Mmc子模块控制器与上层控制器的通信方法及通信架构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及MMC控制系统通信领域，具体涉及一种适用于MMC子模块控制器与上层控制器的通信方法及通信架构。
【背景技术】
[0002]模块化多电平换流站(Modular Multilevel Converter, MMC)是近年来新兴发展的一种电压变换装置。MMC为三相六桥臂结构形式，由A、B、C三相构成，每相由上、下桥臂组成，每个桥臂由若干个级联子模块和一个桥臂电感组成。每个子模块都是一个二端口单元但不必局限于半桥或全桥两种结构。传统的半桥子模块，即包括两个串联的带有反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT1、IGBT2)构成的半桥结构，及一个与半桥并联的电容。
[0003]模块化多电平换流站不仅继承了传统的多电平换流站拓扑模块化的特点，并且具有公共母线，可以四象限运行，所以特别适用于高压直流输电场合，因而在电力系统中具有广泛的应用前景。值得注意的是，级联子模块的结构特点对其控制系统的信号采集、脉冲发生和数据处理能力提出了较高的要求，同时随着级联子模块的数目增加，模块化多电平换流站的控制和通信也将变得更加复杂。
[0004]目前，在高压直流输电场合下，MMC主流的控制系统包括上层控制器和子模块控制器，上层控制器与子模块控制器之间通常相距达到几公里甚至十几公里以上，为了满足通信要求一般使用光纤作为传输介质。对于上层控制器和子模块控制器之间的通信，现有技术在每个子模块控制器和上层控制器之间使用三根光纤连接传输，其中第一根光纤用于上层控制器向子模块控制器下传子模块驱动信号，第二根光纤用于子模块控制器向上层控制器上传子模块电压信息，第三根光纤用于子模块控制器向主控器上传子模块故障信号。但是，由于上层控制器和子模块控制器之间相距甚远(几公里甚至十几公里以上)，且当有大于等于1的N个子模块时，至少需要3XN根光纤。若子模块数量较多时，光纤使用量较为庞大。
[0005]目前，中国专利公开号CN103684014A公开了适用于模块化多电平换流站的子模块控制器与上层控制器间的通信方法。该方法通过两根光纤完成上层控制器与子控制器间的通信，其中一根完成上层控制器到子控制器的信息传输，另一根则完成子控制器到上层控制器的信息传输。这种通信结构相比前者，虽然每个子模块控制器减少了一根光纤的使用量，但对于N个子模块，仍需要2 XN根光纤。若子模块数量较多时，光纤使用量依然较为庞大。尤其对于远距离的高压直流输电控制系统是很不经济的，且在后期对换流站扩展，增加子模块的数量时，需要重新铺设光纤，并对上层控制器端进行大量的技术升级。
[0006]综合而言，现有技术如用于上层控制器与子控制器之间的通信，存在上层控制器与子控制器之间线路光纤使用量大，且不利于后期换流站扩展的不足。
【发明内容】
[0007]本发明针对上述现有技术存在的问题作出改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种MMC子模块控制器与上层控制器间的通信方法与通信架构，尤其适用于高压直流输电场合，减少了上层控制器与子模块控制器之间线路的光纤使用量，且易于对换流站进行扩展。
[0008]为解决上述问题，本发明的实现方案如下:
[0009]一种MMC子模块控制器与上层控制器的通信方法，包括上层控制器对子模块控制器的下行通信方法以及子模块控制器对上层控制器的上行通信方法:
[0010]所述下行通信方法包括如下步骤:
[0011]a)上层控制器将生成的子模块驱动信号按照下行数据传输协议编码成不同波长的光信号，其光信号波长与子模块控制器相对应；
[0012]b)对不同波长的光信号进行合波处理；
[0013]c)对合波后的光信号进行分波处理；
[0014]d)分波后的光信号通过光纤传至光信号波长所对应的子模块控制器；
[0015]e)子模块控制器根据下行数据传输协议解码分波光信号，实施对子模块的控制；
[0016]所述上行通信方法包括如下步骤:
[0017]a)子模块控制器将子模块电压信息和故障信息根据上行数据传输协议编码成不同波长的光信号，其光信号波长与子模块控制器相对应；
[0018]b)对不同波长的光信号进行合波处理；
[0019]c)对合波后的光信号进行分波处理；
[0020]d)分波后的光信号通过光纤传至光信号波长所对应的上层控制器的通信端口 ；
[0021]e)上层控制器根据数据上行传输协议解码分波光信号，获取子模块电压信息和故障信息。
