用于MMC的控制器和控制系统的制作方法

本实用新型涉及电力电子领域，具体而言，涉及一种用于MMC的控制器和控制系统。

背景技术：

近年来，随着风力发电、光伏发电等可再生能源发电技术的发展，基于电压源换流器的柔性直流输电系统由于其经济性、灵活性、高度可控性等优点，取得了飞速的发展和应用。其中，在众多种类的电压源换流器中MMC(modular multilevel converter，模块化多电平换流器)具有明显优势。其作为一种近年来新兴的多电平拓扑，不仅继承了传统级联式拓扑在器件数量、模块化结构方面的优势，还适用于交流输出频率恒定、对电压和功率等级要求高的功率变换场合；从而使得MMC在电力系统中具有广泛的应用前景以及研发价值。

发明人在研究过程中发现，因为MMC模型在其内部具有数量众多的子模块以及复杂的拓扑结构，对MMC进行控制的控制器不仅要完成各个子模块的状态信息和控制信号的实时吞吐，而且还需要完成包含子模块间电压均衡控制在内的各类计算。然而具备上述功能的控制器通常存在涉及部件较多，内部结构复杂、体积较大以及成本较高等问题。

针对上述控制器结构复杂、成本较高等问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例的目的在于提供一种用于MMC的控制 器和控制系统，以简化控制器的结构，降低MMC控制器的成本。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种用于MMC的控制器，其中，包括依次电连接的DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)和光纤接口；FPGA通过光纤接口与MMC相连接；FPGA通过光纤接口接收MMC的运行信息，对该运行信息进行解析，将解析后的运行信息发送至DSP；DSP根据解析后的运行信息生成控制信号，将该控制信号通过FPGA发送至MMC。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述光纤接口为光电转换接口。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述光纤接口支持全双工通信。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述光纤接口为12个。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述FPGA、上述DSP和上述光纤接口集成在一块板卡上。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述DSP包括存储器，用于存储DSP接收到的解析后的MMC的运行信息和DSP计算所得的控制信号。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述DSP为8核架构。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述DSP包括依次连接的系统级控制单元、换流站级控制单元和换流阀级控制单元；系统级控制单元用于根据解析后的运行信息生成功率电压指令，并将功率电压指令发送至换流站级控制单元；换流站级控制单元用于根据接收到的功率电压指令生成 MMC中各个桥臂的调制波，将该调制波发送至换流阀级控制单元；换流阀级控制单元用于根据接收到的调制波生成控制信号。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种用于MMC的控制系统，其中，该系统包括上述第一方面提供的用于MMC的控制器，还包括MMC，其中，控制器与MMC通过光纤连接。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，上述控制系统还包括终端，该终端分别与上述控制器和MMC相连接，该终端用于设置控制器中的DSP的工作方式，以及根据MMC的运行状态监控控制器的控制效果。

本实用新型实施例提供的一种用于MMC的控制器和控制系统，采用FPGA通过光纤接口接收MMC的运行信息，将解析后的运行信息发送至与FPGA电连接的DSP；该DSP根据解析后的运行信息生成控制信号，并将该控制信号通过FPGA发送至MMC，以实现对MMC的控制。与现有技术中构造复杂且成本昂贵的MMC控制器相比，本实施例所提供的控制器构造简单，成本较低。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本实用新型实施例所提供的用于MMC的控制器的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的用于MMC的控制器的另一种结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的用于MMC的控制系统的结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的用于MMC的控制系统的另一种结构示意图。

主要元件符号说明：

1—控制器、11—DSP、12—FPGA、13—光纤接口、

2—终端、3—MMC。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

考虑到现有技术中用于控制MMC的控制器通常构造复杂、成本昂贵，本实用新型实施例提供了一种用于MMC的控制器和控制系统。下面通过实施例进行描述。

实施例1

参见图1所示的一种用于MMC的控制器的结构示意图，其中，该控 制器包括依次电连接的DSP11、FPGA12和光纤接口13；FPGA12通过光纤接口13与MMC相连接；FPGA12通过光纤接口13接收MMC的运行信息，对该运行信息进行解析，将解析后的运行信息发送至DSP11；DSP11根据解析后的运行信息生成控制信号，将该控制信号通过FPGA12发送至MMC。具体的，上述控制信号为子模块触发信号，通过控制MMC中6个桥臂所包括的各个子模块的开关状态，从而实现对MMC的控制作用。

