CN108897908A - 一种含均压控制功能的mmc实时仿真建模方法 - Google Patents

一种含均压控制功能的mmc实时仿真建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电力系统仿真试验技术领域的一种含均压控制功能的MMC实时仿真建模方法。本发明根据MMC工作机理，建立桥臂的戴维南等值模型，同时将电容电压均衡控制模块集成在模型内部，采用并行方式的双调排序网络实现电容电压的快速排序，并基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)开发实现。本发明效果在于，避免了大量子模块运行信息和触发控制字的信道传输，模型集成度高，同时具备了较高的仿真精度，适用于构建大规模MMC实时仿真测试平台。

Description

一种含均压控制功能的MMC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，尤其涉及一种含均压控制功能的MMC实时仿真建模方法。
背景技术
采用全控型电力电子器件的电压源换流器型高压直流输电(voltage sourceconverter based HVDC,VSC-HVDC)技术相比于传统直流输电不存在换相失败问题，且能实现有功无功的独立解耦控制，适用于新能源接入电网以及向无源网络供电等场合。其中采用模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑结构的技术方案克服了两电平换流器对器件开关一致性的要求，且具备开关损耗低、输出波形谐波含量低，适用于高电压大功率场合等优势，得到了国内外的广泛研究和工程应用。
实际工程在投运之前均需要对控制和保护系统进行硬件在环(hardware in theloop,HIL)试验，以期在无破坏性的前提下模拟运行过程中的可能出现的各类工况，从而对控保系统进行全方面评估和验证。然而，HIL测试必须以合适的一次系统实时仿真模型为前提。为获得较高的电压等级和传输容量，实际工程中MMC单个桥臂通常包含上百个子模块，大量的电气节点和数据通讯给MMC实时仿真带来诸多困难，对MMC的等值模型、仿真工具的计算和通信能力提出了严苛的要求。
鉴于此，本发明针对模块化多电平换流器的运行特点，设计了一种含均压控制功能的模块化多电平换流器实时仿真模型，并基于具有并行的特性的现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)开发实现，旨在提供一种具有高电平仿真能力、高并行性、高集成度的仿真模型，满足大规模直流电网实时仿真的需求。
发明内容
针对背景技术中所提到的问题，本发明公开了一种含均压控制功能的模块化多电平换流器(MMC)实时仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：FPGA从实时数字仿真器接收模块化多电平换流站运行信息和一次系统配置信息，其中FPGA从实时数字仿真器接收的运行信息为：桥臂电流和待导通子模块个数，接收的一次系统配置信息为：子模块电容值；FPGA为现场可编程门阵列field programmablegate array；
步骤2：FPGA根据各子模块的触发控制信号建立单个子模块的等效电路，并根据步骤1中接收的桥臂电流和子模块电容值确定各子模块电容电压增量，完成电容电压更新；
步骤3：FPGA通过双调排序网络对子模块电容电压排序，得到电容电压从小到大的排序结果列表；
步骤4：FPGA根据步骤1中接收的桥臂电流、待导通子模块个数及步骤3中生成的排序结果列表，完成电容电压均衡控制，生成各个子模块的触发控制信号；
