基于RTDS的MMC柔性直流控制装置试验系统及方法

摘要

本发明是一种基于RTDS的MMC柔性直流控制装置试验系统及方法。包括有建立MMC柔性直流系统模型的实时仿真工作站（16）、RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡（17）、实时数字仿真器GTFPGA处理板卡（18）、模拟量输出板卡（19）、数字量输出板卡（20）、数字量输入板卡（21）、MMC柔性直流阀级控制装置（22）、MMC柔性直流站级控制装置（23）、MMC柔性直流系统级控制装置（24）。本发明的试验系统试验灵活、准确有效，试验方法操作简单、方便、实用、灵活。

说明书

技术领域

本发明是一种对模块化多电平（MMC）柔性直流控制装置进行闭环试验的系统及方法，特别是一种基于RTDS（实时数字仿真器）对MMC柔性直流控制装置进行实时数字闭环试验的系统及方法，属于MMC柔性直流控制装置进行闭环试验的系统及方法的改造技术。

背景技术

模块化多电平（MMC）柔性直流输电技术是当前国内外大功率电力电子研究领域重点和难点之一。其采用可控关断型电力电子器件，既可以实现有功功率和无功功率的独立控制，又能向无源系统供电。在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，且换流器之间无需通信，有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流输电系统，具有广阔的应用前景。

但是，MMC柔性直流输电技术在世界上尚缺乏建设和运行经验，尤其是作为MMC柔性直流核心设备的控制装置，其性能将直接影响整个MMC柔性直流系统的安全稳定运行。但由于MMC柔性直流子模块较多（一般超过几十个），仿真试验中所需要的控制和信号量很大，因此，截止目前，国内外，检测MMC柔性直流控制系统的仿真模型和仿真平台尚无可参考，对如何试验检测MMC柔性直流控制装置缺乏行之有效的手段与方法。传统动模试验仅可采用简化子模块数量的办法，对MMC柔性直流控制装置进行电磁兼容、抗干扰和通讯等方面的外围测试，但对控制策略和逻辑的正确、可靠性则无法有效检测。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种试验灵活、准确有效、可进行多种类型试验的对MMC柔性直流控制装置进行闭环试验的基于RTDS的MMC柔性直流控制装置试验系统。

本发明的另一目的在于提供一种操作简单、方便实用的基于RTDS的MMC柔性直流控制装置试验系统的试验方法。本发明可以对MMC柔性直流控制装置进行闭环试验。

本发明的技术方案是：本发明的基于RTDS的MMC柔性直流控制装置试验系统，包括有建立MMC柔性直流系统模型的实时仿真工作站、RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡、实时数字仿真器GTFPGA处理板卡、模拟量输出板卡、数字量输出板卡、数字量输入板卡、MMC柔性直流阀级控制装置、MMC柔性直流站级控制装置、MMC柔性直流系统级控制装置，其中实时仿真工作站与RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡连接，RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡与RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡连接，RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡通过模拟量输出板卡将相关电压、电流信号送出到MMC柔性直流站级控制装置，RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡通过数字量输出板卡将断路器状态送出到MMC柔性直流站级控制装置，MMC柔性直流站级控制装置通过数字量输入板卡将断路器命令送出到RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡, RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡与MMC柔性直流阀级控制装置连接，RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡将子模块电容电压、桥臂电流通过国际通用的AURORA协议送给MMC柔性直流阀级控制装置，MMC柔性直流阀级控制装置将子模块触发脉冲送给RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡, MMC柔性直流阀级控制装置与MMC柔性直流站级控制装置连接， MMC柔性直流站级控制装置与MMC柔性直流系统级控制装置连接。

上述RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡将阀组参数送给RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡，RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡将阀组状态返回至RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡。

上述RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡通过数字量输出板卡将断路器的合闸或分闸状态送出到MMC柔性直流站级控制装置。

上述MMC柔性直流站级控制装置通过数字量输入板卡将断路器的合闸或分闸命令送出到RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡。

上述MMC柔性直流阀级控制装置将子模块触发脉冲通过国际通用的AURORA协议送给RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡。