其中，DSP是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要作用在于可以实时快速地实现各种数字信号处理算法，通常为一种体积小巧的芯片。FPGA是在可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中集成度最高的一种，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。通常的FPGA采用了LCA(Logic Cell Array，逻辑单元阵列)这样一个新概念，内部包括CLB(Configurable Logic Block，可配置逻辑模块)、输出输入模块IOB(Input Output Block，输出输入模块)和内部连线三个部分。本实施例中的DSP11和FPGA12的具体电路结构可以参照相关技术实现，在此不再赘述。

此外，FPGA12、DSP11和光纤接口13可以集成在一块板卡上，从而实现高度集成化，使控制器的结构更精简。

本实施例的上述用于MMC的控制器中，采用FPGA12通过光纤接口13接收MMC的运行信息，将解析后的运行信息发送至与FPGA12电连接的DSP11；该DSP11根据解析后的运行信息生成控制信号，并将该控制信号通过FPGA12发送至MMC，以实现对MMC的控制。因DSP11和FPGA12具有数据高效处理能力，可以良好的实现对MMC的控制，而且DSP11和FPGA12通常为体积小巧的芯片，极大的简化了控制器的构成，并降低了控制器成本。

考虑到FPGA12需要通过光纤接口13接收MMC的运行信息以及向MMC发送控制信号，且光纤接口13是通过光纤与MMC相连接的，而只 有光信号才能够在光纤中传播，所以需要将诸如控制器生成的控制信号以及MMC的运行信息等电信号转换为光信号，因而在具体实现时，上述光纤接口13为光电转换接口，该光电转换接口可以把电信号转换成光信号，也可以把光信号转换成电信号，从而便于将控制器生成的控制信号(电信号)转换为能够在光纤中传递的光信号，也便于将通过光纤传递至该控制器的MMC运行信息(光信号)转换为控制器可以接收的电信号。

此外，上述光纤接口13用于连接光纤，而在本实施例中采用的光纤需要向控制器传递MMC的运行信息，也需要向MMC传递控制器生成的控制信号，所以该光纤采用全双工通信，即可以使数据在两个方向同时进行传送，在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行。因而，本实施例所提供的控制器中，与光纤相连接的光纤接口13支持全双工通信，从而便于数据的双向传输，使得数据的传输更高效便捷。

为了能够让数据传递更快捷，本实施例中采用多个光纤接口同时传输信号。参见图2所示的用于MMC的控制器的另一种结构示意图，在该控制器中的光纤接口为12个，具体的，MMC包括6个桥臂，每个桥臂上的子模块可对应2个光纤接口，并通过对应的2个光纤接口来传递运行信息以及接收控制信息。例如，MMC中的一个桥臂有512个级联的子模块，则该桥臂可通过对应的两个光纤接口之一接收1～256个子模块的控制信息，通过两个光纤接口中的另外一个接口接收257～512个子模块的控制信息。

应当注意的是，上述的512个子模块数量仅为示意说明。在实际应用中，当每个桥臂所包括的子模块数量较少时，可以只采用一个光纤接口进行信号的传输，另一个光纤接口空置；光纤接口的分配可以根据实际情况灵活分配，在此不再赘述。应当注意的是，本实施例所提供的控制器中优选包括12个光纤接口，但可以根据实际情况选择光纤接口的数量，并不受本实施例中光纤接口数量的限制。

考虑到信息存储以及读取的便利性，上述DSP11还包括存储器，用于 存储DSP11接收到的解析后的MMC的运行信息和DSP11计算所得的控制信号。该存储器可以将上述FPGA12发送的解析后的MMC的运行信息存储至指定位置，当DSP11对该运行信息进行处理时，可以从该指定位置取出该运行信息。

