CN104820373A - 模块化多电平换流器仿真实验平台及方法 - Google Patents

Abstract

一种模块化多电平换流器仿真实验平台及方法，所述平台包括实时仿真器及站级和阀级控制器，实时仿真器包括实时仿真器处理板卡和模块化多电平换流器仿真单元，站级和阀级控制器包括现场可编程门阵列单元和数字信号处理单元，其中实时仿真器处理板卡用于仿真运行交流系统，模块化多电平换流器仿真单元用于仿真运行换流站系统，现场可编程门阵列单元用于将交流系统和换流站系统的运行信号传递给数字信号处理单元，数字信号处理单元用于完成控制计算，生成换流站子模块触发信号。利用本发明的模块化多电平换流器仿真实验平台及方法，能够在实时仿真器上精确模拟模块化多电平换流器的系统特性。

Description

模块化多电平换流器仿真实验平台及方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析技术领域，特别是涉及到模块化多电平换流器的分析技术。

背景技术

近几年，随着风力发电、太阳能发电等可再生能源发电的发展，基于电压源换流器的轻型直流输电系统由于具有经济、灵活、高可控性等优点，得到了快速的应用和发展。轻型直流输电广泛应用于可再生能源比如大型风电场并网、分布式发电并网、孤岛供电、大城市电网供电、非同步交流电网互联、多端直流输电等领域。

基于模块化多电平换流器(modularized multilevel converter，MMC)的高压直流输电是电压源换流器直流输电(high-voltage direct current，HVDC)技术向高电压大功率方向发展的最新成果。其中，模块化多电平换流器MMC是一种新型的电压变换电路，它通过将多个子模块级联的方式，可以叠加输出很高的电压，并且还具有输出谐波少、模块化程度高等特点，因而在电力系统中具有广泛的应用前景。MMC-HVDC相比于两三电平的基于电压源换流器(Voltage SourcedConverter，VSC)的高压直流输电HVDC有众多优势，比如容量更大，换流阀制造难度下降，波形质量更高，损耗更低等。

单个电平数较高的模块化多电平换流器MMC的换流站一般由数千个子模块构成，以期实现大容量、高冗余度和低波形畸变的电压输出。而MMC系统复杂的拓扑结构导致高电平一次系统建模难度很大，特别是基于纯物理装置的仿真试验。对于高电平MMC物理控制器，不仅需要对数量巨大的子模块状态信息和触发控制字实现实时吞吐，而且必须完成子模块之间的电压均衡控制产生的大量计算，这对模块化多电平换流器MMC控制器的通信和计算能力都提出了严峻的挑战。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术中高电平一次系统和控制器建模困难的缺点，提供了一种模块化多电平换流器MMC仿真实验平台及方法，精确模拟模块化多电平换流器MMC系统的特性，且能方便安全地仿真交直流侧不同类型的故障。

为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。

一种模块化多电平换流器仿真实验平台，所述模块化多电平换流器仿真实验平台包括实时仿真器及站级和阀级控制器，实时仿真器包括互相连接的实时仿真器处理板卡和模块化多电平换流器仿真单元，站级和阀级控制器包括现场可编程门阵列单元和数字信号处理单元，其中实时仿真器处理板卡用于仿真运行交流系统，模块化多电平换流器仿真单元用于仿真运行换流站系统，所述交流系统及换流站系统的运行信号发送给站级和阀级控制器的现场可编程门阵列单元；

现场可编程门阵列单元用于将交流系统及换流站系统的运行信号传递给数字信号处理单元，并将数字信号处理单元生成的换流站子模块触发信号发送给实时仿真器；

数字信号处理单元用于完成控制计算，生成换流站子模块触发信号。

特别地，所述模块化多电平换流器仿真实验平台还包括信号转换板卡，站级和阀级控制器的现场可编程门阵列单元包括数字转换口、模数转换口和光电转换接口，其中实时仿真器处理板卡输出交流侧电压及电流信号和交流侧断路器状态信号，通过信号转换板卡将交流侧电压及电流信号传输至所述模数转换口，将交流侧断路器状态信号传输至所述数字转换口；

