制，可靠保证了同相桥臂中的子模块的同步问题，满足系统控制同步要求，提升系统控制可靠性。不同相桥臂中的子模块由不同的控制器进行控制，各相桥臂中的子模块的控制相对独立，不同相桥臂中的子模块的控制互不干扰，实现了不同相桥臂中的子模块的隔离控制。而且，三层控制分别是主控制、相桥臂控制以及各个子模块的控制，分层比较合理，不存在主控制器的过度集中控制的情况，主控制器的控制任务有一部分由从控制器进行了分担，控制任务得到了简化，控制负担减轻了许多，提升系统故障冗余度和控制可靠性。解决了当前MMC控制中存在的控制过度集中和可靠性差的问题。另外，各层控制功能分布明确，便于在系统控制各环节出故障时，能按层级快速查询检修，以及通过直接替换控制器来实现系统快速恢复，提升系统可靠性。还有就是，设立的第一从控制器能够进行阀控制器的外扩，满足MMC变换器的电平数的提升，增加系统架构的灵活配置和后期扩展开发，可扩展性强，减少后期开发的时间周期，通过合理分层的软件功能布局，提高系统的控制模块化和系统可靠性，保证系统能应用于更高电压大功率场合。

[0016] 进一步地，所述MMC变换器的直流侧连接有DC/DC变换器，所述从控制层还包括用于控制所述DC/DC变换器的第二从控制器，所述阀控制层还包括用于控制所述DC/DC变换器中的高压侧变换单元的第二阀控制器和用于控制所述DC/DC变换器中的低压侧变换单元的第三阀控制器，所述主控制器与所述第二从控制器通讯连接，所述第二从控制器与所述第二阀控制器通讯连接，所述第二阀控制器和第三阀控制器通讯连接。

[0017] 设置专门控制DC/DC变换器的第二从控制器，而且，通过第二阀控制器专门控制DC/DC变换器中的高压侧变换单元，通过第三阀控制器专门控制DC/DC变换器中的低压侧变换单元，第二从控制器与第二阀控制器通讯连接，第二阀控制器和第三阀控制器之间通讯连接，第二从控制器下发同步信号给第二阀控制器，通过第二阀控制器中转第二从控制器与第三阀控制器间的信息交互，第二阀控制器能够将第二从控制器下发的同步信号同步转给第三阀控制器，从硬件上完成DC/DC变换器的高低压侧的同步控制。而且，不同侧的变换单元中的开关器件配置不同的控制器进行控制，实现了高压侧变换单元和低压侧变换单元的高低压隔离要求，保持了DC/DC变换器的隔离特征，降低了高低压的驱动控制信号之间的信号干扰问题，实现高压侧和低压侧的精准同步控制。同样解决了现有的DC/DC变换器的控制存在控制过度集中和控制隔离性较差的问题。

[0018] 进一步地，所述DC/DC变换器由高压侧级联且低压侧并联的M个DC/DC变换电路构成，M≥2，所述第二阀控制器包括M个与各DC/DC变换电路中的高压侧变换单元对应的第二阀控板，所述第三阀控制器包括M个与各DC/DC变换电路中的低压侧变换单元对应的第三阀控板，所述第二从控制器与各第二阀控板通讯连接，各第二阀控板与对应的第三阀控板通讯连接。

[0019] 第二从控制器与所有的第二阀控板通讯连接，向所有的第二阀控板下发同步信号，保证所有的DC/DC变换电路的同步控制，而控制单个DC/DC变换电路的高压侧和低压侧对应的阀控板之间通讯连接，第二从控制器下发给第二阀控板的同步信号能同时转给第三阀控板，从硬件上完成同步控制，能避免信号干扰，实现精准快速的单个DC/DC变换电路的高低压侧同步控制。因此，能够保证单个DC/DC变换电路的高低压侧的同步控制和多个DC/DC变换电路间的同步控制。而且，不同侧的变换单元中的开关器件配置不同的控制器进行控制，实现了高压侧变换单元和低压侧变换单元的高低压隔离要求，降低了高低压的驱动控制信号之间的信号干扰问题，保证系统的稳定控制。另外，设立的第二从控制器能够进行阀控制器的外扩，满足DC/DC变换电路数的提升，提升系统的电压等级和功率等级，整体可扩展性强，减少后期开发的时间周期，保证应用于更高电压大功率场合。附图说明

