CN206921090U - 一种基于gpu的mmc实时仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于GPU的MMC实时仿真系统，涉及电力系统实时仿真领域，用以解决现有技术中FPGA不能很好的与通用计算机进行接口，使得技术实现的通用性较差，难度大的问题。该系统包括：MMC外部控制器，MMC阀仿真器和MMC外部电路仿真器，所述MMC外部控制器和所述MMC外部电路仿真器分别与所述MMC阀仿真器连接，其中，所述MMC阀仿真器为GPU，用于模拟MMC阀电路，所述MMC外部电路仿真器用于模拟除MMC阀以外的交直流电路。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力系统仿真领域，尤其涉及一种基于GPU的MMC实时仿真系统。
背景技术
全球电力系统架构正日益从集中发电、超高压输电演变为越来越多的分布式发电和配电。这种转变对电力电子设备需求不断增多，如高压直流输电、柔性交流输电以及直流源(光伏发电)或变频源(风力发电)等并网设备。电力电子换流器发展迅速，表现在电路电子器件和拓扑方面都获得了很大发展。
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，简称MMC)是电压源型换流器的一种比较新颖的拓扑类型，由多个级联的子模块(Sub-Module,SM)组成，这些子模块可以是半桥子模块或者全桥子模块。MMC以其便于模块化设计、制造升级灵活、维护方便等优点而成为先进的电力电子变换器，被广泛应用于柔性直流输电系统中。近年来，随着更加新颖的MMC拓扑结构的出现以及其控制方式的不断发展，MMC的电压等级以及功率输送能力得到了很大的提升，这使得大功率的柔性高压直流输电成为了未来发展的趋势。
传统的电磁暂态典型实时仿真步长是50～100μs，但由于MMC阀中，一般具有几十乃至几百个子模块，这些子模块的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)快速通断，具有极高的开关频率，因此大步长仿真无法满足其仿真模拟要求。因此，为准确模拟MMC中大量开关器件的高频特性，必须采用更小的仿真步长来提高仿真精度。但若对MMC阀和除MMC阀以外的交直流电路的仿真都采用小步长(小于3μs)仿真，则会过度占用仿真资源，降低仿真的速度。因此，需要大小步长仿真结合，一般小步长仿真应用的是FPGA，但FPGA不能很好的与通用计算机进行接口，使得技术实现的通用性较差，难度大。
实用新型内容
本实用新型的实施例提供一种基于GPU的MMC实时仿真系统，解决了现有技术中FPGA不能很好的与通用计算机进行接口，使得技术实现的通用性较差，难度大的问题。
为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：
第一方面，本实用新型实施例提供了一种基于GPU的MMC实时仿真系统，包括：MMC外部控制器，MMC阀仿真器和MMC外部电路仿真器，所述MMC外部控制器和所述MMC外部电路仿真器分别与所述MMC阀仿真器连接，其中，所述MMC阀仿真器为GPU，用于模拟MMC阀电路，所述MMC外部电路仿真器用于模拟除MMC阀以外的交直流电路。
可选的，所述除MMC阀以外的交直流电路包含所述MMC阀电路的等值电路；
所述MMC外部控制器用于以第一仿真步长向所述MMC阀仿真器发送控制脉冲信号；
所述MMC外部电路仿真器用于以第二仿真步长向所述MMC阀仿真器发送所述等值电路的第一参数，所述第二仿真步长大于所述第一仿真步长；
所述MMC阀仿真器用于以第二仿真步长接收MMC外部电路仿真器发送的等值电路的第一参数，并在相邻两次接收之间以第一仿真步长，仿真计算得到S次所述等值电路的第一参数，所述第二仿真步长大于所述第一仿真步长，所述S大于或等于1；以第一仿真步长根据所述MMC外部控制器发送的控制脉冲信号和所述等值电路的第一参数仿真计算获得仿真结果，其中，该第一参数为若所述MMC阀仿真器接收到所述MMC外部电路仿真器发送的所述等值电路的第一参数时，则第一参数为所述MMC外部电路仿真器发送的，否则，该第一参数为所述MMC阀仿真器计算得到的。
可选的，所述MMC阀电路包含M个相单元，每个相单元的上、下MMC桥臂各包含N个MMC子模块，所述M大于或等于1，所述N大于或等于1；