模块化多电平换流器仿真单元输出子模块电容电压信号和桥臂电流信号，通过光纤传输至所述光电转换接口。

另外，所述数字信号处理单元还产生断路器合闸分闸指令，并通过现场可编程门阵列单元将所述断路器合闸分闸指令发送至实时仿真器处理板卡。

所述信号转换板卡包括模拟输出单元、数字输出单元和数字输入单元，其中实时仿真器处理板卡输出的交流侧电压及电流信号通过所述模拟输出单元传输至所述模数转换口；

实时仿真器处理板卡输出的交流侧断路器状态信号通过所述数字输出单元传输至所述数字转换口；

现场可编程门阵列单元发送的断路器合闸分闸指令通过所述数字输入单元发送至所述实时仿真器处理板卡。

其中，所述模块化多电平换流器仿真实验平台还包括系统级控制器，所述系统级控制器与所述站级和阀级控制器互联，用于将控制参数及指令传输给站级和阀级控制器，并进行人机交互。

特别地所述控制参数及指令包括功率、电压、启动、停止运行指令和交流侧整定值。

另外，所述模块化多电平换流器仿真实验平台还包括终端计算机，所述终端计算机互联至实时仿真器，用于搭建换流站系统模型，并监控所述换流站系统的运行状态。

所述数字信号处理单元采用8核处理芯片，其中第0核用于站控计算，第1～6核用于阀控计算。

一种模块化电平换流器仿真实验方法，所述方法包括以下步骤：

A、搭建换流站系统模型；

B、将实时仿真器处理板卡输出的交流侧电压及电流信号通过所述模拟输出单元传输至所述模数转换口，将实时仿真器处理板卡输出的交流侧断路器状态信号通过所述数字输出单元传输至所述数字转换口，并通过光纤将模块化多电平换流器仿真单元输出的子模块电容电压信号和桥臂电流信号传输至所述光电转换接口；

C、通过系统级控制器，将控制参数及指令发送至站级及阀级控制器；

D、通过现场可编程门阵列单元将所述交流侧电压及电流信号、交流侧断路器状态信号、子模块电容电压信号和桥臂电流信号传输给数字信号处理单元；

E、通过数字信号处理单元进行站级及阀级控制计算，生成换流站子模块触发信号和断路器合闸分闸指令；

F、通过现场可编程门阵列单元将换流站子模块触发信号和断路器合闸分闸指令发送给实时仿真器。

通过采用本发明的模块化多电平换流器仿真实验平台及方法，能够获得以下有益技术效果。

首先，通过使用本发明的模块化多电平换流器仿真实验平台不用建立真实的一次系统，就可以在实时仿真器上精确模拟模块化多电平换流器系统特性，且能方便安全地仿真交直流侧不同类型的故障。其次，在本发明模块化多电平换流器仿真实验平台的物理控制器上可以灵活地实现不同的控制策略。此外，在本发明模块化多电平换流器仿真实验平台上，换流站可以方便地接入大电网，为主电路的设计规划和控制系统的测试提供更接近实际的实验环境。本发明的模块化多电平换流器仿真实验平台可以用于主电路设计论证，控制策略研究测试，控制器参数优化，柔性直流系统与大电网的交互研究等领域。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中模块化多电平换流器仿真实验平台的结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中模块化多电平换流器仿真实验平台中站级和阀级控制器的结构图。

