基于RTDS的MMC自定义子模块的设计方法

摘要

本发明公开了电力系统运行和控制技术领域的一种基于RTDS的MMC自定义子模块的设计方法。其技术方案是，建立含有IGBT、旁路二极管和电容元件，以及用于子模块控制和保护的旁路开关和旁路晶闸管元件的子模块等效模型，并根据CBuilder的程序开发语言，编写自定义子模块的程序，实现子模块的各种运行状态。本发明的有益效果是，提出的自定义子模块能正确模拟由单个元件组成的仿真模型，仿真精度高，并能结合载波相移调制策略，不需外部搭建电容均压控制器，即可实现子模块的电容均压，减少了控制器的占用资源。另外，子模块的输入端信号中可以输出表征子模块故障的信号，用于测试子模块的控保装置。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统运行和控制技术领域，尤其涉及一种基于 RTDS的MMC自定义子模块的设计方法。

背景技术

近几年，随着风力发电、太阳能发电等可再生能源发电的发展， 基于电压源换流器的轻型直流输电系统（VSC-HVDC）由于具有经济、 灵活、高可控性等优点，得到了快速的应用和发展。轻型直流输电广 泛应用于可再生能源比如大型风电场并网、分布式发电并网、孤岛供 电、大城市电网供电、非同步交流电网互联、多端直流输电等领域。

但常规的VSC-HVDC系统一般采用两电平或三电平电压源型换 流器，存在开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、换流站占地 面积大的缺点，此外还存在串联器件动态均压的问题。模块化多电平 换流器（MMC）新型灵活的拓扑结构很好的克服了传统VSC-HVDC 输出电压谐波大、换流站占地面积大，开关损耗高的缺点，是目前最 有前景的直流输电方式。

基于MMC的轻型直流输电系统需要大量的子模块（SM， sub-module）串联，给实时仿真计算带来了巨大的挑战，特别是采用 实时数字仿真器（real-time digital simulator，RTDS）对MMC换流器 进行建模。在MMC系统中子模块是换流器最基本也是最重要的组成 单元，子模块的运行情况关系到整个MMC系统的安全和可靠性，因 此研究单个子模块故障以及控制保护策略对基于MMC的轻型直流 输电系统具有重要的意义。但是在现有的RTDS软件中可用于MMC 系统建模的元件，是封装好的桥臂，不能用于单个子模块故障的控保 策略的研究，这给RTDS与外接控保装置的测试带来了困难，因此开 发可用于单个子模块故障的MMC实时仿真系统，具有重大的现实意 义的。

发明内容

针对背景技术中所述的实时数字仿真器RTDS自带的模块化多 电平换流器MMC元件不能用于研究单个子模块故障的控保策略问 题，本发明提出了一种基于RTDS的MMC自定义子模块的设计方法。

一种基于RTDS的MMC自定义子模块的设计方法，其特征在于， 所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：对模块化多电平换流器MMC子模块所包括的元件进行 建模；

步骤2：在步骤1中得到的数学模型的基础上，得到子模块SM 的等效模型；

步骤3：根据子模块不同的工作状态，将子模块等效模型，简化 成电导为g，注入电流源为i_h(t)的诺顿等效模型，确定子模块的计算 模式；

步骤4：设定自定义子模块的输入输出变量及自定义子模块实现 的功能；

步骤5：定义子模块的参数和各节点的类型，并生成自定义子模 块的头文件rtds SM.h；

步骤6：根据步骤2和步骤3得到的MMC子模块的等效模型与 计算模式，以及在步骤5生成的头文件rtds SM.h，设计rtds SM的 程序实现流程，并编写实现自定义子模块rtds SM的程序。

步骤1中，具有控保电路的MMC子模块包括绝缘栅双极型晶体 管IGBT、反并二极管、电容、旁路开关和旁路晶闸管，分别对子模 块的五种元件进行建模；

（1）电容等效模型：

电容的电压和电流的关系为：

$V_c\left(t\right)=\frac{1}{C}{\int }_0^t{I}_c\left(t\right)---\left(1\right)$

应用梯形差分法将式(1)线性化，得：

$V_c\left(t\right)=V_c(t-\mathrm{dt})+\frac{\mathrm{dt}}{C}\left(\frac{I_c(t-\mathrm{dt})+I_c\left(t\right)}{2}\right)---\left(2\right)$

