基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電半實物仿真系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及電力系統柔性直流輸電【技術領域】，公開了一種基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電半實物仿真系統。本發明中，通過FPGA仿真機實現整流站雙極閥控及閥體模型或逆變站雙極閥控及閥體模型的實時仿真，數字仿真主機實現MMC-HVDC系統中交直流系統的實時仿真，IO擴展機箱連接MMC-HVDC控制保護柜，并將數字仿真主機、FPGA仿真機以及IO擴展機箱通過PCIe交換機互聯，能完整的實現完全雙極MMC-HVDC系統的半實物仿真測試，為完全雙極MMC-HVDC系統的研究及工程試驗提供了一套仿真測試方案，從而使得完全雙極MMC-HVDC系統的半實物仿真可以應用于實際工程試驗，對控制保護裝置的測試更接近實際應用。
【專利說明】基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電半實物仿真系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力系統柔性直流輸電【技術領域】，特別涉及基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電半實物仿真系統。
【背景技術】
[0002]基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電技術(Modular Multilevel ConverterBased High Voltage Direct Current,簡稱“MMC-HVDC” 或“MMC”)是電壓源換流器高壓直流輸電(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current,簡稱“VSC-HVDC”)在多電平領域的一個重要分支，而模塊化多電平換流器是最近幾年興起的一種嶄新的適用于高壓柔性直流輸電【技術領域】的換流器，它的出現打破了原有的兩電平拓撲獨占柔性直流市場的局面，增加了柔性直流應用的可選方案。模塊化多電平的每一個橋臂均有相同數量的子模塊與橋臂電抗串聯而成，通過控制子模塊的投入和退出，使輸出地電壓逼近正弦交流電壓，從而形成穩定的工作點，同時，通過同一相單元上下橋臂投入電容的互補，形成穩定的直流電壓，這樣就實現了系統的穩定運行。
[0003]由于高壓直流輸電系統設備數量龐大，系統復雜，控制保護裝置功能繁多、邏輯復雜，如果將設計的設備直接投入操作，將會有許多不必要的成本浪費和材料浪費，布局不合理，同時，還有可能引起安全問題。因此，目前一般先通過半實物仿真測試MMC-HVDC的控制保護裝置，待確定控制保護裝置的控制保護策略正確之后才正式投入工程應用中。
[0004]MMC-HVDC可分為偽雙極MMC-HVDC和完全雙極MMC-HVDC兩種，其系統結構分別如圖1、圖2所示。與偽雙極MMC-HVDC系統相比，完全雙極MMC-HVDC系統的主要優勢表現在:
[0005](I)直流線路絕緣水平大大降低，在同樣的額定直流電壓下，比偽雙極MMC-HVDC系統絕緣水平低得多。
[0006](2)易于系統分期建設和增容擴建，先投運單極再投運雙極，有利于早日發揮投資效益。
[0007](3)能夠適合不同電壓等級、不同容量的柔性直流輸電系統。
[0008](4)可在雙極平衡、雙極不平衡、單極大地回線、單極金屬回線等方式下運行，運行方式靈活多樣。
