CN110687824B - 链式多电平换流器系统闭环实时仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种链式多电平换流器系统闭环实时仿真系统，包括STATCOM控制单元和仿真装置，仿真装置包括模型搭建单元和第一主处理器单元，模型搭建单元搭建STATCOM系统模型，模型搭建单元与第一主处理器单元通信，第一主处理器单元与STATCOM控制单元通信，仿真装置还包括与第一主处理器单元通信的协作处理器单元，协作处理器单元与STATCOM控制单元通信；其中，协作处理器单元运算处理STATCOM系统模型中的功率阀组模型子模块，第一主处理器单元运算处理STATCOM系统模型的其余部分。同时公开了相应的方法。本发明可以实现高电压等级链式STATCOM系统闭环实时仿真。

Description

链式多电平换流器系统闭环实时仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于STATCOM（静止无功发生器）的链式多电平换流器系统闭环实时仿真系统及方法，属于电力系统电磁暂态实时仿真技术领域。

背景技术

RTDS是目前应用较为广泛的电力系统电磁暂态实时仿真系统，具有仿真精度高、实时性强、参数修改方便、数字建模简单等特点。RTDS系统包括基于数字信号处理器的DSP处理器板卡柜（RACK）、上层工作站、RSCAD建模软件、GTAO\GTDI\GTDO等各种开入开出接口硬件板卡构成。仿真模型的搭建工作在RSCAD建模软件中完成，RACK通过以太网与上层工作站相连，并完成数字模型的运算处理及信号输出，实现闭环实时仿真。

高压大容量链式STATCOM系统采用全桥功率子模块级联的链式多电平拓扑结构，主接线及功率子模块回路如附图1所示，根据接入交流系统电压水平，STATCOM功率阀组每相桥臂级联的功率子模块个数最多可达几十个，包含大量高频变化的电力电子开关器件。

目前已有的链式STATCOM闭环实时仿真方案为基于RTDS DSP处理器板卡的小步长分相封装建模方案，由于RTDS DSP处理器板卡对数据采用串行处理，计算耗时随着仿真规模的增大而增加，且基于DSP处理器板卡的实时仿真方案数据通信能力有限，难以实现大量功率子模块电容信息和触发脉冲的实时交互，因此上述已有方案仅可以满足10kV及以下电压等级直挂链式STATCOM系统的实时仿真需求，无法实现更高电压等级链式STATCOM系统闭环实时仿真。

发明内容

本发明提供了一种链式多电平换流器系统闭环实时仿真系统及方法，解决了已有方案无法实现更高电压等级链式STATCOM系统闭环实时仿真的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

链式多电平换流器系统闭环实时仿真系统，包括STATCOM控制单元和仿真装置，仿真装置包括模型搭建单元和第一主处理器单元，模型搭建单元搭建STATCOM系统模型，模型搭建单元与第一主处理器单元通信，第一主处理器单元与STATCOM控制单元通信，仿真装置还包括与第一主处理器单元通信的协作处理器单元，协作处理器单元与STATCOM控制单元通信；其中，协作处理器单元运算处理STATCOM系统模型中的功率阀组模型子模块，第一主处理器单元运算处理STATCOM系统模型的其余部分。

STATCOM控制单元包括相互通信的第二主处理器单元和阀控制器单元，第二主处理器单元与第一主处理器单元通信，阀控制器单元与协作处理器单元通信。

第二主处理器单元接收第一主处理器单元运算获得的STATCOM接入交流实时数据和开关位置状态，根据STATCOM接入交流实时数据和开关位置状态生成开关遥控信号，将开关遥控信号发送给第一主处理器单元；

第二主处理器单元接收阀控制器单元获得的功率阀组模型子模块实时数据，根据功率阀组模型子模块实时数据生成调制信号，将调制信号发送给阀控制器单元。

第二主处理器单元通过功率放大器接收第一主处理器单元运算获得的STATCOM接入交流实时数据。

阀控制器单元接收协作处理器单元运算获得的功率阀组模型子模块实时数据，将功率阀组模型子模块实时数据上传给第二主处理器单元，接收第二主处理器单元发出的调制信号，生成功率阀组模型子模块触发脉冲信号，将功率阀组模型子模块触发脉冲信号发送给协作处理器单元。

