直流电源模式
解决方案
SOLUTION
方案介绍
基于模型控制模块化多电平矩阵式变换系统
/开放式模块化M3C矩阵式变换系统
一
背景
M3C(modular multilevel matrix converter，M3C)：模块化多电平矩阵式变换器。
M3C柔性分频输电是西安交通大学王锡凡院士于1994年在“IEE Japan Power & Annual Energy‘94”会议上提出的新型输电方式，采用50/3Hz输电，降低了架空线的输电阻抗，可大幅度提高输电容量，在新能源远距离外送领域具有独特优势。
柔性分频输电技术，通过电力电子型变频装备，拓宽了分频输电系统的运行频率范围，实现大规模新能源的低频汇集与外送，对于解决我国远距离、大容量水电以及风电等新能源接入系统等具有重要的实际意义。
工低频转换的变频设备是实现低频传输的关键环节。目前，变频设备主要包括Y型模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）、背靠背型MMC、六边形MMC和模块化多电平矩阵换流器 （modular multilevel matrix converter, M3C）等。其中，M3C凭借其桥臂缺失运行能力、相同子模块下更高的功率传输能力及易拓展的电路结构，已成为FLFT系统中换流器的主流拓扑。
二
拓扑结构
图1 M3C拓扑结构图
三
控制原理
图1中，Ua、Ub、Uc为M3C低频侧三相电压；ia、ib、ic为M3C低频侧三相电流；Uu、Uv、Uw为M3C工频侧三相电压；iu、iv、iw为M3C工频侧三相电流；L、R0分别为M3C桥臂等效电感、电阻；iau、ibu、icu、iav、ibv、icv、iaw、ibw、icw为各桥臂电流。
系统稳态运行时，M3C工频侧采用定子模块电压/定无功功率控制；低频侧采用定低频线路电压/频率控制，以稳定低频系统的电压和频率。M3C工频侧、低频侧控制框图如图2所示。
图2 控制逻辑图
图2中，PI为比例积分控制；PWM为脉冲宽度调制；Uld、Ulq分别为M3C低频侧电压的d、q轴分量；Uld,ref、Ulq,ref分别为M3C低频侧电压的d、q轴分量的参考值；ild、ilq分别为M3C低频侧电流的d、q轴分量；ωlL0为低频侧控制的解耦项；udc、usac分别为子模块电容电压平均值、工频侧电压；Usd、Usq分别为工频侧电压d、q轴分量；udc,ref、usac,ref分别为子模块电容电压平均值、工频侧电压的参考值；isd、isq分别为M3C工频侧电流的d、q轴分量；ucom,u、ucom,v、ucom,w、ucom,a、ucom,b、ucom,c分别为工频侧、低频侧桥臂共模电压；ωsL0为工频侧控制的解耦项。
四
M3C模型算法
M3C核心算法：载波移相控制，工频侧稳定电压（可控无功功率），低频侧控制有功功率，工频电流并网控制，低频电压闭环控制，双变换桥臂电压均衡控制，双变换桥臂电流控制，桥臂内部电压均衡控制。
4.1整体控制模型
4.2 数据采集
4.3 PWM调制
4.4 均压控制
4.5 P/Q控制
4.6 监控界面
4.7测试波形
五
硬件展示
配置组成：
1)快速原型控制器SP6000/高性能DSP控制器C6000
2)YXPHM-FB01半桥/全桥子模块
3)开放式机箱
4)组柜与配电
5)Simulink控制模型/DSP控制源代码
6)高精度直流源、高精度交流源
采用快速原型控制器SP6000/高性能DSP控制器C6000同时控制多个SM子模块，具备DSP编程和RCP模型控制（Simulink快速原型开发）两种模式，两种模式可应用于不同的开发阶段和实验场景，优势互补，功能互相验证；
采用YXPHM-FB01子模块搭建的M3C变流器，其最大功率和电压等级为 10kW/400V，每相含子模块个数为 3，三相共计9个子模块。
5.1 快速原型控制器SP6000/高性能DSP控制器C6000
研旭公司推出的YXSPACE产品系列，能够将用户设计的图形化的高级语言编写的控制算法（Simulink）转换成DIDO、AIAO量，完成实际硬件控制。同时通过YX-VIEW6000监控组态软件，对控制器进行实时监控，从而完成模型的调试与验证。其基本控制框图如下所示：
控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建，将模型中的接口与硬件驱动接口绑定后，通过编译工具产生可执行文件，下载至SP6000快速原型控制器中运行。对被控对象进行实际控制。