[0020] 图1是现有的基于MMC的电力电子变压器系统的电路拓扑图；

[0021] 图2-a是现有的MMC变换器中的子模块的拓扑图；

[0022] 图2-b是现有的DC/DC变换器中的DC/DC变换电路拓扑图；

[0023] 图3是本发明提供的基于MMC的电力电子变压器系统的分层控制系统架构图；

[0024] 图4是本发明提供的基于MMC的电力电子变压器系统的分层控制系统架构的具体功能布局框图。

具体实施方式

[0025] 基于MMC的电力电子变压器系统实施例：

[0026] 本实施例提供一种基于MMC的电力电子变压器系统，包括两大部分，分别是电路拓扑部分和控制部分，其中，电路拓扑部分(可以称为电力电子变压器)包括MMC变换器和DC/DC变换器，如图1所示，MMC变换器的交流侧接入三相交流电。MMC变换器采用三相MMC变换器进行整流，输出连接单一的中高压直流母线，同时可作为中高压直流端口连接中高压直流电网。MMC变换器的直流侧连接DC/DC变换器的高压侧，DC/DC变换器的低压侧为电路拓扑部分的电能输出端，DC/DC变换器用于将高压直流电转换为低压直流电。因此，该电路拓扑部分能够提供高低压多端口。其中，在中高压的应用场合，DC/DC变换器一般包含M个(M≥2)DC/DC变换电路，这些DC/DC变换电路的连接关系为：高压侧级联，低压侧并联，如图1所示，即该DC/DC变换器为输入级级联输出并联(ISOP)型DC/DC变换器结构。另外，该电路拓扑部分的电能输出端，即DC/DC变换器的低压侧还可以作为低压直流端口连接低压直流母线，进而还可以连接三相逆变器，进一步得到三相交流输出(这一部分未在图上展示)。该电路拓扑部分的输出电压波形质量高，且前级MMC变换器和后级ISOP型DC/DC变换器能相互独立控制，便于故障模块的及时切除，冗余度高，可靠性强。

[0027] MMC变换器整体上包含三个桥臂，分别对应交流A、B、C三相，将这三个桥臂称为三相桥臂。其中，如图1所示，每相桥臂包含上下两个桥臂。每个桥臂上级联设置有N个SM子模块。N个SM子模块能提供N+1个输出电平数，MMC变换器一般可根据输入电压等级设计对应的级联数N，通常受器件电压等级限制，输入级电压越高，设计的级联数N越大，即每个桥臂上的子模块数越大。DC/DC变换器的输入的母线电压等级越高，对应设计的级联DC/DC变换电路的数量M也会增加。另外，系统对应的控制和保护需要大量的数据资源，以及在应对更高电压大功率设计需求时，系统需要预留大量的外扩资源接口，方便增加的子模块的接入和控制。

[0028] 对于ISOP型DC/DC变换器中的任意一个DC/DC变换电路，为隔离型DC/DC变换电路。隔离型DC/DC变换电路包括三部分，分别是高压侧变换单元(也称为原边)、隔离变压器和低压侧变换单元(也称为副边)，作为一个具体实施方式，高压侧变换单元和低压侧变换单元均以H桥电路为例，当然，高压侧变换单元和低压侧变换单元还可以是其他的相关电路结构。