图3为本发明具体实施方式中所搭建的单端模块化多电平换流器MMC换流站系统的示意图。

图4为对图3换流站系统进行仿真实验的结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

首先介绍说明书附图中各附图标记所代表的部件名称。

1 终端计算机，

2 实时仿真器，

3 实时仿真器处理板卡，

4 模块化多电平换流器仿真单元，

5 系统级控制器，

6 站级和阀级控制器，

7 模拟输出单元，

8 数字输出单元，

9 数字输入单元，

10 光电转换接口，

11 数字转换口，

12 模数转换口，

13 光纤，

14 数字信号处理单元，

15 可编程门阵列单元，

16 换流站系统，

17 交流电源，

18 直流换流站。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

如图1所示，本发明具体实施方式中公开了一种模块化多电平换流器仿真实验平台，所述模块化多电平换流器仿真实验平台包括实时仿真器2、站级和阀级控制器6，实时仿真器2包括互相连接的实时仿真器处理板卡3和模块化多电平换流器仿真单元4，站级和阀级控制器6包括现场可编程门阵列单元14和数字信号处理单元15，其中实时仿真器处理板卡3用于仿真运行交流系统，模块化多电平换流器仿真单元4用于仿真运行换流站系统，所述交流系统及换流站系统的运行信号发送给站级和阀级控制器6的现场可编程门阵列单元14；

现场可编程门阵列单元14用于将交流系统及换流站系统的运行信号传递给数字信号处理单元15，并将数字信号处理单元15生成的换流站子模块触发信号发送给实时仿真器2；

数字信号处理单元15用于完成控制计算，生成换流站子模块触发信号。

因此，通过使用本发明的模块化多电平换流器仿真实验平台不用建立真实的一次系统，就可以在实时仿真器上精确模拟模块化多电平换流器系统特性，且能方便安全地仿真交直流侧不同类型的故障。

其中所述实时仿真器处理板卡3可以是实时数字仿真仪(Real Time DigitalSimulator，RTDS)的千兆处理板卡，所述模块化多电平换流器仿真单元4可以是基于现场现场可编程门阵列单元的模块化多电平换流器支持单元(FPGA-basedMMC support unit)。

其中，所述模块化多电平换流器仿真实验平台还包括信号转换板卡，且站级和阀级控制器6的现场可编程门阵列单元14包括数字转换口11、模数转换口12和光电转换接口10，其中实时仿真器处理板卡3输出交流侧电压及电流信号和交流侧断路器状态信号，通过信号转换板卡将交流侧电压及电流信号传输至所述模数转换口12，将交流侧断路器状态信号传输至所述数字转换口11；

模块化多电平换流器仿真单元4输出子模块电容电压信号和桥臂电流信号，通过光纤13传输至所述光电转换接口10。

特别地，所述数字信号处理单元15可以产生断路器合闸分闸指令，并通过现场可编程门阵列单元14将所述断路器合闸分闸指令发送至实时仿真器处理板卡3。

在本发明一个具体实施方式中，所述信号转换板卡包括模拟输出单元7、数字输出单元8和数字输入单元9，其中实时仿真器处理板卡3输出的交流侧电压及电流信号通过所述模拟输出单元7传输至所述模数转换口12；

实时仿真器处理板卡3输出的交流侧断路器状态信号通过所述数字输出单元8传输至所述数字转换口11；

现场可编程门阵列单元14发送的断路器合闸分闸指令通过所述数字输入单元9发送至所述实时仿真器处理板卡3。

在一个更加具体的实施方式中，所述模拟输出单元7为吉比特模拟输出(Gigabit Analog Output，GTAO)单元，所述数字输出单元8为吉比特数字输出(Gigabit Digital Output，GTDO)单元，所述数字输入单元9为吉比特数字输入(Gigabit Digital Input，GTDI)单元。

另外在一个具体实施方式中，所述模块化多电平换流器仿真实验平台还包括系统级控制器，所述系统级控制器与所述站级和阀级控制器通过以太网互联，用于将控制参数及指令传输给站级和阀级控制器，并进行人机交互。

