基于MMC的柔性直流输电系统RTLAB实时仿真研究样本.doc

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基于MMC的柔性直流输电系统
RT-LAB实时仿真研究
朱喆, 饶宏, 黎小林, 李岩, 许树楷
( 南方电网科学研究院 广东省 广州市 500081)
ABSTRACT: Real-time digital simulation of the VSC-HVDC system using modular multilevel converter create new challenge for the mechanism of traditional real-time simulation system, Such multi-level converters pose a serious problem for Hardware-in-the-loop(HIL) simulators required for control, protection design and testing due to the large number of cells that must be simulated individually using very small time steps. Such a system also requires synchronously managing a very large number of I/O communications with the C&P system. This paper demonstrates the application of RT-LAB in real-time simulation test of MMC-HVDC, and shows that RT-LAB can accurately simulate MMC converters of HVDC system which contains hundreds of modules, and also proved that the RT-LAB can provide solution for function verification of C&P system in MMC-HVDC.
KEY WORDS: MMC-HVDC; real-time simulation; modular multilevel converter; RT-LAB
摘要: 采用模块化多电平换流器( MMC) 的柔性直流输电系统的实时仿真测试对传统实时仿真平台的架构和算法都提出了新的挑战, 即必须能够在非常小的仿真步长下实时计算大量MMC模块, 且必须能够实时处理与待测控制器的大量的通讯, 从而实现闭环测试。本文主要介绍了RT-LAB仿真平台在柔性直流输电实时仿真测试中的应用, 并对南澳三端柔直系统进行了各种工况下的仿真研究并就典型工况加以说明, 研究表明RT-LAB仿真平台能够对数百电平MMC-HVDC系统进行精确仿真, 且能够满足对柔直控制保护系统功能验证。
关键词: 多端MMC-HVDC; 实时仿真; 模块化多电平换流器( MMC) ; RT-LAB

0 引言

自 模块化多电平电压源换流器( MMC) 的概念被提出以来, 国内外已有数个已建和在建的MMC-HVDC工程项目。从两电平, 三电平的VSC换流器, 到模块化多电平换流器, 这些技术的演变对仿真技术特别是实时仿真技术也提出了越来越高的要求。例如, VSC对仿真步长和模型精度都要求很高, 需要在20µs-50µs的步长下才能模拟出高速的暂态。MMC由于需要大量模拟、 数字I/O或光纤用于MMC模块的控制及信号采集, 带来的挑战更是惊人。另一方面, 为了研究MMC换流器各种暂态工况, 仿真中需要小于1us的步长。
南澳柔性直流输电示范工程本期建成一个±160kV, 输送容量为200MW的3端柔性直流输电系统, 并计划于 11月底前投产。在汕头南澳岛上建设2个送端换流站( 金牛站和青澳站) , 其中, 金牛换流站的容量为100MW, 青澳换流站的容量为50MW。在澄海区塑城站近区建设1个受端换流站( 塑城站) , 塑城换流站的容量为200MW。当前采用RT-LAB实时仿真平台对该柔直系统进行仿真分析及测试。
本文简要介绍了南澳多端柔性直流输电系统的情况, 且针对数百电平的MMC-HVDC系统进行了仿真建模, 并在与实际控制保护装置相连接的基础上, 完成了三站稳态运行等试验, 验证了RT-LAB仿真平台在该柔性直流输电系统仿真的可行性。