STATCOM系统模型的STATCOM接入交流系统模型在模型搭建单元的大步长模块中搭建，STATCOM系统模型的STATCOM主回路模型在模型搭建单元的小步长模块中搭建。

协作处理器单元进行功率阀组模型子模块等值计算和仿真算法处理，将等值计算处理获得的各相桥臂等值电压和等值电阻发送给第一主处理器单元，将仿真算法处理获得的功率阀组模型子模块电容电压发送给STATCOM控制单元。

协作处理器单元将同相桥臂的功率阀组模型子模块分组，组内功率阀组模型子模块采用流水线架构处理，组与组之间同步并行运算处理。

协作处理器单元仿真步长与第一主处理器单元同步。

链式多电平换流器系统闭环实时仿真系统的方法，包括，

模型搭建单元搭建STATCOM系统模型；

模型搭建单元对STATCOM系统模型进行编译后发送至第一主处理器单元；

第一主处理器单元运算处理STATCOM系统模型除功率阀组模型子模块外的其余部分，将获得的STATCOM接入交流实时数据和开关位置状态发送给STATCOM控制单元，并接收STATCOM控制单元发送的开关遥控信号；

协作处理器单元运算处理STATCOM系统模型中的功率阀组模型子模块，将获得的功率阀组模型子模块实时数据发送给STATCOM控制单元，并接收STATCOM控制单元发送的功率阀组模型子模块触发脉冲信号。

本发明所达到的有益效果：本发明将STATCOM系统模型运算处理分成两部分，功率阀组模型子模块在协作处理器单元运算处理，剩余部分在第一主处理器单元，可实现高电压等级链式STATCOM系统闭环实时仿真，同时还解决了现有方案占用仿真系统硬件资源过多、仿真系统接线繁杂、仿真建模工作效率低、难以扩展至包含多套STATCOM系统的闭环实时仿真系统等问题与不足。

附图说明

图1为现有链式多电平STATCOM系统的结构图；

图2为本发明系统的结构图；

图3为仿真模型；

图4为数据包传输协议；

图5为脉冲控制字传输协议；

图6为交流通道波形；其中，从上往下依次为母线电压、侧交流电压、主回路电流、有功功率和无功功率波形，VNA351、VNB351和VNC351分别为35kV母线A、B和C相电压，VINPLG11、VINPLG12和VINPLG13分别为STATCOM侧A、B和C相交流电压，I35SVGA1、 I35SVGB1和 I35SVGC1分别为STATCOM主回路A、B和C相电流，PSVG1和PSVG1_LP分别为STATCOM有功功率和滤波后的有功功率，QSVG1和QSVG1_LP分别为STATCOM无功功率和滤波后的无功功率；

图7为功率子模块直流电压波形；其中，从上往下依次为A相42级功率子模块最大、最小、指定单元直流电压、B相42级功率子模块最大、最小、指定单元直流电压、C相42级功率子模块最大、最小、指定单元直流电压， MXKVLG11、MXKVLG12和MXKVLG13分别为A、B和C相42级功率子模块最大直流电压，MNKVLG11、 MNKVLG12和 MNKVLG13分别为A、B和C相42级功率子模块最小直流电压，VC1LG11、VC1LG12和VC1LG13分别为A、B和C相指定功率子模块直流电压；

图8为主回路电流有功分量；其中，isvg_ln_d -样机动模试验波形，isvg_ln_d_rtds - RTDS仿真试验波形；

图9为主回路电流无功分量；其中，isvg_ln_q -样机动模试验波形；2. isvg_ln_q_rtds - RTDS仿真试验波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图2所示，链式多电平换流器系统闭环实时仿真系统，包括STATCOM控制单元和仿真装置。