[0009]鑒于完全雙極MMC-HVDC具有以上優良特性，現在已有規劃中的多電平VSC-HVDC采用如圖2所示的完全雙極MMC-HVDC系統結構。但是，由于目前已運行的MMC-HDVC系統容量比較小，因此，目前的MMC-HVDC控制保護策略和系統運行特性的研究，主要是基于偽雙極MMC-HVDC系統的，目前的各種MMC-HVDC半實物仿真測試系統也主要是基于偽雙極MMC-HVDC系統的。
[0010]此外，RT-LAB是一種可以實現實時電力系統電磁暫態仿真的并行計算機系統，可以將其結果輸出，與實際設備連接構成靈活方便的半實物仿真回路，用于各種控制保護裝置的試驗。基于RT-LAB的偽雙極MMC-HVDC系統的半實物仿真測試已經用于實際工程的試驗；而基于RT-LAB的完全雙極MMC-HVDC系統的半實物仿真測試方法至今未見相關專利或文獻報道。因此，設計一種基于RT-LAB的完全雙極MMC-HVDC系統的半實物仿真測試方法以及RT-LAB與外部控制保護裝置的接口顯得尤為重要。

【發明內容】

[0011]本發明的目的在于提供一種基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電半實物仿真系統，使得完全雙極MMC-HVDC系統的半實物仿真可以應用于實際工程試驗，從而使對控制保護裝置的測試更接近實際應用。
[0012]為解決上述技術問題，本發明的實施方式提供了一種基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電半實物仿真系統，包含:至少一個現場可編程門陣列FPGA仿真機、數字仿真主機、輸入輸出IO擴展機箱和外設互聯擴展總線PCIe交換機；
[0013]所述FPGA仿真機用于實現整流站雙極閥控及閥體模型或逆變站雙極閥控及閥體模型的實時仿真；
[0014]所述數字仿真主機用于實現MMC-HVDC系統中交直流系統的實時仿真；
[0015]所述IO擴展機箱用于連接MMC-HVDC控制保護柜；
[0016]所述數字仿真主機、所述FPGA仿真機以及所述IO擴展機箱通過所述PCIe交換機互聯。
[0017]本發明相對于現有技術而言，通過FPGA仿真機實現整流站雙極閥控及閥體模型或逆變站雙極閥控及閥體模型的實時仿真，數字仿真主機實現MMC-HVDC系統中交直流系統的實時仿真，IO擴展機箱連接MMC-HVDC控制保護柜，并將數字仿真主機、FPGA仿真機以及IO擴展機箱通過PCIe交換機互聯，能完整的實現RT-LAB下完全雙極MMC-HVDC系統的半實物仿真測試，為完全雙極MMC-HVDC系統的研究及工程試驗提供了一套仿真測試方案，從而使得完全雙極MMC-HVDC系統的半實物仿真可以應用于實際工程試驗，對控制保護裝置的測試更接近實際應用。
[0018]另外，所述FPGA仿真機與所述MMC-HVDC控制保護柜之間采用兩路光纖通信鏈路進行信息傳遞，實現整流站或逆變站與MMC-HVDC控制保護柜之間的接口信號處理，可以使信息傳遞比較簡單、快速。
[0019]另外，所述MMC-HVDC半實物仿真系統包含一個用于實現整流站雙極閥控及閥體模型實時仿真的FPGA仿真機；
[0020]所述MMC-HVDC控制保護柜包含正極MMC整流站控制保護裝置和負極MMC整流站控制保護裝置；所述IO擴展機箱連接所述正極MMC整流站控制保護裝置和所述負極MMC整流站控制保護裝置；
[0021]所述正極MMC整流站控制保護裝置和所述負極MMC整流站控制保護裝置分別將各橋臂的參考電壓調制波通過所述兩路光纖通信鏈路分別發送給所述FPGA仿真機；所述FPGA仿真機將所述整流站中換流閥橋臂電壓和電流信息通過所述兩路光纖通信鏈路分別反饋至所述正極MMC整流站控制保護裝置和所述負極MMC整流站控制保護裝置。