所述MMC阀仿真器还用于以第一仿真步长向所述MMC外部控制器发送第一反馈信号和向所述MMC外部电路仿真器发送第二反馈信号，所述第一反馈信号为所述仿真结果中的每个MMC子模块的电压和每个MMC桥臂的电流，所述第二反馈信号为所述仿真结果中的所述等值电路的第二参数；
所述MMC外部控制器还用于以第一仿真步长接收所述第一反馈信号，并根据所述第一反馈信号计算获得控制脉冲信号；
所述MMC外部电路仿真器还用于以第二仿真步长接收所述第二反馈信号，并根据所述第二反馈信号仿真计算获得所述等值电路的第一参数。
可选的，所述等值电路为戴维南等值电路，所述等值电路的第一参数为所述戴维南等值电路两端的节点电压差，所述等值电路的第二参数为所述戴维南等值电路的电压源的电压和电阻的阻值。
可选的，所述MMC外部控制器为DSP或CPU，所述MMC外部电路仿真器为RTDS板卡。
可选的，所述MMC外部控制器和所述MMC外部电路仿真器均通过光纤与所述MMC阀仿真器连接。
可选的，所述MMC外部控制器和所述MMC外部电路仿真器均通过网线与所述MMC阀仿真器连接。
可选的，所述MMC外部控制器和所述MMC外部电路仿真器均通过点对点链路层AURORA协议与所述MMC阀仿真器进行数据通信。
可选的，所述MMC外部控制器和所述MMC外部电路仿真器均通过通过TCP/IP协议与所述MMC阀仿真器进行数据通信。
本实用新型实施例提供了一种基于MMC的实时仿真系统，通过MMC外部控制器和MMC外部电路仿真器分别与MMC阀仿真器的交互。MMC阀仿真器采用GPU，相对于FPGA，能更好的和通用计算机进行接口，使得技术实现的通用性更好，难度更小。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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一些实施例，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，还可以根据这些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MMC柔性直流输电仿真系统示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种基于GPU的MMC实时仿真系统框图；
图3为本实用新型实施例提供的一种半桥型MMC的结构图；
图4为本实用新型实施例提供的一种基于GPU的MMC实时仿真系统的交互图；
图5为本实用新型实施例提供的一种半桥MMC子模块的结构示意图；
图6为本实用新型实施例提供的一种MMC桥臂的等效模型图。
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作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。
为了便于清楚描述本实用新型实施例的技术方案，在本实用新型的实施例中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例一
本实用新型提供了一种基于GPU的MMC实时仿真系统，图1所示为MMC柔性直流输电仿真系统示意图，具体的，参考图2所示，本实用新型提供的仿真系统包括：MMC外部控制器11，MMC阀仿真器12和MMC外部电路仿真器13，MMC外部控制器11和MMC外部电路仿真器13分别与MMC阀仿真器12连接，其中，MMC外部控制器11是MMC阀控装置。MMC阀仿真器12为图形处理器(Graphic Processing Unit，简称GPU)，用于模拟MMC阀电路，MMC阀电路包含M个相单元，每个相单元的上、下MMC桥臂各包含N个MMC子模块，M大于或等于1，N大于或等于1。例如，MMC阀电路一般包含2个相单元，每个相单元的上、下MMC桥臂各包含200个MMC子模块。示例的，图3所示为半桥型MMC的结构图。MMC外部电路仿真器13用于模拟除MMC阀以外的交直流电路，除MMC阀以外的交直流电路包含MMC阀电路的等值电路。
具体的参考图4，MMC外部控制器11用于以第一仿真步长dt向MMC阀仿真器12发送控制脉冲信号。
