CN102110988A - 扩大rtds下mmc-hvdc模型仿真规模的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电力系统多电平配电仿真技术领域中的一种扩大RTDS下MMC-HVDC模型仿真规模的方法。包括：利用实时数字仿真器的6个多桥串联模块，仿真模块化多电平换流器的三相桥臂；将仿真模块化多电平换流器的同相桥臂的2个多桥串联模块放置在同一个小步长模块中；用实时数字仿真器中的小步长线路模型连接位于不同小步长模块中的模块化多电平换流器的三相桥臂直流侧；在实时数字仿真器中建立交流系统；利用小步长线路模型连接模块化多电平换流器的整流侧和逆变侧；利用实时数字仿真器中的2个计算通信单元，分别对模块化多电平换流器的整流侧与逆变侧进行仿真计算。本发明解决了MMC-HVDC在RTDS下仿真规模受限的问题。

Description

扩大RTDS下MMC-HVDC模型仿真规模的方法
技术领域
本发明属于电力系统多电平配电仿真技术领域，尤其涉及一种扩大RTDS下MMC-HVDC模型仿真规模的方法。
背景技术
模块化多电平换流器高压直流输电(Modular Multilevel Converter Based High Voltage Direct Current，简称MMC-HVDC或MMC)是电压源换流器高压直流输电(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current，简称VSC-HVDC)在多电平领域的重要分支。如图1所示，与传统直流输电相比，VSC-HVDC具有以下主要优点：
(1)无需来自受端交流系统的换相电流，能够为无源网络供电。
(2)能够实现有功和无功快速独立的控制，有功和无功可实现四象限运行。
(3)能够为交流系统提供快速的无功支持，起到STATCOM(Static Synchronous Compensator，静止同步补偿器)的作用，STATCOM是柔性交流输电系统(FACTS，Flexible AC Transmission System)的一个重要组成部分，可实现静止无功补偿。
与传统两电平或三电平VSC-HVDC相比，MMC-HVDC有以下主要优点：
(1)模块化设计，便于扩容。
(2)开关频率较低，开关损耗较小，等效开关频率较高。
(3)换流器交流侧出口电压谐波含量少，无需交流滤波器。
鉴于MMC拓扑具有以上优良特性，国内外在建或规划中的多电平VSC-HVDC系统大多采用如图2所示的MMC拓扑。目前，MMC-HVDC控制保护策略和系统运行特性的研究，主要基于PSCAD/EMTDC和MATLAB等离线仿真软件开展，其优点是无仿真规模的限制，缺点是无法满足实时性的要求。RTDS(Real Time Digital Simulator，实时数字仿真器)为实现实时电力系统电磁暂态仿真而专门设计的并行计算机系统，可以将其计算结果输出，与实际设备连接构成灵活方便的数字-物理闭环回路，用于各种控制或继电保护装置的实验。
基于RTDS的MMC-HVDC建模已成为国内外研究热点，但受仿真规模以及GPC(Giga Processor Card，千兆处理器卡)处理器硬件资源等因素制约，基于RTDS的MMC-HVDC建模方法至今未见相关专利或文献报道。如图3所示，利用RTDS中原有的小步长仿真模型对MMC换流器建模，首先要把两个IGBT与二极管并联的开关器件串联再与一个电容器并联组成一个子模块，然后将若干个子模块级联构成换流阀，最后将6个换流阀与其它器件合并才能组成MMC换流器。若在RTDS的一个Bridge Box(由2个GPC处理器即1块GPC卡处理)中搭建MMC整流器模型，经测试，所能达到的MMC-HVDC模型的电平数最高为3，仿真规模十分有限。采用RTDS中小步长线路模型可以在一定程度上增大仿真规模，但是仍无法从根本上解决仿真规模受限的问题。
实际MMC-HVDC工程的物理控制器在投入运行前都必须进行相应控制性能测试，利用MMC-HVDC一次系统能在RTDS下进行实时仿真这一特性，可以将RTDS与基于外部物理控制器的二次系统连接，形成闭环仿真，搭建外部控制器测试平台。