步骤5：FPGA根据电容电压和触发控制信号计算得到桥臂的等值电压，并将计算结果返回实时数字仿真器中，更新实时数字仿真器中受控电压源的电压，在本步骤中FPGA用于完成模块化多电平换流器桥臂的等值计算，并将每个桥臂等值为一个受控戴维南支路。
所述步骤1中，FPGA与实时数字仿真器间通过光纤建立通讯连接；所述桥臂电流的个数为6个，所述待导通子模块个数为6个。
所述步骤2中，在建立单个子模块的等效电路时，对子模块中包含的电力电子器件采用行为级建模方法，即器件导通时等值为阻值较小的电阻RON，器件关断时等值为阻值较大的电阻ROFF，通常情况下RON<<ROFF，因此可以近似认为ROFF为无穷大，则相应的当器件关断时对应支路可做开路处理。
所述步骤2中，在建立单个子模块的等效电路时，对子模块中电容采用绝对稳定的前进欧拉法进行离散化处理，则有：
VC(t+Δt)＝VC(t)+IC(t)RC (1)
其中，Δt为仿真步长，VC(t)和VC(t+Δt)分别为当前时刻和上一时刻的子模块电容电压，RC为子模块电容电阻，IC(t)为流过子模块电容电流，IARM(t)为桥臂电流，IC(t)RC为子模块电容电压增量。
所述步骤2中，完成电容电压更新的方式为：使用模块电容值确定各子模块电容电压增量，各子模块的具体确定方式为：
步骤201、设定关断电阻ROFF无穷大，再使用前进欧拉法对子模块电容电压离散化，得到单个子模块在投入或闭锁时IARM>0；
步骤202、单个子模块在旁路或闭锁时IARM<0时，戴维南等效电阻RSM_i和等效电压VSM_i如下
RSM_i＝RON (4)
步骤203、根据子模块触发控制信号和电容电压增量完成各子模块电容电压的更新。
所述步骤3中，双调排序网络为一种非适应性的并行排序算法，该并行排序算法将排序环节中的比较再交换环节并行执行，满足MMC实时仿真的需求。
所述步骤4中，电压均衡控制的具体实施方式分为两种情况，分别为：
当桥臂电流方向对子模块电容充电时，从电容电压较小的子模块开始选择；
当桥臂电流方向对子模块放电时，从电容电压较大的子模块开始选择；
在以上两种情况下，均根据待导通子模块个数选择相应数量的子模块投入，并将其余子模块旁路。
所述步骤4的具体过程为，根据步骤1的排序结果以及步骤3中的桥臂电流IARM方向和待导通子模块个数non完成电压均衡控制，产生各子模块的触发控制信号，并寄存起来；
所述步骤5中，FPGA根据电容电压和触发控制信号计算得到桥臂的等值电压只需对各模块化多电平换流器桥臂的戴维南等效电压VARM求解，求解使用以下公式：
其中，n等于模块化多电平换流器桥臂的子模块个数。
所述步骤5中，实时数字仿真器用于完成包含桥臂等值戴维南支路在内的其他交直流网络的求解。
本发明的特点在于，充分利用FPGA的并行特性，将均压模块集成在仿真模型内部，通过双调排序网络实现模块化多电平换流器的快速均压控制，避免了大量子模块运行信息和触发信号的外部传输；通过这种方式，可以在不具备阀控设备的情况下，仍获得各个子模块动态特性，实现高电平MMC的实时仿真。
附图说明
图1是本发明一种含均压控制功能的MMC实时仿真建模方法实施例中的双端401电平MMC系统的模型图；
图2(a)是本发明实施例中单个子模块电路图；
图2(b)是本发明实施例中单个子模块在投入或闭锁时IARM>0工作状态下等效电路图；
图2(c)是本发明实施例中单个子模块在旁路或闭锁时IARM<0工作状态下等效电路图；
图2(d)是本发明实施例中单个子模块在戴维南等效电路图；
图3是本发明实施例中双调排序网络原理示意图；
图4是本发明实施例中单个MMC桥臂等效电路的流程图；
图5是本发明实施例中单个MMC桥臂模型解算框架图；
图6是本发明实施例中稳态运行下的仿真结果对比波形图。
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。
