基于模块化多电平换流器的柔性直流输电半实物仿真系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及电力系统柔性直流输电【技术领域】，公开了一种基于模块化多电平换流器的柔性直流输电半实物仿真系统。本发明中，通过FPGA仿真机实现整流站双极阀控及阀体模型或逆变站双极阀控及阀体模型的实时仿真，数字仿真主机实现MMC-HVDC系统中交直流系统的实时仿真，IO扩展机箱连接MMC-HVDC控制保护柜，并将数字仿真主机、FPGA仿真机以及IO扩展机箱通过PCIe交换机互联，能完整的实现完全双极MMC-HVDC系统的半实物仿真测试，为完全双极MMC-HVDC系统的研究及工程试验提供了一套仿真测试方案，从而使得完全双极MMC-HVDC系统的半实物仿真可以应用于实际工程试验，对控制保护装置的测试更接近实际应用。
【专利说明】基于模块化多电平换流器的柔性直流输电半实物仿真系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统柔性直流输电【技术领域】，特别涉及基于模块化多电平换流器的柔性直流输电半实物仿真系统。
【背景技术】
[0002]基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术(Modular Multilevel ConverterBased High Voltage Direct Current,简称“MMC-HVDC” 或“MMC”)是电压源换流器高压直流输电(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current,简称“VSC-HVDC”)在多电平领域的一个重要分支，而模块化多电平换流器是最近几年兴起的一种崭新的适用于高压柔性直流输电【技术领域】的换流器，它的出现打破了原有的两电平拓扑独占柔性直流市场的局面，增加了柔性直流应用的可选方案。模块化多电平的每一个桥臂均有相同数量的子模块与桥臂电抗串联而成，通过控制子模块的投入和退出，使输出地电压逼近正弦交流电压，从而形成稳定的工作点，同时，通过同一相单元上下桥臂投入电容的互补，形成稳定的直流电压，这样就实现了系统的稳定运行。
[0003]由于高压直流输电系统设备数量庞大，系统复杂，控制保护装置功能繁多、逻辑复杂，如果将设计的设备直接投入操作，将会有许多不必要的成本浪费和材料浪费，布局不合理，同时，还有可能引起安全问题。因此，目前一般先通过半实物仿真测试MMC-HVDC的控制保护装置，待确定控制保护装置的控制保护策略正确之后才正式投入工程应用中。
[0004]MMC-HVDC可分为伪双极MMC-HVDC和完全双极MMC-HVDC两种，其系统结构分别如图1、图2所示。与伪双极MMC-HVDC系统相比，完全双极MMC-HVDC系统的主要优势表现在:
[0005](I)直流线路绝缘水平大大降低，在同样的额定直流电压下，比伪双极MMC-HVDC系统绝缘水平低得多。
[0006](2)易于系统分期建设和增容扩建，先投运单极再投运双极，有利于早日发挥投资效益。
[0007](3)能够适合不同电压等级、不同容量的柔性直流输电系统。
[0008](4)可在双极平衡、双极不平衡、单极大地回线、单极金属回线等方式下运行，运行方式灵活多样。
[0009]鉴于完全双极MMC-HVDC具有以上优良特性，现在已有规划中的多电平VSC-HVDC采用如图2所示的完全双极MMC-HVDC系统结构。但是，由于目前已运行的MMC-HDVC系统容量比较小，因此，目前的MMC-HVDC控制保护策略和系统运行特性的研究，主要是基于伪双极MMC-HVDC系统的，目前的各种MMC-HVDC半实物仿真测试系统也主要是基于伪双极MMC-HVDC系统的。