因此，扩大RTDS下MMC-HVDC模型仿真规模的方法以及RTDS与外部控制器接口设计方法的研究就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于，针对目前在RTDS下使用MMC-HVDC模型仿真，其规模受到限制的问题，提出一种扩大RTDS下MMC-HVDC模型仿真规模的方法，用以解决该问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种扩大RTDS下MMC-HVDC模型仿真规模的方法，其特征是所述方法包括：
步骤1：利用实时数字仿真器RTDS的6个多桥串联模块CHAINV3，仿真模块化多电平换流器MMC的三相桥臂；其中，模块化多电平换流器MMC的每相桥臂利用2个多桥串联模块CHAINV3仿真，1个多桥串联模块CHAINV3用以仿真模块化多电平换流器MMC的该相桥臂的上桥臂，另外1个多桥串联模块CHAINV3用以仿真模块化多电平换流器MMC的该相桥臂的下桥臂；
步骤2：将仿真模块化多电平换流器MMC的同相桥臂的2个多桥串联模块CHAINV3放置在同一个小步长模块Bridge Box中；仿真模块化多电平换流器MMC换流器三相桥臂共需要3个小步长模块Bridge Box；
步骤3：用实时数字仿真器RTDS中的小步长线路模型连接位于不同小步长模块Bridge Box中的模块化多电平换流器MMC的三相桥臂直流侧；
步骤4：在实时数字仿真器RTDS中建立交流系统；所述交流系统为三相电压源，联接变压器采用三角形/星型接地方式，换相电抗器设置在联接变压器副边与所述模块化多电平换流器MMC的交流侧出口之间；其中联接变压器与换相电抗器均采用小步长模型，放置在3个小步长模块Bridge Box中；
步骤5：利用小步长线路模型连接模块化多电平换流器MMC的整流侧和逆变侧；
步骤6：利用实时数字仿真器RTDS中的2个计算通信单元RACK，分别对模块化多电平换流器MMC的整流侧与逆变侧进行仿真计算，2个计算通信单元RACK之间使用光纤连接。
所述实时数字仿真器RTDS控制脉冲，经高速数字量输出卡GTDO、高速数字量输入卡GTDI实现对模块化多电平换流器MMC的闭环触发。
本发明解决了MMC-HVDC在RTDS下仿真规模受限以及无法在没有外部物理控制器时RTDS接口设计及验证的问题。
附图说明
图1是模块化多电平高压直流输电(MMC-HVDC)的系统结构示意图；
图2是模块化多电平换流器(MMC)的典型拓扑；
图3是利用RTDS原有器件对MMC-HVDC建模时的最大规模示意图；
图4是多桥串联模块CHAINV3模块结构图；
图5是模块化多电平高压直流输电(MMC-HVDC)整流侧在RTDS下的仿真模型拓扑图；
图6是名称为VB1的小步长模块BRIDGE_BOX中A相MMC仿真模型拓扑；
图7是名称为VB2的小步长模块BRIDGE_BOX中B相MMC仿真模型拓扑；
图8为名称为VB3的小步长模块BRIDGE_BOX中C相MMC仿真模型拓扑；
图9是控制脉冲由基于CBuilder的脉冲触发系统产生时的一个A相16位控制字输入和输出时的波形图；其中，(a)是输入波形图，(b)是输出波形图；
图10是控制脉冲由基于CBuilder的脉冲触发系统产生时A相上桥臂多桥串联模块CHAINV3模块接收到的两个8位控制字示意图；
图11是控制脉冲由基于CBuilder的脉冲触发系统产生时17电平MMC交流侧出口A相电压波形图；
图12为控制脉冲由基于CBuilder的脉冲触发系统产生时17电平MMC的正负极母线电压示意图；
图13是控制脉冲由载波移相方式产生时17电平MMC-HVDC的A相上桥臂载波移相调制波和载波的波形图；
图14是控制脉冲由载波移相方式产生时一个A相16位控制字输入和输出时的波形图；其中，(a)是输入的波形图，(b)是输出时的波形图；
图15为控制脉冲由载波移相方式产生时A相上桥臂CHAINV3接收到的两个8位控制字示意图；