1 RT-LAB仿真平台系统组成及建模
1.1. MMC对实时仿真器架构的要求
论文[1-2]中对MMC拓扑进行了实时仿真和硬件在环的研究。研究表明, 采用5阶定步长算法能够在20µs的步长下对系统进行准确的模拟, 并能够对控制器进行在环测试并进行特定条件下的研究, 如变压器饱和, 线路不平衡, 接地故障等。在以往的研究中, 整个电路的解算由标准的Intel多核处理器(CPU)在Redhat Linux实时操作系统的环境下并行计算完成。仿真器中, FPGA负责管理用于与待测控制器连接的I/O, 同时每个仿真步长与在CPU上解算的模型更新一次数据。系统采用插值算法, 在20µs的步长内根据实际情况进行插值, 插值频率可达10ns。然而, 在MMC的应用中, I/O的数目随着子模块的数目而增加。当I/O数目很大时, 在FPGA与CPU之间传送带有插值信息的数据往往带来数十微秒的通讯冗余, 从而很难实现20µs或更小的仿真步长。
为了得到更精确的结果, 必须将仿真步长降低以更精确的捕捉暂态过程。随着FPGA技术的不断发展, FPGA的运算能力以及I/O的数量和速度都有了显著提高, 这使得在FPGA片上进行MMC换流阀的解算成为了可能。同时FPGA能够与待测的实际阀控装置直接经过I/O进行通讯, 极大地减小了FPGA与CPU之间的通讯冗余。
1.2. MMC拓扑
模块化多电平换流器( MMC) 技术首先由德国学者R. Marquardt于 提出, 并由SIEMENS公司于 首次应用于实际工程-美国Trans Bay Cable工程( 400MW, DC±200kV) 。
MMC具有级联型多电平电压源换流器中的H桥的”模块化”结构特点。图1为模块化多电平MMC电压源换流器的拓扑结构。MMC的基本结构为子模块(SubModule, SM), 如图1所示。每个桥臂由2N个子模块(SubModule, SM)级联构成。上下桥臂间分别串联一个电抗器(其电感为Ls), 同相上下两个桥臂构成一个相单元。子模块的构成中S1和S2为IGBT, D1和D2为相应的反并联二极管。C0为子模块电容, 其电压为Vc。R1和R2为电阻, K1 为快速旁路开关(用于切除故障子模块), K2为保护晶闸管。如果子模块直流电容电压已经被控制为Vc, MMC换流器的每个换流单元能够输出0和Vc两种电压, 如果每个半桥臂有N个换流单元, 则桥臂输出电压的状态将在0,Vc,2Vc,..NVc之间变化, 即具有N+1个电平状态。

图1 MMC换流器换流器拓扑
1.3. 实时仿真系统组成
对柔直系统实际控制保护设备进行试验的基本条件是建立一个能够真实模拟工程现场实际运行环境的试验平台。试验系统的设计工作就是在充分考虑试验目的和要求的基础上, 设计一个能够对被测试对象进行满足规范书要求的试验平台, 并确定试验平台与被测试对象的连接。
试验平台主要由实时仿真系统和与被测试对象进行连接的接口设备组成。所有参与试验的控制保护系统设备连接成一个完整的系统进行试验, 直流控制保护系统的相关硬件( 包括软件) , 尽可能使用将用于现场的连接电缆进行装配、 连接在一起, 并与实时仿真系统相连接构成完整的试验系统。
该试验平台示意图如图2所示。

图2 实时仿真平台系统示意图
其中, RT-LAB仿真平台基于Intel处理器和FPGA片上协同仿真的架构, 其中FPGA上以250ns的步长模拟MMC换流阀的高速暂态, 同时Intel 处理器以10µs-20µs的步长对交流电网及直流传输线进行仿真。
图3为南澳柔直示范工程电气主接线示意图, 图中所示等值交流电网、 风电场及直流架空线路和电缆等, 均在RT-LAB中进行了建模仿真, 且采用与实际工程完全一致的系统主回路参数, 另外, 包括交流断路器、 换流变压器、 启动回路、 阀电抗器、 MMC换流器、 直流侧及阀侧避雷器、 直流电抗器等主回路一次设备, 均在RT-LAB里面进行与工程实际参数一致的建模。