[0010]此外，RT-LAB是一种可以实现实时电力系统电磁暂态仿真的并行计算机系统，可以将其结果输出，与实际设备连接构成灵活方便的半实物仿真回路，用于各种控制保护装置的试验。基于RT-LAB的伪双极MMC-HVDC系统的半实物仿真测试已经用于实际工程的试验；而基于RT-LAB的完全双极MMC-HVDC系统的半实物仿真测试方法至今未见相关专利或文献报道。因此，设计一种基于RT-LAB的完全双极MMC-HVDC系统的半实物仿真测试方法以及RT-LAB与外部控制保护装置的接口显得尤为重要。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于提供一种基于模块化多电平换流器的柔性直流输电半实物仿真系统，使得完全双极MMC-HVDC系统的半实物仿真可以应用于实际工程试验，从而使对控制保护装置的测试更接近实际应用。
[0012]为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于模块化多电平换流器的柔性直流输电半实物仿真系统，包含:至少一个现场可编程门阵列FPGA仿真机、数字仿真主机、输入输出IO扩展机箱和外设互联扩展总线PCIe交换机；
[0013]所述FPGA仿真机用于实现整流站双极阀控及阀体模型或逆变站双极阀控及阀体模型的实时仿真；
[0014]所述数字仿真主机用于实现MMC-HVDC系统中交直流系统的实时仿真；
[0015]所述IO扩展机箱用于连接MMC-HVDC控制保护柜；
[0016]所述数字仿真主机、所述FPGA仿真机以及所述IO扩展机箱通过所述PCIe交换机互联。
[0017]本发明相对于现有技术而言，通过FPGA仿真机实现整流站双极阀控及阀体模型或逆变站双极阀控及阀体模型的实时仿真，数字仿真主机实现MMC-HVDC系统中交直流系统的实时仿真，IO扩展机箱连接MMC-HVDC控制保护柜，并将数字仿真主机、FPGA仿真机以及IO扩展机箱通过PCIe交换机互联，能完整的实现RT-LAB下完全双极MMC-HVDC系统的半实物仿真测试，为完全双极MMC-HVDC系统的研究及工程试验提供了一套仿真测试方案，从而使得完全双极MMC-HVDC系统的半实物仿真可以应用于实际工程试验，对控制保护装置的测试更接近实际应用。
[0018]另外，所述FPGA仿真机与所述MMC-HVDC控制保护柜之间采用两路光纤通信链路进行信息传递，实现整流站或逆变站与MMC-HVDC控制保护柜之间的接口信号处理，可以使信息传递比较简单、快速。
[0019]另外，所述MMC-HVDC半实物仿真系统包含一个用于实现整流站双极阀控及阀体模型实时仿真的FPGA仿真机；
[0020]所述MMC-HVDC控制保护柜包含正极MMC整流站控制保护装置和负极MMC整流站控制保护装置；所述IO扩展机箱连接所述正极MMC整流站控制保护装置和所述负极MMC整流站控制保护装置；
[0021]所述正极MMC整流站控制保护装置和所述负极MMC整流站控制保护装置分别将各桥臂的参考电压调制波通过所述两路光纤通信链路分别发送给所述FPGA仿真机；所述FPGA仿真机将所述整流站中换流阀桥臂电压和电流信息通过所述两路光纤通信链路分别反馈至所述正极MMC整流站控制保护装置和所述负极MMC整流站控制保护装置。
[0022]上述方案用于整流站控制保护装置的单端测试或调试，仅针对整流站控制保护装置进行测试，可以排除其他装置的干扰，进一步使仿真结果更准确。
[0023]另外，所述MMC-HVDC半实物仿真系统包含一个用于实现逆变站双极阀控及阀体模型实时仿真的FPGA仿真机；[0024]所述MMC-HVDC控制保护柜包含正极MMC逆变站控制保护装置和负极MMC逆变站控制保护装置；所述IO扩展机箱连接所述正极MMC逆变站控制保护装置和所述负极MMC逆变站控制保护装置；
[0025]所述正极MMC逆变站控制保护装置和所述负极MMC逆变站控制保护装置分别将各桥臂的参考电压调制波通过所述两路光纤通信链路分别发送给所述FPGA仿真机；所述FPGA仿真机将所述逆变站中换流阀桥臂电压和电流信息通过两路光纤通信链路分别反馈至所述正极MMC逆变站控制保护装置和所述负极MMC逆变站控制保护装置。
[0026]上述方案用于逆变站控制保护装置的单端测试或调试，仅针对逆变站控制保护装置进行测试，可以排除其他装置的干扰，进一步使仿真结果更准确。