图16为控制脉冲由载波移相方式产生时17电平MMC-HVDC交流侧出口A相电压波形图；
图17为控制脉冲由载波移相方式产生时17电平MMC-HVDC的正负极母线电压示意图；
图中各符号：图1中，Ps1：整流侧交流系统向MMC直流侧传输的有功功率；Qs1：整流侧交流系统向MMC直流侧传输的无功功率；Ps2：逆变侧交流系统向MMC直流侧传输的有功功率；Qs2：逆变侧交流系统向MMC直流侧传输的无功功率；Pc1：MMC整流器吸收的有功功率；Qc1：MMC整流器吸收的无功功率；Pc2：MMC逆变器吸收的有功功率；Qc2：MMC逆变器器吸收的无功功率；Us1：整流侧交流母线电压幅值；Us2：逆变侧交流母线电压幅值；δ1：整流侧交流母线电压相角；δ2：逆变侧交流母线电压相角；Uc1：MMC整流器交流出口电压幅值；Uc2：MMC逆变器交流出口电压幅值；ud1：整流侧直流电压；ud2：逆变侧直流电压；id：MMC直流侧电流；R1：整流侧交流系统损耗等值电阻；R2；逆变侧交流系统损耗等值电阻；L1：整流侧交流系统等值电感；L2：逆变侧交流系统等值电感；SMn：第n个子模块；Udc：MMC直流电压；T1：子模块半桥的IGBT1；T2：子模块半桥的IGBT2；D1：与T1反并联的续流二极管；D2：与T2反并联的续流二极管；C：子模块的储能电容。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
扩大RTDS下MMC-HVDC模型仿真规模的方法包括：
步骤1：利用实时数字仿真器RTDS的6个多桥串联模块CHAINV3，仿真模块化多电平换流器MMC的三相桥臂；其中，模块化多电平换流器MMC的每相桥臂利用2个多桥串联模块CHAINV3仿真，1个多桥串联模块CHAINV3用以仿真模块化多电平换流器MMC的该相桥臂的上桥臂，另外1个多桥串联模块CHAINV3用以仿真模块化多电平换流器MMC的该相桥臂的下桥臂。
图4是多桥串联模块CHAINV3模块结构图。图4中，利用RTDS中CHAINV3模块仿真MMC单相桥臂，CHAINV3中参数nmhbr为单相桥臂的子模块个数，参数brdtyp可以选择Full或者Half，对MMC进行仿真建模时brdtyp应选择Half。每个half bridge即半桥需要2位控制脉冲。一个子模块需要两位控制脉冲，如果这两位脉冲的高位是0，则子模块闭锁；如果2位控制脉冲是11则触发子模块的IGBT 1；如果2位控制脉冲是10则触发子模块的IGBT2。在MMC模型中，CHAINV3均采用8位控制字，每个控制字可以控制4个子模块。
图5是模块化多电平高压直流输电(MMC-HVDC)整流侧在RTDS下的仿真模型拓扑图。图5中，用RTDS提供的Tlines数据文件来定义小步长线路模型，使用小步长线路模型连接MMC换流器的三相桥臂。RTDS内部产生的控制脉冲经GTDO卡输出，再由GTDI输入RTDS形成闭环。进而触发仿真MMC单个桥臂的CHAINV3中的相应子模块。MMC子模块的控制脉冲在RTDS内部由基于CBuilder的脉冲触发系统或通过载波移相在RTDS的大步长环境下产生。基于CBuilder的脉冲触发系统采用三角波调制，载波移相的调制波为正弦波。
步骤2：将仿真模块化多电平换流器MMC的同相桥臂的2个多桥串联模块CHAINV3放置在同一个小步长模块Bridge Box中；仿真模块化多电平换流器MMC换流器三相桥臂共需要3个小步长模块Bridge Box。
用两个CHAINV3模块分别代表单相MMC上下两个桥臂，放置在一个小步长模块Bridge_Box中，如图5所示，三相MMC桥臂共需三个Bridge_Box(分别仿真A、B、C三相桥臂)，每个Bridge_Box代表一相桥臂，其内部结构分别如图6，图7，图8所示。MMC-HVDC三相桥臂的直流侧由RTDS中小步长线路模型连接。
步骤3：用实时数字仿真器RTDS中的小步长线路模型连接位于不同小步长模块Bridge Box中的模块化多电平换流器MMC的三相桥臂直流侧。
