CN108073085A - 一种vsc阀控程序仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种VSC阀控程序仿真测试方法，该仿真测试方法包括：在预先建立的VSC电路模型基础上建立VSC换流器级控制系统和测量系统；搭建FPGA程序仿真工程；搭建VSC系统模型与FPGA程序仿真工程联合仿真用通信接口。本发明提供的技术方案模拟了控制保护系统中的通信过程，不同控制层之间的数据均按照通信协议进行交换，与单平台软件相比仿真测试过程更为真实。

Description

一种VSC阀控程序仿真测试方法

技术领域

本发明涉电力电子系统的计算机仿真领域，具体讲涉及一种VSC阀控程序仿真测试方法。

背景技术

作为电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)控制系统的重要组成部分的阀控系统，负责计算处理调制波、保护指令，输出电力电子器件开关信号，并将电力电子阀状态实时反馈至上级控制系统。阀控程序作为阀控系统的核心会对阀控系统乃至VSC整体工作性能产生重要影响。因此，测试阀控程序已经成为VSC带电调试、投入运行前必不可少的工作。

目前，对阀控程序的测试方法主要有软件仿真和基于RTDS/RTLAB的半实物仿真两种：软件仿真利用如PSACD、Simulink和Saber等电力系统仿真软件对VSC电路模型进行计算，并原理性验证VSC参数设计合理性和控制策略有效性，但由于仿真软件测试环境较为理想化，且基于电力系统的控制策略无法直接将代码移植到相关控制器，致使软件仿真方法不够准确、直接；基于RTDS/RTLAB的仿真测试系统由数字实时仿真平台、数模接口和包括阀控设备的控制保护装置等构成，由于采用了半实物半软件混合仿真的形式，该测试方法能够直接且较为精确地验证控制器硬件及包括阀控算法的控制保护算法，但基于RTDS/RTLAB的仿真测试系统中的实时仿真平台价格高昂。

因此，需要建立一种既便于用户自定义VSC模型参数、又能直接测试阀控程序代码的低成本阀控测试系统。

发明内容

为满足对阀控程序测试的自主性和低成本，本发明提供一种VSC阀控程序仿真测试方法，可使工程人员进行阀控程序开发和调试。

本发明提供的VSC阀控程序仿真测试方法，其改进之处在于，所述仿真测试方法包括：

S1、在预先建立的VSC电路模型基础上建立VSC换流器级控制系统和测量系统；

S2、搭建FPGA程序仿真工程；

S3、搭建VSC系统模型与FPGA程序仿真工程联合仿真用通信接口。

进一步的，所述步骤S1中VSC电路模型的建立包括用Simulink模型库工具，在Simulink中建立与实际装置相符合的VSC电路模型。

进一步的，所述VSC电路模型采用：静止同步补偿器STATCOM、静止无功发生器SVG、柔性直流输电VSC-HVDC或统一潮流控制器UPFC。

进一步的，所述步骤S1中，在Simulink中建立与VSC电路模型、VSC换流器级控制系统和VSC换流器级测量系统连接的阀控系统，实现Simulink闭环并完成VSC系统模型搭建有效性的测试。

进一步的，所述步骤S1中，所述VSC换流器级控制系统包括直流电压控制外环和电流控制内环；

所述VSC换流器级控制系统的输入指令为自定义控制目标；

所述VSC换流器级控制系统的输出信号为调制波指令和锁相信号，且所述输出信号按照通信协议编码后传递至阀控系统。

进一步的，所述步骤S1中的所述测量系统用于采集所述VSC换流器级控制系统和阀控系统需要的模拟量信息；

所述模拟量信息经数据格式转化和通信编码后送往VSC换流器级控制系统和阀控系统。

进一步的，所述步骤S2中FPGA程序仿真工程的搭建包括：

将阀控FPGA程序verilog源代码及ip核的.v文件加入到FPGA程序仿真工程中；

阀控FPGA程序中定义的输入输出信号与Simulink中HDL Cosimulation接口信号保持一致。

进一步的，所述步骤S3，在Simulink中用HDL Cosimulation模块定义与Modelsim中FPGA程序仿真工程的通信接口；

在Modelsim中编写的阀控测试程序中定义输入输出信号与HDL Cosimulation接口信号一致；

由Simulink下发至Modelsim的通信量包括调制波指令、锁相信息、控制信息及阀组直流电压；

由Modelsim上传至Simulink的通信量包括阀组PWM信号及阀组故障状态。

进一步的，执行联合仿真包括：

(5-1)在Simulink中执行run，实现Simulink和Modelsim同步运行、联合仿真；

(5-2)查看Modelsim波形查看器中阀控FPGA程序相关信号，且查看Simulink中VSC系统电压电流及所述VSC换流器级控制系统的控制量，并调试FPGA阀控程序，重复执行联合仿真验证阀控FPGA程序。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明提供的技术方案采用基于Simulink和Modelsim实现联合仿真，被测试的阀控程序FPGA代码能直接移植到实际阀控装置，测试方法简单，便于工程人员在测试过程中在系统调试、动模实验前对阀控算法进行基本验证，实现VSC阀控程序的测试，与普通的单平台软件相比，仿真测试简单易实现。

