模块化多电平柔性直流输电数字-模拟混合实时仿真技术

刘 栋，汤广福，贺之渊，赵 岩，庞 辉

（中国电力科学研究院，北京 100192）

0 引言

基于电压源换流器的柔性直流输电（VSCHVDC）系统具有可向孤岛供电、不会出现换相失败、提高风电场低电压穿越能力、能够灵活控制输出功率等优点［1-2］。近年来，随着可再生能源发电的迅速发展及模块化多电平换流器（MMC）技术在柔性直流输电中的应用，其工程应用数量和规模在世界范围内得到了极大的增长，未来可能形成柔性直流与超高压甚至特高压常规直流和交流系统同步构架运行的格局。在这样复杂的系统下，需要对柔性直流输电的系统构架、主电路参数设计进行全面分析，尤其是对工程的控制保护系统控制策略和硬件平台进行实时仿真试验，以充分满足大电网安全可靠运行的要求。

实时数字仿真系统已广泛应用于传统超高压系统的在线仿真研究［3］，这类数字仿真系统硬件通常采用基于共享存储器的多CPU并行计算机，核心程序包含丰富的电力系统及控制系统元器件模型［4-5］。以RTDS为例，其仿真步长为20～70 μs，包含的数据转换软件能将PSS/E和EMTDC格式的数据和模型转化为PSCAD格式，可实时仿真大型交直流混合系统的电磁和机电暂态现象。

但对基于MMC的柔性直流输电（MMC-HVDC）系统而言，由于其换流器由数百甚至数千个独立控制的电压源子模块组成，在运行过程中，每个子模块的投切都是随机的，难以对其出口特性进行等值［6-9］，且求解等值网络变量的导纳矩阵规模过大，难以保证精度［10-11］。此外，换流器每个子模块与阀基控制器VBC（Valve Based Controller）之间通过独立的光纤进行通信，信道多、数据量大，难以通过现有的仿真接口进行转换，因此需要开发新的仿真系统。

在此背景下，本文开展了MMC-HVDC系统的数模混合式实时仿真平台的研究。该系统可用于精确验证具有较多电平数（40以上）换流阀的MMC-HVDC系统及控制保护平台设计，从而检验工程的主电路参数设计、控制器性能和交直流系统的动态特性。平台主要由物理模拟的换流站设备模型（包括换流变压器、交直流开关场、49电平电压源换流器、交直流线路）、数字实时仿真平台、数模接口、VBC等组成［12］。目前该系统已完成对上海南汇风电场20 MW柔性直流送出工程阀控和站控系统的实时仿真试验，试验结果直接用于工程控制器的修正。

1 MMC的主电路结构

图1为双端MMC-HVDC系统的结构。换流站设备由变压器、换流电抗器、49电平换流器、直流接地装置和直流电缆等部分组成。当换流器输出电平数高于29时，交流系统一般不需要滤波器。换流站与交流系统联结处的母线称为PCC母线。

与基于IGBT串联阀的两电平或三电平换流器相比，MMC结构使换流器开关状态增加，且相间存在储能元件导致相间故障特性和环流特性更复杂［13-15］，但避开了IGBT串联动态均压控制的难点。MMC主电路结构如图2所示。

图1 两端MMC-HVDC系统典型结构图Fig.1 Typical structure of bipolar MMC-HVDC

图2 MMC主电路结构图Fig.2 Main circuit of MMC

图2（a）中，L为桥臂电抗的电感；R为变压器、电抗和桥臂损耗的等效电阻；i=a，b，c；则 usi和 isi分别为系统侧相电压和电流值；ui为换流器交流侧出口电压；ui1和ui2分别为换流器各相上、下桥臂输出电压；ii1和 ii2为上、下桥臂电流；分别为直流侧正、负极对地电压。分析图 2（b）中子模块，令 Sik1、Sik2（i=a，b，c；k=1，…，n）分别为各相上、下桥臂第 k 个子模块开关状态，在一个工作周期内其取值如式（1）所示。