[0027]另外，所述MMC-HVDC半实物仿真系统包含一个用于实现整流站双极阀控及阀体模型实时仿真的第一 FPGA仿真机和一个用于实现逆变站双极阀控及阀体模型实时仿真的第二 FPGA仿真机；
[0028]所述MMC-HVDC控制保护柜包含正极MMC整流站控制保护装置、负极MMC整流站控制保护装置、正极MMC逆变站控制保护装置和负极MMC逆变站控制保护装置；所述IO扩展机箱连接所述正极MMC整流站控制保护装置、所述负极MMC整流站控制保护装置、所述正极MMC逆变站控制保护装置和所述负极MMC逆变站控制保护装置；
[0029]所述正极MMC整流站控制保护装置和所述负极MMC整流站控制保护装置分别将各桥臂的参考电压调制波通过所述两路光纤通信链路分别发送给所述第一 FPGA仿真机；所述第一 FPGA仿真机将所述整流站中换流阀桥臂电压和电流信息通过所述两路光纤通信链路分别反馈至所述正极MMC整流站控制保护装置和所述负极MMC整流站控制保护装置；
[0030]所述正极MMC逆变站控制保护装置和所述负极MMC逆变站控制保护装置分别将各桥臂的参考电压调制波通过所述两路光纤通信链路分别发送给所述第二 FPGA仿真机；所述第二 FPGA仿真机将所述逆变站中换流阀桥臂电压和电流信息通过所述两路光纤通信链路分别反馈至所述正极MMC逆变站控制保护装置和所述负极MMC逆变站控制保护装置。
[0031]上述方案用于整流站和逆变站控制保护装置的双端测试或调试，可测试整流站和逆变站控制保护装置的功能及性能，使仿真结果更接近实际应用。
[0032]另外，所述数字仿真主机与所述IO扩展机箱交互，实现MMC-HVDC系统中交直流系统与MMC-HVDC控制保护柜之间的接口信号处理；
[0033]其中，所述数字仿真主机与所述IO扩展机箱的交互信息包含:电流、电压的模拟量以及控制断路器、隔离刀闸的数字开关量。
[0034]另外，所述数字仿真主机对MMC-HVDC系统中交直流系统的实时仿真包含:对整流侧和逆变侧的电源、变压器、断路器、隔离刀闸及阀体的桥臂电感的实时仿真。
[0035]另外，所述数字仿真主机、所述FPGA仿真机以及所述IO扩展机箱通过同步线互联，实现仿真数据交互同步，使得对系统的仿真在同一时间标尺下进行，从而使仿真结果更准确。
[0036]另外，所述FPGA仿真机所采用的实现整流站双极阀控及MMC阀体的数学模型或逆变站双极阀控及MMC阀体的数学模型根据所述MMC的拓扑结构确定。也就是说，用户可以根据实际需要确定数学模型，从而使本发明的半实物仿真系统应用范围更广、更灵活。【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是根据现有技术的伪双极MMC-HVDC系统结构；
[0038]图2是根据现有技术的完全双极MMC-HVDC系统结构；
[0039]图3是根据本发明第一实施方式的MMC-HVDC半实物仿真系统结构图；
[0040]图4是三相MMC的拓扑结构示意图；
[0041]图5是MMC的子模块结构示意图；
[0042]图6是根据本发明第一实施方式的MMC-HVDC半实物仿真系统的同步接线示意图；
[0043]图7是根据本发明第二实施方式的MMC-HVDC半实物仿真系统结构图；
[0044]图8是根据本发明第二实施方式的MMC-HVDC半实物仿真系统的同步接线示意图；
[0045]图9是根据本发明第四实施方式的MMC-HVDC半实物仿真系统结构图；
[0046]图10是根据本发明第四实施方式的MMC-HVDC半实物仿真系统的同步接线示意图。
【具体实施方式】
[0047]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
[0048]本发明的第一实施方式涉及一种MMC-HVDC半实物仿真系统，如图3所示，该系统包含:至少一个现场可编程门阵列FPGA仿真机、数字仿真主机、输入输出IO扩展机箱和外设互联扩展总线PCIe交换机；采用PCIe扩展总线将数字仿真主机、FPGA仿真机以及IO扩展机箱通过PCIe交换机互联。