上述MMC柔性直流阀级控制装置将子模块导通个数送给MMC柔性直流站级控制装置，MMC柔性直流站级控制装置将子模块运行状态返回至MMC柔性直流阀级控制装置。

上述MMC柔性直流站级控制装置将换流站运行状态返回至MMC柔性直流系统级控制装置，MMC柔性直流系统级控制装置将系统运行指令送给MMC柔性直流站级控制装置。

上述MMC柔性直流系统包含有第一换流站、第二换流站和直流线路，第一换流站与第二换流站之间通过直流线路连接；上述第一换流站及第二换流站分别包含交流系统、主断路器、旁路断路器、启动电阻、变压器、接地电阻以及6个桥臂；上述交流系统、主断路器、启动电阻、变压器串联连接，旁路断路器和启动电阻并联连接，上述6个桥臂中，每2个桥臂串联为一相，共有三相，每相之间并联连接，再和变压器串联连接，上述接地电阻与直流线路并联连接并接地；

上述每个桥臂分别包含桥臂电抗和阀组，上述每个阀组包含若干个子模块，每个子模块包含子模块电容和2个IGBT）；上述桥臂电抗和阀组串联连接。上述阀组中，其中1个IGBT与子模块电容串联连接，再和另1个IGBT并联连接。

上述交流系统、主断路器、旁路断路器、启动电阻、变压器、接地电阻、直流线路的仿真模型由RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡进行实时计算；上述阀组、桥臂电抗仿真模型由RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡进行实时计算；上述RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡送给RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡的阀组参数包括阀组子模块个数、桥臂电抗值、子模块电容值，RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡返回至RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡的阀组状态包括各子模块投入、旁路或闭锁的运行状态、桥臂总电压、子模块电容电压；上述RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡送出到MMC柔性直流站级控制装置的电压、电流信号包括变压器网侧电压电流、阀侧电压电流、桥臂电流、直流正母线电压、直流负母线电压、直流电流；上述RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡送出到MMC柔性直流站级控制装置的断路器的合闸或分闸状态包括主断路器状态和旁路断路器状态；MMC柔性直流站级控制装置送出到RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡的断路器的合闸或分闸命令包括主断路器命令和旁路断路器命令；上述MMC柔性直流站级控制装置返回至MMC柔性直流阀级控制装置的子模块运行状态为投入、旁路或闭锁状态；上述MMC柔性直流站级控制装置返回至MMC柔性直流系统级控制装置的换流站运行状态包括该站的有功功率值、无功功率值、电压值、电流值、频率值等，MMC柔性直流系统级控制装置送给MMC柔性直流站级控制装置的系统运行指令包括有功功率、无功功率、电压、频率、启动、停止。

本发明基于RTDS的MMC柔性直流控制装置试验系统的试验方法，包括如下步骤：

1）在实时仿真工作站上建立MMC柔性直流系统实时仿真模型；

2）将实时仿真工作站与RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17连接；

3）将RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡与RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡连接。RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡将阀组子模块个数、桥臂电抗值、子模块电容值等阀组参数送给RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡，RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡将子模块运行状态、桥臂总电压、子模块电容电压等阀组状态返回至RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡；

4）通过模拟量输出板卡，将RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17中的变压器网侧电压电流、阀侧电压电流、桥臂电流、直流正母线电压、直流负母线电压、直流电流等信号送出到MMC柔性直流站级控制装置；

5）通过数字量输出板卡，将RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡中的主断路器状态和旁路断路器状态送出到MMC柔性直流站级控制装置；

6）通过数字量输入板卡，将MMC柔性直流站级控制装置中的主断路器命令和旁路断路器命令送出到RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡；

7）RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡与MMC柔性直流阀级控制装置连接，RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡将子模块电容电压、桥臂电流通过国际通用的AURORA协议送给MMC柔性直流阀级控制装置，MMC柔性直流阀级控制装置将子模块触发脉冲通过国际通用的AURORA协议送给RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡；

8）MMC柔性直流阀级控制装置与MMC柔性直流站级控制装置连接，MMC柔性直流阀级控制装置将子模块导通个数送给MMC柔性直流站级控制装置，MMC柔性直流站级控制装置将子模块的投入、旁路或闭锁运行状态返回至MMC柔性直流阀级控制装置；

9）MMC柔性直流站级控制装置与MMC柔性直流系统级控制装置连接，MMC柔性直流站级控制装置将有功功率值、无功功率值、电压值、电流值、频率值等换流站运行状态返回至MMC柔性直流系统级控制装置，MMC柔性直流系统级控制装置将有功功率、无功功率、电压、频率、启动、停止等系统运行指令送给MMC柔性直流站级控制装置。

