CN204679769U - 一种联合rtds和rt-lab的mmc仿真系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统，包括：RTDS仿真器和RT-LAB仿真器；RTDS仿真器用于模拟MMC主电路；RTDS仿真器包括MMC阀仿真器(1)和除MMC阀以外的交直流仿真器(2)；RT-LAB仿真器用于模拟MMC系统级控制器、站级控制器和阀级控制器；RT-LAB仿真器包括站级控制器仿真器(3)、阀级控制器仿真器(4)和系统级控制器仿真器(5)。以上技术方案有效联合了RTDS和RT-LAB仿真系统，能够适用于不同MMC拓扑结构的控制器设计、不同系统场景下控制器的改进设计和参数整定，进而有利于研究人员对MMC相关工作的展开。

Description

一种联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统实时仿真技术领域，特别是涉及一种联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统。

背景技术

模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)具有交流输出电压谐波畸变率低，模块化结构易于封装，开关器件承受的电气应力小，开关损耗低等优点。自2002年提出后，经过十余年的发展，已为业界广泛承认。为实现高电压输电特性，MMC每个桥臂通常都串联有几百个子模块，每个子模块内包含有多个电力电子器件(IGBT和二极管)。对于计算机仿真而言，大量电力电子器件的引入将大大降低计算的速度，同时也降低了科学研究的效率。

为此，由加拿大曼尼托巴RTDS公司开发制造的RTDS电力系统实时仿真系统能够有效实现MMC的实时仿真模拟，能够满足基本的演示和研究要求。但是，RTDS提供的控制程序是基于FPGA开发，对研发人员完全封闭，无法满足MMC在多种运行工况及子模块拓扑结构改变情况下的自适应应用，阻碍了研究人员对MMC类柔性直流输电的进一步研究和试验。

此外，加拿大Opal-RT技术公司开发的RT-LAB电力系统实时仿真系统在MMC柔性直流输电中也表现出了突出的性能。RT-LAB基于Matlab中专业的电力建模工具SimPowerSystems，结合PC多核分布式并行运算技术和FPGA高速数字信号处理技术，是业界唯一具备将SimPowerSystems电力模型建成实时系统能力的仿真系统。Opal-RT针对MMC柔性直流项目的需要，开发了基于FPGA的高精度纳秒级仿真器，最小步长可达250ns。RT-LAB公司所提供的相关仿真模型对研发人员开放，能极大方便研究人员对相关工作的开展。

但是，无论是RTDS电力系统实时仿真系统，还是RT-LAB电力系统实时仿真系统，它们都没法同时适用于不同MMC拓扑结构的控制器设计、不同系统场景下控制器的改进设计和参数整定，阻碍了研究人员对MMC相关工作的展开。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统，以适用于不同MMC拓扑结构的控制器设计、不同系统场景下控制器的改进设计和参数整定，进而有利于研究人员对MMC相关工作的展开。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统，包括：

模拟MMC主电路的RTDS仿真器；

模拟MMC系统级控制器、站级控制器和阀级控制器的RT-LAB仿真器；

所述RTDS仿真器包括MMC阀仿真器和除所述MMC阀以外的交直流仿真器；所述RT-LAB仿真器包括站级控制器仿真器、阀级控制器仿真器和系统级控制器仿真器；

其中，

所述MMC阀仿真器接收所述除MMC阀以外的交直流仿真器输出的阀组参数、所述阀级控制器仿真器传输的子模块触发脉冲，并向所述除MMC阀以外的交直流仿真器输出阀组状态信号、向所述阀级控制器仿真器传输子模块电容电压、桥臂电流和子模块故障信号；

所述除MMC阀以外的交直流仿真器接收所述MMC阀仿真器传输的阀组状态信号，并向所述MMC阀仿真器输出阀组参数、向所述站级控制器仿真器输出交/直流电压信号和交/直流电流信号；

所述站级控制器仿真器接收所述除MMC阀以外的交直流仿真器输出的交/直流电压信号和交/直流电流信号、所述阀级控制器仿真器输出的子模块状态信号、所述系统级控制器仿真器传输的功率电压指令，并向所述阀级控制器仿真器输出交流电压调制信号、向所述系统级控制器仿真器输出换流站状态信号；