[0029] 图2-a给出MMC变换器中的SM子模块的一种具体拓扑结构，为全桥子模块。该全桥子模块由一个H桥、机械开关和晶闸管构成，其中机械开关和晶闸管主要实现全桥子模块的旁路保护功能，并且全桥子模块采用自取电方式进行供电，即H桥、机械开关的控制信号和晶闸管的开关信号供电来自全桥子模块的电容电压。作为其他的实施例，SM子模块还可以为半桥子模块(包括2个IGBT)或者双箝位型子模块(5个IGBT)等等。图2-b给出隔离型DC/DC变换电路的一种具体拓扑结构，整体上为Boost电路+双全桥(DAB)电路，其由Boost半桥单元和双全桥电路以及投切单元(包含机械开关和晶闸管)构成，此处机械开关和晶闸管位于Boost电路中的电感后端，能起到较好的故障旁路作用，并且该隔离型DC/DC变换电路采用自取电方式进行供电，Boost半桥单元、双全桥电路的输入侧H桥、机械开关的闭合控制信号以及晶闸管开关信号的供电都取自高压侧母线电容，显然在双全桥电路的两端H桥，数据信息的采集和控制需要较好的隔离，避免电信号的干扰。作为其他的实施方式，隔离型DC/DC变换电路还可以采用DAB子模块等拓扑结构。

[0030] 上述给出了基于MMC的电力电子变压器系统中的电路拓扑部分的介绍说明，以下重点对控制部分，即基于MMC的电力电子变压器系统的分层控制系统架构进行重点介绍。

[0031] 基于MMC的电力电子变压器系统的分层控制系统架构为三层控制结构，分别是：主控制层、从控制层和阀控制层，也就是为主+从+阀三级分层控制结构。主控制层包括主控制器，主控制器实现整个MMC拓扑结构的整体控制，主控制器(DBC)一般由DSP+FPGA构成，如图3所示，系统的核心控制算法、系统级保护和系统运行模式控制等都由主控制器完成。从控制层包括四个从控制器，分别是三个第一从控制器和一个第二从控制器，主控制器与各个从控制器通讯连接，具体通过高速光纤通讯连接，能实现大量数据信息的快速传输。其中，三个第一从控制器用于分别对应控制MMC变换器中的各相桥臂，这三个第一从控制器分别对应图3中的从控制器VBC-A、VBC-B和VBC-C，从控制器VBC-A对应A相桥臂，从控制器VBC-B对应B相桥臂，从控制器VBC-C对应C相桥臂。第二从控制器对应图3中的从控制器VBC-PET，用于控制ISOP型DC/DC变换器。阀控制层包括两大部分，第一部分为第一阀控制器，第一阀控制器的个数与MMC变换器中的SM子模块的个数相同，并且第一阀控制器与SM子模块一一对应，第一阀控制器用于控制对应的SM子模块，第一阀控制器对应图3中的SM阀控板。从控制器VBC-A与A相桥臂上的各SM子模块对应的SM阀控板通讯连接，具体通过光纤进行连接，提升数据传输效率，同理，从控制器VBC-B与B相桥臂上的各SM子模块对应的SM阀控板通过光纤进行连接，从控制器VBC-C与C相桥臂上的各SM子模块对应的SM阀控板通过光纤进行连接。阀控制层的第二部分包括第二阀控制器和第三阀控制器，第二阀控制器对应图3中的SM-PET-H阀控板，用于控制ISOP型DC/DC变换器中的高压侧变换单元，即高压侧H桥，第三阀控制器对应图3中的SM-PET-L阀控板，用于控制ISOP型DC/DC变换器中的低压侧变换单元，即低压侧H桥。本实施例中，SM-PET-H阀控板和SM-PET-L阀控板的个数与隔离型DC/DC变换电路的个数相同，且一一对应，即将一个SM-PET-H阀控板和SM-PET-L阀控板组成一对阀控板，每一个隔离型DC/DC变换电路对应一对阀控板，SM-PET-H阀控板用于控制对应隔离型DC/DC变换电路中的高压侧H桥，SM-PET-L阀控板用于控制对应隔离型DC/DC变换电路中的低压侧H桥。而且，从控制器VBC-PET与各SM-PET-H阀控板通过光纤进行通讯连接。并且，SM-PET-H阀控板和对应的SM-PET-L阀控板通过光纤进行通讯连接，即同属于一个隔离型DC/DC变换电路中的高压侧H桥对应的SM-PET-H阀控板与低压侧H桥对应的SM-PET-L阀控板通讯连接。由SM-PET-H阀控板作为从控制器VBC-PET与对应的SM-PET-L阀控板的信息交互的中转站。此外SM-PET-H阀控板与对应的SM-PET-L阀控板之间的光纤还配置为同步光纤，即该光纤还实现信号同步传输。也就是说，SM-PET-H阀控板与对应的SM-PET-L阀控板之间除了常规的数据通讯(比如完成状态信息的传输)之外，还实现同步信号传输，作为其他的实施方式，SM-PET-H阀控板与对应的SM-PET-L阀控板之间还可以设置两种光纤，一种是常规光纤，实现常规的数据通讯，另一种是同步光纤，实现同步信号传输。所有的隔离型DC/DC变换电路中的高压侧H桥均由该SM-PET-H阀控板进行控制，所有的隔离型DC/DC变换电路中的低压侧H桥均由该SM-PET-L阀控板进行控制，从控制器VBC-PET与该SM-PET-H阀控板通过光纤进行通讯连接，该SM-PET-H阀控板和该SM-PET-L阀控板通讯连接。