MMC外部电路仿真器13用于以第二仿真步长dT向MMC阀仿真器12发送等值电路的第一参数，等值电路的第一参数就是可以用来完成本实用新型实施例所涉及的仿真过程的参数，具体可以参考现有技术。第二仿真步长大于第一仿真步长，优选的第二仿真步长在50～100μs范围内，第一仿真步长小于3μs。优选的第二仿真步长是第一仿真步长的整数倍，例如，第一仿真步长为2.5μs，第二仿真步长为50μs。
MMC阀仿真器12用于以第二仿真步长接收发送的等值电路的第一参数，并在相邻两次接收之间以第一仿真步长，仿真计算得到S次等值电路的第一参数，S大于或等于1。第二仿真步长大于第一仿真步长，优选的，第二仿真步长是第一仿真步长的整数倍。
因为第二仿真步长大于第一仿真步长，因此MMC外部电路仿真器完成一次仿真的时间内MMC阀仿真器可以完成S次仿真，而MMC阀仿真器的仿真需要用到等值电路的第一参数，为了保证仿真的精确性，不能在MMC阀仿真器的S次仿真的过程中都使用同一个等值电路的第一参数，因此在MMC阀仿真器的S次仿真的过程中可以仿真计算得到S次等值电路的第一参数。
还用于以第一仿真步长dt根据MMC外部控制器11发送的控制脉冲信号和等值电路的第一参数仿真计算获得仿真结果，其中，该第一参数为若MMC阀仿真器12接收到MMC外部电路仿真器13发送的等值电路的第一参数时，则该第一参数为MMC外部电路仿真器13发送的，否则，该第一参数为MMC阀仿真器12计算得到的，也就是说在MMC阀仿真器12进行仿真计算的过程中也会得到等值电路的第一参数。但优选的使用MMC外部电路仿真器发送的。也就是说，无论MMC阀仿真器是否计算得到了等值电路的第一参数，若MMC阀仿真器接收到MMC外部电路仿真器发送的，则选择MMC外部电路仿真器发送的进行仿真计算。
MMC阀仿真器12还用于以第一仿真步长向MMC外部控制器11发送第一反馈信号和向MMC外部电路仿真器13发送第二反馈信号，第一反馈信号为仿真结果中的每个MMC子模块的电压和每个MMC桥臂的电流。每个MMC子模块的电压也可以是每个MMC子模块的电容电压，示例的，参考图5所示的半桥MMC子模块的结构示意图。第二反馈信号为仿真结果中的等值电路的第二参数。
优选的，等值电路为戴维南等值电路，等值电路的第一参数为戴维南等值电路两端的节点电压差，等值电路的第二参数为戴维南等值电路的电压源的电压和电阻的阻值。
可选的，等值电路也可以为诺顿等值电路，那么等值电路的第一参数和第二参数具体的为可以完成仿真过程的诺顿等值电路的某些参数，这里不做限制。
MMC外部控制器11还用于以第一仿真步长接收第一反馈信号，并根据第一反馈信号计算获得控制脉冲信号。这里MMC外部控制器11仿真计算获得控制脉冲信号是用于下一个第一仿真步长发送给MMC阀仿真器12的。具体的MMC外部控制器11仿真计算获得控制脉冲信号的方法可参考现有技术，在此不再赘述。
MMC外部控制器发送了多路控制脉冲信号，这里我们认为MMC外部控制器向每一个MMC子模块都发送了一路控制脉冲信号，控制脉冲信号是1或0。实际上根据MMC子模块的结构，MMC外部控制器向每一个MMC子模块都发送了Q路控制脉冲信号，Q是每个MMC子模块中包含的IGBT的个数。示例的，如图5所示的MMC子模块的结构，包含两个IGBT，因此MMC外部控制器向每一个MMC子模块都发送了2路控制脉冲信号。
MMC外部电路仿真器13还用于以第二仿真步长接收第二反馈信号，并根据第二反馈信号仿真计算获得等值电路的第一参数。这里MMC外部电路仿真器13仿真计算获得等值电路的第一参数是用于下一个第二仿真步长发送给MMC阀仿真器12的。具体的MMC外部电路仿真器13仿真计算获得等值电路的第一参数的方法可参考现有技术，在此不再赘述。
需要说明的是：在本实用新型实施例中，MMC阀仿真器12以第一仿真步长向MMC外部电路仿真器13发送第二反馈信号，但MMC外部电路仿真器13是以第二仿真步长接收第二反馈信号的，没有到达第二仿真步长的时间节点，MMC外部电路仿真器13是不会接收第二反馈信号的，可选的，其他的第二反馈信号被覆盖了。
需要说明的是：MMC外部控制器计算获得控制脉冲信号的具体过程和MMC外部电路仿真器仿真计算获得等值电路的第一参数的具体过程参考现有技术，在此不再赘述。
若MMC阀仿真器的等值电路为戴维南等值电路，那么MMC阀仿真器的仿真计算过程具体包括：
针对一个MMC桥臂，参考图6所示，因为桥臂的结构多变，现将一个桥臂中的每个子模块等效成一个整体，不研究其具体结构。计算各MMC子模块的等效电阻Rci(t+dt)，公式(1)为：Rci(t+dt)＝dt/2Ci，其中，dt是第一仿真步长，Ci是该MMC桥臂中的第i个MMC子模块的电容，i大于或等于1，且小于或等于N；