所述阀级控制器仿真器接收所述站级控制器仿真器输出的交流电压调制信号、所述MMC阀仿真器传输的子模块电容电压、桥臂电流和子模块故障信号，并向所述站级控制器仿真器输出子模块状态信号、向所述MMC阀仿真器传输子模块触发脉冲；

所述系统级控制器仿真器接收所述站级控制器仿真器传输的换流站状态信号，并向其传输功率电压指令。

上述仿真系统中，可选的，还包括：

设置于所述除MMC阀以外的交直流仿真器和所述站级控制器仿真器之间的数模转换接口。

上述仿真系统中，可选的，

所述MMC阀仿真器为RTDS FPGA处理器；

所述除MMC阀以外的交直流仿真器为RTDS PB5处理器；

所述站级控制器仿真器为RT-LAB OP5600处理器；

所述阀级控制器仿真器为RT-LAB OP7020处理器；

所述系统级控制器仿真器为MMC监控器。

上述仿真系统中，可选的，所述MMC阀仿真器为三相六桥臂结构的仿真器，其中，每个桥臂均由至少一个半桥子模块和一个电抗器串联形成。

上述仿真系统中，可选的，所述MMC阀仿真器与所述阀级控制器仿真器之间通过AURORA协议进行数据通信。

上述仿真系统中，可选的，所述站级控制器仿真器和所述系统级控制器仿真器之间通过TCP/IP协议进行数据通信。

上述仿真系统中，可选的，所述MMC阀仿真器与所述阀级控制器仿真器之间利用光纤进行数据通信。

上述仿真系统中，可选的，所述站级控制器仿真器和所述系统级控制器仿真器之间利用网线进行数据通信。

以上本实用新型提供的联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统中，利用RTDS仿真器模拟MMC主电路；其中，RTDS仿真器包括MMC阀仿真器和除MMC阀以外的交直流仿真器；利用RT-LAB仿真器模拟MMC系统级控制器、站级控制器和阀级控制器；其中，RT-LAB仿真器包括站级控制器仿真器、阀级控制器仿真器和系统级控制器仿真器；实际应用中，通过上述各仿真器之间进行常规的数据交互完成对MMC的仿真。以上技术方案有效联合了RTDS和RT-LAB仿真系统，能够适用于不同MMC拓扑结构的控制器设计、不同系统场景下控制器的改进设计和参数整定，进而有利于研究人员对MMC相关工作的展开。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统的结构框图示意图；

图2为本实用新型实施例基于图1的另一种联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统的结构框图示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种MMC阀仿真器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的核心是提供一种联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统，以适用于不同MMC拓扑结构的控制器设计、不同系统场景下控制器的改进设计和参数整定，进而有利于研究人员对MMC相关工作的展开。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

参考图1，示出了本实用新型实施例提供的一种联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统的结构框图示意图，该MMC仿真系统具体可以包括如下内容：

模拟MMC主电路的RTDS仿真器；

模拟MMC系统级控制器、站级控制器和阀级控制器的RT-LAB仿真器；

RTDS仿真器包括MMC阀仿真器1和除MMC阀以外的交直流仿真器2；RT-LAB仿真器包括站级控制器仿真器3、阀级控制器仿真器4和系统级控制器仿真器5；

其中，在实际应用中，各仿真模块进行如下数据交互，以完成对MMC的仿真：

MMC阀仿真器1接收除MMC阀以外的交直流仿真器2输出的阀组参数、阀级控制器仿真器4传输的子模块触发脉冲，并向除MMC阀以外的交直流仿真器2输出阀组状态信号、向阀级控制器仿真器4传输子模块电容电压、桥臂电流和子模块故障信号；

具体地，子模块触发脉冲为直接控制子模块内电力电子器件开断的信号；

具体地，阀组参数用来对MMC阀仿真器1的仿真运算提供每个步长的对应的参数，系统经除MMC阀以外的交直流仿真器2的仿真计算获得阀组参数，MMC阀仿真器1根据接收到的阀组参数计算得到内部各状态量，并将部分状态信号(即阀组状态信号)输出至除MMC阀以外的交直流仿真器2，其中，阀组状态信号包括每个阀组真实仿真情况下的运行状态。

