- 頭條模塊化多電平換流器的新型仿真模型，具備內部故障仿真功能2021-02-05 作者：王潔聰 劉崇茹 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、國網山東省電力公司經濟技術研究院的研究人員王潔聰、劉崇茹、徐東旭、朱毅，在2019年第18期《電工技術學報》上撰文指出（論文標題為“基于實時數字仿真器的模塊化多電平換流器內部故障混合仿真模型”），高電壓模塊化多電平換流器（MMC）中大量子模塊級聯給實時仿真帶來了極大的挑戰。 通過對橋臂或換流器進行封裝等效可以提高MMC仿真系統的計算效率，但高度封裝化的模型給換流器內部故障的仿真造成了困難。相比于離線仿真軟件，實時數字仿真器（RTDS）對模型計算速度和效率的要求更高，而且由于不能進行插值，對電力電子器件的模擬較為困難。 為了兼顧實時仿真對故障仿真功能和模型計算效率的雙重需求，該文采用詳細等效和簡化等效相結合的混合仿真方法，利用CBuilder工具開發了一種適用于RTDS的具備內部故障仿真功能的MMC橋臂混合仿真模型。該模型避免了不同類型仿真模型間一個步長的延時問題，不僅能夠快速仿真大規模MMC系統，還能夠模擬多種換流器內部故障。在RTDS中搭建單端MMC系統，驗證了所提模型的精確性和有效性。
模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）需要達到數百電平才能滿足實際工程對高電壓、大容量的需求，這給MMC的電磁暫態仿真帶來了極大的挑戰。
針對這一問題，國內外學者提出了很多高效建模方法，根據研究對象的不同，將MMC子模塊、橋臂或者整個三相換流單元等效為封裝模塊，降低了仿真系統的求解維度。
其中，以橋臂為單元進行封裝建模的方法既可以充分利用MMC模塊化的結構特點從而減小計算量，又可以保留較多換流器內部的細節特征，且模型搭建較方便，在現有文獻中應用較多。
根據能否保留子模塊內部細節特征又可以將模型分為兩類：第一類模型可以保留子模塊內部特征，但需要對大量子模塊電容進行積分運算，計算效率較低，有學者研究文獻中的模型屬于該類模型；第二類模型模擬橋臂電壓的動態特性，不保留子模塊內部特征，但計算簡單，有學者研究文獻中的模型屬于該類模型。
現有高度封裝化的建模方法能夠準確模擬MMC穩態、換流器閉鎖、交流故障和直流故障等過程的動態特性，而且具有較高的仿真效率，但給換流器內部故障的仿真造成了困難。為了模擬子模塊故障，現有文獻都是利用仿真平臺提供的元件模型按照子模塊拓撲結構額外搭建若干個子模塊模型（子模塊詳細模型）。
有學者用子模塊詳細模型的仿真信息替換等效模型中對應子模塊模型的數值信息，因此存在一個仿真步長的滯后。有學者則是直接將詳細子模塊模型串聯接入橋臂之中，只能模擬某一個或少數幾個子模塊的故障情況，而且該方法并不適用于實時數字仿真器（Real-Time Digital Simulator, RTDS），因為RTDS提供的電力電子元器件和用戶自定義模型分屬不同的仿真步長，相互連接需要用到接口變壓器從而引入新的誤差。電力電子換流器結構越發復雜，這勢必導致設備故障概率大大增加，如何對換流器內部故障，包括子模塊的內部故障以及橋臂故障進行建模，仍然是該領域研究的難點。
RTDS是MMC控制器及保護裝置在設計、研發及調試過程中常用的仿真裝置，與離線的電磁暫態仿真軟件相比，RTDS由于其實時性的仿真特性以及有限的硬件資源，對于模型的計算速度和效率有著更高的要求；而且由于RTDS不提供插值算法，不能準確判斷電力電子器件的準確動作時刻，不能在網絡拓撲突變時重新對網絡初始化，對含電力電子元器件的電路仿真較為困難。
用戶可以通過兩種方法使用RTDS進行MMC仿真：一是利用RTDS平臺提供的MMC橋臂封裝模塊搭建仿真系統；二是利用RTDS的CBuilder工具自定義MMC子模塊或橋臂模型。
RTDS平臺提供了兩種基于GPC/PB5處理器板卡的MMC封裝模塊：rtds_vsc_MMC5和rtds_ vsc_CHAINV5，以及兩種基于FPGA板卡開發的MMC模型：Unified Model（U5）和Generic Model（GM）。
其中，rtds_vsc_MMC5不能模擬單個子模塊的動態特性，rtds_vsc_CHAINV5可以模擬每個子模塊電容的充放電過程，但單橋臂子模塊個數最大僅為56個，這兩種模型都沒有提供故障仿真功能。
基于FPGA的模型需另外購買GTFPGA Unit才能使用，U5和GM模型分別能夠實現不超過501電平和1025電平的MMC系統仿真，這兩種模型都具備部分換流器內部故障仿真功能，但只包括電容短路故障、電容值下降和子模塊旁路等三種子模塊故障和橋臂電抗器短路故障，不具備模擬子模塊中電力電子開關元件故障的功能，也不能模擬橋臂接地、短路、斷路等故障。但子模塊和橋臂故障會嚴重影響系統的穩定運行，有必要對其建立精確的仿真模型用于故障特性、診斷及保護策略的研究。
用戶在利用RTDS的CBuilder平臺進行自定義開發實現MMC系統仿真時，會受到計算資源的限制，進而影響模型的計算效率。有學者利用CBuilder平臺開發了可用于子模塊內部特性及控制保護策略研究的自定義子模塊模型，但由于對每個子模塊單獨建模，計算資源需求較多，因此所開發的模型無法應用于高電平MMC系統的仿真。
針對換流站內部故障仿真困難的問題，兼顧實時仿真對模型計算效率的需求，本文建立了子模塊內部故障詳細等效模型和子模塊組簡化等效模型，在這兩種模型的基礎上，采用詳細等效和簡化等效相結合的混合仿真方法，設計一種具備內部故障仿真功能的MMC橋臂混合仿真模型。
圖5 具備故障仿真功能的橋臂混合仿真模型
圖7 單端21電平MMC仿真系統
結論
本文在RTDS平臺中的GPC/PB5環境下，利用CBuilder工具，以橋臂為基本單元，開發了適用于大規模MMC-HVDC系統仿真的混合仿真模型，不僅能夠仿真高電平MMC系統，還能夠模擬換流器內部故障，該模型具有如下特征：
- 1）為了模擬子模塊內部故障，對子模塊每個器件的故障狀態進行建模，建立子模塊內部故障詳細等效模型。
- 2）為解決CBuilder下資源受限的問題，根據子模塊平均電容電壓與開關函數和橋臂電流的數學關系，提出一種基于戴維南等效的子模塊組簡化等效模型，避免了基于受控電壓源的簡化等效模型存在的滯后一個仿真步長的問題。
- 3）采用詳細等效和簡化等效混合仿真的方法，將橋臂中的所有子模塊分為兩組：一組為特殊子模塊，建立子模塊內部故障詳細等效模型；其余為另一組，建立子模塊組簡化等效模型，并在橋臂模型中增設故障節點，使得模型既可用于高電平系統仿真，又能夠模擬換流器內部故障，包括子模塊內部各類故障和橋臂故障。
通過與PSCAD/EMTDC中用器件搭建的詳細模型進行仿真對比，證明了所提模型的有效性和精確性以及動態下模型的穩定性。