仿真装置为RTDS，该RTDS在现有的结构上增加了协作处理器单元，即该RTDS包括模型搭建单元、第一主处理器单元和协作处理器单元、开入开出接口板卡。其中，模型搭建单元为上层工作站，内部安装有仿真软件，第一主处理器单元为采用最新的Novacor处理器，安装在Novacor处理器机柜内，协作处理器单元为GTFPGA，开入开出接口板卡为GTDI\GTAO\GTDO。

STATCOM控制单元安装在STATCOM控制柜内，包括相互通信的第二主处理器单元和阀控制器单元，第二主处理器单元为MCU，阀控制器单元为VCU。

上层工作站与Novacor处理器通信连接，GTAO接口板卡通过功率放大器连接MCU，GTDI /GTDO接口板卡直接连接 MCU，VCU通过光纤与GTFPGA通信，GTFPGA与Novacor处理器光纤接口连接。

Novacor处理器运算获得的STATCOM接入交流实时数据和开关位置状态，其中，STATCOM接入交流实时数据通过GTAO接口板卡传输至MCU，开关位置状态通过GTDO接口板卡传输至MCU，MCU根据STATCOM接入交流实时数据和开关位置状态生成开关遥控信号，将开关遥控信号通过GTDI接口板卡发送给第一主处理器单元。

GTFPGA运算获得功率阀组模型子模块实时数据，VCU接收并将功率阀组模型子模块实时数据上传给MCU，MCU根据功率阀组模型子模块实时数据生成调制信号，将调制信号发送给VCU，VCU接收MCU发出的调制信号，生成功率阀组模型子模块触发脉冲信号，将功率阀组模型子模块触发脉冲信号发送给GTFPGA。

上层工作站用以搭建STATCOM系统模型，STATCOM系统模型是现有公知的结构，包括STATCOM接入交流系统模型、STATCOM主回路模型和大小步长接口变压器模型，其中STATCOM主回路模型包括功率阀组模型，功率阀组模型由子模块（即每相桥臂级联的功率子模块）组成，上述系统的上层工作站在搭建时，STATCOM接入交流系统模型在模型搭建单元的大步长模块中搭建，STATCOM主回路模型和大小步长接口变压器模型在模型搭建单元的小步长模块中搭建，大步长模块中仿真计算步长采用50us，小步长模块中仿真计算步长采用2.5us。

STATCOM主回路模型的功率阀组模型采用戴维南等效全桥功率子模块模型GMMAX6VLV，一个GMMAX6VLV元件最多可包含6个全桥或者半桥链式拓扑结构桥臂，每个桥臂最多可包含96个功率阀组模型子模块，STATCOM主回路模型还包括充电电阻、串联电感等。

STATCOM系统模型的运算处理工作分成两部分进行，GTFPGA运算处理STATCOM系统模型中的功率阀组模型子模块，Novacor处理器运算处理STATCOM系统模型的其余部分，这部分主要为交流系统及上层控制系统。

GMMAX6VLV中提供STATCOM主回路电气参数的设置，包括功率阀组模型子模块个数、功率阀组模型子模块电容值、功率阀组模型子模块额定放电时间常数、功率阀组模型子模块功率器件损耗参数等，Novacor处理器将电气参数通过光纤传递至GTFPGA，由GTFPGA进行各个功率阀组模型子模块状态计算处理，并将每个仿真步长的计算结果上传至Novacor处理器。

如图3所示为STATCOM系统模型算例，STATCOM接入交流系统模型采用大步长模块，可根据STATCOM接入实际交流系统主接线和参数建模，STATCOM主回路模型采用小步长模块，由于采用GTFPGA，功率阀组模型子模块脉冲处理和直流电压计算均由GTFPGA处理，因此占用Novacor处理器资源少，无需采用小步长分相分装模型，可以在一个小步长模块中进行运算，由此提高仿真模型的运行效率。