图3 南澳柔直示范工程电气主接线示意图
1.4. RT-LAB建模分析
由于不同子系统分别运行于CPU和FPGA中, 且具有不同的仿真步长, 必须考虑如何交互通讯。常规情况下, 如果电容电压或者电感上的电流变化具有较大的时间常数, 则选取电感或电容作为多速率实时仿真模型的分割点。但本系统研究的情况有所不同, 由于此系统中桥臂电感对于电流的计算有较大影响, 特别在高阻状态下, 电感的电流和电压存在较多的由吸收回路引起的高频分量, 因此, 需要将电感运行于FPGA中以更小步长进行仿真。
此处采用一个简单的模型来验证结论, 模型1中, 试验电感和电压源在CPU上解算, 步长为20µs, 而MMC换流器在FPGA上计算, 步长为1µs, 如图4所示; 模型2中, 试验电感和MMC换流器均在FPGA上解算, 步长1µs, 而在CPU上以20µs的步长仿真电压源, 如图5所示。
对于模型1, 对MMC子模块来说, 接收到的是电流, 该电流由MMC输出电压及电感决定。在此情况下, 需要选择很大阻抗的吸收回路来将电流减小到0, 从而能够仿真IGBT闭锁时的高阻状态。此处关键就是要选择吸收回路的阻抗大小, 使其至少要能够模拟实际系统的特性, 同时不至于引起仿真中的数值振荡。此吸收回路往往与实际IGBT的吸收回路有较大差别, 实际的吸收回路的上升沿往往远远小于20µs, 但使用这个实现实时仿真, 我们必须做一些折中。
对于模型2, MMC子模块接收到的是电压输出的是电流。该电流由子模块输入电压、 电容电压及电感决定。在高阻态下, 吸收电路时间常数以FPGA上的步长运行, 即比模型1快20倍, 这样, 吸收电路损耗更小, 仿真结果将更加接近实际情况。

图4 模型1, 将电感仿真于CPU中 图5 模型2, 电感运行于FPGA中
在RT-LAB模型中, 等值交流电网和直流线路等将在CPU中以20µs的步长进行计算, MMC的每个桥臂在CPU模型中将等效为一个可控电流源。CPU计算所得交流电压输入给FPGA, 而FPGA计算所得的桥臂电流反馈给CPU, CPU和FPGA之间每20µs 交换一次数据。运行于FPGA上的MMC模型, 每个子模块均采用详细模型, 即上下两根IGBT管均可接收独立的脉冲进行控制, 同时子模块电容和放电电阻均被考虑来计算每个子模块的电压。若干MMC子模块电容电压和以及从CPU更新的交流电压值将用于桥臂电感电流的计算。从系统测试角度上来说, 每一个通讯周期内, RT-LAB将子模块电容电压, 桥臂电流, 子模块器件开关状态等经过aurora协议发送至阀控, 而阀控将换流器控制下发的正弦调制信号, 转换为每个子模块开关器件的导通信号, 下发至RT-LAB。
2 实时仿真分析
在该试验系统中, 进行了稳态以及暂态各工况下柔直系统的仿真研究。下面主要以交直流并联运行方式下三站稳态运行为例。
2.1 控制策略
南澳多端柔性直流输电因青澳和金牛换流站为实现风电场接入送端站, 不考虑青澳和金牛之间HVDC运行方式。因此交直流并列运行方式下三站运行工况主要为青澳站、 金牛站和塑城站三端HVDC运行, 青澳站与金牛站风电经过交流线路和直流送入电网。青澳和金牛流站均采用定有功功率控制, 塑城站受端换流站采用定直流电压控制, 起功率平衡作用。青澳站与金牛站控制策略基本相同, 只是有功功率控制限制范围不同。
交直流并列运行方式下, 送端换流站经过定有功功率控制, 送端换流站指令值能够是由运行人员输入或者风电场有功功率输出值。其余功率由交流线路灵活提供。其控制策略及框图如图6所示。

图6 交直流并列运行方式下送端换流站控制策略框图
交直流并联运行时, 受端换流站塑城站采用与常规两端柔性直流输电定直流电压控制策略相同控制方式, 受端换流站采用定直流电压控制, 起功率平衡节点作用, 无功功率控制类根据调度需要处于定交流电压控制或定无功功率控制。其控制策略及框图如图7所示。