[0049]由于半实物仿真(hardware-1n-loop simulation)是将控制器(实物)与在仿真计算机上实现的控制对象的仿真模型(即数学仿真)联接在一起进行试验的技术。在这种试验中，控制器的动态特性、静态特性和非线性因素等都能真实地反映出来，因此它是一种更接近实际的仿真试验技术。这种仿真技术可用于修改控制器设计(即在控制器尚未安装到真实系统中之前，通过半实物仿真来验证控制器的设计性能，若系统性能指标不满足设计要求，则可调整控制器的参数，或修改控制器的设计)，同时也广泛用于产品的修改定型、产品改型和出厂检验等方面。半实物仿真的特点是:①只能是实时仿真，即仿真模型的时间标尺和自然时间标尺相同。②需要解决控制器与仿真计算机之间的接口问题。③半实物仿真的实验结果比数学仿真更接近实际。
[0050]因此，可以利用实时数字仿真器RT-LAB的数字仿真主机实现MMC-HVDC系统中交直流系统的实时仿真，比如说，数字仿真主机对MMC-HVDC系统中交直流系统的实时仿真包含:对整流侧和逆变侧的电源、变压器、断路器、隔离刀闸及阀体的桥臂电感的实时仿真。利用实时数字仿真器RT-LAB的FPGA仿真机实现整流站双极阀控及阀体模型或逆变站双极阀控及阀体模型的实时仿真，IO扩展机箱连接MMC-HVDC控制保护柜。[0051]值得说明的是，FPGA仿真机所采用的实现整流站双极阀控及MMC阀体的数学模型或逆变站双极阀控及MMC阀体的数学模型根据MMC的拓扑结构确定。也就是说，用户可以根据实际需要确定数学模型，从而使本发明的半实物仿真系统应用范围更广、更灵活。目前有很多关于MMC拓扑结构及其数学模型的研究成果，均可用在本发明中，只需要根据不同的数学模型编写相应的FPGA程序烧录到FPGA仿真机中即可，本发明的重点不是MMC拓扑结构及其数学模型，在此不对其进行扩展。本实施方式以一种三相六桥臂拓扑结构为例进行说明，但本发明不限于此拓扑结构，在实际应用中，可以根据需要具体选择MMC拓扑结构及其数学模型。
[0052]如图4所示是三相MMC的拓扑结构示意图，一个模块化多电平换流器(MMC)由三个相单元并联组成，每一个相单元均分为上下两个桥臂；桥臂的一侧连接于交流输出端，另一侧连接于直流输出端；每个桥臂由相同数量的子模块与桥臂电抗串联而成，桥臂电抗可以集中连接在换流阀与交流输出端之间，也可以与子模块分散串联。子模块的结构由简单的半桥结构与电容并联而成，或者说由一个双向可开通的电力电子开关与另一个相同的电力电子开关与电容的串联体并联组成。所有的子模块串联结构称为阀。具体
地说，Ual、Ua2....Uan代表a相上桥臂的η个子模块，Ua (n+1)、Ua (n+2).....Ua (2η)代
表a相下桥臂的η个子模块，Ubl、Ub2....Ubn代表b相上桥臂的η个子模块，Ub (n+1)、
Ub (n+2).....Ub (2n)代表b相下桥臂的η个子模块，Uc1、Uc2....Ucn代表c相上桥臂的
η个子模块，Uc (n+1)、Uc (n+2).....Uc (2n)代表c相下桥臂的η个子模块,一共6个桥臂。
如图5所示是MMC的子模块结构示意图，其由2个绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，简称“IGBT”)Tl、T2和反并联二极管Dl、D2，以及电容CO组成，通过控制子模块的投入和切出叠加出多电平阶梯波拟合正弦交流波形。
[0053]实时数字仿真器RT-LAB与MMC-HVDC控制保护柜之间的接口问题可以通过以下方式处理:
[0054]FPGA仿真机与MMC-HVDC控制保护柜之间采用两路光纤通信链路进行信息传递，实现整流站或逆变站与MMC-HVDC控制保护柜之间的接口信号处理。