本实例中实例采用一个双端401电平的MMC-HVDC系统来验证本发明所提出的建模方法；
如图1所示的步骤1：FPGA从实时数字仿真器接收模块化多电平换流站运行信息和一次系统配置信息，包括桥臂电流、待导通子模块个数、子模块电容值；FPGA与实时数字仿真器间通过光纤建立通讯连接，FPGA从实时数字仿真器接收的运行信息主要有：6个桥臂电流，6个桥臂待导通子模块个数；一次系统配置信息主要有：子模块电容值。
本实施例中，双端MMC系统均接入330kV等值电网，交流系统的等值电阻均为0.314Ω，等值电感1mH，桥臂电抗40mH，子模块电容C＝30mF。送端MMC1采用定有功功率和定无功功率控制，整定值为1000MW和0MVar；受端MMC2采用定直流电压和定无功功率控制，整定值为640kV和0MVar，MMC1与MMC2之间通过100km架空线连接。
本实例使用Xilinx公司ML605开发板，板上配有Virtex-6系列FPGA芯片，使用单块FPGA板卡完成一个MMC换流站的6个桥臂，共2400个子模块的实时仿真计算，换流站在RTDS实时数字仿真器上运行，仿真步长Δt＝2.5us。
步骤2：FPGA根据各子模块的触发控制信号建立单个子模块的等效电路，并根据步骤1中接收的桥臂电流和子模块电容值确定各子模块电容电压增量，完成电容电压更新。
在建立单个子模块的等效电路时，对子模块中包含的电力电子器件采用行为级建模方法，即器件导通时等值为阻值较小的电阻RON，器件关断时等值为阻值较大的电阻ROFF，通常情况下RON<<ROFF，因此可以近似认为ROFF为无穷大，则相应的当器件关断时对应支路可做开路处理。
在建立单个子模块的等效电路时，对子模块中电容采用绝对稳定的前进欧拉法(forward Euler,FE)进行离散化处理，则有：
VC(t+Δt)＝VC(t)+IC(t)RC (1)
其中，Δt为仿真步长，VC(t)和VC(t+Δt)分别为当前时刻和上一时刻的子模块电容电压，RC为子模块电容电阻，IC(t)为流过子模块电容电流，IARM(t)为桥臂电流，IC(t)RC为子模块电容电压增量。
在本实施例中，根据式(2)有RC＝8.33×10-5Ω。
在本实施例中，建立如图2(a)所示的单个子模块在不同工作状态下的等效电路。先设定关断电阻ROFF无穷大，再使用前进欧拉法对子模块电容电压离散化，可以得到单个子模块在投入或闭锁时IARM>0，旁路或闭锁时IARM<0时的等效电路分别如图2(b)、附图2(c)所示。采用图2(c)所示的统一形式，则可以得到单个子模块戴维南等效电阻RSM_i和等效电压VSM_i如式(4)和式(5)所示。并根据子模块触发控制信号和电容电压增量完成各子模块电容电压的更新。
RSM_i＝RON (4)
步骤3：FPGA通过双调排序网络对子模块电容电压排序，得到电容电压从小到大的排序结果列表。
双调排序网络为一种非适应性的并行排序算法，该并行排序算法将排序环节中的比较再交换环节并行执行，通过这种方式能够极大提高排序算法的执行速度，并适合于在具有并行硬件特性的FPGA开发实现，满足MMC实时仿真的需求。
本实施例中，将电容电压输入到双调排序网络进行排序，得到电容电压按大小排列的子模块编号列表。本实例中单个桥臂子模块个数n＝400，但这里以n＝8为例说明双调排序网络的原理。
如附图3所示，假设当前时刻8个子模块的电容电压分别为{5,7,4,6,8,3,1,2}。附图3中竖线相连的两个元素进行比较，并将数值较小的元素置于上方，灰色框内中包含的比较环节在同一时刻并行完成。经过6个周期的比较环节即可得到升序排列的结果，而这一过程采用串行排序算法如冒泡法，则需要28个时钟周期。双调排序网络自身的并行性，非常适合在FPGA中实现对数据的快速排序，实现对子模块电容电压的快速排序操作。