[0022]上述方案用于整流站控制保護裝置的單端測試或調試，僅針對整流站控制保護裝置進行測試，可以排除其他裝置的干擾，進一步使仿真結果更準確。
[0023]另外，所述MMC-HVDC半實物仿真系統包含一個用于實現逆變站雙極閥控及閥體模型實時仿真的FPGA仿真機；[0024]所述MMC-HVDC控制保護柜包含正極MMC逆變站控制保護裝置和負極MMC逆變站控制保護裝置；所述IO擴展機箱連接所述正極MMC逆變站控制保護裝置和所述負極MMC逆變站控制保護裝置；
[0025]所述正極MMC逆變站控制保護裝置和所述負極MMC逆變站控制保護裝置分別將各橋臂的參考電壓調制波通過所述兩路光纖通信鏈路分別發送給所述FPGA仿真機；所述FPGA仿真機將所述逆變站中換流閥橋臂電壓和電流信息通過兩路光纖通信鏈路分別反饋至所述正極MMC逆變站控制保護裝置和所述負極MMC逆變站控制保護裝置。
[0026]上述方案用于逆變站控制保護裝置的單端測試或調試，僅針對逆變站控制保護裝置進行測試，可以排除其他裝置的干擾，進一步使仿真結果更準確。
[0027]另外，所述MMC-HVDC半實物仿真系統包含一個用于實現整流站雙極閥控及閥體模型實時仿真的第一 FPGA仿真機和一個用于實現逆變站雙極閥控及閥體模型實時仿真的第二 FPGA仿真機；
[0028]所述MMC-HVDC控制保護柜包含正極MMC整流站控制保護裝置、負極MMC整流站控制保護裝置、正極MMC逆變站控制保護裝置和負極MMC逆變站控制保護裝置；所述IO擴展機箱連接所述正極MMC整流站控制保護裝置、所述負極MMC整流站控制保護裝置、所述正極MMC逆變站控制保護裝置和所述負極MMC逆變站控制保護裝置；
[0029]所述正極MMC整流站控制保護裝置和所述負極MMC整流站控制保護裝置分別將各橋臂的參考電壓調制波通過所述兩路光纖通信鏈路分別發送給所述第一 FPGA仿真機；所述第一 FPGA仿真機將所述整流站中換流閥橋臂電壓和電流信息通過所述兩路光纖通信鏈路分別反饋至所述正極MMC整流站控制保護裝置和所述負極MMC整流站控制保護裝置；
[0030]所述正極MMC逆變站控制保護裝置和所述負極MMC逆變站控制保護裝置分別將各橋臂的參考電壓調制波通過所述兩路光纖通信鏈路分別發送給所述第二 FPGA仿真機；所述第二 FPGA仿真機將所述逆變站中換流閥橋臂電壓和電流信息通過所述兩路光纖通信鏈路分別反饋至所述正極MMC逆變站控制保護裝置和所述負極MMC逆變站控制保護裝置。
[0031]上述方案用于整流站和逆變站控制保護裝置的雙端測試或調試，可測試整流站和逆變站控制保護裝置的功能及性能，使仿真結果更接近實際應用。
[0032]另外，所述數字仿真主機與所述IO擴展機箱交互，實現MMC-HVDC系統中交直流系統與MMC-HVDC控制保護柜之間的接口信號處理；
[0033]其中，所述數字仿真主機與所述IO擴展機箱的交互信息包含:電流、電壓的模擬量以及控制斷路器、隔離刀閘的數字開關量。
[0034]另外，所述數字仿真主機對MMC-HVDC系統中交直流系統的實時仿真包含:對整流側和逆變側的電源、變壓器、斷路器、隔離刀閘及閥體的橋臂電感的實時仿真。
[0035]另外，所述數字仿真主機、所述FPGA仿真機以及所述IO擴展機箱通過同步線互聯，實現仿真數據交互同步，使得對系統的仿真在同一時間標尺下進行，從而使仿真結果更準確。
[0036]另外，所述FPGA仿真機所采用的實現整流站雙極閥控及MMC閥體的數學模型或逆變站雙極閥控及MMC閥體的數學模型根據所述MMC的拓撲結構確定。也就是說，用戶可以根據實際需要確定數學模型，從而使本發明的半實物仿真系統應用范圍更廣、更靈活。【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是根據現有技術的偽雙極MMC-HVDC系統結構；