除MMC阀以外的交直流仿真器2接收MMC阀仿真器1传输的阀组状态信号，并向MMC阀仿真器1输出阀组参数、向站级控制器仿真器3输出交/直流电压信号和交/直流电流信号；

站级控制器仿真器3接收除MMC阀以外的交直流仿真器2输出的交/直流电压信号和交/直流电流信号、阀级控制器仿真器4输出的子模块状态信号、系统级控制器仿真器5传输的功率电压指令，并向阀级控制器仿真器4输出交流电压调制信号、向系统级控制器仿真器5输出换流站状态信号；

在实际应用中，MMC站级控制器仿真器3采用内外环控制策略。外环控制器配备有定有功功率控制、定无功功率控制、定直流电压控制和定交流电压控制，根据系统实际运行需求，选择使用。内环控制器采用电流解耦控制策略，输出交流电压调制信号；

具体地，换流站状态信号指的是换流站内MMC等相关器件的运行状态，输送至系统级控制器仿真器5后，可以通过波形等形式直接观察。功率电压指令由系统级控制器仿真器5根据交直流系统实际需求计算得到，是整个MMC换流器控制的基本指令。

具体地，交流电压调制信号为控制器根据系统的控制要求计算得到的MMC需要输出的交流电压参考信号；子模块状态信号包括子模块故障信号、流经子模块的桥臂电流信号，采集自主电路。交流电压参考信号的生成需要子模块状态的反馈输入，同时，交流电压参考信号的变化决定着子模块状态的相应改变。

阀级控制器仿真器4接收站级控制器仿真器3输出的交流电压调制信号、MMC阀仿真器1传输的子模块电容电压、桥臂电流和子模块故障信号，并向站级控制器仿真器3输出子模块状态信号、向MMC阀仿真器1传输子模块触发脉冲；

在实际应用中，MMC阀级控制器仿真器4首先对接收到的交流电压调制信号进行最近电平逼近调制处理，获得控制周期内每个桥臂需要触发的子模块个数，然后通过快速排序算法对每个桥臂内的所有子模块进行从小到大的排序，根据桥臂电流的方向以及子模块电容的充放电特性，对桥臂内的子模块进行选择性触发，从而得到每个子模块的触发脉冲。

系统级控制器仿真器5接收站级控制器仿真器3传输的换流站状态信号，并向其传输功率电压指令；

在实际应用中，MMC系统级控制器仿真器5根据整个交直流系统的运行情况，给出相应的功率和电压指令，以快速调节MMC在交直流侧的运行特性，从而满足整个仿真系统的运行要求。另一方面，其还配备有波形数据观测器，能够实时观测仿真系统的响应情况。

本实用新型中，优选地，还包括：设置于除MMC阀以外的交直流仿真器2和站级控制器仿真器3之间的数模转换接口6。

综上，以上技术方案有效联合了RTDS和RT-LAB仿真系统，能够适用于不同MMC拓扑结构的控制器设计、不同系统场景下控制器的改进设计和参数整定，进而有利于研究人员对MMC相关工作的展开。

参考图2，示出了本实用新型实施例基于图1的另一种联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统的结构框图示意图，在实际应用中，分别利用以下处理器进行仿真：

所述MMC阀仿真器1为RTDS FPGA处理器；

所述除MMC阀以外的交直流仿真器2为RTDS PB5处理器；

所述站级控制器仿真器3为RT-LAB OP5600处理器；

所述阀级控制器仿真器4为RT-LAB OP7020处理器；

所述系统级控制器仿真器5为MMC监控器。

本实用新型中，MMC阀仿真器1与阀级控制器仿真器4之间通过AURORA协议进行数据通信；同时，利用光纤进行数据通信。另外，在实际应用中，MMC阀仿真器1与阀级控制器仿真器4之间还设置有相对应的一对串/并联信号处理器，以满足串、并行数据需求之间的转换，并且将MMC阀仿真器1与阀级控制器仿真器4之间交换的数据(子模块电容电压、桥臂电流和子模块故障信号，及子模块触发脉冲)按照AURORA协议数据打包处理后再进行传输。