[0055]具体地说，用于实现整流站双极阀控及阀体模型的FPGA仿真机中的主FPGA实现整流站两路光纤通信链路通信协议解析，其中一个通信协议传递的信息包括正极MMC整流站控制保护装置发出的a相上桥臂、a相下桥臂、b相上桥臂、b相下桥臂、c相上桥臂、c相下桥臂共6个MMC桥臂的参考电压调制波，另一个通信协议传递的信息包括负极MMC整流站控制保护装置发出的a相上桥臂、a相下桥臂、b相上桥臂、b相下桥臂、c相上桥臂、c相下桥臂共6个MMC桥臂的参考电压调制波。
[0056]或者，用于实现逆变站双极阀控及阀体模型的FPGA仿真机中的主FPGA实现逆变站两路光纤通信链路的通信协议解析，其中一个通信协议传递的信息包括正极MMC逆变站控制保护装置发出的a相上桥臂、a相下桥臂、b相上桥臂、b相下桥臂、c相上桥臂、c相下桥臂共6个MMC桥臂的参考电压调制波，另一个通信协议传递的信息包括负极MMC逆变站控制保护装置发出的a相上桥臂、a相下桥臂、b相上桥臂、b相下桥臂、c相上桥臂、c相下桥臂共6个MMC桥臂的参考电压调制波。在实际使用中，可以在FPGA仿真机上配置光纤接口板，用于实现光电信号的转换，通过该光纤接口板接收参考电压调制波信息。
[0057]此外，数字仿真主机与IO扩展机箱交互，实现MMC-HVDC系统中交直流系统与MMC-HVDC控制保护柜之间的接口信号处理；其中，数字仿真主机与IO扩展机箱的交互信息包含:电流、电压的模拟量以及控制断路器、隔离刀闸的数字开关量。
[0058]此外，需要说明的是，在本实施方式中，FPGA仿真机与IO扩展机箱之间采用两路光纤通信链路进行信息传递，实现整流站或逆变站与MMC-HVDC控制保护柜之间的接口信号处理；可以使信息传递比较简单、快速。在实际应用中，采用的通信协议包括HDLC (高级数据链路控制规程)、千兆以太网、Aurora等，都是通信领域比较常见的通信协议，在此不再--赘述。
[0059]为了实现仿真数据交互同步，将各数字仿真主机、FPGA仿真机及IO扩展机箱通过同步线互联，使得对系统的仿真在同一时间标尺下进行，从而使仿真结果更准确。具体地说，如图6所示，数字仿真主机的发送端(TX)连接IO扩展机箱的接收端(RX)，IO扩展机箱的发送端(TX)连接FPGA仿真机I的接收端(RX)，一个FPGA仿真机的发送端(TX)与下一个FPGA仿真机的接收端(RX)连接，直到所有FPGA仿真机均相连。
[0060]与现有技术相比，本实施方式通过FPGA仿真机实现整流站双极阀控及阀体模型或逆变站双极阀控及阀体模型的实时仿真，数字仿真主机实现MMC-HVDC系统中交直流系统的实时仿真，IO扩展机箱连接MMC-HVDC控制保护柜，并将数字仿真主机、FPGA仿真机以及IO扩展机箱通过PCIe交换机互联，能完整的实现RT-LAB下完全双极MMC-HVDC系统的半实物仿真测试，为完全双极MMC-HVDC系统的研究及工程试验提供了一套仿真测试方案，从而使得完全双极MMC-HVDC系统的半实物仿真可以应用于实际工程实验，对控制保护装置的测试更接近实际应用。
[0061]本发明的第二实施方式涉及一种MMC-HVDC半实物仿真系统。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于:在第一实施方式中，包含多个FPGA仿真机实现多端MMC-HVDC换流站双极 阀控及阀体模型的实时仿真，或者多端MMC-HVDC换流站中各换流站控制保护装置测试。而在本发明第二实施方式中，只包含一个用于实现整流站双极阀控及阀体模型实时仿真的FPGA仿真机，用于整流站控制保护装置的单端测试或调试，仅针对整流站控制保护装置进行测试，可以排除其他装置的干扰，进一步使仿真结果更准确。
[0062]图7所示是本实施方式的MMC-HVDC的半实物仿真系统结构图，图8是本实施方式的MMC-HVDC的半实物仿真系统的同步接线示意图。在本实施方式中，利用实时数字仿真器RT-LAB的数字仿真主机实现MMC-HVDC系统中交直流系统的实时仿真，利用实时数字仿真器RT-LAB的FPGA仿真机实现整流站双极阀控及阀体模型的实时仿真，MMC-HVDC控制保护柜包含正极MMC整流站控制保护装置和负极MMC整流站控制保护装置；10扩展机箱连接正极MMC整流站控制保护装置和负极MMC整流站控制保护装置。正极MMC整流站控制保护装置和负极MMC整流站控制保护装置分别将各桥臂的参考电压调制波通过两路光纤通信链路分别发送给FPGA仿真机；FPGA仿真机将整流站中换流阀桥臂电压和电流等信息通过两路光纤通信链路分别反馈至正极MMC整流站控制保护装置和负极MMC整流站控制保护装置。