GTFPGA硬件单元由一块Xilinx公司Virtex-7 FPGA VC707开发板和两块包含8个光纤接口子卡（FM-S18）组成，最多可提供16路双向光纤通道，用于与外部相连，并通过国际通用的Aurora通信协议，实现与外部的数据交互。FPGA （fieldprogrammable gate array，现场可编程门阵列）作为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高速 IO 口，可实现高度并行的数值计算和快速的数据通讯。Aurora协议是由Xilinx公司提供的一个开放、免费的链路层协议，可以用来进行点到点的串行数据传输，具有实现高性能数据传输系统的高效率和简单易用的特点。

GTFPGA 通过全双工光纤与VCU连接，传输速率为 2Gbit/s，每个光纤口最多可处理256个功率阀组模型子模块信息。

GTFPGA从Novacor处理器中获得功率阀组一次系统的配置信息和三相桥臂电流等仿真计算结果，从VCU接收功率阀组各个IGBT开关的触发脉冲信号及其它用户自定义的控制保护信号，在GTFPGA中完成等值计算和仿真算法处理后，将等值计算处理获得的各相桥臂等值电压和等值电阻发送给Novacor处理器，用以更新功率阀组戴维南等效电路模型状态，GTFPGA将仿真算法处理获得的功率阀组模型子模块电容电压发送给VCU，用于STATCOM控制单元实现电容电压排序和环流抑制等计算和控制保护策略。GTFPGA 每个仿真步长从Novacor处理器获取三相桥臂电流等数据并展开等值计算，从而使得仿真步长与Novacor处理器保持同步。为发挥GTFPGA的硬件特性并提高计算效率，GTFPGA将同一桥臂的功率阀组模型子模块分组，组内功率阀组模型子模块采用流水线架构处理，组与组之间同步并行运算处理，达到实时仿真的要求。

GTFPGA与STATCOM控制单元传输协议定义如下（STATCOM每相功率阀组模型子模块个数以42个为例，子模块为采用全桥拓扑结构）。

1）功率阀组模型子模块直流电压等实时数据传输协议：

数据包由三部分组成，三包数据PacketA、PactetB、PacketC报文依次串行传输，每包数据的传输协议如图4所示。

2）功率阀组模型子模块脉冲控制字传输协议：

如附图5所示，每个子模块脉冲控制字为8位子长，定义如下：

Bit0~bit3：分别为附图1子模块中全控开关器件T1~T4的触发信号，设置1为导通，设置0为关断；

Bit4~Bit7：备用。

上述仿真系统的方法，包括：

1）模型搭建单元搭建STATCOM系统模型；

2）模型搭建单元对STATCOM系统模型进行编译后发送至第一主处理器单元；

3）第一主处理器单元运算处理STATCOM系统模型除功率阀组模型子模块外的其余部分，将获得的STATCOM接入交流实时数据和开关位置状态发送给STATCOM控制单元，并接收STATCOM控制单元发送的开关遥控信号；

4）第一主处理器单元将STATCOM功率阀组模型配置参数信息、通过运算处理获得的三相桥臂电流等实时信息发送至协作处理器单元，第一处理器单元接收协作处理器单元运算获得的STATCOM功率阀臂等效电压和等效电阻，更新功率阀组模型状态；

5）协作处理器单元运算处理STATCOM系统模型中的功率阀组模型子模块，将获得的功率阀组模型子模块实时数据发送给STATCOM控制单元，并接收STATCOM控制单元发送的功率阀组模型子模块触发脉冲信号。

根据某风电场35kV升压站动态无功补偿系统主接线及配置方案，搭建了包含126个全桥功率子模块的35kV 11Mvar链式STATCOM系统RTDS闭环实时仿真系统，基于此仿真试验系统完成了STATCOM工程投运前设计方案及主控系统性能的仿真试验与验证。

附图6和7为STATCOM系统输出额定无功感性容量11Mvar时，RTDS系统输出的仿真试验波形，从上述试验可以看出，搭建的系统可以实现高电压等级链式STATCOM系统闭环实时仿真。