本发明的基于RTDS的MMC柔性直流控制装置试验系统是利用RTDS实时数字仿真器对MMC柔性直流控制装置进行闭环试验的系统，该试验系统对不同电压等级、不同子模块数量、不同系统结构的MMC柔性直流控制装置也有借鉴作用。本发明的对MMC柔性直流控制装置进行闭环试验的基于RTDS的MMC柔性直流控制装置试验系统试验灵活、准确有效，可进行MMC柔性直流控制装置功能和动态性能等多种类型试验。本发明的对MMC柔性直流控制装置进行闭环试验的方法操作简单，方便实用。

附图说明

图1为本发明MMC柔性直流系统的结构示意图；

图2为本发明MMC柔性直流系统第一换流站的结构示意图；

图3为本发明MMC柔性直流系统第二换流站的结构示意图；

图4为本发明MMC柔性直流子模块的结构示意图；

图5为本发明基于RTDS的MMC柔性直流控制装置闭环试验系统示意图。

具体实施方式

实施例

本发明基于RTDS的MMC柔性直流控制装置闭环试验系统示意图如图5所示，本发明的基于RTDS的MMC柔性直流控制装置试验系统，其包括有建立MMC柔性直流系统模型的实时仿真工作站16、RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17、实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18、模拟量输出板卡19、数字量输出板卡20、数字量输入板卡21、MMC柔性直流阀级控制装置22、MMC柔性直流站级控制装置23、MMC柔性直流系统级控制装置24，其中实时仿真工作站16与RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17连接，RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17与RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18连接，RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17将阀组参数送给RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18，RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18将阀组状态返回至RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17。

上述RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17通过模拟量输出板卡19将相关电压、电流信号送出到MMC柔性直流站级控制装置23，RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17通过数字量输出板卡20将断路器的合闸或分闸状态送出到MMC柔性直流站级控制装置23，MMC柔性直流站级控制装置23通过数字量输入板卡21将断路器的合闸或分闸命令送出到RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17。

上述RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18与MMC柔性直流阀级控制装置22连接，RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18将子模块电容电压、桥臂电流通过国际通用的AURORA协议送给MMC柔性直流阀级控制装置22，MMC柔性直流阀级控制装置22将子模块触发脉冲通过国际通用的AURORA协议送给RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18。

上述MMC柔性直流阀级控制装置22与MMC柔性直流站级控制装置23连接，MMC柔性直流阀级控制装置22将子模块导通个数送给MMC柔性直流站级控制装置23，MMC柔性直流站级控制装置23将子模块运行状态返回至MMC柔性直流阀级控制装置22。

上述MMC柔性直流站级控制装置23与MMC柔性直流系统级控制装置24连接，MMC柔性直流站级控制装置23将换流站运行状态返回至MMC柔性直流系统级控制装置24，MMC柔性直流系统级控制装置24将系统运行指令送给MMC柔性直流站级控制装置23。

本实施例中，上述实时仿真工作站16上建立MMC柔性直流系统实时仿真模型。

本实施例中，上述MMC柔性直流系统包含有第一换流站1、第二换流站2和直流线路3，第一换流站1与第二换流站2之间通过直流线路3连接；上述第一换流站1及第二换流站2分别包含交流系统4、主断路器5、旁路断路器6、启动电阻7、变压器8、接地电阻11以及6个桥臂12；上述交流系统4、主断路器5、启动电阻7、变压器8串联连接，旁路断路器6和启动电阻7并联连接。上述6个桥臂12中，每2个桥臂12串联为一相，共有三相，每相之间并联连接，再和变压器8串联连接。上述接地电阻11与直流线路3并联连接并接地。

上述每个桥臂12分别包含桥臂电抗10和阀组13，上述每个阀组13包含若干个子模块，每个子模块包含子模块电容14和2个IGBT15；上述桥臂电抗10和阀组13串联连接。上述阀组13中，其中1个IGBT与子模块电容14串联连接，再和另1个IGBT并联连接。

上述交流系统4、主断路器5、旁路断路器6、启动电阻7、变压器8、接地电阻11、直流线路3仿真模型由RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17进行实时计算；上述阀组13、桥臂电抗10的仿真模型由RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18进行实时计算；上述RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17送给RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18的阀组参数包括阀组子模块个数、桥臂电抗值、子模块电容值，RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18返回至RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17的阀组状态包括各子模块投入、旁路或闭锁的运行状态、桥臂总电压、子模块电容电压；上述RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17送出到MMC柔性直流站级控制装置23的电压、电流信号包括变压器网侧电压电流、阀侧电压电流、桥臂电流、直流正母线电压、直流负母线电压、直流电流；上述RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡送出到MMC柔性直流站级控制装置23的断路器的合闸或分闸状态包括主断路器状态和旁路断路器状态；MMC柔性直流站级控制装置23送出到RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17的断路器的合闸或分闸命令包括主断路器命令和旁路断路器命令；上述MMC柔性直流站级控制装置23返回至MMC柔性直流阀级控制装置22的子模块运行状态为投入、旁路或闭锁状态；上述MMC柔性直流站级控制装置23返回至MMC柔性直流系统级控制装置24的换流站运行状态包括该站的有功功率值、无功功率值、电压值、电流值、频率值等，MMC柔性直流系统级控制装置24送给MMC柔性直流站级控制装置23的系统运行指令包括有功功率、无功功率、电压、频率、启动、停止。