本实用新型中，站级控制器仿真器3和系统级控制器仿真器5之间通过TCP/IP协议进行数据通信；同时，利用网线进行数据通信。

本实用新型中，请参考图3，MMC阀仿真器1为三相六桥臂结构的仿真器，其中，每个桥臂均由至少一个个半桥子模块和一个电抗器串联形成。

具体地，用于将交流电网的三相交流电转换为直流电。半桥子模块输出电压存在正和零两种电平，桥臂电抗器能够抑制桥臂换流，在直流故障时起到抑制故障电流上升，保护IGBT等器件的作用。半桥子模块由两个IGBT管T1～T2和一个电容C构成。在图3中，除MMC阀仿真器1部分以外，均属于除MMC阀以外的交直流仿真器2的部分。

以上对本实用新型所提供的联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统，其特征在于，包括：

模拟MMC主电路的RTDS仿真器；

模拟MMC系统级控制器、站级控制器和阀级控制器的RT-LAB仿真器；

所述RTDS仿真器包括MMC阀仿真器(1)和除所述MMC阀以外的交直流仿真器(2)；所述RT-LAB仿真器包括站级控制器仿真器(3)、阀级控制器仿真器(4)和系统级控制器仿真器(5)；

其中，

所述MMC阀仿真器(1)接收所述除MMC阀以外的交直流仿真器(2)输出的阀组参数、所述阀级控制器仿真器(4)传输的子模块触发脉冲，并向所述除MMC阀以外的交直流仿真器(2)输出阀组状态信号、向所述阀级控制器仿真器(4)传输子模块电容电压、桥臂电流和子模块故障信号；

所述除MMC阀以外的交直流仿真器(2)接收所述MMC阀仿真器(1)传输的阀组状态信号，并向所述MMC阀仿真器(1)输出阀组参数、向所述站级控制器仿真器(3)输出交/直流电压信号和交/直流电流信号；

所述站级控制器仿真器(3)接收所述除MMC阀以外的交直流仿真器(2)输出的交/直流电压信号和交/直流电流信号、所述阀级控制器仿真器(4)输出的子模块状态信号、所述系统级控制器仿真器(5)传输的功率电压指令，并向所述阀级控制器仿真器(4)输出交流电压调制信号、向所述系统级控制器仿真器(5)输出换流站状态信号；

所述阀级控制器仿真器(4)接收所述站级控制器仿真器(3)输出的交流电压调制信号、所述MMC阀仿真器(1)传输的子模块电容电压、桥臂电流和子模块故障信号，并向所述站级控制器仿真器(3)输出子模块状态信号、向所述MMC阀仿真器(1)传输子模块触发脉冲；

所述系统级控制器仿真器(5)接收所述站级控制器仿真器(3)传输的换流站状态信号，并向其传输功率电压指令。

2.如权利要求1所述的联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统，其特征在于，还包括：

设置于所述除MMC阀以外的交直流仿真器(2)和所述站级控制器仿真器(3)之间的数模转换接口(6)。

3.如权利要求1所述的联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统，其特征在于，

所述MMC阀仿真器(1)为RTDS FPGA处理器；

所述除MMC阀以外的交直流仿真器(2)为RTDS PB5处理器；

所述站级控制器仿真器(3)为RT-LAB OP5600处理器；

所述阀级控制器仿真器(4)为RT-LAB OP7020处理器；

所述系统级控制器仿真器(5)为MMC监控器。

4.如权利要求1所述的联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统，其特征在于，所述MMC阀仿真器(1)为三相六桥臂结构的仿真器，其中，每个桥臂均由至少一个半桥子模块和一个电抗器串联形成。

5.如权利要求1至4任意一项所述的联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统，其特征在于，所述MMC阀仿真器(1)与所述阀级控制器仿真器(4)之间通过AURORA协议进行数据通信。

6.如权利要求1至4任意一项所述的联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统，其特征在于，所述站级控制器仿真器(3)和所述系统级控制器仿真器(5)之间通过TCP/IP协议进行数据通信。

7.如权利要求5所述的联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统，其特征在于，所述MMC阀仿真器(1)与所述阀级控制器仿真器(4)之间利用光纤进行数据通信。

8.如权利要求6所述的联合RTDS和RT-LAB的MMC仿真系统，其特征在于，所述站级控制器仿真器(3)和所述系统级控制器仿真器(5)之间利用网线进行数据通信。