计算该MMC桥臂电路的等效电阻Rc(t+dt)，公式(2)为：
其中，Fi(t)是该MMC桥臂电路中的第i个MMC子模块的控制脉冲信号，Fi(t)＝1或Fi(t)＝0，Ceq是该MMC桥臂电路中各MMC子模块的等效电容与控制脉冲信号乘积的和；
计算该MMC桥臂的电流i(t+dt)，公式(3)为：i(t+dt)＝[V(t)-VH(t)]/Rc(t+dt)，其中，V(t)是该MMC桥臂等值电路两端的节点电压差，如图6所示，V(t)＝V1(t)-V2(t)，VH(t)是上一个第一仿真步长dt计算所得的该MMC桥臂等值电路的电压源电压；
计算各MMC子模块的电压Vci(t+dt)，公式(4)为：Vci(t+dt)＝i(t+dt)·Rci(t+dt)+Vci(t)，其中，Vci(t)是上一个仿真步长dt计算所得的各MMC子模块的电压；
计算MMC桥臂等值电路两端的节点电压差V(t+dt)，公式(5)为：
计算MMC桥臂等值电路的电压源电压VH(t+dt)，公式(6)为：VH(t+dt)＝V(t+dt)-i(t+dt)·Rc(t+dt)。
需要说明的是在仿真开始前，初始化MMC桥臂等值电路的电压源电压VH(t)为0，每个MMC子模块的电压Vci(t)为0。
按照上述方法，对MMC阀仿真器的所有桥臂分别进行仿真计算得到仿真结果，即得到MMC阀仿真器所有桥臂的仿真结果。将该仿真结果中的第一反馈信号发送给MMC外部控制器，MMC外部控制器进行计算获得下一个第一仿真步长的控制脉冲信号，将该仿真结果中的第二反馈信号发送给MMC外部电路仿真器，MMC外部电路仿真器进行仿真计算获得下一个第二仿真步长的等效电路两端的节点电压差。
需要说明的是：上述计算过程可以是通过加法器、乘法器、除法器等电路实现的。
优选的，MMC外部控制器11为数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)芯片或中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)，MMC外部电路仿真器13为实时数字仿真仪(Real Time Digital Simulator，简称RTDS板卡)。当然MMC外部控制器11、MMC外部电路仿真器13和MMC阀仿真器12也可以是具备上述功能的其他硬件设备。
优选的，MMC外部控制器11和MMC外部电路仿真器13均通过光纤与MMC阀仿真器12连接，即利用光纤进行数据通信，因为光纤传播速率快。
可选的MMC外部控制器11和MMC外部电路仿真器13也可以通过网线与MMC阀仿真器12连接，进行数据通讯。
可选的，MMC外部控制器11和MMC外部电路仿真器13也可以通过点对点链路层(AURORA)协议与MMC阀仿真器12进行数据通讯。
可选的，MMC外部控制器11和MMC外部电路仿真器13也可以通过传输控制协议(Transmission Control Protocol，简称TCP)/网际协议(Internet Protocol，简称IP)与MMC阀仿真器12进行数据通讯。
当然也可以是其他的通讯方式进行数据通信，这里不再赘述，而且MMC外部控制器11与MMC阀仿真器12的通讯方式和MMC外部电路仿真器13与MMC阀仿真器12的通讯方式可以是相同的，也可以是不同的。
本实用新型实施例提供了一种基于GPU的MMC实时仿真系统，通过MMC外部控制器和MMC外部电路仿真器分别与MMC阀仿真器的交互，MMC阀仿真器采用GPU，相对于FPGA，能更好的和通用计算机进行接口，使得技术实现的通用性更好，难度更小。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于GPU的MMC实时仿真系统，其特征在于，包括：MMC外部控制器，MMC阀仿真器和MMC外部电路仿真器，所述MMC外部控制器和所述MMC外部电路仿真器分别与所述MMC阀仿真器连接，其中，所述MMC阀仿真器为GPU，用于模拟MMC阀电路，所述MMC外部电路仿真器用于模拟除MMC阀以外的交直流电路。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述除MMC阀以外的交直流电路包含所述MMC阀电路的等值电路；