本实施例中，上述每个阀组13一般包含几十至几百个子模块。

本实施例中， IGBT15为绝缘栅双极型晶体管。

本实施例中，上述交流系统4、主断路器5、旁路断路器6、启动电阻7、变压器8、接地电阻11、直流线路3的仿真模型由RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17进行实时计算。

本实施例中，上述阀组13、桥臂电抗10的仿真模型由RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18进行实时计算。

本实施例中，上述RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17向送给RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18的阀组参数包括阀组子模块个数、桥臂电抗值、子模块电容值等，RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18返回至RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17的阀组状态包括各子模块的投入、旁路或闭锁运行状态及桥臂总电压、子模块电容电压等。

本实施例中，上述RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17送出到MMC柔性直流站级控制装置23的电压、电流信号包括变压器网侧电压电流、阀侧电压电流、桥臂电流、直流正母线电压、直流负母线电压、直流电流等。

本实施例中，上述RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡送出到MMC柔性直流站级控制装置23的断路器的合闸或分闸状态包括主断路器状态和旁路断路器状态。MMC柔性直流站级控制装置23送出到RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17的断路器的合闸或分闸命令包括主断路器命令和旁路断路器命令。

本实施例中，上述MMC柔性直流站级控制装置23返回至MMC柔性直流阀级控制装置22的子模块运行状态为投入、旁路或闭锁状态。

本实施例中，上述MMC柔性直流站级控制装置23返回至MMC柔性直流系统级控制装置24的换流站运行状态包括该站的有功功率值、无功功率值、电压值、电流值、频率值等，MMC柔性直流系统级控制装置24送给MMC柔性直流站级控制装置23的系统运行指令包括有功功率、无功功率、电压、频率、启动、停止等。

本发明的基于RTDS的MMC柔性直流控制装置试验方法，包括如下步骤：

1）在实时仿真工作站16上建立MMC柔性直流系统实时仿真模型。

2）将实时仿真工作站16与RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17连接。

3）将RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17与RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18连接，RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17将阀组子模块个数、桥臂电抗值、子模块电容值等阀组参数送给RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18，RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18将子模块运行状态、桥臂总电压、子模块电容电压等阀组状态返回至RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17。

4）通过模拟量输出板卡19，将RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17中的变压器网侧电压电流、阀侧电压电流、桥臂电流、直流正母线电压、直流负母线电压、直流电流等信号送出到MMC柔性直流站级控制装置23。

5）通过数字量输出板卡20，将RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17中的主断路器状态和旁路断路器状态送出到MMC柔性直流站级控制装置23。

6）通过数字量输入板卡21，将MMC柔性直流站级控制装置23中的主断路器命令和旁路断路器命令送出到RTDS实时数字仿真器PB5处理板卡17。

7）RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18与MMC柔性直流阀级控制装置22连接，RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18将子模块电容电压、桥臂电流通过国际通用的AURORA协议送给MMC柔性直流阀级控制装置22，MMC柔性直流阀级控制装置22将子模块触发脉冲通过国际通用的AURORA协议送给RTDS实时数字仿真器GTFPGA处理板卡18。

8）MMC柔性直流阀级控制装置22与MMC柔性直流站级控制装置23连接，MMC柔性直流阀级控制装置22将子模块导通个数送给MMC柔性直流站级控制装置23，MMC柔性直流站级控制装置23将子模块的投入、旁路或闭锁运行状态返回至MMC柔性直流阀级控制装置22。

9）MMC柔性直流站级控制装置23与MMC柔性直流系统级控制装置24连接，MMC柔性直流站级控制装置23将有功功率值、无功功率值、电压值、电流值、频率值等换流站运行状态返回至MMC柔性直流系统级控制装置24，MMC柔性直流系统级控制装置24将有功功率、无功功率、电压、频率、启动、停止等系统运行指令送给MMC柔性直流站级控制装置23。