按图2（b）所示参考方向，可知各相上、下桥臂子模块电容电压分别为：

uCik1、uCik2分别为对应子模块电容电压幅值，其积分形式为：

在式（4）、（5）中，Sik1、Sik2的取值由 MMC 的调制算法求出；分别为变流器上、下桥臂子模块t=0时刻的电容电压。

2 实时仿真平台工作原理及结构

2.1 仿真平台的试验对象

为研究MMC-HVDC及其相连风电场和交流系统的稳态和动态特性，需要进行如下试验。

a.对直流系统不同运行方式下的基本启停流程和保护动作逻辑进行试验。

b.控制策略验证和参数优化研究。对直流系统不同运行方式下的内外环控制策略进行试验研究，包括电流内环和功率外环控制器的响应速度、鲁棒性、非线性因素（如测量和计算延迟、开关死区的影响）以及控制系统的相角和增益裕量等。

c.交直流系统的相互影响研究。对发生典型故障时交直流系统相互影响进行研究，主要包括验证低电压穿越能力、模拟直流单极接地、直流线路双极短路、换流器阀间闪络、电抗器交流侧短路等。

d.对换流器VBC的长期运行可靠性、主冗切换逻辑等进行验证。

2.2 物理仿真部分

换流器中各种均压均流算法的投入，使得第1节中每个子模块的Sik1和Sik2都是独立的。每个子模块还需要上报电容电压、IGBT/晶闸管的开关状态和器件温度，接收VBC发出的开关指令，这些状态完全独立，需要占用大量通信字宽和CPU进程，因此现有的数字仿真平台均无法进行实时仿真。

为此采用物理方式构建低压49电平MMC，完成对VBC和直流极控制保护（PCP）的实体试验。其中，PCP完成测量、功率控制指令计算和MMC电压参考波生成；VBC负责接收PCP的控制指令，实现对PCP下发参考波的调制，进行换流阀的电压电流平衡控制，将阀状态上报给PCP。物理仿真平台采用具有优良频率和损耗特性的场效应管模拟实际的IGBT和晶闸管特性。子模块电压测量由Analog Devices公司的单通道流水线AD芯片AD9221完成，其最高采样频率为1.5 MHz。模拟子模块采用一去一回单工方式和异步串行通信规约与实际VBC匹配。

模拟仿真平台还完成双端MMC-HVDC交直流场及线路的物理模拟，包括换流电抗器、±30 kV直流线路、36.5kV/31 kV换流变压器、断路器及其相关测量和控制系统等，按照等惯性时间常数法成比例缩小系统参数，其时间轴比例为1。

2.3 数字仿真部分

在模拟仿真平台侧，依据替代定理，数字仿真平台实现的交流系统网络以戴维南等值电路表示，包括电压放大器和串联的等值电阻RE，后者的大小决定于数字系统的计算程序仿真步长和结构。在数字仿真侧，依据替代定理，模拟部分用诺顿等值电路表示，为一条纯数字形式支路，包括串联的等值电流源和并联电阻，在每一步长中，电流通过电流测量环节和A/D转换输入到实时数字仿真平台中。

实时数字仿真部分完成对柔性直流输电系统连接的风电场和220 kV以下交流网络的实时模拟。实时仿真的建模和解法基于节点分析技术，在每一步长点将等值的系统元件转化为电流源与等值电阻并联的诺顿等值模型，将构成的暂态等值电路的节点导纳矩阵的逆矩阵乘以节点注入电流矢量，从而确定节点瞬时电压值。