[0032] 主+从+阀三级之间的同步控制实现：由主控制器发送同步指令，完成对从控制器的同步控制，3个第一从控制器负责对应相桥臂的所有SM阀控板的信息收发控制，即每个第一从控制器负责一相的SM子模块对应的SM阀控板，三个第一从控制器接收到主控制器发送的同步指令后向对应的SM阀控板发送同步控制信号，通过这样可以保证同相SM子模块的控制信息的同步下发，实现同相桥臂中的SM子模块的同步控制。由于传输的数据量较少，且一般MMC变换器的控制频率较低，因此，SM阀控板传输控制信息的时间可忽略不计，进一步提升同相SM子模块的同步控制；而第三级的阀控制包括各SM子模块和一一配套的SM阀控板，通过线路和SM子模块连接，完成取电、数据采集、驱动控制等功能。另外，第二从控制器负责所有DC/DC变换电路对应的阀控板信息收发控制，同样采用光纤传输，同样采用软件同步方式，由主控制器完成对第二从控制器的同步，保证所有DC/DC变换电路的同步控制，并且本实施例中，SM-PET-H阀控板和SM-PET-L阀控板为从属关系，即SM-PET-L阀控板的信息收发都要通过对应的SM-PET-H阀控板，两者之间可以通过短距离光纤传输，传输时间可忽略不计，完成取电、数据采集和驱动控制等功能，具体如下：主控制器向第二从控制器发出控制指令，第二从控制器向所有第二阀控制器下发同步信号，保证了所有DC/DC变换电路的同步控制，而控制单个DC/DC变换电路的高低压侧的SM-PET-H阀控板和SM-PET-L阀控板之间除了常规数据通讯之外还实现同步信号传输，即第二从控制器下发给SM-PET-H阀控板的同步信号能同时通过同步光纤直接转给SM-PET-L阀控板，从硬件上完成同步控制，能避免信号干扰，实现精准快速的单个DC/DC变换电路的高低压侧同步控制。

[0033] 主控制器-从控制器之间采用高速光纤通讯，因为数据量较大，高速光纤能保证传输速率；而从控制器-阀控制器之间传输的数据量通常为一个单元的数据量，数据量比较少，普通光纤足够保证速率。

[0034] 如图3所示，基于MMC的电力电子变压器系统中的电路拓扑的中高压和低压的相关交流和直流的信号采集通过相关的采集板完成，之后通过光纤接入到主控制器，完成AD信号的采集任务，其中由于涉及中高压电量采集，所以需要通过CT或PT转换，再经过模拟量采集板输入给主控制器。此外由于涉及到继电保护等控制，设立的数字量采集板和主控制器之间实现双向通行，主控制器的继电保护控制信号通过数字量采集板传输到继电保护装置中，同时，数字量采集板也需要实时采集继电保护装置的状态信息，启停状态信息等，传送给主控制器，辅助主控制器实时监控系统的运行情况。

[0035] 以下简单介绍一下各个控制器的功能布局：

[0036] 主控制器功能：1)接收数字量和模拟量的数据信息采集，并通过数据采集板输出对继电保护装置的控制；2)完成MMC变换器和ISOP型DC/DC变换器的核心控制算法，获取各自的调制控制信息；3)对接收的数据解码，对下发的数据编码，并输出到各从控制器；4)系统保护和运行模式控制：如系统故障判定和保护机制、系统启停控制、系统继电保护控制、MMC变换器和ISOP型DC/DC变换器的预充电控制等。