[0038]圖2是根據現有技術的完全雙極MMC-HVDC系統結構；
[0039]圖3是根據本發明第一實施方式的MMC-HVDC半實物仿真系統結構圖；
[0040]圖4是三相MMC的拓撲結構示意圖；
[0041]圖5是MMC的子模塊結構示意圖；
[0042]圖6是根據本發明第一實施方式的MMC-HVDC半實物仿真系統的同步接線示意圖；
[0043]圖7是根據本發明第二實施方式的MMC-HVDC半實物仿真系統結構圖；
[0044]圖8是根據本發明第二實施方式的MMC-HVDC半實物仿真系統的同步接線示意圖；
[0045]圖9是根據本發明第四實施方式的MMC-HVDC半實物仿真系統結構圖；
[0046]圖10是根據本發明第四實施方式的MMC-HVDC半實物仿真系統的同步接線示意圖。
【具體實施方式】
[0047]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的各實施方式進行詳細的闡述。然而，本領域的普通技術人員可以理解，在本發明各實施方式中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節。但是，即使沒有這些技術細節和基于以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現本申請各權利要求所要求保護的技術方案。
[0048]本發明的第一實施方式涉及一種MMC-HVDC半實物仿真系統，如圖3所示，該系統包含:至少一個現場可編程門陣列FPGA仿真機、數字仿真主機、輸入輸出IO擴展機箱和外設互聯擴展總線PCIe交換機；采用PCIe擴展總線將數字仿真主機、FPGA仿真機以及IO擴展機箱通過PCIe交換機互聯。
[0049]由于半實物仿真(hardware-1n-loop simulation)是將控制器(實物)與在仿真計算機上實現的控制對象的仿真模型(即數學仿真)聯接在一起進行試驗的技術。在這種試驗中，控制器的動態特性、靜態特性和非線性因素等都能真實地反映出來，因此它是一種更接近實際的仿真試驗技術。這種仿真技術可用于修改控制器設計(即在控制器尚未安裝到真實系統中之前，通過半實物仿真來驗證控制器的設計性能，若系統性能指標不滿足設計要求，則可調整控制器的參數，或修改控制器的設計)，同時也廣泛用于產品的修改定型、產品改型和出廠檢驗等方面。半實物仿真的特點是:①只能是實時仿真，即仿真模型的時間標尺和自然時間標尺相同。②需要解決控制器與仿真計算機之間的接口問題。③半實物仿真的實驗結果比數學仿真更接近實際。
[0050]因此，可以利用實時數字仿真器RT-LAB的數字仿真主機實現MMC-HVDC系統中交直流系統的實時仿真，比如說，數字仿真主機對MMC-HVDC系統中交直流系統的實時仿真包含:對整流側和逆變側的電源、變壓器、斷路器、隔離刀閘及閥體的橋臂電感的實時仿真。利用實時數字仿真器RT-LAB的FPGA仿真機實現整流站雙極閥控及閥體模型或逆變站雙極閥控及閥體模型的實時仿真，IO擴展機箱連接MMC-HVDC控制保護柜。[0051]值得說明的是，FPGA仿真機所采用的實現整流站雙極閥控及MMC閥體的數學模型或逆變站雙極閥控及MMC閥體的數學模型根據MMC的拓撲結構確定。也就是說，用戶可以根據實際需要確定數學模型，從而使本發明的半實物仿真系統應用范圍更廣、更靈活。目前有很多關于MMC拓撲結構及其數學模型的研究成果，均可用在本發明中，只需要根據不同的數學模型編寫相應的FPGA程序燒錄到FPGA仿真機中即可，本發明的重點不是MMC拓撲結構及其數學模型，在此不對其進行擴展。本實施方式以一種三相六橋臂拓撲結構為例進行說明，但本發明不限于此拓撲結構，在實際應用中，可以根據需要具體選擇MMC拓撲結構及其數學模型。