2.4 数字-物理接口部分

由于模拟仿真平台为弱功率子系统，而数字仿真输出/输入为数字信号，故设计两者的硬件接口实现如图3所示。

数字子系统侧接口处节点电压由仿真程序计算得到后经D/A转换送出，通过功率放大器送入模拟部分。同时模拟侧接口处支路的电流经电流互感器测量后作为反馈经A/D转换注入数字仿真系统。由于模拟仿真平台的元器件功率较小，电压放大器即可驱动和吸收能量。而对于具有300个以上等值子模块的换流器，其电压建立和子模块控制器电路无法采用高位取能，须用外部低压电源供能方式，通过隔离的24 V开关电源为子模块控制器供电。

整个系统结构如图4所示。

图3 数字和模拟仿真子系统接口Fig.3 Interface between digital and physical subsystems

图4 带有VBC和PCP的仿真系统平台结构Fig.4 Structure of real-time simulation system with VBC and PCP

3 仿真试验建立过程

3.1 仿真系统建立步骤

首先对原始电网进行分割，确定数字仿真程序和模拟仿真装置任务的划分和接口；再对由数字仿真完成的网络结构进行动态等值化简，以使化简后的电网规模与算法相适应，并完成实时仿真程序；然后确定系统模拟比，计算模拟元件参数并分析杂散参数的影响，适当加以补偿；连接电压和电流互感器建立相应的测量和监控，调整数模转换接口的信号比；完成对录波系统的调试，并建立相应的数据库；最后完成VBC、PCP与模拟仿真平台的连接与通信测试，完成试验后与离线程序的系统稳态和动态特性进行比较，分析差异产生的原因。

3.2 仿真平台模拟比的选择

合理选择交直流系统模拟比是系统仿真建模和试验的前提，计算的结果应既满足电路功率特性的约束，又满足相似性原理与等惯性时间常数法。

3.2.1 设备的合理工作范围和安全性

在正常运行时，潮流最轻的设备通过的工频电流不低于最小工作电流，以保证精度；适当提高模拟电压基准值，有利于降低故障电流；按照运行方式的要求确定边界条件，例如要求换流站具有吸收最大感性无功的能力时，边界条件为：

联结变压器阀侧额定电压取值为：

3.2.2 系统模拟比的选择顺序

建模时首先分别选定交流和直流系统的容量模拟比，其中直流系统模拟比的选择需要考虑直流建模策略、换流阀中弱电开关正常解锁需要的最小工作电流等，再分别选择合适的系统电压比和电流比，而系统的阻抗、电感和电容的模拟比随之确定。容量比和电压比选择方式为：

电流比和电抗比随之确定：

其中，Ssim、Seng、Usim、Ueng分别为仿真平台容量、工程实际容量、仿真平台交流电压、实际工程电压值。

在以上计算基础上，调整控制器的参数，可获取等效的动态特性。

4 仿真平台在工程设计中的应用

4.1 仿真系统建模

目前该系统已完成对上海南汇风电场20 MW示范工程的实时仿真试验。试验中部分实时数字仿真过程由物理仿真平台完成。

南汇柔性直流输电示范工程直流额定电压为±30 kV，直流电流为300 A；换流器容量为18 MV·A，为三相六桥臂49电平结构。送端站南汇风电场电压等级35/10 kV，配置 2×20 MV·A升压变，11台1.5 MW的风机分别接入10 kV分段母线。功率受端南汇站交流电压等级为220/110/35 kV。仿真试验中模拟仿真平台参数为：变压器为DYn-11接法，二次侧中性点通过电阻接地，阀侧电压线为145 V；短路阻抗比为0.08；桥臂电抗器标幺值为0.17；换流器为49电平；直流电压为±140 V。

4.2 仿真应用

以直流母线双极短路试验为例，用实时仿真平台验证该故障态PSCAD离线仿真的正确性、控制保护逻辑的可靠性和VBC的功能性，如PCP主保护策略及响应速度、阀控系统闭锁子模块的时序等。图5为直流双极短路示意图及短路电流方向。

