CN107168100A - 一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统仿真试验技术领域，尤其涉及一种应用现场可编程门阵列实现模块化多电平换流器实时仿真建模的方法。本发明根据MMC工作机理，建立桥臂的戴维南等值模型，采用FPGA实现MMC阀组的等值计算。计算过程中将同一桥臂的子模块分组，每组通过FPGA流水线架构进行计算处理，组与组之间采用同步并行计算，极大地减少计算时间，满足实时仿真的要求。本发明效果在于，可以在不修改FPGA程序的情况下实现MMC一次参数的灵活配置，针对不同子模块拓扑具有通用性，可外接控制器进行系统级、阀级的硬件在环实验。

Description

一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真 建模方法

技术领域

本发明属于电力系统仿真试验技术领域，尤其涉及一种应用现场可编程门阵列实现模块化多电平换流器实时仿真建模的方法。

背景技术

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压直流输电是柔性直流输电技术向高电压大功率发展的最新成果。模块化多电平换流器以其开关频率低、输出波形质量好、对开关一致性要求低、扩展性好等独特优势，已成为研究热点，并取得越来越多的工程应用。MMC的实时或实物仿真更接近工程实际，可用于实际工程投运前控制保护装置的开发和调试，对系统规划、设计和运营具有重要的指导意义。

实际工程中为获得较高电压等级，MMC桥臂通常由数百个子模块(sub-module,SM)级联组成，每个子模块中又包含若干高频开断的电力电子器件。而在实时仿真中，电磁暂态程序采用定步长求解，难以对电力电子开关器件进行插值处理，因此需要采用数微妙的小步长仿真，以提高仿真精度。另一方面，每个仿真步长内电力电子器件开关状态的变化，都需要对高阶节点导纳矩阵重新生成和求解，给MMC的实时仿真带来巨大的挑战。

现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)是一种并行架构的芯片，具备分布式内存、流水线结构以及可扩展的高速IO口，可实现高度并行的数值计算和快速的数据通信，基于FPGA的电力系统实时仿真技术近年来越来越受到重视。现有的实时数字仿真器(real-time digital simulator,RTDS)中基于FPGA的MMC桥臂模型元件封装度较高，只提供半桥和全桥子模块的仿真功能，用户不能在此平台上仿真研究其他拓扑类型的子模块，且能够仿真的子模块层级故障类型有限，灵活性较差。

鉴于此，本发明设计了一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真模型，能够精确模拟模块化多电平换流器系统的运行特性，且能够方便实现仿真规模、系统参数、子模块拓扑的灵活配置。

发明内容

本发明提供一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法，其具体步骤包括：

步骤1：根据子模块的不同工作状态建立单个子模块投入、旁路及闭锁时的戴维南等效电路，并通过累加得到单个桥臂的戴维南等效电路。将模块化多电平换流器同一桥臂的子模块分为m组，每组包含n个子模块，每组子模块对应一条计算流水线；

步骤2：将FPGA与实时数字仿真器相连；

步骤3：将FPGA与阀级物理控制器相连；

步骤4：FPGA从实时数字仿真器采集MMC的一次系统配置信息和运行信息，配置信息包括单个桥臂的子模块个数，单个子模块电容值，运行信息为电容电流。

步骤5：FPGA从阀级物理控制器采集各个子模块的触发控制信息；

步骤6：FPGA根据采集到的桥臂电流和子模块电容值，计算得到同一桥臂中处于投入状态的子模块的电容电压增量，并将电容电压增量及子模块触发控制信息分配到m条流水线中。

步骤7：各个流水线同步并行计算，在每个流水线内部，计算完成n个子模块电容电压的更新，并计算得到单个桥臂的戴维南等值电压和等值电阻。

步骤8：FPGA将步骤7中计算得到的桥臂等值电压和等值电阻发送到实时数字仿真器中，每个桥臂的计算结果等效为一个受控戴维南支路。

步骤9：FPGA将步骤7中更新的子模块电容电压发送到阀级物理控制器中。

建立单个子模块戴维南等值电路过程中，将电力电子开关器件等效为阻值在通态电阻R_ON(典型值10^-2Ω)与断态电阻R_OFF(典型值10⁶Ω)间切换的等值电阻，由于R_ON远小于R_OFF，在保证仿真精度的情况下，近似认为R_OFF为无穷大。对子模块电容采用后退欧拉法将其离散化，更新子模块电容电压的计算式为：