[0052]如圖4所示是三相MMC的拓撲結構示意圖，一個模塊化多電平換流器(MMC)由三個相單元并聯組成，每一個相單元均分為上下兩個橋臂；橋臂的一側連接于交流輸出端，另一側連接于直流輸出端；每個橋臂由相同數量的子模塊與橋臂電抗串聯而成，橋臂電抗可以集中連接在換流閥與交流輸出端之間，也可以與子模塊分散串聯。子模塊的結構由簡單的半橋結構與電容并聯而成，或者說由一個雙向可開通的電力電子開關與另一個相同的電力電子開關與電容的串聯體并聯組成。所有的子模塊串聯結構稱為閥。具體
地說，Ual、Ua2....Uan代表a相上橋臂的η個子模塊，Ua (n+1)、Ua (n+2).....Ua (2η)代
表a相下橋臂的η個子模塊，Ubl、Ub2....Ubn代表b相上橋臂的η個子模塊，Ub (n+1)、
Ub (n+2).....Ub (2n)代表b相下橋臂的η個子模塊，Uc1、Uc2....Ucn代表c相上橋臂的
η個子模塊，Uc (n+1)、Uc (n+2).....Uc (2n)代表c相下橋臂的η個子模塊,一共6個橋臂。
如圖5所示是MMC的子模塊結構示意圖，其由2個絕緣柵雙極型晶體管(Insulated GateBipolar Transistor，簡稱“IGBT”)Tl、T2和反并聯二極管Dl、D2，以及電容CO組成，通過控制子模塊的投入和切出疊加出多電平階梯波擬合正弦交流波形。
[0053]實時數字仿真器RT-LAB與MMC-HVDC控制保護柜之間的接口問題可以通過以下方式處理:
[0054]FPGA仿真機與MMC-HVDC控制保護柜之間采用兩路光纖通信鏈路進行信息傳遞，實現整流站或逆變站與MMC-HVDC控制保護柜之間的接口信號處理。
[0055]具體地說，用于實現整流站雙極閥控及閥體模型的FPGA仿真機中的主FPGA實現整流站兩路光纖通信鏈路通信協議解析，其中一個通信協議傳遞的信息包括正極MMC整流站控制保護裝置發出的a相上橋臂、a相下橋臂、b相上橋臂、b相下橋臂、c相上橋臂、c相下橋臂共6個MMC橋臂的參考電壓調制波，另一個通信協議傳遞的信息包括負極MMC整流站控制保護裝置發出的a相上橋臂、a相下橋臂、b相上橋臂、b相下橋臂、c相上橋臂、c相下橋臂共6個MMC橋臂的參考電壓調制波。
[0056]或者，用于實現逆變站雙極閥控及閥體模型的FPGA仿真機中的主FPGA實現逆變站兩路光纖通信鏈路的通信協議解析，其中一個通信協議傳遞的信息包括正極MMC逆變站控制保護裝置發出的a相上橋臂、a相下橋臂、b相上橋臂、b相下橋臂、c相上橋臂、c相下橋臂共6個MMC橋臂的參考電壓調制波，另一個通信協議傳遞的信息包括負極MMC逆變站控制保護裝置發出的a相上橋臂、a相下橋臂、b相上橋臂、b相下橋臂、c相上橋臂、c相下橋臂共6個MMC橋臂的參考電壓調制波。在實際使用中，可以在FPGA仿真機上配置光纖接口板，用于實現光電信號的轉換，通過該光纖接口板接收參考電壓調制波信息。
[0057]此外，數字仿真主機與IO擴展機箱交互，實現MMC-HVDC系統中交直流系統與MMC-HVDC控制保護柜之間的接口信號處理；其中，數字仿真主機與IO擴展機箱的交互信息包含:電流、電壓的模擬量以及控制斷路器、隔離刀閘的數字開關量。