在一个更加具体的实施方式中，上述控制参数及指令包括功率、电压、启动、停止运行指令和交流系统侧整定值。

所述模块化多电平换流器仿真实验平台还包括终端计算机1，所述终端计算机1互联至实时仿真器2，用于搭建换流站系统模型，并监控所述换流站系统的运行状态。

所述终端计算机1可以使用多种构建换流站系统模型的软件来实现所述换流站系统模型，例如在一个具体实施方式中，所述终端计算机1利用RSCAD来实现这一目的。另外，所述终端计算机也可以通过例如以太网连接至实时仿真器2。

如图2所示，在一个具体实时方式中，所述数字信号处理单元15采用8核处理芯片，其中第0核用于站控计算，第1～6核用于阀控计算。相应地，所述光电转换接口包括第1光电口至第12光电口，数字信号处理单元15完成#1桥臂阀倥至#6桥臂阀倥计算之后，分别通过第1光电口至第12光电口传输至实时仿真器2。

与本发明的模块化多电平换流器仿真实验平台相对应，本发明具体实施方式中还公开了一种模块化电平换流器仿真实验方法，所述方法首先进行模块化多电平换流器仿真实验平台的搭建，即将终端计算机1、实时仿真器处理板卡3、模块化多电平换流器仿真单元4、系统级控制器5，站级和阀级控制器6、信号转换板卡连接起来组成模块化多电平换流器仿真实验平台。

模块化多电平换流器仿真实验平台的搭建完成后，依次执行以下步骤。为了充分说明本发明的技术效果，以下实施方式中使用了图3所示的特定换流站系统结构和参数，但本领域内技术人员应当知晓，所有其中的电路结构和参数只是用于例示性的，并不能被视为对本发明保护范围形成了限定。

A、通过终端计算机1搭建换流站系统模型，如图3所示，所述换流站系统16模型主要包括交流电源17，直流换流站18等，其中主电路参数如下表所示：

B、将实时仿真器处理板卡3输出的交流侧电压及电流信号通过所述模拟输出单元7传输至所述模数转换口12，将实时仿真器处理板卡3输出的交流侧断路器状态信号通过所述数字输出单元8传输至所述数字转换口11，并通过光纤13将模块化多电平换流器仿真单元4输出的子模块电容电压信号和桥臂电流信号传输至所述光电转换接口10；

C、通过系统级控制器5，将控制参数及指令发送至站级及阀级控制器6，所述控制参数及指令包括功率、电压、启动、停止运行指令和交流系统侧整定值。本具体实施例中，系统级控制采用有功无功控制，其中有功整定值为400MW，无功整定值为30MVA。

D、通过现场可编程门阵列单元14将所述交流侧电压及电流信号、交流侧断路器状态信号、子模块电容电压信号和桥臂电流信号传输给数字信号处理单元15；

E、通过数字信号处理单元15进行站级及阀级控制计算，生成换流站子模块触发信号和断路器合闸分闸指令；

F、通过现场可编程门阵列单元14将数字信号处理单元15生成的换流站子模块触发信号和断路器合闸分闸指令发送给实时仿真器2，以进行闭环仿真实验。

本实例搭建了模块化多电平换流器半实物仿真实验平台。附图4为利用本发明模块化多电平换流器仿真实验平台的换流站系统实验结果，图4中的波形包括：有功P、无功Q、A相上下桥臂电流i_ap和i_an、A相上桥臂前8个子模块电容电压u_cap1～u_cap8。附图4的结果表明，本发明模块化多电平换流器仿真实验平台的有功无功实验结果都能准确追踪整定值，换流站系统子模块波动量峰峰值小于6.38％，各项控制指标都取得较好的效果。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种模块化多电平换流器仿真实验平台，所述模块化多电平换流器仿真实验平台包括实时仿真器及站级和阀级控制器，实时仿真器包括互相连接的实时仿真器处理板卡和模块化多电平换流器仿真单元，站级和阀级控制器包括现场可编程门阵列单元和数字信号处理单元，其中，