V_C(t)＝V_C(t-ΔT)+R_CI_C(t) (1)

其中，R_C为子模块电容电阻；ΔT为仿真步长；V_C(t)和V_C(t-ΔT)当前时刻和上一时刻子模块电容电压；I_C(t)为流过子模块电容电流。

实时数字仿真器承担包含桥臂戴维南支路在内的交直流系统的仿真任务，并采用2.5us的小步长求解，以确保仿真精度。

阀级物理控制器的控制结果以各个子模块的触发控制信息的形式输出，对于具体的控制方式不做限制。

对于N个子模块组成的MMC单个桥臂而言，子模块电容电压更新需要一次乘法计算和一次加法计算，对应N个乘法器和N个加法器。由于MMC拓扑的独特性，同一桥臂的子模块级联连接，流过所有子模块的电流相等，且各子模块的电容值通常是相同的，导致同一时刻处于投入状态的各个子模块的电容电压增量R_CI_C(t)是相等的，也即同一桥臂所有子模块电容电压增量计算可以只进行一次，从而减少对FPGA硬件资源的需求。

流水线是指将规模较大、层级较多的组合逻辑电路分为多级，每级之间插入寄存器寄存中间数据，这样的处理方式能够提高流动数据的处理速度，充分发挥FPGA的硬件特性并提高计算效率。

当实际需要仿真的桥臂子模块个数N<m×n时，上述计算模块仍按照m×n个子模块处理。对于额外的m×n-N个子模块，设置相应的触发信号始终为0，从而其电容电压始终为0，对桥臂的等值计算结果不产生影响。这也意味着仿真不同电平数的MMC系统时，无需对FPGA程序重新配置，避免了FPGA开发过程中冗长的编译耗时，进一步提高处理效率。

针对每条流水线，只需分配一个加法器，同组子模块依次通过加法逻辑电路即可实现电容电压更新计算，通过硬件电路的复用，进一步实现了硬件资源的优化配置。假设第一个子模块经过M个时钟周期计算完成，在第一个子模块计算完成此之后，每增加一个时钟周期就可以完成下一个子模块的计算，因此并行的各个流水线完成所有子模块仅需要M+n-1个时钟周期。

考虑到FPGA中浮点数数值精度高，定点数计算速度快的特点，单个桥臂的戴维南等效电路的计算采用浮点数与定点数相结合的数制形式。其中，浮点数为32位数据，符合IEEE 754单精度浮点数标准；定点数为48位数据，其中整数部分16位，小数部分32位。在与外部交互数据时采用浮点数形式，而在内部进行加法及累加操作时采用定点数形式。

本发明的特点在于，充分利用FPGA的并行特性实现模块化多电平换流器阀组的实时等值计算。将同一桥臂的子模块分组，每组子模块采用流水线架构进行计算处理，而组与组之间采用同步并行计算。流水线架构不仅能够提高数据的流动速度，还能够在满足实时计算的前提下，进一步优化硬件资源需求。

附图说明

图1是实例中MMC系统模型；

图2是自阻型子模块拓扑图；

图3是单个子模块不同工作状态下等效电路图；

图4是RTDS小步长下桥臂戴维南等值电路图；

图5是FPGA桥臂模型计算框架图；

图6是单个流水线(流水线1)计算框架图；

图7是实例中MMC系统仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实例对本发明的技术方案作详细说明。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。

本实例中换流站在RTDS实时仿真器上运行，采用一个单端MMC系统来验证本发明所设计的建模方法。单端MMC换流站如附图1所示，MMC每个桥臂中有100个子模块，系统参数如表1所示。

表1 MMC实验系统主电路参数

本实例阀级物理控制器选用数字信号处理器完成，对MMC换流站采用定有功功率和定无功功率控制，控制目标分别为400MW和30Mvar，阀级控制为最近电平调制。

本实例选取的子模块拓扑类型为自阻型子模块，如附图2所示。实际未对子模块拓扑类型进行限定，针对不同类型子模块拓扑，也可以在分析其工作机理的基础上，采用本发明方法实现实时仿真建模，具有良好的通用性。