[0063]本发明第三实施方式涉及一种MMC-HVDC半实物仿真系统，第三实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于:在第一实施方式中，包含多个FPGA仿真机实现多端MMC-HVDC换流站双极阀控及阀体模型的实时仿真，用于多端MMC-HVDC换流站中各换流站控制保护装置测试。而在本发明第三实施方式中，只包含一个用于实现逆变站双极阀控及阀体模型实时仿真的FPGA仿真机，用于逆变站控制保护装置的单端测试或调试，仅针对逆变站控制保护装置进行测试，可以排除其他装置的干扰，进一步使仿真结果更准确。
[0064]其系统结构图和同步接线图分别与图7和图8类似，利用实时数字仿真器RT-LAB的数字仿真主机实现MMC-HVDC系统中交直流系统的实时仿真，利用实时数字仿真器RT-LAB的FPGA仿真机实现逆变站双极阀控及阀体模型的实时仿真，MMC-HVDC控制保护柜包含正极MMC逆变站控制保护装置和负极MMC逆变站控制保护装置；IO扩展机箱连接正极MMC逆变站控制保护装置和负极MMC逆变站控制保护装置。正极MMC逆变站控制保护装置和负极MMC逆变站控制保护装置分别将各桥臂的参考电压调制波通过两路光纤通信链路分别发送给FPGA仿真机；FPGA仿真机将逆变站中换流阀桥臂电压和电流等信息通过两路光纤通信链路分别反馈至正极MMC逆变站控制保护装置和负极MMC逆变站控制保护装置。
[0065]本发明第四实施方式涉及一种MMC-HVDC半实物仿真系统。第四实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于:在第一实施方式中，包含多个FPGA仿真机实现多端MMC-HVDC换流站双极阀控及阀体模型的实时仿真，用于多端MMC-HVDC换流站控制保护装置测试。而在本发明第四实施方式中，包含一个用于实现整流站双极阀控及阀体模型实时仿真的第一 FPGA仿真机和一个用于实现逆变站双极阀控及阀体模型实时仿真的第二FPGA仿真机，用于整流站控制保护装置和逆变站控制保护装置的双端测试或调试，可测试整流站和逆变站控制保护装置的功能及性能，使仿真结果更接近实际应用。
[0066]图9所示是本实施方式的MMC-HVDC的半实物仿真系统结构图，图10所示是本实施方式的MMC-HVDC的半实物仿真系统的同步接线示意图。在本实施方式中，利用实时数字仿真器RT-LAB的数字仿真主机实现MMC-HVDC系统中交直流系统的实时仿真，利用实时数字仿真器RT-LAB的一个FPGA仿真机实现整流站双极阀控及阀体模型的实时仿真，利用实时数字仿真器RT-LAB的另一个FPGA仿真机实现逆变站双极阀控及阀体模型的实时仿真，MMC-HVDC控制保护柜包含正极MMC整流站控制保护装置、负极MMC整流站控制保护装置、正极MMC逆变站控制保护装置和负极MMC逆变站控制保护装置；10扩展机箱连接正极MMC整流站控制保护装置、负极MMC整流站控制保护装置、正极MMC逆变站控制保护装置和负极MMC逆变站控制保护装置。
[0067]正极MMC整流站控制保护装置和负极MMC整流站控制保护装置分别将各桥臂的参考电压调制波通过两路光纤通信链路分别发送给第一 FPGA仿真机；第一 FPGA仿真机将整流站中换流阀桥臂电压和电流等信息通过两路光纤通信链路分别反馈至正极MMC整流站控制保护装置和负极MMC整流站控制保护装置。
[0068]正极MMC逆变站控制保护装置和负极MMC逆变站控制保护装置分别将各桥臂的参考电压调制波通过两路光纤通信链路分别发送给第二 FPGA仿真机；第二 FPGA仿真机将逆变站中换流阀桥臂电压和电流等信息通过两路光纤通信链路反馈至正极MMC逆变站控制保护装置和负极MMC逆变站控制保护装置。