所述MMC外部控制器用于以第一仿真步长向所述MMC阀仿真器发送控制脉冲信号；
所述MMC外部电路仿真器用于以第二仿真步长向所述MMC阀仿真器发送所述等值电路的第一参数，所述第二仿真步长大于所述第一仿真步长；
所述MMC阀仿真器用于以第二仿真步长接收MMC外部电路仿真器发送的等值电路的第一参数，并在相邻两次接收之间以第一仿真步长，仿真计算得到S次所述等值电路的第一参数，所述第二仿真步长大于所述第一仿真步长，所述S大于或等于1；以第一仿真步长根据所述MMC外部控制器发送的控制脉冲信号和所述等值电路的第一参数仿真计算获得仿真结果，其中，该第一参数为若所述MMC阀仿真器接收到所述MMC外部电路仿真器发送的所述等值电路的第一参数时，则第一参数为所述MMC外部电路仿真器发送的，否则，该第一参数为所述MMC阀仿真器计算得到的。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述MMC阀电路包含M个相单元，每个相单元的上、下MMC桥臂各包含N个MMC子模块，所述M大于或等于1，所述N大于或等于1；
所述MMC阀仿真器还用于以第一仿真步长向所述MMC外部控制器发送第一反馈信号和向所述MMC外部电路仿真器发送第二反馈信号，所述第一反馈信号为所述仿真结果中的每个MMC子模块的电压和每个MMC桥臂的电流，所述第二反馈信号为所述仿真结果中的所述等值电路的第二参数；
所述MMC外部控制器还用于以第一仿真步长接收所述第一反馈信号，并根据所述第一反馈信号计算获得控制脉冲信号；
所述MMC外部电路仿真器还用于以第二仿真步长接收所述第二反馈信号，并根据所述第二反馈信号仿真计算获得所述等值电路的第一参数。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述等值电路为戴维南等值电路，所述等值电路的第一参数为所述戴维南等值电路两端的节点电压差，所述等值电路的第二参数为所述戴维南等值电路的电压源的电压和电阻的阻值。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MMC外部控制器为DSP或CPU，所述MMC外部电路仿真器为RTDS板卡。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MMC外部控制器和所述MMC外部电路仿真器均通过光纤与所述MMC阀仿真器连接。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MMC外部控制器和所述MMC外部电路仿真器均通过网线与所述MMC阀仿真器连接。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MMC外部控制器和所述MMC外部电路仿真器均通过点对点链路层AURORA协议与所述MMC阀仿真器进行数据通信。
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Cited By (1)
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| CN108321758A (zh) * | 2018-04-03 | 2018-07-24 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种mmc阀控制保护装置与实时仿真器的接口方法及装置 |
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| CN108321758A (zh) * | 2018-04-03 | 2018-07-24 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种mmc阀控制保护装置与实时仿真器的接口方法及装置 |
| CN108321758B (zh) * | 2018-04-03 | 2024-03-26 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种mmc阀控制保护装置与实时仿真器的接口方法及装置 |
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