模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平臺及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)分析技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到模塊化多電平換流器的分析技 術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年，隨著風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等可再生能源發(fā)電的發(fā)展，基于電壓源換流器 的輕型直流輸電系統(tǒng)由于具有經(jīng)濟(jì)、靈活、高可控性等優(yōu)點(diǎn)，得到了快速的應(yīng)用和發(fā)展。輕 型直流輸電廣泛應(yīng)用于可再生能源比如大型風(fēng)電場并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、大城 市電網(wǎng)供電、非同步交流電網(wǎng)互聯(lián)、多端直流輸電等領(lǐng)域。
[0003] 基于模塊化多電平換流器（modularized multilevel converter，MMC)的高壓直 流輸電是電壓源換流器直流輸電（high-voltage direct current，HVDC)技術(shù)向高電壓大 功率方向發(fā)展的最新成果。其中，模塊化多電平換流器MMC是一種新型的電壓變換電路，它 通過將多個子模塊級聯(lián)的方式，可以疊加輸出很高的電壓，并且還具有輸出諧波少、模塊化 程度高等特點(diǎn)，因而在電力系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。MMC-HVDC相比于兩三電平的基于 電壓源換流器（Voltage Sourced Converter，VSC)的高壓直流輸電HVDC有眾多優(yōu)勢，比如 容量更大，換流閥制造難度下降，波形質(zhì)量更高，損耗更低等。
[0004] 單個電平數(shù)較高的模塊化多電平換流器MMC的換流站一般由數(shù)千個子模塊構(gòu)成， 以期實(shí)現(xiàn)大容量、高冗余度和低波形畸變的電壓輸出。而MMC系統(tǒng)復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致高 電平一次系統(tǒng)建模難度很大，特別是基于純物理裝置的仿真試驗。對于高電平MMC物理控 制器，不僅需要對數(shù)量巨大的子模塊狀態(tài)信息和觸發(fā)控制字實(shí)現(xiàn)實(shí)時吞吐，而且必須完成 子模塊之間的電壓均衡控制產(chǎn)生的大量計算，這對模塊化多電平換流器MMC控制器的通信 和計算能力都提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中高電平一次系統(tǒng)和控制器建模困難的 缺點(diǎn)，提供了一種模塊化多電平換流器MMC仿真實(shí)驗平臺及方法，精確模擬模塊化多電平 換流器MMC系統(tǒng)的特性，且能方便安全地仿真交直流側(cè)不同類型的故障。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)此目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為如下。
[0007] -種模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平臺，所述模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平臺 包括實(shí)時仿真器及站級和閥級控制器，實(shí)時仿真器包括互相連接的實(shí)時仿真器處理板卡和 模塊化多電平換流器仿真單元，站級和閥級控制器包括現(xiàn)場可編程門陣列單元和數(shù)字信號 處理單元，其中實(shí)時仿真器處理板卡用于仿真運(yùn)行交流系統(tǒng)，模塊化多電平換流器仿真單 元用于仿真運(yùn)行換流站系統(tǒng)，所述交流系統(tǒng)及換流站系統(tǒng)的運(yùn)行信號發(fā)送給站級和閥級控 制器的現(xiàn)場可編程門陣列單元；
[0008] 現(xiàn)場可編程門陣列單元用于將交流系統(tǒng)及換流站系統(tǒng)的運(yùn)行信號傳遞給數(shù)字信 號處理單元，并將數(shù)字信號處理單元生成的換流站子模塊觸發(fā)信號發(fā)送給實(shí)時仿真器；
[0009] 數(shù)字信號處理單元用于完成控制計算，生成換流站子模塊觸發(fā)信號。