[0058]此外，需要說明的是，在本實施方式中，FPGA仿真機與IO擴展機箱之間采用兩路光纖通信鏈路進行信息傳遞，實現整流站或逆變站與MMC-HVDC控制保護柜之間的接口信號處理；可以使信息傳遞比較簡單、快速。在實際應用中，采用的通信協議包括HDLC (高級數據鏈路控制規程)、千兆以太網、Aurora等，都是通信領域比較常見的通信協議，在此不再--贅述。
[0059]為了實現仿真數據交互同步，將各數字仿真主機、FPGA仿真機及IO擴展機箱通過同步線互聯，使得對系統的仿真在同一時間標尺下進行，從而使仿真結果更準確。具體地說，如圖6所示，數字仿真主機的發送端(TX)連接IO擴展機箱的接收端(RX)，IO擴展機箱的發送端(TX)連接FPGA仿真機I的接收端(RX)，一個FPGA仿真機的發送端(TX)與下一個FPGA仿真機的接收端(RX)連接，直到所有FPGA仿真機均相連。
[0060]與現有技術相比，本實施方式通過FPGA仿真機實現整流站雙極閥控及閥體模型或逆變站雙極閥控及閥體模型的實時仿真，數字仿真主機實現MMC-HVDC系統中交直流系統的實時仿真，IO擴展機箱連接MMC-HVDC控制保護柜，并將數字仿真主機、FPGA仿真機以及IO擴展機箱通過PCIe交換機互聯，能完整的實現RT-LAB下完全雙極MMC-HVDC系統的半實物仿真測試，為完全雙極MMC-HVDC系統的研究及工程試驗提供了一套仿真測試方案，從而使得完全雙極MMC-HVDC系統的半實物仿真可以應用于實際工程實驗，對控制保護裝置的測試更接近實際應用。
[0061]本發明的第二實施方式涉及一種MMC-HVDC半實物仿真系統。第二實施方式與第一實施方式大致相同，主要區別之處在于:在第一實施方式中，包含多個FPGA仿真機實現多端MMC-HVDC換流站雙極 閥控及閥體模型的實時仿真，或者多端MMC-HVDC換流站中各換流站控制保護裝置測試。而在本發明第二實施方式中，只包含一個用于實現整流站雙極閥控及閥體模型實時仿真的FPGA仿真機，用于整流站控制保護裝置的單端測試或調試，僅針對整流站控制保護裝置進行測試，可以排除其他裝置的干擾，進一步使仿真結果更準確。
[0062]圖7所示是本實施方式的MMC-HVDC的半實物仿真系統結構圖，圖8是本實施方式的MMC-HVDC的半實物仿真系統的同步接線示意圖。在本實施方式中，利用實時數字仿真器RT-LAB的數字仿真主機實現MMC-HVDC系統中交直流系統的實時仿真，利用實時數字仿真器RT-LAB的FPGA仿真機實現整流站雙極閥控及閥體模型的實時仿真，MMC-HVDC控制保護柜包含正極MMC整流站控制保護裝置和負極MMC整流站控制保護裝置；10擴展機箱連接正極MMC整流站控制保護裝置和負極MMC整流站控制保護裝置。正極MMC整流站控制保護裝置和負極MMC整流站控制保護裝置分別將各橋臂的參考電壓調制波通過兩路光纖通信鏈路分別發送給FPGA仿真機；FPGA仿真機將整流站中換流閥橋臂電壓和電流等信息通過兩路光纖通信鏈路分別反饋至正極MMC整流站控制保護裝置和負極MMC整流站控制保護裝置。
[0063]本發明第三實施方式涉及一種MMC-HVDC半實物仿真系統，第三實施方式與第一實施方式大致相同，主要區別之處在于:在第一實施方式中，包含多個FPGA仿真機實現多端MMC-HVDC換流站雙極閥控及閥體模型的實時仿真，用于多端MMC-HVDC換流站中各換流站控制保護裝置測試。而在本發明第三實施方式中，只包含一個用于實現逆變站雙極閥控及閥體模型實時仿真的FPGA仿真機，用于逆變站控制保護裝置的單端測試或調試，僅針對逆變站控制保護裝置進行測試，可以排除其他裝置的干擾，進一步使仿真結果更準確。