则有，

$I_c\left(t\right)=\frac{2C}{\mathrm{dt}}{V}_c\left(t\right)-\frac{2C}{\mathrm{dt}}{V}_c(t-\mathrm{dt})-I_c(t-\mathrm{dt})---\left(3\right)$

令，

$I_h\left(t\right)=-\frac{2C}{\mathrm{dt}}{V}_c(t-\mathrm{dt})-I_c(t-\mathrm{dt})---\left(4\right)$

$G_c=\frac{2C}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

那么，

I_c(t)=G_cV_c(t)+I_h(t)        (6)

其中，Ic₍t)是电容电流；V_c(t)是电容电压；G_c是电容等效电阻； I_h(t)是电容等效注入电流源；dt是计算周期；dt越小，精度越高。

（2）绝缘栅双极型晶体管IGBT等效模型：

用开关函数表示绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关过程。当绝缘 栅双极型晶体管IGBT处于导通状态时，等效成一个数值很小的电阻 R_on，例如10^-5欧姆；同理，当绝缘栅双极型晶体管IGBT处于开断状 态时，等效成一个数值很大的电阻R_off，例如10⁵欧姆。定义开关函 数S_i：

$S_i=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)---\left(7\right)$

其中，“1”表示开关导通，“0”表示开关关断，下标i＝1对应SM 模块的IGBT₁的开关函数，下标i＝2对应SM模块的IGBT₂的开关函 数；

在SM模块中，上开关IGBT₁的等效电阻为R_s1，下开关IGBT₂的 等效电阻为R_s2；因此，IGBT₁与IGBT₂的等效电阻可以表示为：

$\left(\begin{array}{c}{R}_{s1}=S_1·R_{\mathrm{on}}+S_2·R_{\mathrm{off}}\\ R_{s2}=S_1·R_{\mathrm{off}}+S_2·R_{\mathrm{on}}\end{array}\right)---\left(8\right)$

可以看出，当SM处于投入状态时，IGBT₁和IGBT₂对应的等效电 阻分别为：

$\left(\begin{array}{c}{R}_{s1}=R_{\mathrm{on}}\\ R_{s2}=R_{\mathrm{off}}\end{array}\right)---\left(9\right)$

当SM处于切除状态时，IGBT₁和IGBT₂对应的等效电阻分别为：

$\left(\begin{array}{c}{R}_{s1}=R_{\mathrm{off}}\\ R_{s2}=R_{\mathrm{on}}\end{array}\right)---\left(10\right)$

（3）反并二极管等效模型：

二极管两端的电位差决定了二极管的导通状态，其等效模型与 IGBT相同，当二极管处于导通和开断状态时，其等效电阻分别为：

$\left(\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{Dff}}=R_{\mathrm{off}}\\ R_{\mathrm{Don}}=R_{\mathrm{on}}\end{array}\right)---\left(11\right)$

（4）旁路开关和旁路晶闸管：

旁路开关是高速动作开关，设定接收到触发信号时，便马上动作。 因此，在建立旁路开关模型时，设其触发信号为K，当K=1时，旁路 开关闭合；当K=0时，旁路开关断开。

对于旁路晶闸管，设其门极触发信号为T，当T由0变为1时， 晶闸管被触发导通。晶闸管从接收触发信号到动作需要几微秒的延 时。

步骤2中，在步骤1中五个元件数学模型的基础上，由步骤1中 的式(6)、(8)和(11)得到子模块SM的等效模型，得到SM输出的电压 为：

$V_{\mathrm{SM}}\left(t\right)=\frac{R_2}{R_1+R_2}{V}_c\left(t\right)---\left(12\right)$

设E_N=0表示子模块处于闭锁状态，E_N=1表示子模块处于投入或 旁路状态，则相应的等效电阻R₁和R₂分别为：

$\left(\begin{array}{c}{R}_1=E_N·R_{s1}+(1-E_N)·R_{D1}\\ R_2=E_N·R_{s2}+(1-E_N)·R_{D2}\end{array}\right)---\left(13\right)$