步骤4：FPGA根据步骤1中接收的桥臂电流、待导通子模块个数及步骤3中生成的排序结果列表，完成电容电压均衡控制，生成各个子模块的触发控制信号；
在本实施例中，根据排序结果、桥臂电流IARM方向、待导通子模块个数non完成电压均衡控制，产生各子模块的触发控制信号，并寄存起来，用于下一仿真步长内的MMC等值计算。
仍以步骤3中n＝8为例进行说明，假设此时桥臂电流IARM>0，即对子模块充电，待导通子模块个数是3，根据步骤3中排序结果，将电容电压最小的3个子模块，即第8，9，10个子模块投入，其余的子模块旁路。
步骤5：FPGA根据电容电压和触发控制信号计算得到桥臂的等值电压，并通过光纤将计算结果返回实时数字仿真器中，更新实时数字仿真器中受控电压源的电压，其中桥臂的等值电压通过各个子模块的等值电压累加得到，以此完成一个仿真步长内的等值计算；
FPGA用于完成模块化多电平换流器(MMC)桥臂的等值计算，且每个桥臂等值为一个受控戴维南支路；
实时数字仿真器用于完成包含桥臂等值戴维南支路在内的其他交直流网络的求解；
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VARM和等效电阻RARM，计算方法分别如式(6)和式(7)所示：
RARM＝nRON (6)
各子模块电容电压的更新计算仅与各自电容电压历史时刻值有关，因此可以独立并行求解。式(6)表明MMC单个桥臂的戴维南等效电阻RARM只取决于桥臂子模块个数n及开关器件的通态电阻RON，当系统给定的情况下为定值，因此整个桥臂的导纳阵恒定，从而避免求逆运算，提高计算速度，只需利用FPGA根据式(7)求解戴维南等效电压VARM。
如附图4所示的单个桥臂的戴维南等值模型，模型中引入理想开关器件TA，DA和TB，以实现闭锁状态与正常运行状态的切换，其中TB的导通信号为闭锁信号，TA的导通信号由闭锁信号取反得到。正常运行时，TA导通TB关断，电流通路为左侧支路。闭锁时，TB导通TA关断，当桥臂电流IARM>0时，电流通路为左侧支路；当桥臂电流IARM<0时，电流通路为右侧支路。
在本实施例中，FPGA通过光纤将6个桥臂的等值电压发送给RTDS，用于更新受控电压源的电压值，完成一个仿真步长内的等值计算。附图5所示为单个MMC桥臂模型在FPGA的整体解算框架。
如图6所示，为本实施例中RTDS自带的vsc_MMC_U5模型下换流站系统稳态运行时的仿真实验结果，图中自上至下依次是：A相上桥臂电流，A相上桥臂电压，直流出口电压。从图中可以看出，两种模型的仿真实验结果几乎完全重合，所提模型具有较高的仿真精度。

Claims (10)

1.一种含均压控制功能的MMC实时仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：FPGA从实时数字仿真器接收模块化多电平换流站运行信息和一次系统配置信息，其中FPGA从实时数字仿真器接收的运行信息为：桥臂电流和待导通子模块个数，接收的一次系统配置信息为：子模块电容值；FPGA为现场可编程门阵列field programmable gatearray；
步骤2：FPGA根据各子模块的触发控制信号建立单个子模块的等效电路，并根据步骤1中接收的桥臂电流和子模块电容值确定各子模块电容电压增量，完成电容电压更新；
步骤3：FPGA通过双调排序网络对子模块电容电压排序，得到电容电压从小到大的排序结果列表；
步骤4：FPGA根据步骤1中接收的桥臂电流、待导通子模块个数及步骤3中生成的排序结果列表，完成电容电压均衡控制，生成各个子模块的触发控制信号；
步骤5：FPGA根据电容电压和触发控制信号计算得到桥臂的等值电压，并将计算结果返回实时数字仿真器中，完成一个仿真步长内的等值计算，并更新实时数字仿真器中受控电压源的电压；在本步骤中FPGA用于完成模块化多电平换流器桥臂电压的等值计算，并将每个桥臂等值为实时数字仿真器中的一个受控戴维南支路，戴维南支路的电压由FPGA计算更新；戴维南支路的电阻为固定值。