2、本发明提供的技术方案模拟了控制保护系统中的通信过程，不同控制层之间的数据均按照通信协议进行交换，测试过程相比单平台软件仿真更为真实。

3、本专利提供的技术方案较RTDS/RTLAB等实时仿真系统，极大的降低了测试成本。

4、本发明提供的技术方案中用户可在Simulink中自定义VSC模型和换流器级控制系统，在Modelsim中编写面向实际应用的阀控FPGA程序，两者通过特定的接口进行数据交换，在同一时间尺度下同步运行。

5、本发明提供的技术方案中满足用户自定义VSC模型的需求，提高技术方案测试的适用性和实用性，扩大阀控程序的测试范围，减小了阀控程序测试的局限性。

附图说明

图1是本发明提供的VSC阀控程序仿真测试方法流程图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图，以具体实施例的方式详细介绍本发明提供的技术方案。

本发明提供的VSC阀控程序测试方法如图1所示，无需采用高成本实时仿真系统即可对阀控程序进行验证，具体仿真测试方法包括以下内容：

步骤(1)：利用Simulink模型库，在Simulink中建立与实际装置相符合的VSC电路模型。

步骤(2)：在VSC电路模型基础上搭建VSC换流器级控制系统和测量系统。

步骤(3)：换流器级控制系统主要完成调节控制作用，它的输入指令为VSC输出电流、直流电压等自定义控制目标；输出信号为调制波指令和锁相信息。输出信号按照一定通信协议编码后传递至阀控系统。

步骤(4)：测量系统用于采集换流器级控制系统和阀控系统所需模拟量信息，如VSC输出电流、子模块直流电压、交流系统电压等，这些信号经数据格式转换和通信编码后分别被送往换流器级控制系统和阀控系统。

步骤(5)：利用Simulink模型库搭建VSC换流器级控制系统和测量系统中提到的数据格式转换和通信编码的阀控系统，主要目的是模拟不同控制层级间的通信过程。

步骤(6)：在Simulink中使用HDL Cosimulation模块定义Simulink中阀控程序与Modelsim中FPGA程序仿真工程的通信接口。

由Simulink下发至Modelsim的通信量包括调制波指令、锁相信息、控制信息及阀组直流电压等，由Modelsim上传至Simulink的通信量包括阀组PWM信号及阀组故障状态。

步骤(7)：在Modelsim中编写阀控测试程序，模拟阀控测试，阀控程序中定义的输入输出信号应当与Simulink中HDL Cosimulation接口信号保持一致。

步骤(8)：执行联合仿真，完成系统闭环仿真，并根据Simulink显示的参数调试FPGA程序，完成FPGA阀控程序的测试。

实施例

以Simulink仿真系统作为平台，用Simulink的自带图形建模功能搭建静止无功发生器SVG电路仿真模型，通过与Modelsim阀控程序工程进行联合仿真，实现阀控程序测试。

(一)SVG系统电路模型的建立；

利用Simulink的自带图形建模功能搭建35KV SVG系统仿真模型，包括SVG系统模型主电路拓扑、主要设备参数和电网参数等，主要设备参数包括电容器、连接电抗器、子模块。

(二)建立SVG测量系统：

测量系统需要采集SVG所处电力系统的电压、电流和换流器内部电气量。如各相电流、子模块电压等，用Simulink模型库自带电流、电压表即可，输出的测量信号连接是第三步中的控制系统。

(三)建立SVG控制系统。

控制系统的基本框架包括直流电压控制外环和电流控制内环：直流电压外环的输入为测量系统获得的SVG直流电压相关信号和直流电压指令，输出为电流控制内环的参考电流。而电流控制内环作用是使实际输出电流跟踪参考电流，其输出为调制波信号。

(四)验证SVG控制系统和测量系统有效性。

验证方法是在Simulink模型中直接搭建阀控系统，通过与SVG系统电路模型、控制系统、测量系统连接，完成Simulink中闭环，从而测试前三个环节中搭建模型的有效性。

