基于MMC的柔性直流输电系统RTLAB实时仿真研究应用.docx
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基于MMC的柔性直流输电系统RTLAB实时仿真研究应用
基于MMC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-timedigitalsimulationoftheVSC-HVDCsystemusingmodularmultilevelconvertercreatenewchallengeforthemechanismoftraditionalreal-timesimulationsystem,Suchmulti-levelconvertersposeaseriousproblemforHardware-in-the-loop(HIL)simulatorsrequiredforcontrol,protectiondesignandtestingduetothelargenumberofcellsthatmustbesimulatedindividuallyusingverysmalltimesteps.SuchasystemalsorequiressynchronouslymanagingaverylargenumberofI/OcommunicationswiththeC&Psystem.ThispaperdemonstratestheapplicationofRT-LABinreal-timesimulationtestofMMC-HVDC,andshowsthatRT-LABcanaccuratelysimulateMMCconvertersofHVDCsystemwhichcontainshundredsofmodules,andalsoprovedthattheRT-LABcanprovidesolutionforfunctionverificationofC&PsysteminMMC-HVDC.
KEYWORDS:
MMC-HVDC;real-timesimulation;modularmultilevelconverter;RT-LAB
摘要:
采用模块化多电平换流器(MMC)柔性直流输电系统实时仿真测试对老式实时仿真平台架构和算法都提出了新挑战,即必要可以在非常小仿真步长下实时计算大量MMC模块,且必要可以实时解决与待测控制器大量通讯,从而实现闭环测试。
本文重要简介了RT-LAB仿真平台在柔性直流输电实时仿真测试中应用,并对南澳三端柔直系统进行了各种工况下仿真研究并就典型工况加以阐明,研究表白RT-LAB仿真平台可以对数百电平MMC-HVDC系统进行精准仿真,且可以满足对柔直控制保护系统功能验证。
核心词:
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)概念被提出以来,国内外已有数个已建和在建MMC-HVDC工程项目。
从两电平,三电平VSC换流器,到模块化多电平换流器,这些技术演变对仿真技术特别是实时仿真技术也提出了越来越高规定。
例如,VSC对仿真步长和模型精度都规定很高,需要在20µs-50µs步长下才干模仿出高速暂态。
MMC由于需要大量模仿、数字I/O或光纤用于MMC模块控制及信号采集,带来挑战更是惊人。
另一方面,为了研究MMC换流器各种暂态工况,仿真中需要不大于1us步长。
南澳柔性直流输电示范工程本期建成一种±160kV,输送容量为200MW3端柔性直流输电系统,并筹划于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,金牛换流站容量为100MW,青澳换流站容量为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。
本文简要简介了南澳多端柔性直流输电系统状况,且针对数百电平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基本上,完毕了三站稳态运营等实验,验证了RT-LAB仿真平台在该柔性直流输电系统仿真可行性。
1RT-LAB仿真平台系统构成及建模
1.1.MMC对实时仿真器架构规定
论文[1-2]中对MMC拓扑进行了实时仿真和硬件在环研究。
研究表白,采用5阶定步长算法可以在20µs步长下对系统进行精确模仿,并可以对控制器进行在环测试并进行特定条件下研究,如变压器饱和,线路不平衡,接地故障等。
在以往研究中,整个电路解算由原则Intel多核解决器(CPU)在RedhatLinux实时操作系统环境下并行计算完毕。
仿真器中,FPGA负责管理用于与待测控制器连接I/O,同步每个仿真步长与在CPU上解算模型更新一次数据。
系统采用插值算法,在20µs步长内依照实际状况进行插值,插值频率可达10ns。
然而,在MMC应用中,I/O数目随着子模块数目而增长。
当I/O数目很大时,在FPGA与CPU之间传送带有插值信息数据往往带来数十微秒通讯冗余,从而很难实现20µs或更小仿真步长。
为了得到更精准成果,必要将仿真步长减少以更精准捕获暂态过程。
随着FPGA技术不断发展,FPGA运算能力以及I/O数量和速度均有了明显提高,这使得在FPGA片上进行MMC换流阀解算成为了也许。
同步FPGA可以与待测实际阀控装置直接通过I/O进行通讯,极大地减小了FPGA与CPU之间通讯冗余。
1.2.MMC拓扑
模块化多电平换流器(MMC)技术一方面由德国学者R.Marquardt于提出,并由SIEMENS公司于初次应用于实际工程-美国TransBayCable工程(400MW,DC±200kV)。
MMC具备级联型多电平电压源换流器中H桥“模块化”构造特点。
图1为模块化多电平MMC电压源换流器拓扑构造。
MMC基本构造为子模块(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种电抗器(其电感为Ls),同相上下两个桥臂构成一种相单元。
子模块构成中S1和S2为IGBT,D1和D2为相应反并联二极管。
C0为子模块电容,其电压为Vc。
R1和R2为电阻,K1为迅速旁路开关(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换流器每个换流单元可以输出0和Vc两种电压,如果每个半桥臂有N个换流单元,则桥臂输出电压状态将在0,Vc,2Vc,..NVc之间变化,即具备N+1个电平状态。
图1MMC换流器换流器拓扑
1.3.实时仿真系统构成
对柔直系统实际控制保护设备进行实验基本条件是建立一种可以真实模仿工程现场实际运营环境实验平台。
实验系统设计工作就是在充分考虑实验目和规定基本上,设计一种可以对被测试对象进行满足规范书规定实验平台,并拟定实验平台与被测试对象连接。
实验平台重要由实时仿真系统和与被测试对象进行连接接口设备构成。
所有参加实验控制保护系统设备连接成一种完整系统进行实验,直流控制保护系统有关硬件(涉及软件),尽量使用将用于现场连接电缆进行装配、连接在一起,并与实时仿真系统相连接构成完整实验系统。
