模塊化多電平換流器概述

模塊化多電平換流器高效建模方法網(wǎng)絡(luò)模型的等值簡(jiǎn)化

模塊化多電平換流器實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是為了對(duì)物理控制器在工程投運(yùn)之前進(jìn)行全面的性能測(cè)試，仿真精度和實(shí)時(shí)性是對(duì)其最本質(zhì)的要求。模塊化多電平換流器實(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)的，但是在開(kāi)關(guān)元件的處理上略有區(qū)別。同時(shí)，目前對(duì)于模塊化多電平換流器的實(shí)時(shí)仿真都是基于對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型一定程度的簡(jiǎn)化和與硬件平臺(tái)相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)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(zhǎng)插值的新型算法MATE，該算法的精髓是采用合適的方法設(shè)計(jì)一張狀態(tài)地圖，可以將網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣的變量信息存儲(chǔ)下來(lái)用以反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，如此便可以減少各了系統(tǒng)內(nèi)部和各了系統(tǒng)之問(wèn)重復(fù)的拓?fù)溆?jì)算，同時(shí)減輕各了系統(tǒng)之問(wèn)的通信負(fù)擔(dān) 。

模塊化多電平換流器高效建模方法與硬件相結(jié)合的模塊化多電平換流器實(shí)時(shí)仿真

由于MMC-HVDC系統(tǒng)的復(fù)雜性及特殊性，實(shí)現(xiàn)高精度的實(shí)時(shí)仿真僅僅從算法模型上進(jìn)行優(yōu)化是不夠的，采用合適的硬件平臺(tái)與之相結(jié)合是目前普遍采用的方法。

有研究提出一個(gè)基于FPGA的實(shí)時(shí)仿真器來(lái)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(hào)進(jìn)行硬件閉環(huán)的測(cè)試。模塊化多電平換流器閥模型的建立在FPGA中實(shí)現(xiàn)，仿真步長(zhǎng)設(shè)為500 ns，系統(tǒng)部分在CPU中仿真。驅(qū)動(dòng)協(xié)議和FPGA一致，以保證高速的信息傳輸和低延時(shí)。該仿真平臺(tái)支持多個(gè)FPGA板卡，因此可以進(jìn)行超大規(guī)模物理控制器的閉環(huán)系統(tǒng)測(cè)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?fù)?。我?guó)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(shè)中的廈門柔性直流工程都采用模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)。國(guó)際上SIEMENS已建成的美國(guó)跨灣工程(TBC)和法國(guó)一西班牙聯(lián)網(wǎng)工程(INELFE工程)都采用模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)。同時(shí)，ABB公司提出了一種級(jí)聯(lián)兩電平結(jié)構(gòu)(cascaded two level ，CTL)，其本質(zhì)仍為模塊化多電平換流器，并且ABB后續(xù)建設(shè)的數(shù)項(xiàng)柔性直流工程都采用CTL結(jié)構(gòu)。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(shù)學(xué)理論、等效實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算機(jī)硬件等眾多限制，嚴(yán)重制約著相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展。因此，建立模塊化多電平換流器的數(shù)學(xué)和仿真模型能反映換流器的一般運(yùn)行規(guī)律，對(duì)研究柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性、主電路參數(shù)的選取以及控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用，開(kāi)展不同時(shí)問(wèn)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(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)試驗(yàn)具有良好的可控性、無(wú)破壞性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性及進(jìn)行工程方案的比較等方面發(fā)揮著重要作用，為工程調(diào)試奠定了基礎(chǔ)。目前對(duì)MMC的仿真研究按仿真計(jì)算同實(shí)際過(guò)程的時(shí)問(wèn)比例主要分為離線仿真和實(shí)時(shí)仿真，按仿真基于瞬時(shí)值或有效值分為電磁暫態(tài)仿真和機(jī)電暫態(tài)仿真，按不同的仿真步長(zhǎng)可分為納秒級(jí)仿真、微秒級(jí)仿真、毫秒級(jí)仿真。

模塊化多電平換流器具有很好的工程應(yīng)用前景，針對(duì)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(duì)模塊化多電平換流器建模方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)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?fù)?/h3>

圖1所示為三相模塊化多電平換流器的通用結(jié)構(gòu)。

該模塊化多電平換流器模型共有6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂包含N個(gè)了模塊。模塊化多電平換流器拓?fù)鋭?chuàng)始人德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)的Marquardt教授共提出了三種常見(jiàn)的了模塊拓?fù)浞謩e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(yīng)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(shí)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(yùn)行損耗較大目前尚無(wú)工程應(yīng)用。為了在換流器投資、損耗和故障電流箱位能力之問(wèn)實(shí)現(xiàn)折中平衡，有文獻(xiàn)等提出了改進(jìn)模塊化多電平換流器了模塊拓?fù)?，并給出了模塊化多電平換流器橋臂中使用多種模塊拓?fù)浠炻?lián)的方式以降低工程投資的思路，但是截止目前都尚未進(jìn)入工程應(yīng)用階段 。

對(duì)于模塊化多電平換流器的仿真模型，已有文獻(xiàn)大都針對(duì)半橋型模塊化多電平換流器開(kāi)展研究，所得成果可以較容易地通過(guò)自定義編程的方式擴(kuò)展至其余模塊化多電平換流器拓?fù)洌虼藢⒅蒯槍?duì)半橋型模塊化多電平換流器的仿真建模方法進(jìn)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(diǎn)

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(shù)個(gè)模塊級(jí)聯(lián)。例如，世界上第一個(gè)模塊化多電平換流器工程，美國(guó)跨灣工程，單個(gè)橋臂含216個(gè)了模塊(雙端系統(tǒng)共2592個(gè)了模塊)，我國(guó)舟山5端柔性直流輸電工程共包含上萬(wàn)個(gè)了模塊。單個(gè)半橋了模塊中至少包含4個(gè)電力電了開(kāi)關(guān)，且不同了模塊中的開(kāi)關(guān)器件狀態(tài)往往是不同時(shí)動(dòng)作的。因此，在對(duì)模塊化多電平換流器進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真時(shí)，必須設(shè)置較短的仿真步長(zhǎng)，否則將嚴(yán)重影響仿真精度。每一個(gè)仿真步長(zhǎng)內(nèi)都有大量開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)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(diǎn)導(dǎo)納矩陣在每一個(gè)仿真步長(zhǎng)中都需要重新求逆，也即不斷地對(duì)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(guó)內(nèi)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(diǎn)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(shù)，達(dá)到仿真提速的效果，所提出模型根據(jù)簡(jiǎn)化信息的不同，分別適用于不同的場(chǎng)合 。