[0037] 从控制器功能：

[0038] 第一从控制器功能：实现调制控制、电容均压控制和同相桥臂的同步控制功能，以及对同相SM子模块信息编码打包上传，解码下发，预留外扩接口和数据资源，保证了控制架构的可扩展性。

[0039] 第二从控制器功能：完成所有DC/DC变换电路中的H桥信息编码打包上传，解码分配同步下发功能，同样预留外扩接口和数据资源，保证控制架构的可扩展性。

[0040] 阀控制器功能：

[0041] 第一阀控制器功能：完成SM子模块数据采集上传、PWM生成、判定SM子模块是否存在运行故障、取电故障和驱动硬件故障等功能，对应具备自封锁保护控制功能和状态上传，以及响应主控制器旁路指令的旁路控制功能。

[0042] 第二阀控制器功能：完成各DC/DC变换电路中高压侧H桥数据采集上传、PWM生成、判定高压侧H桥是否存在运行故障、接收低压侧H桥的运行故障、取电故障和驱动硬件故障等功能，对应具备自封锁保护控制功能和状态上传，以及响应主控制器旁路指令的旁路控制功能，此外还需要完成低压侧H桥信息中转，实现高压侧H桥和低压侧H桥同步控制。

[0043] 第三阀控制器功能：完成各DC/DC变换电路中低压侧H桥数据采集上传、PWM生成、判定低压侧H桥是否存在运行故障、接收低压侧H桥运行故障、取电故障和驱动硬件故障等功能，对应具备自封锁保护控制功能，以及响应主控制器旁路指令的旁路控制功能。

[0044] 以下给出主控制器-从控制器、从控制器-阀控制器之间的关系。

[0045] 主控制器-从控制器：主控制器提供4对高速光纤口，每对高速光纤口完成信号的一收一发。主控制器下连接4个从控制器，其中3个从控制器VBC-A、VBC-B、VBC-C分别接收主控制器提供的MMC变换器中A相、B相和C相桥臂上的SM子模块的相关信息，并通过调制策略和电容电压均压控制等获取各SM子模块的控制信号，并分配好同步下发，同时分别接收上传的MMC变换器中的A相、B相和C相桥臂上的SM子模块的状态信息(如电容电压、故障信息等)；从控制器VBC-PET接收下发ISOP型DC/DC变换器的控制信息，并接收上传ISOP型DC/DC变换器的状态信息。主控制器按三相分配完成MMC变换器的信息的打包下发和接收，对ISOP型DC/DC变换器的信息打包下发和接收。其中，主控制器发送同步指令，从控制器根据同步指令执行任务，保证从控制器执行控制时的同步性和下发信息时的同步性。

[0046] 从控制器-阀控制器：从控制器VBC-A、VBC-B、VBC-C完成MMC变换器中各相桥臂信息的中转，并且根据主控制器下达的信息完成调制策略和电容均压控制，获取主控制器下发的各相桥臂中SM子模块的控制信号，并保证MMC变换器中同相桥臂的SM子模块的控制信息同步下发，且每个从控制器和对应的SM阀控板通过光纤通讯，完成信息处理和二次分配(下发时)和汇总(接收时)，由于SM阀控板和从控制器间数据传输量少，传输时间较短，对实现同相桥臂SM子模块的同步控制的影响可忽略不计；SM-PET-H阀控板和SM-PET-L阀控板主要完成PWM生成和数据采集功能，从控制器VBC-PET通过光纤和SM-PET-H阀控板通讯连接，完成M个DC/DC变换电路的控制信息和状态信息中转和同步，保证了M个DC/DC变换电路的同步控制，其中SM-PET-H阀控板作为DC/DC变换电路中高压侧H桥的控制信息和状态信息的中转站，SM-PET-H阀控板除了和从控制器VBC-PET通讯之外，还和一一对应的SM-PET-L阀控板通过光纤通讯连接，下发低压侧H桥控制信息和接收低压侧H桥的状态信息，由于SM-PET-H和SM-PET-L阀控板之间为短距离光纤传输，且传输数据量较少，这部分传输时间可忽略不计，并且SM-PET-H阀控板与SM-PET-L阀控板间配置了同步光纤，可以依靠硬件实现单个DC/DC变换电路的高低压侧的同步控制，避免软件同步存在的信号干扰问题，提供更快速可靠的同步控制，单个DC/DC变换电路采用一对阀控板控制，也保证了高压侧H桥和低压侧H桥的采集和控制隔离。