本实例使用Xilinx公司生产的ML605开发板，板上配有Virtex-6系列FPGA芯片，并使用单个FPGA芯片仿真模块化多电平换流器的三相上(下)桥臂。本实例中选取m＝8,n＝64，即每相最高仿真512个子模块，共1536个子模块。

首先，建立单个子模块在不同工作状态下的戴维南等效电路，设定关断电阻R_OFF无穷大，并使用后退欧拉对子模块电容电压离散化处理，可以得到如附图3所示的单个子模块在投入、旁路及闭锁时的等效电路。

根据附图3，在正常运行时，单个子模块戴维南等效电阻R_{SM_i}和等效电压V_{SM_i}如式(3)和式(4)所示。MMC桥臂由子模块串联组成，因此可以累加得到MMC桥臂戴维南等效电压V_ARM和等效电阻R_ARM，分别如式(5)和式(6)所示。

R_ARM＝2NR_ON+N_ONR_C (6)

其中，N_ON为同一桥臂处于投入状态的子模块个数。桥臂的戴维南等值电阻R_ARM由可变部分N_ONR_C和不变部分2NR_ON组成，而在仿真过程中，可变部分电阻仅与N_ON有关。因此记录FPGA采集到的子模块触发控制信息中处于投入状态子模块的个数，即可求得R_ARM。

在闭锁状态下，正反向电流均对子模块电容充电，因此闭锁状态可以看作正常运行时N_ON＝N时的特例，桥臂戴维南等效电压和等效电阻仍可根据式(5)和式(6)计算得到。由此可以得到如附图4所示的RTDS小步长MMC桥臂戴维南等效电路。在正常运行时，T_eq1和T_eq2导通，T_eq3关断。此时当桥臂电流I_ARM>0时，电流流经D_eq1、V_ARM、R_ARM和D_eq2；当桥臂电流I_ARM<0时，电流流经T_eq2、R_ARM、V_ARM和T_eq1。闭锁状态下，T_eq1和T_eq2关断，T_eq3导通。此时当桥臂电流I_ARM>0时，电流流经D_eq1、V_ARM、R_ARM和D_eq2；当桥臂电流I_ARM<0时，电流流经T_eq3、V_ARM、R_ARM和D_eq3。其中引入T_eq3和D_eq3构造了自阻型子模块闭锁态时反向桥臂电流通路，在正常运行时不起作用，从而实现闭锁状态的精确仿真。

然后，FPGA从实时数字仿真器采集子模块个数N，子模块电容值C，电容电流I_C，本实例中N＝100，C＝30mF。从阀级物理控制器中采集子模块触发控制信息，并将其存储起来。

如附图5所示，FPGA通过一次乘法计算求得子模块电容电压增量ΔV_C，并将ΔV_C由32位浮点数转为48位定点数，传递到各个计算流水线中。同时，将子模块触发控制信息从寄存器读出，按照对应的子模块分配到相应的流水线中。

如附图6所示，在单个流水线内部，根据子模块触发控制信息Gate_ij和从寄存器读出并经过浮点数向定点数转换的上一时刻子模块电容电压V_C(t-ΔT)，通过一次加法运算完成子模块电容电压的更新，计算结果随即由48位定点数转为32位浮点数，并重新写入电容电压寄存器。在流水线内部同时完成改组子模块桥臂等值电压的累加操作。

FPGA将各个流水线桥臂电压计算结果通过加法运算汇总，再经Float2Fixed模块转为浮点数，得到桥臂戴维南等值电压V_ARM；同时记录触发信号寄存器中的子模块导通个数，由整型转为浮点型后进一步计算得到桥臂等效电阻R_ARM。FPGA将各个流水线的更新后的电容电压V_C发送到阀级物理控制器。

附图5和附图6中，Float2Fixed为浮点数转定点数模块，Fixed2Float为定点数转浮点数模块。乘法、加法及数制转化模块均使用相应的IP核完成。本实例中计算部分均由100MHz时钟驱动。