研旭SP6000快速原型控制器配套软件YXSPACE-VIEW6000（以下简称VIEW6000）主要用于配置快速原型控制器外设的工作模式，同时可以实时监测控制过程中的各类运行量，包括采集量、中间控制变量等。另外此软件集成了保护机制，用户只需要设置硬件运行中的极限值，快速原型控制器就会按照此极限值进行实时判断，一旦超过，快速原型控制器会自动停止运行，以达到保护后极功率电路的目的。
VIEW6000软件中包含控制器设置以及组态区。其中控制器设置界面共有4类控制器设置，包括仿真步长设置，DO控制源设置，QEP/CAP模式设置，PWM模块设置。
组态区主要包括功能按钮、组态控件、工作区等。
在实际使用中，用户只需用鼠标拖动各类控件，移至工作区当中，位置根据需求随意放置。双击控件即可设置控件的地址号，这样可完成控件与模型或者硬件的建立关系，操作及其简便。
5.2 YXPHM-FB01半桥/全桥子模块
YXPHM-FB01是一款单相H桥功率模块，可单独使用或组成复杂系统，提供光纤和网口两种数据传输方式。内部使用大量隔离芯片以及抗干扰处理，提高了数据传输的可靠性。功率模块内部集成了栅极驱动电路、PWM硬件死区电路、模拟量采样以及硬件保护功能，高度集成的硬件功能使得该模块非常适用于构建复杂的多级功率拓扑。CPLD芯片对所有的数字信号进行逻辑处理，保证功率模块的处于安全操作范围内。
典型应用：
模块化多电平变换器(MMC)
H桥级联系统(HCB)
矩阵变换器(M3C)
关键参数：
600V 最大母线电压
30A 最大交流电流
600V/50A IGBT
50kHz 最大开关频率
800ns硬件死区
4光纤输入/1光纤输出
1网口输入/1网口输出
2路/4路PWM选择
电压/电流采样
软关断保护
过压/过流/过温/短路保护
功能框图：
YXPHM-MMCFB01功率模块基本功能框图如图所示，可以实现DC/AC双向变换的功能。外部PWM驱动信号通过4路光纤或者4路光耦给到逻辑芯片CPLD，以实现控制电路与功率电路的电气隔离。功率模块中集成了过压保护、过流保护、过温保护以及短路保护4种保护功能，所有的保护均能够封锁PWM驱动信号，同时也会通过光纤或者光耦将故障信号反馈给外部控制器。
在大多数的应用案例中，可配合SP6000快速原型仿真器更方便的实现算法验证，极大的缩短了开发周期。
保护功能：
功率模块集成的所有保护功能均由硬件电路实现，提高了保护的可靠性。通过对模拟量的实时采集，并由比较电路做出判断，超过设定阈值之后会触发故障信号标志位，故障标志位通过光耦送到CPLD逻辑芯片，CPLD内部对故障信号进行锁存并忽略外部PWM驱动信号，同时会产生一个总的故障反馈信号。为了降低对外部控制器IO口资源的占用，模块内部搭建自复位电路，可实现故障信号标志位清除后对模块的重新控制。
5.3 YX6000D 多功能可编程双向直流电源/电池模拟器
研旭YX6000D系列大功率双向直流电源采用全数字控制技术，在4U机箱体积内功率可实现20kVA，输出电压可达到800V和1000V，输出电流可达到正负50A~100A，输出具有直流电源和有源负载特性，可运行于两象限方式，交流输入具有主动PFC功能，可输出功率，同时待测设备能量可回馈至电网，具有高效、绿色、环保的特点。YX6000D系列电源具有双向直流电源、有源负载、电池模拟和光伏电池模拟功能，四合一多功能设计，一机多用，采用7英寸彩色液晶显示器和简洁的键盘设计，用户可对YX6000D系列电源的功能和参数进行设置和调节。
电池模拟模式
电阻模拟（有源负载）模式
5.4 YXACS回馈式交流源载一体模拟器
研旭YXACS系列大功率回馈式交流源载一体电网模拟器采用全数字控制技术，输出功率可达正负15kVA-600kVA，输出电压范围0~350Vrms，输出电流可达到正负50~500Arms，输出具有交流电源和负载特性，可运行于四象限方式，输入具有主动PFC功能，可输出功率，同时待测设备能量可回馈至电网，具有高效、绿色、环保的特点。YXACS系列电源具有回馈式交流电源、各类交流交流负载功能，采用7英寸彩色液晶显示器和简洁的键盘设计，用户可对YXACS系列回馈式交流源载一体电网模拟器的功能和参数进行设置和调节。
六
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