步骤3：根据子模块不同的工作状态，将子模块的等效模型，进 一步化简成电导为g，注入电流源为i_h(t)的诺顿等效模型，得到子模 块基本计算模式：

模式1：等效电容充放电模式：电导g=1/R_on+G_c，注入电流源为i_h(t)；

模式2：小电阻短路模式：电导g=1/R_on，注入电流源为0；

模式3：大电阻开路模式：电导g=1/R_off，注入电流源为0；

步骤4：明确自定义子模块的输入输出变量。为了正确模拟子模 块的各种运行状态，包括子模块的投入，旁路，闭锁，发生IGBT故 障和旁路开关拒动的故障，以及实现结合载波相移调制策略实现电容 均压控制的功能，所开发的自定义子模块rtds_SM共包括9个输入 和2个输出：

表1 rtds_SM输入输出信号的定义

由上述的输入输出变量，得到自定义子模块实现的功能：

表2 rtds_SM可以实现的功能

  可以实现的功能 1 MMC系统的启停过程 2 单个SM发生故障 3 多个SM发生故障 4 可以任意设置冗余模块的个数 5 冗余模块替换故障模块 6 子模块的旁路晶闸管触发导通 7 子模块的旁路开关正确动作 8 子模块发生旁路开关拒动故障 9 子模块的IGBT元件发生故障

步骤5中，同时定义子模块的参数和各节点的类型，并生成自定 义子模块的头文件rtds_SM.h的过程包括：

步骤501：在CBuilder中，画出rtds_SM的图标。根据步骤3 中的输入变量，在rtds_SM的图标上定义输入节点的类型和名称，并 在头文件中生成“INPUTS”的类。

步骤502：然后在CBuilder的Parameter中，设计rtds_SM的 参数输入界面，创建“PARAMETER”、“MO NITORING”以及 “CONFIGURATION”三个区，分别用于输入子模块的参数，子模块的 输出观测量以及子模块的处理器设置。其中子模块可输入的参数如表 4所示。

表3 rtds_SM的可输入的参数

  子模块的参数界面 NAME SM的名称 Ron IGBT的导通电阻 Roff IGBT的开断电阻 CVAL SM的电容值 Vref SM的电容电压整定值 vctl_max 电容均压控制信号的上限 vctl_min 电容均压控制信号的下限 A 电容均压控制的比例系数

步骤503：子模块的输出变量，通过“Add Variable to H File” 选项，从中选择“create GENE RIC OUTPUTS”，将两个输出变量定义 成可观测变量，在rtds_SM的参数界面“MO NITORING”中可以选择是 否观测该变量。所定义的输出变量将在头文件中自动生成类型为 “OUTPUTS”的类。

步骤504：定义电力系统元件的三个特有变量物理节点、电导和 电流源。由于子模块是双端的电力系统元件，因此定义子模块与外电 路连接的两个物理节点“N₁”和“N₂”。在CBuilder中的电力系统元 件采用的是诺顿等效模型，定义子模块的等效电导和注入电流源。在 “Add Variable to H File”的选项中选择“create GVALUE”和“create INJECTIONS”分别定义子模块的等效电导变量GEQ和注入电流源变量 CINJN1与CINJN2。特别需要注意的是，注入电流源需要定义两个变 量，CINJN1与CINJN2分别表示从节点N₁流入再从节点N₂流出的电流 源。所定义的物理节点，电导和电流源在头文件中自动生成类型为 “NODES”、“GVALUES”和“INJECTIONS”的类。

步骤6：根据步骤2和步骤3得到的MMC子模块的等效模型与基 本计算模式，以及在步骤5生成的头文件rtds_SM.h，设计rtds_SM 的程序实现流程的过程包括以下步骤：

步骤61：根据所设定的输入变量，首先判断旁路开关信号K_F是 否发生拒动故障：

a）若K_F=1，表示不发生故障，则表征旁路开关实际动作的信号 Ps就是等于输入的旁路开关动作信号K；

b）若K_F=0，表示发生拒动故障，则判断旁路开关的输入动作信 号K，若K=1，表示外界输入的开关信号是断开的，为了表示拒动， 开关的实际动作信号P_S是不断开，因此令P_S=0；同理当K=0时，令 P_S=1；

步骤62：同时对旁路晶闸管的信号进行处理：

T是晶闸管接收的外界输入触发导通信号，T_T是一个判断输入信 号T上升沿的一个变量，一旦检测到T的值为1时，令T_T＝1，晶闸 管收到触发导通信号；否则，T_T＝0，晶闸管没有收到触发导通信号。