[0064]其系統結構圖和同步接線圖分別與圖7和圖8類似，利用實時數字仿真器RT-LAB的數字仿真主機實現MMC-HVDC系統中交直流系統的實時仿真，利用實時數字仿真器RT-LAB的FPGA仿真機實現逆變站雙極閥控及閥體模型的實時仿真，MMC-HVDC控制保護柜包含正極MMC逆變站控制保護裝置和負極MMC逆變站控制保護裝置；IO擴展機箱連接正極MMC逆變站控制保護裝置和負極MMC逆變站控制保護裝置。正極MMC逆變站控制保護裝置和負極MMC逆變站控制保護裝置分別將各橋臂的參考電壓調制波通過兩路光纖通信鏈路分別發送給FPGA仿真機；FPGA仿真機將逆變站中換流閥橋臂電壓和電流等信息通過兩路光纖通信鏈路分別反饋至正極MMC逆變站控制保護裝置和負極MMC逆變站控制保護裝置。
[0065]本發明第四實施方式涉及一種MMC-HVDC半實物仿真系統。第四實施方式與第一實施方式大致相同，主要區別之處在于:在第一實施方式中，包含多個FPGA仿真機實現多端MMC-HVDC換流站雙極閥控及閥體模型的實時仿真，用于多端MMC-HVDC換流站控制保護裝置測試。而在本發明第四實施方式中，包含一個用于實現整流站雙極閥控及閥體模型實時仿真的第一 FPGA仿真機和一個用于實現逆變站雙極閥控及閥體模型實時仿真的第二FPGA仿真機，用于整流站控制保護裝置和逆變站控制保護裝置的雙端測試或調試，可測試整流站和逆變站控制保護裝置的功能及性能，使仿真結果更接近實際應用。
[0066]圖9所示是本實施方式的MMC-HVDC的半實物仿真系統結構圖，圖10所示是本實施方式的MMC-HVDC的半實物仿真系統的同步接線示意圖。在本實施方式中，利用實時數字仿真器RT-LAB的數字仿真主機實現MMC-HVDC系統中交直流系統的實時仿真，利用實時數字仿真器RT-LAB的一個FPGA仿真機實現整流站雙極閥控及閥體模型的實時仿真，利用實時數字仿真器RT-LAB的另一個FPGA仿真機實現逆變站雙極閥控及閥體模型的實時仿真，MMC-HVDC控制保護柜包含正極MMC整流站控制保護裝置、負極MMC整流站控制保護裝置、正極MMC逆變站控制保護裝置和負極MMC逆變站控制保護裝置；10擴展機箱連接正極MMC整流站控制保護裝置、負極MMC整流站控制保護裝置、正極MMC逆變站控制保護裝置和負極MMC逆變站控制保護裝置。
[0067]正極MMC整流站控制保護裝置和負極MMC整流站控制保護裝置分別將各橋臂的參考電壓調制波通過兩路光纖通信鏈路分別發送給第一 FPGA仿真機；第一 FPGA仿真機將整流站中換流閥橋臂電壓和電流等信息通過兩路光纖通信鏈路分別反饋至正極MMC整流站控制保護裝置和負極MMC整流站控制保護裝置。
[0068]正極MMC逆變站控制保護裝置和負極MMC逆變站控制保護裝置分別將各橋臂的參考電壓調制波通過兩路光纖通信鏈路分別發送給第二 FPGA仿真機；第二 FPGA仿真機將逆變站中換流閥橋臂電壓和電流等信息通過兩路光纖通信鏈路反饋至正極MMC逆變站控制保護裝置和負極MMC逆變站控制保護裝置。
[0069]具體說明如下:
[0070]1.利用實時數字仿真器RT-LAB的一臺FPGA仿真機A (也就是第一 FPGA仿真機)中的主FPGA實現整流站兩路光纖通信鏈路的通信協議解析。其中一個通信協議傳遞的信息包括正極MMC換流站控制保護裝置發出的a相上橋臂、a相下橋臂、b相上橋臂、b相下橋臂、c相上橋臂、c相下橋臂共6個MMC橋臂的參考電壓調制波，另一個通信協議傳遞的信息包括負極MMC換流站控制保護裝置發出的a相上橋臂、a相下橋臂、b相上橋臂、b相下橋臂、c相上橋臂、c相下橋臂共6個MMC橋臂的參考電壓調制波。
[0071 ] 2.利用FPGA仿真機B (也就是第二 FPGA仿真機)中的主FPGA實現逆變站兩路光纖通信鏈路的通信協議解析。其中一個通信協議傳遞的信息包括MMC逆變站正極控制保護裝置發出的a相上橋臂、a相下橋臂、b相上橋臂、b相下橋臂、c相上橋臂、c相下橋臂共6個MMC橋臂的參考電壓調制波，另一個通信協議傳遞的信息包括MMC逆變站負極控制保護裝置發出的a相上橋臂、a相下橋臂、b相上橋臂、b相下橋臂、c相上橋臂、c相下橋臂共6個MMC橋臂的參考電壓調制波。