[0069]具体说明如下:
[0070]1.利用实时数字仿真器RT-LAB的一台FPGA仿真机A (也就是第一 FPGA仿真机)中的主FPGA实现整流站两路光纤通信链路的通信协议解析。其中一个通信协议传递的信息包括正极MMC换流站控制保护装置发出的a相上桥臂、a相下桥臂、b相上桥臂、b相下桥臂、c相上桥臂、c相下桥臂共6个MMC桥臂的参考电压调制波，另一个通信协议传递的信息包括负极MMC换流站控制保护装置发出的a相上桥臂、a相下桥臂、b相上桥臂、b相下桥臂、c相上桥臂、c相下桥臂共6个MMC桥臂的参考电压调制波。
[0071 ] 2.利用FPGA仿真机B (也就是第二 FPGA仿真机)中的主FPGA实现逆变站两路光纤通信链路的通信协议解析。其中一个通信协议传递的信息包括MMC逆变站正极控制保护装置发出的a相上桥臂、a相下桥臂、b相上桥臂、b相下桥臂、c相上桥臂、c相下桥臂共6个MMC桥臂的参考电压调制波，另一个通信协议传递的信息包括MMC逆变站负极控制保护装置发出的a相上桥臂、a相下桥臂、b相上桥臂、b相下桥臂、c相上桥臂、c相下桥臂共6个MMC桥臂的参考电压调制波。
[0072]3.利用FPGA仿真机A中的扩展FPGA实现双端MMC-HVDC中整流站双极阀控及MMC阀体的数学模型。利用FPGA仿真机B中的扩展FPGA实现双端MMC-HVDC中逆变站双极阀控及MMC阀体的数学模型。由于FPGA运算的时钟频率很高，可以实现高精度的阀控及MMC阀体的数学模型。
[0073]4.利用一台实时数字仿真主机C实现MMC-HVDC系统中交直流系统的实时仿真；其中，包括整流侧电源、变压器、断路器、隔离刀闸及阀体的桥臂电感，和逆变侧电源、变压器、断路器、隔离刀闸及阀体的桥臂电感等电气元件。
[0074]5.利用实时数字仿真主机C及I台IO (Input/Output,信号输入输出接口)扩展机箱实现与MMC-HVDC控制保护柜IO信号的交互处理；其中，主要包括各种电流、电压的模拟量及控制断路器、隔离刀闸的数字开关量。
[0075]6.利用FPGA仿真机A的光纤接口板实现与双端MMC-HVDC中整流站控制保护柜的信号接口处理，利用FPGA仿真机B的光纤接口板实现与双端MMC-HVDC中逆变站控制保护柜的信号接口处理。
[0076]7.采用PCIe扩展总线将各数字仿真主机、FPGA仿真机及IO扩展机箱通过PCIe交换机互联。
[0077]8.将各数字仿真主机、FPGA仿真机及IO扩展机箱通过同步线互联实现仿真数据交互同步。
[0078]本发明能完整的实现RT-LAB下完全双极MMC-HVDC系统的半实物仿真测试，为完全双极MMC-HVDC系统的研究及工程试验提供了一套仿真测试方案。
[0079]本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
【权利要求】
1.一种基于模块化多电平换流器的柔性直流输电MMC-HVDC半实物仿真系统，其特征在于，包含:至少一个现场可编程门阵列FPGA仿真机、数字仿真主机、输入输出IO扩展机箱和外设互联扩展总线PCIe交换机； 所述FPGA仿真机用于实现整流站双极阀控及阀体模型或逆变站双极阀控及阀体模型的实时仿真； 所述数字仿真主机用于实现MMC-HVDC系统中交直流系统的实时仿真； 所述IO扩展机箱用于连接MMC-HVDC控制保护柜； 所述数字仿真主机、所述FPGA仿真机以及所述IO扩展机箱通过所述PCIe交换机互联。
2.根据权利要求1所述的MMC-HVDC半实物仿真系统，其特征在于，所述FPGA仿真机与所述MMC-HVDC控制保护柜之间采用两路光纤通信链路进行信息传递。
3.根据权利要求2所述的MMC-HVDC半实物仿真系统，其特征在于，所述MMC-HVDC半实物仿真系统包含一个用于实现整流站双极阀控及阀体模型实时仿真的FPGA仿真机； 所述MMC-HVDC控制保护柜包含正极MMC整流站控制保护装置和负极MMC整流站控制保护装置；所述IO扩展机箱连接所述正极MMC整流站控制保护装置和所述负极MMC整流站控制保护装置；