[0047] 最后阀控板和对应的子模块通过线路连接，完成对子模块上开关器件以及旁路装置的控制，以及子模块各种状态信息的采集监控。基于图3的描述，若采用通用的阀控板(具有足够数量的IGBT驱动接口、基本采集口和供电以及旁路装置接口)，在有子模块拓扑发生更替时，能不用改变阀控板，直接接入替换子模块；或在子模块数量增加时，通过增加阀控板并接入预留的从控制器外扩接口，能大大缩短开发周期，整体的控制和保护架构模块化和可扩展性较强。

[0048] 图4是基于主+从+阀控制架构的具体功能布局框图，通过各层级的功能布局划分，完成各部分的协调控制和层级保护。从控制器VBC-A、VBC-B和VBC-C的控制原理相同，图4中只以从控制器VBC-A为例进行说明。基于图4，以下给出各级控制器的具体功能：

[0049] 主控制器功能：其中MMC变换器和ISOP型DC/DC变换器的控制算法互相独立，MMC变换器的核心控制算法包括以直流电压控制和无功功率控制作为的外环控制，以及以内环电流控制和环流抑制控制作为的内环控制，并完成电容电压的排序，输出各相调制信息。而ISOP型DC/DC变换器需要Boost双闭环控制(电压外环，电流内环)，还有电压均衡控制，DAB同样采用双闭环控制，获取ISOP型DC/DC变换器中各DC/DC变换电路的调制信息。以上为主控制器的核心控制算法功能。此外基本功能包含数据信息的接收和分配，以及对数据的编码和解码。保护和运行模式控制功能包括：1)子模块运行状态监控和更新：监控是否发生子模块因故障而自封锁，及时更新MMC变换器和ISOP型DC/DC变换器正常运行的模块数量，调整控制算法；2)故障判定和保护控制：对采集的各部分数据信息进行判定，是否发生过压过流故障，及时启动保护机制；3)启停控制：控制MMC变换器和ISOP型DC/DC变换器的启动和停机时时序操作，保证安全启动或停机；4)继电保护控制：当故障时启用继电保护功能，通过发送数字控制信号给数字量采集板，控制继电保护装置；5)MMC变换器预充电控制：MMC变换器启动时需要完成预充电控制，保证MMC变换器安全软启动；6)ISOP型DC/DC变换器预充电控制：ISOP型DC/DC变换器启动时也需要实现预充电，实现安全启动。

[0050] 第一从控制器功能：MMC变换器的三个从控制器需要基于主控制器提供的调制信息完成电容均压控制，获取各相桥臂的子模块的控制信息，且对控制信息同步下发到对应的SM阀控板，此外对同相桥臂子模块信息打包上传，并预留和提供大量的外扩资源和接口。

[0051] 第二从控制器完成M个DC/DC变换电路的原副边控制信息分配同步下发和状态信息的打包上传，以及预留一定的外扩接口，当级联的DC/DC变换电路数增加，则可以通过该外扩接口和配套的阀控板实现控制，不用修改整体架构，大大减少开发周期。

[0052] 第一阀控制器功能：MMC变换器配套的SM阀控板，需要基于下传的控制信息完成PWM生成实现对SM子模块驱动控制，并且SM子模块需要完成数据采集，如电容电压、模块温度信息采集等，同时对采集量判定是否存在过压或过温等运行故障，此外需要接收驱动的硬件故障信号和SM阀控板的供电故障信号，综合判定生成阀级故障标志，并自行完成SM子模块的自封锁保护控制(即自行完成旁路操作，并把旁路状态上传回主控制器)，或接收主控制器发布的旁路指令，完成模块旁路控制。