[0010] 特別地，所述模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平臺還包括信號轉(zhuǎn)換板卡，站級和閥 級控制器的現(xiàn)場可編程門陣列單元包括數(shù)字轉(zhuǎn)換口、模數(shù)轉(zhuǎn)換口和光電轉(zhuǎn)換接口，其中實(shí) 時仿真器處理板卡輸出交流側(cè)電壓及電流信號和交流側(cè)斷路器狀態(tài)信號，通過信號轉(zhuǎn)換板 卡將交流側(cè)電壓及電流信號傳輸至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換口，將交流側(cè)斷路器狀態(tài)信號傳輸至所述 數(shù)字轉(zhuǎn)換口；
[0011] 模塊化多電平換流器仿真單元輸出子模塊電容電壓信號和橋臂電流信號，通過光 纖傳輸至所述光電轉(zhuǎn)換接口。
[0012] 另外，所述數(shù)字信號處理單元還產(chǎn)生斷路器合閘分閘指令，并通過現(xiàn)場可編程門 陣列單元將所述斷路器合閘分閘指令發(fā)送至實(shí)時仿真器處理板卡。
[0013] 所述信號轉(zhuǎn)換板卡包括模擬輸出單元、數(shù)字輸出單元和數(shù)字輸入單元，其中實(shí)時 仿真器處理板卡輸出的交流側(cè)電壓及電流信號通過所述模擬輸出單元傳輸至所述模數(shù)轉(zhuǎn) 換口；
[0014] 實(shí)時仿真器處理板卡輸出的交流側(cè)斷路器狀態(tài)信號通過所述數(shù)字輸出單元傳輸 至所述數(shù)字轉(zhuǎn)換口；
[0015] 現(xiàn)場可編程門陣列單元發(fā)送的斷路器合閘分閘指令通過所述數(shù)字輸入單元發(fā)送 至所述實(shí)時仿真器處理板卡。
[0016] 其中，所述模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平臺還包括系統(tǒng)級控制器，所述系統(tǒng)級 控制器與所述站級和閥級控制器互聯(lián)，用于將控制參數(shù)及指令傳輸給站級和閥級控制器， 并進(jìn)行人機(jī)交互。
[0017] 特別地所述控制參數(shù)及指令包括功率、電壓、啟動、停止運(yùn)行指令和交流側(cè)整定 值。
[0018] 另外，所述模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平臺還包括終端計算機(jī)，所述終端計算 機(jī)互聯(lián)至實(shí)時仿真器，用于搭建換流站系統(tǒng)模型，并監(jiān)控所述換流站系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
[0019] 所述數(shù)字信號處理單元采用8核處理芯片，其中第0核用于站控計算，第1~6核 用于閥控計算。
[0020] 一種模塊化電平換流器仿真實(shí)驗方法，所述方法包括以下步驟：
[0021] A、搭建換流站系統(tǒng)模型；
[0022] B、將實(shí)時仿真器處理板卡輸出的交流側(cè)電壓及電流信號通過所述模擬輸出單元 傳輸至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換口，將實(shí)時仿真器處理板卡輸出的交流側(cè)斷路器狀態(tài)信號通過所述數(shù) 字輸出單元傳輸至所述數(shù)字轉(zhuǎn)換口，并通過光纖將模塊化多電平換流器仿真單元輸出的子 模塊電容電壓信號和橋臂電流信號傳輸至所述光電轉(zhuǎn)換接口；
[0023] C、通過系統(tǒng)級控制器，將控制參數(shù)及指令發(fā)送至站級及閥級控制器；
[0024] D、通過現(xiàn)場可編程門陣列單元將所述交流側(cè)電壓及電流信號、交流側(cè)斷路器狀態(tài) 信號、子模塊電容電壓信號和橋臂電流信號傳輸給數(shù)字信號處理單元；
[0025] E、通過數(shù)字信號處理單元進(jìn)行站級及閥級控制計算，生成換流站子模塊觸發(fā)信號 和斷路器合閘分閘指令；
[0026] F、通過現(xiàn)場可編程門陣列單元將換流站子模塊觸發(fā)信號和斷路器合閘分閘指令 發(fā)送給實(shí)時仿真器。
[0027] 通過采用本發(fā)明的模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平臺及方法，能夠獲得以下有益 技術(shù)效果。