实时仿真器处理板卡用于仿真运行交流系统，模块化多电平换流器仿真单元用于仿真运行换流站系统，所述交流系统及换流站系统的运行信号发送给站级和阀级控制器的现场可编程门阵列单元；

现场可编程门阵列单元用于将交流系统及换流站系统的运行信号传递给数字信号处理单元，并将数字信号处理单元生成的换流站子模块触发信号发送给实时仿真器；

数字信号处理单元用于完成控制计算，生成换流站子模块触发信号。

2.根据权利要求1中所述的模块化多电平换流器仿真实验平台，其特征在于，所述模块化多电平换流器仿真实验平台还包括信号转换板卡，站级和阀级控制器的现场可编程门阵列单元包括数字转换口、模数转换口和光电转换接口，其中，

实时仿真器处理板卡输出交流侧电压及电流信号和交流侧断路器状态信号，通过信号转换板卡将交流侧电压及电流信号传输至所述模数转换口，将交流侧断路器状态信号传输至所述数字转换口；

模块化多电平换流器仿真单元输出子模块电容电压信号和桥臂电流信号，通过光纤传输至所述光电转换接口。

3.根据权利要求2中所述的模块化多电平换流器仿真实验平台，其特征在于，所述数字信号处理单元还产生断路器合闸分闸指令，并通过现场可编程门阵列单元将所述断路器合闸分闸指令发送至实时仿真器处理板卡。

4.根据权利要求3中所述的模块化多电平换流器仿真实验平台，其特征在于，所述信号转换板卡包括模拟输出单元、数字输出单元和数字输入单元，其中，

实时仿真器处理板卡输出的交流侧电压及电流信号通过所述模拟输出单元传输至所述模数转换口；

实时仿真器处理板卡输出的交流侧断路器状态信号通过所述数字输出单元传输至所述数字转换口；

现场可编程门阵列单元发送的断路器合闸分闸指令通过所述数字输入单元发送至所述实时仿真器处理板卡。

5.根据权利要求1中所述的模块化多电平换流器仿真实验平台，其特征在于，所述模块化多电平换流器仿真实验平台还包括系统级控制器，所述系统级控制器与所述站级和阀级控制器互联，用于将控制参数及指令传输给站级和阀级控制器，并进行人机交互。

6.根据权利要求5中所述的模块化多电平换流器仿真实验平台，其特征在于，所述控制参数及指令包括功率、电压、启动、停止运行指令和交流侧整定值。

7.根据权利要求1中所述的模块化多电平换流器仿真实验平台，其特征在于，所述模块化多电平换流器仿真实验平台还包括终端计算机，所述终端计算机互联至实时仿真器，用于搭建换流站系统模型，并监控所述换流站系统的运行状态。

8.根据权利要求1中所述的模块化多电平换流器仿真实验平台，其特征在于，所述数字信号处理单元采用8核处理芯片，其中第0核用于站控计算，第1～6核用于阀控计算。

9.一种模块化电平换流器仿真实验方法，所述方法包括以下步骤：

A、搭建换流站系统模型；

B、将实时仿真器处理板卡输出的交流侧电压及电流信号通过所述模拟输出单元传输至所述模数转换口，将实时仿真器处理板卡输出的交流侧断路器状态信号通过所述数字输出单元传输至所述数字转换口，并通过光纤将模块化多电平换流器仿真单元输出的子模块电容电压信号和桥臂电流信号传输至所述光电转换接口；

C、通过系统级控制器，将控制参数及指令发送至站级及阀级控制器；

D、通过现场可编程门阵列单元将所述交流侧电压及电流信号、交流侧断路器状态信号、子模块电容电压信号和桥臂电流信号传输给数字信号处理单元；

E、通过数字信号处理单元进行站级及阀级控制计算，生成换流站子模块触发信号和断路器合闸分闸指令；

F、通过现场可编程门阵列单元将换流站子模块触发信号和断路器合闸分闸指令发送给实时仿真器。