附图7为利用本实例建模方法下换流站系统仿真实验结果，附图7中的波形包括：阀侧交流电压，阀侧交流电流，有功功率和无功功率，A相上下桥臂电流，A相上桥臂前8个子模块电容电压波形图。附图7的结果表明，有功无功都能准确追踪整定值，子模块波动量峰峰值小于5.5％，各项控制指标都取得较好的效果，验证了本发明建模方法的正确性。

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 (9)

1.一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法，其具体步骤包括：

步骤1：根据子模块的不同工作状态建立单个子模块投入、旁路及闭锁时的戴维南等效电路，并通过累加得到模块化多电平换流器(MMC)单个桥臂的戴维南等效电路；将MMC同一桥臂的子模块分为m组，每组包含n个子模块，每组子模块对应一条计算流水线；

步骤2：将FPGA与实时数字仿真器相连；

步骤3：将FPGA与阀级物理控制器相连；

步骤4：FPGA从实时数字仿真器采集MMC的一次系统配置信息和运行信息，配置信息包括单个桥臂的子模块个数，单个子模块电容值，运行信息为电容电流；

步骤5：FPGA从阀级物理控制器采集各个子模块的触发控制信息；

步骤6：FPGA根据采集到的桥臂电流和子模块电容值，计算得到同一桥臂中处于投入状态的子模块的电容电压增量，并将电容电压增量及子模块触发控制信息分配到m条流水线中；

步骤7：各个流水线同步并行计算，在每个流水线内部，计算完成n个子模块电容电压的更新，并计算得到单个桥臂的戴维南等值电压和等值电阻；

步骤8：FPGA将步骤7中计算得到的桥臂等值电压和等值电阻发送到实时数字仿真器中，每个桥臂的计算结果等效为一个受控戴维南支路；

步骤9：FPGA将步骤7中更新的子模块电容电压发送到阀级物理控制器中。

2.根据权利要求1所述的一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法，其特征在于，在所述步骤1中，在建立单个子模块戴维南等值电路过程中，将电力电子开关器件等效为阻值在通态电阻R_ON与断态电阻R_OFF间切换的等值电阻，并近似认为R_OFF无穷大，对子模块电容采用后退欧拉法离散化处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述实时数字仿真器承担包含桥臂戴维南支路在内的交直流系统的仿真任务，并采用2.5us的小步长求解。

4.根据权利要求1所述的一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述阀级物理控制器的控制结果以各个子模块的触发控制信息的形式输出，对于具体的控制方式不做限制。

5.根据权利要求1所述的一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法，其特征在于，在所述步骤6中，所述子模块的电容电压增量对于同一桥臂各个子模块是相同的，只需计算一次。

6.根据权利要求1所述的一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法，其特征在于：

所述流水线是指将规模较大、层级较多的组合逻辑电路分为多级，每级之间插入寄存器寄存中间数据；仿真不同电平数的MMC系统时，无需对FPGA程序重新配置；

当实际需要仿真的桥臂子模块个数N<m×n时，所需计算的子模块仍按照m×n个处理，对于额外的m×n-N个子模块，设置相应的触发信号始终为0，从而其电容电压始终为0；

针对每条流水线，只需分配一个加法器，同组子模块依次通过加法逻辑电路即可实现电容电压更新计算，通过硬件电路的复用，进一步实现了硬件资源的优化配置。

7.根据权利要求1所述的一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法，其特征在于：

假设第一个子模块经过M个时钟周期计算完成，在第一个子模块计算完成此之后，每增加一个时钟周期就可以完成下一个子模块的计算，并行的各个流水线完成所有子模块需要M+n-1个时钟周期。

8.根据权利要求1所述的一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法，其特征在于：

所述单个桥臂的戴维南等效电路的计算采用浮点数与定点数相结合的数制形式；其中，浮点数为32位数据，符合IEEE 754单精度浮点数标准；定点数为48位数据，其中整数部分16位，小数部分32位；在与外部交互数据时采用浮点数形式，而在内部进行加法及累加操作时采用定点数形式。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法，其特征在于：更新子模块电容电压的计算式为：

V_C(t)＝V_C(t-ΔT)+R_CI_C(t) (1)

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> </mrow> <mi>C</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，R_C为子模块电容电阻；ΔT为仿真步长；V_C(t)和V_C(t-ΔT)当前时刻和上一时刻子模块电容电压；I_C(t)为流过子模块电容电流。