图5 直流双极短路及短路电流方向Fig.5 Current direction under DC bipolar short circuit

两站正常运行情况下（送端采用定有功功率、定无功控制，受端定直流电压、定无功控制），两极短路后换流站电容均通过故障点放电，同时交流系统通过故障点形成三相短路，此时阀承受交流电流与电容放电电流的叠加。显然电容放电电流主要与电感参数相关，不考虑损耗，设所有的电容能量转换为电感容量，见式（10）。

此时的交流短路电流为：

其中，n为桥臂电平数，Xs为交流系统等值阻抗，id为桥臂电流。

计算可得，如果直流欠压保护和换流器过流保护未能可靠动作，则放电电流在16 ms时达到最大，桥臂电流为放电电流叠加交流短路电流的一半，后者在10ms时达到最大，按照最大叠加计算桥臂电流最大值为2.514 kA，远超过换流器的承受能力，因此必须对工程的控制保护逻辑和动作可靠性进行验证。

按照4.1节参数调整仿真平台，试验开始后，依次合交流断路器使换流器和直流线路自然充电，旁路充电电阻，直流电压控制站解锁换流器。完成顺控启动流程后，建立等效直流电压60 kV，进入稳定运行工况。启动控制流程如图6所示。

图6 实时仿真平台对PCP顺序控制启动流程的测试Fig.6 Test of PCP sequential control startup by real-time simulation system

图中，Dback_en为VBC允许检测换流器子模块电压，Lock为PCP向VBC发出的闭锁命令信号，VBC_TRIP为VBC向PCP上报的故障闭锁信号。

图7 顺序启动试验暂态波形Fig.7 Transient waveforms of PCP sequential control startup

图7为PSCAD和实时仿真试验平台顺序启动充电的暂态过程对比（纵轴为标幺值），其中直流电压上升波形具有很高的相似度；子模块电压上升波形与离线仿真波相比，存在一定的误差，这是由于功率电力电子器件的模型很难用PSCAD精确描述，但满足电压控制要求；图7（c）为实时仿真平台功率送出站解锁前后桥臂电流波形，可见6个桥臂电流波形具有良好的对称性。

双站均完成充电后，在模拟风场站送出有功10 MW、定交流电压控制参考值35 kV时，将直流正负极母线永久性短路。发生故障后要求VBC立即闭锁换流器并开通旁路晶闸管，同时交流跳闸以切断交流电流的持续馈入。

图8（a）中，短路后电压迅速跌落，试验波形和PSCAD仿真非常接近，考虑到电压测量点到短路点有一定电气距离，故实测电压出现小幅振荡。图8（b）中系统a相电流峰值半周期后过4倍标幺值，过流3 ms内 VBC先闭锁，10 ms后 PCP保护动作，发VBC_TRIP指令、跳闸、触发晶闸管，实现了对主电路设备的保护。而无保护的PSCAD仿真则显示为持续过流，必然造成主电气设备的损坏。

图8 双极短路时直流电压和交流电流仿真波形Fig.8 Simulative waveforms of DC voltage and AC current under bipolar short circuit

该试验可证明在严重的直流双极短路故障状态下，实时仿真平台的交流电流和直流电压波形与PSCAD仿真在响应速度、幅值特性上具有很高的相似性，该平台能够对离线仿真结果进行复核，更重要的是对我国首套柔性直流工程的站控和阀控系统进行了在线测试，证明了被测PCP和VBC系统直流短路和过流保护逻辑正确，主保护能够可靠动作。

5 结论

目前世界范围内，柔性直流输电的电压等级和规模越来越大，随着工程容量的不断提升，MMC-HVDC技术体现出越来越大的优势。随着上海示范工程在我国的实施，多电平数、交直流混合、且能够对站控阀控系统进行闭环验证的实时仿真系统，体现了良好的前景。

该系统采用的49电平换流器物理模型，具有很高的等效精度，驱动功率小，且能够和工程用VBC进行全规模实时通信。

该模拟实时仿真平台建立过程中采用了多项关键技术，包括换流阀的物理模型、交直流系统的划分、数模仿真子系统的划分以及多种模型元件的选择等。