根据10kV 42级1.4Mvar链式STATCOM实际样机动模试验系统主接线和电气参数，搭建了链式STATCOM实时闭环仿真系统。

附图8和9是STATCOM在采用相同控制模式和控制参数情况下进行无功功率阶跃试验时，STATCOM主回路电流仿真系统动态输出特性和样机动模试验输出特性对比图，由图可见两者输出特性基本一致，由此验证了搭建的系统的正确性和有效性。

综上，本发明可以实现高电压等级链式STATCOM系统闭环实时仿真，并且仿真准确有效。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.链式多电平换流器系统闭环实时仿真系统，包括STATCOM控制单元和仿真装置，仿真装置包括模型搭建单元和第一主处理器单元，模型搭建单元搭建STATCOM系统模型，模型搭建单元与第一主处理器单元通信，第一主处理器单元与STATCOM控制单元通信，其特征在于：仿真装置还包括与第一主处理器单元通信的协作处理器单元，协作处理器单元与STATCOM控制单元通信；其中，协作处理器单元运算处理STATCOM系统模型中的功率阀组模型子模块，第一主处理器单元运算处理STATCOM系统模型的其余部分；其中STATCOM主回路模型的功率阀组模型采用戴维南等效全桥功率子模块模型；

STATCOM控制单元包括相互通信的第二主处理器单元和阀控制器单元，第二主处理器单元与第一主处理器单元通信，阀控制器单元与协作处理器单元通信；

第二主处理器单元接收第一主处理器单元运算获得的STATCOM接入交流实时数据和开关位置状态，根据STATCOM接入交流实时数据和开关位置状态生成开关遥控信号，将开关遥控信号发送给第一主处理器单元；

第二主处理器单元接收阀控制器单元获得的功率阀组模型子模块实时数据，根据功率阀组模型子模块实时数据生成调制信号，将调制信号发送给阀控制器单元；

第二主处理器单元通过功率放大器接收第一主处理器单元运算获得的STATCOM接入交流实时数据；

阀控制器单元接收协作处理器单元运算获得的功率阀组模型子模块实时数据，将功率阀组模型子模块实时数据上传给第二主处理器单元，接收第二主处理器单元发出的调制信号，生成功率阀组模型子模块触发脉冲信号，将功率阀组模型子模块触发脉冲信号发送给协作处理器单元；

协作处理器单元进行功率阀组模型子模块等值计算和仿真算法处理，将等值计算处理获得的各相桥臂等值电压和等值电阻发送给第一主处理器单元，将仿真算法处理获得的功率阀组模型子模块电容电压发送给STATCOM控制单元

协作处理器单元将同相桥臂的功率阀组模型子模块分组，组内功率阀组模型子模块采用流水线架构处理，组与组之间同步并行运算处理。

2.根据权利要求1所述的链式多电平换流器系统闭环实时仿真系统，其特征在于：STATCOM系统模型的STATCOM接入交流系统模型在模型搭建单元的大步长模块中搭建，STATCOM系统模型的STATCOM主回路模型在模型搭建单元的小步长模块中搭建。

3.根据权利要求1所述的链式多电平换流器系统闭环实时仿真系统，其特征在于：协作处理器单元仿真步长与第一主处理器单元同步。

4.基于权利要求1所述的链式多电平换流器系统闭环实时仿真系统的方法，其特征在于：包括，

模型搭建单元搭建STATCOM系统模型；

模型搭建单元对STATCOM系统模型进行编译后发送至第一主处理器单元；

第一主处理器单元运算处理STATCOM系统模型除功率阀组模型子模块外的其余部分，将获得的STATCOM接入交流实时数据和开关位置状态发送给STATCOM控制单元，并接收STATCOM控制单元发送的开关遥控信号；

协作处理器单元运算处理STATCOM系统模型中的功率阀组模型子模块，将获得的功率阀组模型子模块实时数据发送给STATCOM控制单元，并接收STATCOM控制单元发送的功率阀组模型子模块触发脉冲信号。