步骤63：然后先对旁路开关的实际动作信号P_S进行判断，旁路 开关是否闭合：

1）若P_S=0，表示旁路开关是闭合的，则子模块直接进入小电阻 计算模式2；

2）若P_S=1，表示旁路开关是断开的，继续判断晶闸管的导通信 号TT的情况；

步骤64：判断晶闸管的导通信号T_T的情况：

步骤641：若T_T＝1，则说明晶闸管的触发信号是导通，那么子模 块需要判断子模块的两个节点的电位大小V_N1和V_N2的关系：

1.1）若V_N1>V_N2，则说明晶闸管反向不导通，判断IGBT是否发 生故障：S_1F和S_2F分别表示上IGBT₁和下IGBT₂的故障信号，具体 步骤如下：

a）若S_2F=1，表示下IGBT₂发生短路故障，此时子模块直接进入 小电阻短路计算模式2，同时令子模块状态切换信号变TEM_P=0；

b）若S_2F=0，表示下IGBT₂不发生故障，则此时再进一步判断上 IGBT1是否发生故障

①S_1F＝1，表示上IGBT₁发生短路故障，当F_P2>0，即为高电平时， F_P1为低电平，子模块进入计算模式2，同时令变量TEM_P=0；否则， 当F_P2<=0，即为低电平时，F_P1为高电平，进入切换信号的判断：先 判断切换信号TEM_P是否大于0，若TEM_P>0，则说明上个时间时 刻子模块是投入状态，则更新电容电压，子模块进入计算模式1；若 TEM_P<=0，则说明上个时间时刻子模块是切除状态，则保持电容电 压为上个时刻的值，再进入计算模式1，最后再计算电容均压信号 Vctl。

②S_1F=0，表示上IGBT₁不发生故障，则先判断F_P1是否大于0， 若F_P1<=0，则子模块进入计算模式2，否则，F_P1>0时，子模块进入 ①中的切换信号TEM_P的判断部分。

1.2）若V_N1<V_N2，则晶闸管和下IGBT的反并二极管导通，子模 块进入小电阻短路计算模式2；

步骤642：若T_T＝0，则说明晶闸管没有收到触发导通信号，此时， 子模块的模型就只包括上下IGBT及对应的反并二极管，还有电容， 此时需要判断子模块的运行状态：

2.1）若E_N=0，表示子模块处于闭锁状态，即上IGBT和下IGBT 的触发电平F_P1和F_P2都是低电平，此时子模块通过反并二极管D₁和 D₂对电容充电或者子模块被旁路：当V_N1>V_N2时，进一步判断电容 电压V_NC与两个节点N₁与N₂间的压差的关系，只有当V_NC<V_N1-V_N2 时，子模块电容充电，进入计算模式1，否则，子模块进入大电阻开 路计算模式3，即此时子模块既不充电也不放电；

2.2）若E_N=1，表示子模块处于非闭锁状态，具体的处理过程包 括以下步骤：

a）若S_2F＝1，表示下IGBT₂发生短路故障，此时子模块直接进入 小电阻短路计算模式2，同时令子模块状态切换信号变TEM_P=0；

b）若S_2F=0，表示下IGBT₂不发生故障，则此时再进一步判断上 IGBT₁是否发生故障；

①S_1F=1，表示上IGBT₁发生短路故障，当F_P2>0，即为高电平时， F_P1为低电平，子模块进入计算模式2，同时令变量TEM_P=0；否则， 当F_P2<=0，即为低电平时，F_P1为高电平，先判断切换信号TEM_P 是否大于0，若TEM_P>0，则说明上个时间时刻子模块是投入状态， 则更新电容电压，子模块进入计算模式1；若TEM_P<=0，则说明上 个时间时刻子模块是切除状态，则保持电容电压为上个时刻的值，再 进入计算模式1，最后再计算电容均压信号Vctl。

②S_1F=0，表示上IGBT₁不发生故障，则先判断F_P1是否大于0， 若F_P1<=0，则子模块进入计算模式2，否则，F_P1>0时，子模块进入 判断切换信号TEM_P是否大于0，若TEM_P>0，则说明上个时间时 刻子模块是投入状态，则更新电容电压，子模块进入计算模式1；若 TEM_P<=0，则说明上个时间时刻子模块是切除状态，则保持电容电 压为上个时刻的值，再进入计算模式1，最后再计算电容均压信号 Vctl。