[0022]本发明所述的通信方法，其中，按照下行数据传输协议，下行传输的单帧数据包括两位起始位、子模块编号位、一位数据位、一位奇偶检验位和一位结束位，子模块编号位的位数由子模块的数目确定。
[0023]本发明所述的通信方法，其中，按照上行数据传输协议，上行传输的单帧数据包括两位起始位、子模块编号位、数据位、一位奇偶检验位和两位结束位，子模块编号位的位数由子模块的数目确定，数据位的位数由子模块所携带的事件类型数目确定。
[0024]—种实施如权利要求1所述MMC子模块控制器与上层控制器的通信方法所基于的通信架构，该通信架构包括上层控制器、i个第一合波器、i个第一分波器以及i个桥臂，每个桥臂包括N个子模块控制器，所述i个第一合波器和i个第一分波器均与上层控制器光纤连接，每个桥臂与上层控制器之间包括一个第一合波器、一个第一分波器、一个第二合波器和一个第二分波器，每个桥臂与上层控制器之间的第一合波器与第二分波器光纤连接，而第二合波器与第一分波器光纤连接，每个桥臂分别与一个第二合波器和一个第二分波器光纤连接。
[0025]本发明所述的通信架构，其中，第一合波器、第一分波器和桥臂的数量均为6个。
[0026]本发明所述的MMC子模块控制器与上层控制器的通信方法及通信架构，利用波分多路复用技术，同时在一根光纤上进行多个子模块控制器与上层控制器间的通信，每个子模块控制器与上层控制器的数据传输都由某种特定波长的光来传送，在大容量远距离传输时大大减少了光纤的使用量。具体的讲，位于上层控制器附近的第一分波器、第一合波器与位于子模块控制器附近的第二分波器、第二合波器为本控制系统数据通信的主干线路，一共2X i根光纤就可承担着MMC换流站多个桥臂上所有的子模块控制器和上层控制器间的远距离数据通信。相比于现有技术，大大减少了主干线路上的光纤数量与用量。
[0027]此外，本通信方法与通信架构支持对MMC的后期扩展。需要对MMC扩展，增加子模块的数量时，则在上层控制器端从已有第一合波器与第一分波器且在信道负荷允许的条件下向上层控制器引入信号或者直接更换更大信道负荷的第一合波器和第一分波器，不用再去在主干线上重新铺设新的光纤通道。
【附图说明】
[0028]图1是本发明中MMC单相及子模块的拓扑结构图；
[0029]图2是本发明中MMC的子模块控制器与上层控制器间的通信架构示意图；
[0030]图3是单帧上行数据传输协议的数据包；
[0031]图4是单帧下行数据传输协议的数据包；
[0032]图5是衍射光栅型的合波器原理结构图；
[0033]图6是衍射光栅型的分波器原理结构图。
【具体实施方式】
[0034]以下参照附图，通过具体实施例对本发明的进行详细说明。以下实施例只用于说明本发明，但不限制本发明的保护范围。
[0035]本实施例所涉及的MMC为三相六桥臂结构，每相由上、下桥臂组成。MMC的具体组成和内部连接关系为现有技术。MMC单相及子模块的拓扑结构如图1所示，子模块5位于MMC上桥臂或下桥臂上。上桥臂或下桥臂上均由N个(N多1)子模块5和一个桥臂电感串联在一起。每个子模块是由两个开关管组成一个逆变半桥的结构，其上、下半桥开关管都是由IGBT和与之反并联的二极管以及一个子模块储能电容器组成。
[0036]MMC每个子模块5由图2中的一个子模块控制器2进行控制。通过MMC子模块控制器2与上层控制器1间的通信，上层控制器1可对子模块控制器2进行控制，同时上层控制器1也能够获取子模块控制器2端的电压信息和故障信息。
[0037]本实施例中，MMC子模块控制器与上层控制器的通信方法，包括上层控制器1对子模块控制器2的下行通信方法以及子模块控制器2对上层控制器1的上行通信方法。
[0038]下行通信方法包括如下步骤:
[0039]a)上层控制器1将生成的子模块驱动信号按照下行数据传输协议编码成不同波长的光信号，其光信号波长与子模块控制器相对应；
[0040]b)对不同波长的光信号进行合波处理；
[0041]c)对合波后的光信号进行分波处理；
[0042]d)分波后的光信号通过光纤传至光信号波长所对应的子模块控制器2 ;
[0043]e)子模块控制器2根据下行数据传输协议解码分波光信号，实施对子模块的控制。
[0044]上行通信方法包括如下步骤:
[0045]a)子模块控制器2将子模块电压信息和故障信息根据上行数据传输协议编码成不同波长的光信号，其光信号波长与子模块控制器2相对应；
[0046]b)对不同波长的光信号进行合波处理；
[0047]c)对合波后的光信号进行分波处理；
[0048]d)分波后的光信号通过光纤传至光信号波长所对应的上层控制器1的通信端口 ；
[0049]e)上层控制器1根据数据上行传输协议解码分波光信号，获取子模块