该实验平台示意图如图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解决器和FPGA片上协同仿真架构,其中FPGA上以250ns步长模仿MMC换流阀高速暂态,同步Intel解决器以10µs-20µs步长对交流电网及直流传播线进行仿真。
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系统主回路参数,此外,涉及交流断路器、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营于CPU和FPGA中,且具备不同仿真步长,必要考虑如何交互通讯。
常规状况下,如果电容电压或者电感上电流变化具备较大时间常数,则选用电感或电容作为多速率实时仿真模型分割点。
但本系统研究状况有所不同,由于此系统中桥臂电感对于电流计算有较大影响,特别在高阻状态下,电感电流和电压存在较多由吸取回路引起高频分量,因而,需要将电感运营于FPGA中以更小步长进行仿真。
此处采用一种简朴模型来验证结论,模型1中,实验电感和电压源在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,实验电感和MMC换流器均在FPGA上解算,步长1µs,而在CPU上以20µs步长仿真电压源,如图5所示。
对于模型1,对MMC子模块来说,接受到是电流,该电流由MMC输出电压及电感决定。
在此状况下,需要选取很大阻抗吸取回路来将电流减小到0,从而可以仿真IGBT闭锁时高阻状态。
此处核心就是要选取吸取回路阻抗大小,使其至少要可以模仿实际系统特性,同步不至于引起仿真中数值振荡。
此吸取回路往往与实际IGBT吸取回路有较大差别,实际吸取回路上升沿往往远远不大于20µs,但使用这个实现实时仿真,咱们必要做某些折中。
对于模型2,MMC子模块接受到是电压输出是电流。
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,吸取电路时间常数以FPGA上步长运营,即比模型1快20倍,这样,吸取电路损耗更小,仿真成果将更加接近实际状况。
图4模型1,将电感仿真于CPU中图5模型2,电感运营于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步长进行计算,MMC每个桥臂在CPU模型中将等效为一种可控电流源。
CPU计算所得交流电压输入给FPGA,而FPGA计算所得桥臂电流反馈给CPU,CPU和FPGA之间每20µs互换一次数据。
运营于FPGA上MMC模型,每个子模块均采用详细模型,即上下两根IGBT管均可接受独立脉冲进行控制,同步子模块电容和放电电阻均被考虑来计算每个子模块电压。
若干MMC子模块电容电压和以及从CPU更新交流电压值将用于桥臂电感电流计算。
从系统测试角度上来说,每一种通讯周期内,RT-LAB将子模块电容电压,桥臂电流,子模块器件开关状态等通过aurora合同发送至阀控,而阀控将换流器控制下发正弦调制信号,转换为每个子模块开关器件导通信号,下发至RT-LAB。
2实时仿真分析
在该实验系统中,进行了稳态以及暂态各工况下柔直系统仿真研究。
下面重要以交直流并联运营方式下三站稳态运营为例。
2.1控制方略
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运营方式。
因而交直流并列运营方式下三站运营工况重要为青澳站、金牛站和塑城站三端HVDC运营,青澳站与金牛站风电通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方略基本相似,只是有功功率控制限制范畴不同。
交直流并列运营方式下,送端换流站通过定有功功率控制,送端换流站指令值可以是由运营人员输入或者风电场有功功率输出值。
别的功率由交流线路灵活提供。
其控制方略及框图如图6所示。
图6交直流并列运营方式下送端换流站控制方略框图
交直流并联运营时,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方略相似控制方式,受端换流站采用定直流电压控制,起功率平衡节点作用,无功功率控制类依照调度需要处在定交流电压控制或定无功功率控制。
其控制方略及框图如图7所示。
图7交直流并列运营方式下受端换流站控制方略框图
2.2实时仿真分析
为了验证在RT-LAB上所搭建多端柔直系统模型精确性,以及检查控制保护系统功能,就表1中所列参数对系统进行了涉及三端柔直系统换流器充电,三端柔直系统交直流并联运营方式下解锁以及三端系统运营在额定有功功率下稳态实验。
系统频率
50Hz
交流网侧线线电压均方值
110kV
交流阀侧线线电压均方值
166kV
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
近来电平逼近
表1系统重要参数
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,在各站直流电压有三次波动,因素是在充电过程中,先由塑城站进行自励充电完毕后,此时因三站均处在极连接状态,金牛和青澳会依次通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,因而时各站均切除了各站启动电阻,消除了充电过程末态电流在启动电阻上导致压降。
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导致冲击并不大。
图12为三站额定有功时阀侧电压电流波形。
在交直流并联运营方式下,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,青澳站阀侧电流峰值为245A,金牛站阀侧电流峰值为492A,均保持了较好正弦度。
此时,塑城站接受150MW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营方式下进行了涉及三端柔直系统换流器充电,三端柔直系统交直流并联运营方式下解锁以及三端系统运营在额定有功功率下仿真研究,并同步对南澳柔直控制保护系统功能进行了验证,成果表白,在交直流并联运营方式下,三端柔直系统可以完毕启动到额定有功运营整个过程,且直流电压恒定,阀侧电压电流波形正弦度高。
实验表白RT-LAB仿真平台可以用于模块化多电平柔性直流输电系统实时仿真和控制保护测试,柔直系统规模可以达到数千模块。
应用经验表白,RT-LAB仿真平台可以用于复杂和迅速电力电子系统实时仿真,并用于控制保护系统应用,除了可以用于STATCOM、VSC-HVDC和UPFC等系统建模和控制保护测试外,也许用于基于电力电子变换器直流输电网络建模和仿真。
后续系统建模可进一步结合交流系统状况,以及各种负荷模型,完善系统模型,对系统运营方式和控制保护系统进行全面测试。
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