[0053] 第二/第三阀控制器功能：ISOP型DC/DC变换器配套的阀控制器(SM-PET-H阀控板和SM-PET-H阀控板)，需要完成和SM阀控板类似的功能，如数据信息采集，PWM生成和故障信息判定以及自封锁保护功能以及旁路控制功能，基本控制机理一致，而SM-PET-H阀控板还需要中转上传和下发低压侧H桥的状态信息和控制信息。另外SM-PET-H阀控板的故障判定还需要接收来自SM-PET-L阀控板的故障信号，即高压侧H桥和低压侧H桥的各类故障信息均汇总到SM-PET-H阀控板，完成阀级故障的完整判定。SM-PET-L阀控板同样需要接收信息完成低压侧H桥PWM生成，以及低压侧H桥状态信息传送到SM-PET-H阀控板。并且，SM-PET-H阀控板和SM-PET-L阀控板间配置同步光纤，能实现硬件同步，保证单个DC/DC变换电路高低压侧H桥的同步控制。

[0054] 因此，本发明提供的基于MMC的电力电子变压器系统的分层控制系统架构按照MMC变换器的三相桥臂划分出三个从控制器，并下控多个阀控制器，通过简单的软件同步控制保证同属一相的子模块同步控制，相较于按桥臂划分的主从级控制，简化了从控制器数以及从控制器的任务内容，满足MMC变换器的控制同步要求，也保证了各子模块的硬件隔离需求；而且，相较于主+阀的控制架构，减轻了主控制器的负担，保证了同属一相的子模块的同步控制。ISOP型DC/DC变换器采用一个从控制器下控多对阀控板的控制架构，每对阀控板兼顾了对应的隔离型DC/DC变换电路的高压侧H桥和低压侧H桥的高低压隔离要求，同时该控制架构保证了隔离型DC/DC变换电路的高压侧H桥和低压侧H桥的同步控制和多级隔离型DC/DC变换电路间的同步控制。而且，考虑到控制器和控制对象的放置距离越近越好，能够减少线路寄生参数对相关控制信号的影响，那么，高压侧H桥和低压侧H桥均设置有专门的控制器，能够在一定程度上优化控制器和控制对象的放置距离，获取更好的控制性能设计。而且，设立的从控制器能提供更丰富的外扩资源，能满足MMC变换器的电平数的提升，以及隔离DC/DC变换电路级联数的增加，或直接更替子模块拓扑等条件下的系统开发，可扩展性强，能减少后期开发的时间周期，保证系统能应用于更高电压大功率场合。且整个系统架构的分级明确，系统若出现故障问题，能按层级快速查询故障，并及时替换故障部件。所以，提出的三级分层控制系统架构，分层级控制尽可能克服了因控制过度集中而造成系统故障冗余度较差的问题，由于系统控制功能分布明确，便于在系统控制各环节出故障时，能按层级快速查询检修，以及通过直接替换控制器模块实现系统快速恢复，系统的可靠性较高。

[0055] 上述实施方式中，电路拓扑部分包括MMC变换器和ISOP型DC/DC变换器，相应地，控制部分就包括与MMC变换器相关的控制部分以及与ISOP型DC/DC变换器相关的控制部分，当然，这只是一种优化的实施方式，作为其他的实施方式，电路拓扑部分还可以只包括MMC变换器，不包括ISOP型DC/DC变换器，那么，控制部分中就只包括与MMC变换器相关的控制部分，不包括与ISOP型DC/DC变换器相关的控制部分。

[0056] 以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于基于MMC的电力电子变压器系统的分层控制系统架构为三层控制架构，而各个控制器的具体控制功能可以根据实际需要进行增加、减少和调整。在不脱离本发明所要求保护的三层控制架构情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

[0057] 基于MMC的电力电子变压器系统的分层控制系统架构实施例：

[0058] 本实施例提供一种基于MMC的电力电子变压器系统的分层控制系统架构，该分层控制系统架构可以单独保护，由于该分层控制系统架构在上述基于MMC的电力电子变压器系统实施例中已进行了具体说明，本实施例就不再赘述。

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基于MMC的电力电子变压器系统及其分层控制系统架构

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