图7 交直流并列运行方式下受端换流站控制策略框图
2.2 实时仿真分析
为了验证在RT-LAB上所搭建的多端柔直系统模型的准确性, 以及检验控制保护系统的功能, 就表1中所列参数对系统进行了包括三端柔直系统的换流器充电, 三端柔直系统交直流并联运行方式下解锁以及三端系统运行在额定有功功率下的稳态试验。
系统频率
50 Hz
交流网侧线线电压均方值
110 kV
交流阀侧线线电压均方值
166 kV
直流电压
±160kV
连接变压器接线形式
YNd11
连接变压器变比
110kV/166kV
连接变短路阻抗
10%(青澳)
12%( 金牛)
12%( 塑城)
桥臂电抗
360mH(青澳) 180mH( 金牛)
100mH( 塑城)
连接变压器接线形式
YNd11
换流阀控制方式
最近电平逼近
表1 系统主要参数

图8 换流器充电过程直流电压波形

图9 换流器充电时三站阀侧电压波形

图10 换流器解锁时三站直流电压波形

图11 换流器解锁时三站阀侧电流波形

图12 三站额定有功时阀侧电压电流波形

图13 三站额定有功时直流电压波形
图8为三端换流站充电过程中直流电压波形, 由图可知, 在各站的直流电压有三次波动, 原因是在充电过程中, 先由塑城站进行自励充电完成后, 此时因三站均处于极连接状态, 金牛和青澳会依次经过交流侧合闸进行二次充电, 此时会对直流侧电压有一定冲击。
图9为三端换流站充电过程中阀侧电压波形, 由图可知, 各站阀侧电压均含一跳变过程, 塑城站发生在1.059s左右, 青澳站发生在1.06s左右, 金牛站发生在1.061s左右, 因此时各站均切除了各站的启动电阻, 消除了充电过程末态电流在启动电阻上造成的压降。
图10为换流器解锁时直流电压波形, 解锁时刻发生在6660s左右, 由图可知, 各站直流电压无明显冲击, 且在各站解锁后直流电压沿着设定的电压斜坡在6710s处上升至额定值。图11显示了在启动过程中各站阀侧电流的波形, 由图可知, 塑城站作为受端站控直流电压, 最先解锁, 青澳与金牛站依次解锁, 三次解锁给各站阀侧电流造成的冲击并不大。
图12为三站额定有功时阀侧电压电流波形。在交直流并联运行方式下, 塑城站为受端换流站采用定直流电压控制, 直流电压稳定在±160kV。而青澳站和金牛站均为PQ控制, 此时三站无功均为0, 青澳站送出了50MW的有功, 金牛站送出100MW有功。
由图可知, 塑城, 金牛, 青澳三站阀侧相电压峰值均稳定在135kV, 青澳站的阀侧电流峰值为245A, 金牛站阀侧电流峰值为492A, 均保持了很好的正弦度。此时, 塑城站接受150MW的有功, 由图13可知, 各站直流电压与直流电流均能保持恒定。

3 结论
本文对南澳3端柔性直流系统在交直流并列运行方式下进行了包括三端柔直系统的换流器充电, 三端柔直系统交直流并联运行方式下解锁以及三端系统运行在额定有功功率下的仿真研究, 并同时对南澳柔直控制保护系统的功能进行了验证, 结果表明, 在交直流并联运行方式下, 三端柔直系统能够完成启动到额定有功运行的整个过程, 且直流电压恒定, 阀侧电压电流波形正弦度高。试验表明RT-LAB仿真平台能够用于模块化多电平柔性直流输电系统的实时仿真和控制保护测试, 柔直系统规模能够达到数千模块。
应用经验表明, RT-LAB仿真平台能够用于复杂和快速的电力电子系统实时仿真, 并用于控制保护系统的应用, 除了能够用于STATCOM、 VSC-HVDC和UPFC等系统的建模和控制保护测试外, 可能用于基于电力电子变换器的直流输电网络的建模和仿真。
后续的系统建模可进一步结合交流系统的情况, 以及多种负荷的模型, 完善系统模型, 对系统运行方式和控制保护系统进行全面的测试。

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