步骤4：在实时数字仿真器RTDS中建立交流系统；所述交流系统为三相电压源，联接变压器采用三角形/星型接地方式，换相电抗器设置在联接变压器副边与所述模块化多电平换流器MMC的交流侧出口之间；其中联接变压器与换相电抗器均采用小步长模型，放置在3个小步长模块Bridge Box中。
三台单相联接变压器均采用三角形/星型接地方式，换相电抗器设置在联接变压器与MMC交流侧出口之间，起到能量传输纽带的作用。
步骤5：利用小步长线路模型连接模块化多电平换流器MMC的整流侧和逆变侧；
步骤6：利用实时数字仿真器RTDS中的2个计算通信单元RACK，分别对模块化多电平换流器MMC的整流侧与逆变侧进行仿真计算，2个计算通信单元RACK之间使用光纤连接。
使用RTDS中的rtds_risc_ctl_GTDOOUT模块将数字信号写入GTDO卡，使用rtds_risc_ctl_GTDIINP2模块将数字信号从GTDI卡读出。rtds_risc_ctl_GTDOOUT与rtds_risc_ctl_GTDIINP2的输出或输入均要求为16位二进制信号。故必须将MMC仿真模型中由8个子模块所需的控制脉冲组成16位控制字输入rtds_risc_ctl_GTDOOUT，如图9(a)、(b)与图14(a)、(b)所示。再将rtds_risc_ctl_GTDIINP2输出的16位控制字分解为2个8位控制字，如图10与图15所示。
基于上述建模方法，利用两个经光纤互联的RACK分别对MMC的整流、逆变侧建模，实现了子模块触发脉冲经RTDS外部循环的双端17电平MMC-HVDC模型的搭建与仿真。如图11、图16所示，在两种不同控制脉冲产生方式下MMC交流出口A相电压波形均呈现17电平阶梯状。如图12、图17所示，受RTDS中基于TLines数据文件的小步长线路模型及直流侧少量谐波的影响，正负极直流母线电压呈现一定范围波动。
本发明能完整的实现扩大RTDS下MMC-HVDC一次系统模型仿真规模及其与二次系统的闭环控制方法，解决MMC-HVDC在RTDS下仿真规模受限以及无法在没有外部物理控制器时RTDS接口设计及验证的问题。
以上所述，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 (2)

1.一种扩大RTDS下MMC-HVDC模型仿真规模的方法，其特征是所述方法包括：
步骤1：利用实时数字仿真器RTDS的6个多桥串联模块CHAINV3，仿真模块化多电平换流器MMC的三相桥臂；其中，模块化多电平换流器MMC的每相桥臂利用2个多桥串联模块CHAINV3仿真，1个多桥串联模块CHAINV3用以仿真模块化多电平换流器MMC的该相桥臂的上桥臂，另外1个多桥串联模块CHAINV3用以仿真模块化多电平换流器MMC的该相桥臂的下桥臂；
步骤2：将仿真模块化多电平换流器MMC的同相桥臂的2个多桥串联模块CHAINV3放置在同一个小步长模块Bridge Box中；仿真模块化多电平换流器MMC换流器三相桥臂共需要3个小步长模块Bridge Box；
步骤3：用实时数字仿真器RTDS中的小步长线路模型连接位于不同小步长模块Bridge Box中的模块化多电平换流器MMC的三相桥臂直流侧；
步骤4：在实时数字仿真器RTDS中建立交流系统；所述交流系统为三相电压源，联接变压器采用三角形/星型接地方式，换相电抗器设置在联接变压器副边与所述模块化多电平换流器MMC的交流侧出口之间；其中联接变压器与换相电抗器均采用小步长模型，放置在3个小步长模块Bridge Box中；
步骤5：利用小步长线路模型连接模块化多电平换流器MMC的整流侧和逆变侧；
步骤6：利用实时数字仿真器RTDS中的2个计算通信单元RACK，分别对模块化多电平换流器MMC的整流侧与逆变侧进行仿真计算，2个计算通信单元RACK之间使用光纤连接。
2.根据权利要求1所述的一种扩大RTDS下MMC-HVDC模型仿真规模的方法，其特征是所述实时数字仿真器RTDS控制脉冲，经高速数字量输出卡GTDO、高速数字量输入卡GTDI实现对模块化多电平换流器MMC的闭环触发。
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