(五)搭建与Modelsim通信接口模块。

在Simulink中使用HDL Cosimulation模块定义Simulink与Modelsim(模拟阀控测试程序)的接口，包括输入/输出信号种类、数据类型和Simulink发送给Modelsim的时钟频率，将控制系统发送给阀控的调制波、锁相信息等首先转化为二进制码，然后按照约定的通信协议将二进制数据依次发送给Modelsim。联合仿真系统的算法和仿真步长在Simulink中设置，为了确保仿真精度，仿真步长不应大于Modelsim时钟频率对应的时间周期。

(六)在Modelsim中搭建阀控FPGA程序仿真工程，工程名称VCU_test,把已编写好的阀控FPGA程序verilog源代码及ip核的.v文件加入到VCU_test仿真工程中。

(七)创建联合仿真；

在Simulink打开仿真模型，在matlab中输入：vsim('hdlsimdir','C:/modeltech_6.5b/win32/')，启动modelsim，并执行如下命令：vsimulink-L xilinxcorelib_ver-Lunisims_ver work.VCU_test，并把关注的信号加入到波形查看窗口。

(八)执行联合仿真；

在Simulink中执行run即可实现Simulink和Modelsim同步运行、联合仿真。在Modelsim波形查看器中查看阀控FPGA程序相关信号，在Simulink中查看SVG系统电压电流及控制系统控制量，如在测试发现阀控程序有问题，修改阀控程序后，再次执行联合仿真，即可验证修改后的阀控FPGA程序。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种VSC阀控程序仿真测试方法，其特征在于，所述仿真测试方法包括：

S1、在预先建立的VSC电路模型基础上建立VSC换流器级控制系统和测量系统；

S2、搭建FPGA程序仿真工程；

S3、搭建VSC系统模型与FPGA程序仿真工程联合仿真用通信接口。

2.如权利要求1所述的仿真测试方法，其特征在于，所述步骤S1中VSC电路模型的建立包括用Simulink模型库工具，在Simulink中建立与实际装置相符合的VSC电路模型。

3.如权利要求2所述的仿真测试方法，其特征在于，所述VSC电路模型采用：静止同步补偿器STATCOM、静止无功发生器SVG、柔性直流输电VSC-HVDC或统一潮流控制器UPFC。

4.如权利要求1所述的仿真测试方法，其特征在于，所述步骤S1中，在Simulink中建立与VSC电路模型、VSC换流器级控制系统和VSC换流器级测量系统连接的阀控系统，实现Simulink闭环并完成VSC系统模型搭建有效性的测试。

5.如权利要求1所述的仿真测试方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述VSC换流器级控制系统包括直流电压控制外环和电流控制内环；

所述VSC换流器级控制系统的输入指令为自定义控制目标；

所述VSC换流器级控制系统的输出信号为调制波指令和锁相信号，且所述输出信号按照通信协议编码后传递至阀控系统。

6.如权利要求1所述的仿真测试方法，其特征在于，所述步骤S1中的所述测量系统用于采集所述VSC换流器级控制系统和阀控系统需要的模拟量信息；

所述模拟量信息经数据格式转化和通信编码后送往VSC换流器级控制系统和阀控系统。

7.如权利要求1中所述的仿真测试方法，其特征在于，所述步骤S2中FPGA程序仿真工程的搭建包括：

将阀控FPGA程序verilog源代码及ip核的.v文件加入到FPGA程序仿真工程中；

阀控FPGA程序中定义的输入输出信号与Simulink中HDL Cosimulation接口信号保持一致。

8.如权利要求1所述的仿真测试方法，其特征在于，所述步骤S3，在Simulink中用HDLCosimulation模块定义与Modelsim中FPGA程序仿真工程的通信接口；

在Modelsim中编写的阀控测试程序中定义输入输出信号与HDL Cosimulation接口信号一致；

由Simulink下发至Modelsim的通信量包括调制波指令、锁相信息、控制信息及阀组直流电压；

由Modelsim上传至Simulink的通信量包括阀组PWM信号及阀组故障状态。

9.如权利要求8所述的仿真测试方法，其特征在于，执行联合仿真包括：

(5-1)在Simulink中执行run，实现Simulink和Modelsim同步运行、联合仿真；

(5-2)查看Modelsim波形查看器中阀控FPGA程序相关信号，且查看Simulink中VSC系统电压电流及所述VSC换流器级控制系统的控制量，并调试FPGA阀控程序，重复执行联合仿真验证阀控FPGA程序。