模塊化多電平換流器

模塊化多電平換流器高效建模方法網絡模型的等值簡化

模塊化多電平換流器實時仿真系統(tǒng)是為了對物理控制器在工程投運之前進行全面的性能測試，仿真精度和實時性是對其最本質的要求。模塊化多電平換流器實時仿真的一次系統(tǒng)部分，通常是基于本文所介紹的戴維南等效原理而開發(fā)的，但是在開關元件的處理上略有區(qū)別。同時，目前對于模塊化多電平換流器的實時仿真都是基于對網絡模型一定程度的簡化和與硬件平臺相結合的方式來實現(xiàn)的。

有研究提出了一種基于分區(qū)戴維南等值和半步長插值的新型算法MATE，該算法的精髓是采用合適的方法設計一張狀態(tài)地圖，可以將網絡導納矩陣的變量信息存儲下來用以反映網絡拓撲的變化，如此便可以減少各了系統(tǒng)內部和各了系統(tǒng)之問重復的拓撲計算，同時減輕各了系統(tǒng)之問的通信負擔 。

模塊化多電平換流器高效建模方法與硬件相結合的模塊化多電平換流器實時仿真

由于MMC-HVDC系統(tǒng)的復雜性及特殊性，實現(xiàn)高精度的實時仿真僅僅從算法模型上進行優(yōu)化是不夠的，采用合適的硬件平臺與之相結合是目前普遍采用的方法。

有研究提出一個基于FPGA的實時仿真器來仿真模塊化多電平換流器系統(tǒng)的電磁暫態(tài)模型，用光纖連接外部控制信號進行硬件閉環(huán)的測試。模塊化多電平換流器閥模型的建立在FPGA中實現(xiàn)，仿真步長設為500 ns，系統(tǒng)部分在CPU中仿真。驅動協(xié)議和FPGA一致，以保證高速的信息傳輸和低延時。該仿真平臺支持多個FPGA板卡，因此可以進行超大規(guī)模物理控制器的閉環(huán)系統(tǒng)測試等 。

模塊化多電平換流器(modular multilevelconverter， MMC)已成為柔性直流輸電系統(tǒng)的首選換流器拓撲。我國已建成的上海南匯柔性直流工程、南澳三端柔性直流工程、舟山五端柔性直流輸電工程以及正在建設中的廈門柔性直流工程都采用模塊化多電平換流器結構。國際上SIEMENS已建成的美國跨灣工程(TBC)和法國一西班牙聯(lián)網工程(INELFE工程)都采用模塊化多電平換流器結構。同時，ABB公司提出了一種級聯(lián)兩電平結構(cascaded two level ，CTL)，其本質仍為模塊化多電平換流器，并且ABB后續(xù)建設的數項柔性直流工程都采用CTL結構。因此，模塊化多電平換流器已由最初的低壓、小容量示范工程向高電壓、大容量方向快速發(fā)展，展現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。

然而，高電壓、大容量、超大規(guī)模模塊化多電平換流器高效建模受限于建模方法、數學理論、等效實驗方法和計算機硬件等眾多限制，嚴重制約著相關領域的快速發(fā)展。因此，建立模塊化多電平換流器的數學和仿真模型能反映換流器的一般運行規(guī)律，對研究柔性直流輸電系統(tǒng)運行特性、主電路參數的選取以及控制保護系統(tǒng)的設計具有重要的指導作用，開展不同時問尺度的模塊化多電平換流器電磁暫態(tài)建模方法的研究，在保證仿真精度的前提下研究極大地提高模塊化多電平換流器仿真效率的理論和方法，提出適用于不同應用場景的模塊化多電平換流器高效仿真模型，具有重要的理論和工程意義。

模塊化多電平換流器系統(tǒng)的仿真分析，較之現(xiàn)場試驗具有良好的可控性、無破壞性和經濟性，對驗證控制系統(tǒng)的有效性及進行工程方案的比較等方面發(fā)揮著重要作用，為工程調試奠定了基礎。目前對MMC的仿真研究按仿真計算同實際過程的時問比例主要分為離線仿真和實時仿真，按仿真基于瞬時值或有效值分為電磁暫態(tài)仿真和機電暫態(tài)仿真，按不同的仿真步長可分為納秒級仿真、微秒級仿真、毫秒級仿真。

模塊化多電平換流器具有很好的工程應用前景，針對不同的仿真類型與仿真需求，模塊化多電平換流器的建模方法各有不同。因此，對模塊化多電平換流器建模方法的研究現(xiàn)狀進行總結和剖析是很有必要的 。

模塊化多電平換流器高效建模方法模塊化多電平換流器及其子模塊拓撲

圖1所示為三相模塊化多電平換流器的通用結構。

該模塊化多電平換流器模型共有6個橋臂，每個橋臂包含N個了模塊。模塊化多電平換流器拓撲創(chuàng)始人德國慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學的Marquardt教授共提出了三種常見的了模塊拓撲分別是半橋型了模塊、全橋型了模塊和雙箱位型了模塊。其中，半橋型了模塊目前工程中應用最為普遍，但是其不具備直流故障穿越能力，需要依靠交流斷路器實現(xiàn)故障電流的切除。全橋和雙箱位了模塊都具備直流故障穿越能力，但是由于投資和運行損耗較大目前尚無工程應用。為了在換流器投資、損耗和故障電流箱位能力之問實現(xiàn)折中平衡，有文獻等提出了改進模塊化多電平換流器了模塊拓撲，并給出了模塊化多電平換流器橋臂中使用多種模塊拓撲混聯(lián)的方式以降低工程投資的思路，但是截止目前都尚未進入工程應用階段 。

對于模塊化多電平換流器的仿真模型，已有文獻大都針對半橋型模塊化多電平換流器開展研究，所得成果可以較容易地通過自定義編程的方式擴展至其余模塊化多電平換流器拓撲，因此將著重針對半橋型模塊化多電平換流器的仿真建模方法進行探討 。

模塊化多電平換流器高效建模方法模塊化多電平換流器仿真特點

隨著柔性直流輸電不斷向著高電壓、大容量方向發(fā)展，模塊化多電平換流器橋臂中通常需要數個模塊級聯(lián)。例如，世界上第一個模塊化多電平換流器工程，美國跨灣工程，單個橋臂含216個了模塊(雙端系統(tǒng)共2592個了模塊)，我國舟山5端柔性直流輸電工程共包含上萬個了模塊。單個半橋了模塊中至少包含4個電力電了開關，且不同了模塊中的開關器件狀態(tài)往往是不同時動作的。因此，在對模塊化多電平換流器進行電磁暫態(tài)仿真時，必須設置較短的仿真步長，否則將嚴重影響仿真精度。每一個仿真步長內都有大量開關器件導通狀態(tài)發(fā)生變化，這將使得模塊化多電平換流器系統(tǒng)的節(jié)點導納矩陣在每一個仿真步長中都需要重新求逆，也即不斷地對超高階矩陣求逆將使得大規(guī)模模塊化多電平換流器的仿真速度極其緩慢。

目前國內外已有的模塊化多電平換流器建模方法都是從模塊化多電平換流器仿真的特點出發(fā)，在盡可能保持仿真精度的前提下，顯著降低模塊化多電平換流器的矩陣求解階數，達到仿真提速的效果，所提出模型根據簡化信息的不同，分別適用于不同的場合 。