2.根据权利要求1所述的一种含均压控制功能的MMC实时仿真建模方法，其特征在于，所述步骤1中，FPGA与实时数字仿真器间通过光纤建立通讯连接；所述桥臂电流的个数为6个，所述待导通子模块个数为6个。
3.根据权利要求1所述的一种含均压控制功能的MMC实时仿真建模方法，其特征在于，所述步骤2中，在建立单个子模块的等效电路时，对子模块中包含的电力电子器件采用行为级建模方法，即器件导通时等值为阻值较小的电阻RON，器件关断时等值为阻值较大的电阻ROFF，通常情况下RON<<ROFF，因此可以近似认为ROFF为无穷大，则相应的当器件关断时对应支路可做开路处理。
4.根据权利要求1所述的一种含均压控制功能的MMC实时仿真建模方法，其特征在于，所述步骤2中，在建立单个子模块的等效电路时，对子模块中电容采用绝对稳定的前进欧拉法进行离散化处理，则有：
VC(t+Δt)＝VC(t)+IC(t)RC (1)
其中，Δt为仿真步长，VC(t)和VC(t+Δt)分别为当前时刻和上一时刻的子模块电容电压，RC为子模块电容电阻，IC(t)为流过子模块电容电流，IARM(t)为桥臂电流，IC(t)RC为子模块电容电压增量。
5.根据权利要求1所述的一种含均压控制功能的MMC实时仿真建模方法，其特征在于，所述步骤2中，完成电容电压更新的方式为：使用模块电容值确定各子模块电容电压增量，各子模块的具体确定方式为：
步骤201、设定关断电阻ROFF无穷大，再使用前进欧拉法对子模块电容电压离散化，得到单个子模块在投入或闭锁时IARM>0；
步骤202、单个子模块在旁路或闭锁时IARM<0时，戴维南等效电阻RSM_i和等效电压VSM_i如下：
RSM_i＝RON (4)
步骤203、根据子模块触发控制信号和电容电压增量完成各子模块电容电压的更新。
6.根据权利要求1所述的一种含均压控制功能的MMC实时仿真建模方法，其特征在于，所述步骤3中，双调排序网络为一种非适应性的并行排序算法，该并行排序算法将排序环节中的比较再交换环节并行执行，满足MMC实时仿真的需求。
7.根据权利要求1所述的一种含均压控制功能的MMC实时仿真建模方法，其特征在于，所述步骤4中，电压均衡控制的具体实施方式分为两种情况，分别为：
当桥臂电流方向对子模块电容充电时，从电容电压较小的子模块开始选择；
当桥臂电流方向对子模块放电时，从电容电压较大的子模块开始选择；
在以上两种情况下，均根据待导通子模块个数选择相应数量的子模块投入，并将其余子模块旁路。
8.根据权利要求1所述的一种含均压控制功能的MMC实时仿真建模方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为，根据步骤1的排序结果以及步骤3中的桥臂电流IARM方向和待导通子模块个数non完成电压均衡控制，产生各子模块的触发控制信号，并寄存。
9.根据权利要求1所述的一种含均压控制功能的MMC实时仿真建模方法，其特征在于，所述步骤5中，FPGA根据电容电压和触发控制信号计算得到桥臂的等值电压只需对各模块化多电平换流器桥臂的戴维南等效电压VARM求解，求解使用以下公式：
所述戴维南等效电阻为实时数字仿真器中的固定值电阻，求解使用以下公式
RARM＝nRON (6)
其中，n等于模块化多电平换流器桥臂的子模块个数。
10.根据权利要求1所述的一种含均压控制功能的MMC实时仿真建模方法，其特征在于，所述步骤5中，实时数字仿真器用于完成包含桥臂等值戴维南支路在内的其他交直流网络的求解。
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