本发明的有益效果是，提出的自定义子模块能正确模拟由单个元 件组成的仿真模型，仿真精度高，并能结合载波相移调制策略，不需 外部搭建电容均压控制器，即可实现子模块的电容均压，减少了控制 器的占用资源。另外，子模块的输入端信号中可以输出表征子模块故 障的信号，用于测试子模块的控保装置。

附图说明

图1是本发明提供的具有控保电路的MMC子模块电路图；

图2是本发明提供的子模块闭锁时的等效模型电路图；

图3是本发明提供的MMC子模块等效模型电路图；

图4是本发明提供的MMC子模块诺顿等效模型；

图5是本发明提供的子模块三种计算模式的等效电路；其中，(a) 是计算模式1的等效电路图；(b)是计算模式2的等效电路图；(c)是 计算模式3的等效电路图；

图6是本发明提供的子模块的图标；

图7是本发明提供的实现子模块的程序流程图；

图8是本发明提供的Combination Mode部分的处理流程图；

图9是本发明提供的使用TEM_P处理前后的电容电压电流波 形；其中，(a)使用TEM_P处理前的电容电压电流波形；(b)使用 TEM_P处理后的电容电压电流波形；

图10是本发明提供的频率为200Hz时的触发电平F_P1和F_P2出现 死区；

图11是本发明提供的使用E_N处理前后的子模块输出电压波形； 其中，(a)使用E_N处理前的子模块输出电压波形；(b)使用E_N处理后的 子模块输出电压波形；

图12是本发明提供的单相2电平测试模型；其中，(a)RTDS下 的仿真模型图；(b)PSCAD下的仿真模型；

图13是本发明提供的单相2电平测试波形对比图；

图14是本发明提供的RTDS下基于自定义子模块的7电平MMC 系统；

图15是本发明提供的换流站1的波形。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说 明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的具有控保电路的MMC子模块电路图。图1 中，具有控保电路的MMC子模块包含五种元件，分别是IGBT、反 并二极管、电容、旁路开关以及旁路晶闸管。

下面就CBuilder开发的自定义子模块rtds_SM的功能和效果，对 仿真实例进行详细说明，测试自定义子模块的正确性和占用的仿真资 源。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发 明的范围及其应用。

仿真实例一：测试rtds_SM的正确性：

首先，在PSCAD/EMTDC和RTDS中分别搭建单相两电平测试 模型，分别如图12中的（a）与（b）所示。PSCAD/EMTDC下的SM 模型，采用单个仿真元件直接搭建。在RTDS下，采用本发明的 rtds_SM模型。

然后，设置测试系统的参数是：单相交流电源电压幅值2.5kV， 相角4°，频率f＝50Hz，内阻R_s=1Ω，电感L_s=0.4H；子模块电容3mF； 桥臂限流电抗0.04H；直流侧电源电压V_d＝2kV，内阻1Ω。触发脉冲 采用100Hz，占空比为0.5的方波进行测试。仿真结果如图13所示。

仿真实例二：基于rtds_SM的7电平MMC直流输电系统：

在RTDS上搭建基于自定义子模块rtds_SM的7电平MMC直流 输电系统（如图14），该系统采用结合电容均压控制的载波相移的调 制策略，并设计环流抑制的控制器。在RTDS的runtime里测得换流 站1的各电气量的波形如图15所示。

仿真占用资源分析：7电平MMC直流输电系统的换流站的桥臂， 由6个自定义子模块串联，则一个换流站共有6*2*3=36个子模块， 由仿真软件可知：每个自定义子模块占用1/20的GPC卡，7电平MMC 系统一个换流站只占用36*1/20=1.8张GPC卡。

以上实验，充分验证了本发明提出的自定义子模块能正确模拟由 单个元件组成的仿真模型，仿真精度高，并能结合载波相移调制策略， 不需外部搭建电容均压控制器，即可实现子模块的电容均压，减少了 控制器的占用资源。另外，子模块的输入端信号中可以输出表征子模 块故障的信号，用于测试子模块的控保装置。此外，本发明的自定义 子模块还具有仿真占用资源小的优点，每个子模块仅占用1/20个GPC 处理器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围 之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。