所述正极MMC整流站控制保护装置和所述负极MMC整流站控制保护装置分别将各桥臂的参考电压调制波通过所述两路光纤通信链路分别发送给所述FPGA仿真机；所述FPGA仿真机将所述整流站中换流阀桥臂电压和电流信息通过所述两路光纤通信链路分别反馈至所述正极MMC整流站控制保护装置和所述负极MMC整流站控制保护装置。
4.根据权利要求2所述的MMC-HVDC半实物仿真系统，其特征在于，所述MMC-HVDC半实物仿真系统包含一个用于实现逆变站双极阀控及阀体模型实时仿真的FPGA仿真机； 所述MMC-HVDC控制保护柜包含正极MMC逆变站控制保护装置和负极MMC逆变站控制保护装置；所述IO扩展机箱连接所述正极MMC逆变站控制保护装置和所述负极MMC逆变站控制保护装置； 所述正极MMC逆变站控制保护装置和所述负极MMC逆变站控制保护装置分别将各桥臂的参考电压调制波通过所述两路光纤通信链路分别发送给所述FPGA仿真机；所述FPGA仿真机将所述逆变站中换流阀桥臂电压和电流信息通过所述两路光纤通信链路分别反馈至所述正极MMC逆变站控制保护装置和所述负极MMC逆变站控制保护装置。
5.根据权利要求2所述的MMC-HVDC半实物仿真系统，其特征在于，所述MMC-HVDC半实物仿真系统包含一个用于实现整流站双极阀控及阀体模型实时仿真的第一 FPGA仿真机和一个用于实现逆变站双极阀控及阀体模型实时仿真的第二 FPGA仿真机； 所述MMC-HVDC控制保护柜包含正极MMC整流站控制保护装置、负极MMC整流站控制保护装置、正极MMC逆变站控制保护装置和负极MMC逆变站控制保护装置；所述IO扩展机箱连接所述正极MMC整流站控制保护装置、所述负极MMC整流站控制保护装置、所述正极MMC逆变站控制保护装置和所述负极MMC逆变站控制保护装置； 所述正极MMC整流站控制保护装置和所述负极MMC整流站控制保护装置分别将各桥臂的参考电压调制波通过所述两路光纤通信链路分别发送给所述第一 FPGA仿真机；所述第一FPGA仿真机将所述整流站中换流阀桥臂电压和电流信息通过所述两路光纤通信链路分别反馈至所述正极MMC整流站控制保护装置和所述负极MMC整流站控制保护装置； 所述正极MMC逆变站控制保护装置和所述负极MMC逆变站控制保护装置分别将各桥臂的参考电压调制波通过所述两路光纤通信链路分别发送给所述第二 FPGA仿真机；所述第二FPGA仿真机将所述逆变站中换流阀桥臂电压和电流信息通过所述两路光纤通信链路分别反馈至所述正极MMC逆变站控制保护装置和所述负极MMC逆变站控制保护装置。
6.根据权利要求2所述的MMC-HVDC半实物仿真系统，其特征在于，所述FPGA仿真机上配置光纤接口板，用于实现光电信号的转换。
7.根据权利要求1所述的MMC-HVDC半实物仿真系统，其特征在于，所述数字仿真主机与所述IO扩展机箱交互，实现MMC-HVDC系统中交直流系统与MMC-HVDC控制保护柜之间的接口信号处理； 其中，所述数字仿真主机与所述IO扩展机箱的交互信息包含:电流、电压的模拟量以及控制断路器、隔离刀闸的数字开关量。
8.据权利要求1所述的MMC-HVDC半实物仿真系统，其特征在于，所述数字仿真主机对MMC-HVDC系统中交直流系统的实时仿真包含:对整流侧和逆变侧的电源、变压器、断路器、隔离刀闸及阀体的桥臂电感的实时仿真。
9.根据权利要求1所述的MMC-HVDC半实物仿真系统，其特征在于，所述数字仿真主机、所述FPGA仿真机以及所述IO扩展机箱通过同步线互联实现仿真数据交互同步。
10.根据权利要求1所 述的MMC-HVDC半实物仿真系统，其特征在于，所述FPGA仿真机所采用的实现整流站双极阀控及MMC阀体的数学模型或逆变站双极阀控及MMC阀体的数学模型根据所述MMC的拓扑结构确定。
【文档编号】G05B17/02GK103792854SQ201410073737
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2014年3月3日
【发明者】尹平平, 王志鹏, 王佳 申请人:上海科梁信息工程有限公司