为了提升DSP11对于数据的处理速度，本实施例中的DSP11为8核架构，即具有8个处理器核心，可以同时运行多种任务，为DSP11的信息处理能力提供了良好的性能保障。具体的，在本实施例中的DSP11在0核中完成换流站级控制部分的计算，并生成6个桥臂的调制波，当换流站级控制计算完成后，DSP11将上述调制波传递至1～6核内部以继续进行换流阀级控制的计算，最后将计算后生成的控制信号存入至DSP11存储器中的指定位置，进而可以通过FPGA12向MMC发送控制信号。应当注意的是，DSP11的处理器核心越多，信息处理能力越强，数据处理速度越快。

在实际应用中，可以根据需求选择DSP11的类型，如四核架构的DSP11也可实现对所接收信息的处理。

进一步，在本实施例中DSP11包括依次连接的系统级控制单元、换流站级控制单元和换流阀级控制单元；该DSP11根据FPGA12发送的解析后的运行信息生成控制信号的具体过程为：系统级控制单元用于根据解析后的运行信息生成功率电压指令，并将功率电压指令发送至换流站级控制单元；换流站级控制单元用于根据接收到的功率电压指令生成MMC中各个桥臂的调制波，将调制波发送至换流阀级控制单元；换流阀级控制单元用于根据接收到的调制波生成控制信号。

DSP11通过上述过程可以将接收到的运行信息有效准确的生成MMC的控制信号。此外，上述单元的具体电路结构可以参照相关技术实现，在此不再赘述。

应当注意的是，上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是 物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

本实用新型实施例提供的一种用于MMC的控制器，采用FPGA12通过光纤接口13接收MMC的运行信息，将解析后的运行信息发送至与FPGA12电连接的DSP11；该DSP11根据解析后的运行信息生成控制信号，并将该控制信号通过FPGA12发送至MMC，以实现对MMC的控制。与现有技术中构造复杂且成本昂贵的MMC控制器相比，本实施例所提供的控制器构造简单，成本较低。

实施例2

本实施例提供了一种用于MMC的控制系统，参见图3所示的用于MMC的控制系统的结构示意图，该控制系统包括实施例1中所提供的控制器1，还包括MMC3，其中，控制器1与MMC3通过光纤连接。

此外，参见图4所示的用于MMC的控制系统的另一种结构示意图，上述控制系统还包括终端2，该终端2分别与上述控制器1和MMC3相连接，终端2用于设置控制器1中的DSP11的工作方式，以及根据MMC的运行状态监控控制器1的控制效果。具体的，DSP11可以根据终端2的工作方式设定以执行相应的操作，按照正确的方式处理数据，以便准确的生成所需信号。同时，该终端2还可以检测到MMC的运行状态，并根据该运行状态来判定上述控制器1的控制效果，从而实现对控制器1的监控作用。

本实用新型实施例所提供的用于MMC的控制系统，其实现原理及产生的技术效果和前述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。

本实用新型实施例提供的一种用于MMC的控制系统，包括上述实施 例中的控制器1和MMC3，还可以包括终端2。其中，控制器1与MMC3通过光纤相连接，控制器1接收MMC3的运行信息，并根据该运行信息生成MMC3的控制信号，将该控制信号发送至MMC3，以实现对MMC3的控制。终端2分别与控制器1和MMC3相连接，用于设置控制器1的运行方式，还用于根据MMC3的运行状态来监控上述控制器1的控制效果，进而使该控制系统能够对MMC3实现有效的控制。

在具体实现时，本实施例的控制器1中采用FPGA12通过光纤接口13接收MMC3的运行信息，将解析后的运行信息发送至与FPGA12电连接的DSP11；该DSP11根据解析后的运行信息生成控制信号，并将该控制信号通过FPGA12发送至MMC3，以实现对MMC3的控制。由于FPGA12和DSP11能够以芯片形式实现，高度集成化且构造小巧，实现了控制器1构造简单，成本较低的优势。

上述实施例所提供的用于MMC的控制器和控制系统，在具体实现时，可以采用具有上述功能的模块或单元实现，这些模块或单元可以是物理上分开的或者物理上集成的，也可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例的目的。

除非具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本实用新型的范围。还应注意到：相似的标号和字母在附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

此外，在本实用新型所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合，装置或单元的间接耦合或通信连接，可 以是电性，机械或其它的形式。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。