[0028] 首先，通過使用本發(fā)明的模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平臺不用建立真實(shí)的一次 系統(tǒng)，就可以在實(shí)時仿真器上精確模擬模塊化多電平換流器系統(tǒng)特性，且能方便安全地仿 真交直流側(cè)不同類型的故障。其次，在本發(fā)明模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平臺的物理控 制器上可以靈活地實(shí)現(xiàn)不同的控制策略。此外，在本發(fā)明模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平 臺上，換流站可以方便地接入大電網(wǎng)，為主電路的設(shè)計規(guī)劃和控制系統(tǒng)的測試提供更接近 實(shí)際的實(shí)驗環(huán)境。本發(fā)明的模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平臺可以用于主電路設(shè)計論證， 控制策略研宄測試，控制器參數(shù)優(yōu)化，柔性直流系統(tǒng)與大電網(wǎng)的交互研宄等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖2為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平臺中站級和閥級 控制器的結(jié)構(gòu)圖。
[0031] 圖3為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中所搭建的單端模塊化多電平換流器MMC換流站系統(tǒng) 的示意圖。
[0032] 圖4為對圖3換流站系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗的結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0034] 首先介紹說明書附圖中各附圖標(biāo)記所代表的部件名稱。
[0035] 1終端計算機(jī)，
[0036] 2實(shí)時仿真器，
[0037] 3實(shí)時仿真器處理板卡，
[0038] 4模塊化多電平換流器仿真單元，
[0039] 5系統(tǒng)級控制器，
[0040] 6站級和閥級控制器，
[0041] 7模擬輸出單元，
[0042]8數(shù)字輸出單元，
[0043] 9數(shù)字輸入單元，
[0044] 10光電轉(zhuǎn)換接口，
[0045] 11數(shù)字轉(zhuǎn)換口，
[0046] 12模數(shù)轉(zhuǎn)換口，
[0047] 13 光纖，
[0048] 14數(shù)字信號處理單元，
[0049] 15可編程門陣列單元，
[0050] 16換流站系統(tǒng)，
[0051] 17交流電源，
[0052] 18直流換流站。
[0053] 以下公開詳細(xì)的示范實(shí)施例。然而，此處公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)僅僅是出于 描述示范實(shí)施例的目的。
[0054] 然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明不局限于公開的具體示范實(shí)施例，而是覆蓋落入本公開范 圍內(nèi)的所有修改、等同物和替換物。在對全部附圖的描述中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元 件。
[0055] 同時應(yīng)該理解，如在此所用的術(shù)語"和/或"包括一個或多個相關(guān)的列出項的任意 和所有組合。另外應(yīng)該理解，當(dāng)部件或單元被稱為"連接"或"耦接"到另一部件或單元時， 它可以直接連接或耦接到其他部件或單元，或者也可以存在中間部件或單元。此外，用來描 述部件或單元之間關(guān)系的其他詞語應(yīng)該按照相同的方式理解（例如，"之間"對"直接之間"、 "相鄰"對"直接相鄰"等）。
[0056] 如圖1所示，本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中公開了一種模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平 臺，所述模塊化多電平換流器仿真實(shí)驗平臺包括實(shí)時仿真器2、站級和閥級控制器6,實(shí)時 仿真器2包括互相連接的實(shí)時仿真器處理板卡3和模塊化多電平換流器仿真單元4,站級和 閥級控制器6包括現(xiàn)場可編程門陣列單元14和數(shù)字信號處理單元15,其中實(shí)時仿真器處 理板卡3用于仿真運(yùn)行交流系統(tǒng)，模塊化多電平換流器仿真單元4用于仿真運(yùn)行換流站系 統(tǒng)，所述交流系統(tǒng)及換流站系統(tǒng)的運(yùn)行信號發(fā)送給站級和閥級控制器6的現(xiàn)場可編程門陣 列單元14 ;
[0057] 現(xiàn)場可編程門陣列單元14用于將交流