[0072]3.利用FPGA仿真機A中的擴展FPGA實現雙端MMC-HVDC中整流站雙極閥控及MMC閥體的數學模型。利用FPGA仿真機B中的擴展FPGA實現雙端MMC-HVDC中逆變站雙極閥控及MMC閥體的數學模型。由于FPGA運算的時鐘頻率很高，可以實現高精度的閥控及MMC閥體的數學模型。
[0073]4.利用一臺實時數字仿真主機C實現MMC-HVDC系統中交直流系統的實時仿真；其中，包括整流側電源、變壓器、斷路器、隔離刀閘及閥體的橋臂電感，和逆變側電源、變壓器、斷路器、隔離刀閘及閥體的橋臂電感等電氣元件。
[0074]5.利用實時數字仿真主機C及I臺IO (Input/Output,信號輸入輸出接口)擴展機箱實現與MMC-HVDC控制保護柜IO信號的交互處理；其中，主要包括各種電流、電壓的模擬量及控制斷路器、隔離刀閘的數字開關量。
[0075]6.利用FPGA仿真機A的光纖接口板實現與雙端MMC-HVDC中整流站控制保護柜的信號接口處理，利用FPGA仿真機B的光纖接口板實現與雙端MMC-HVDC中逆變站控制保護柜的信號接口處理。
[0076]7.采用PCIe擴展總線將各數字仿真主機、FPGA仿真機及IO擴展機箱通過PCIe交換機互聯。
[0077]8.將各數字仿真主機、FPGA仿真機及IO擴展機箱通過同步線互聯實現仿真數據交互同步。
[0078]本發明能完整的實現RT-LAB下完全雙極MMC-HVDC系統的半實物仿真測試，為完全雙極MMC-HVDC系統的研究及工程試驗提供了一套仿真測試方案。
[0079]本領域的普通技術人員可以理解，上述各實施方式是實現本發明的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本發明的精神和范圍。
【權利要求】
1.一種基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電MMC-HVDC半實物仿真系統，其特征在于，包含:至少一個現場可編程門陣列FPGA仿真機、數字仿真主機、輸入輸出IO擴展機箱和外設互聯擴展總線PCIe交換機； 所述FPGA仿真機用于實現整流站雙極閥控及閥體模型或逆變站雙極閥控及閥體模型的實時仿真； 所述數字仿真主機用于實現MMC-HVDC系統中交直流系統的實時仿真； 所述IO擴展機箱用于連接MMC-HVDC控制保護柜； 所述數字仿真主機、所述FPGA仿真機以及所述IO擴展機箱通過所述PCIe交換機互聯。
2.根據權利要求1所述的MMC-HVDC半實物仿真系統，其特征在于，所述FPGA仿真機與所述MMC-HVDC控制保護柜之間采用兩路光纖通信鏈路進行信息傳遞。
3.根據權利要求2所述的MMC-HVDC半實物仿真系統，其特征在于，所述MMC-HVDC半實物仿真系統包含一個用于實現整流站雙極閥控及閥體模型實時仿真的FPGA仿真機； 所述MMC-HVDC控制保護柜包含正極MMC整流站控制保護裝置和負極MMC整流站控制保護裝置；所述IO擴展機箱連接所述正極MMC整流站控制保護裝置和所述負極MMC整流站控制保護裝置；
所述正極MMC整流站控制保護裝置和所述負極MMC整流站控制保護裝置分別將各橋臂的參考電壓調制波通過所述兩路光纖通信鏈路分別發送給所述FPGA仿真機；所述FPGA仿真機將所述整流站中換流閥橋臂電壓和電流信息通過所述兩路光纖通信鏈路分別反饋至所述正極MMC整流站控制保護裝置和所述負極MMC整流站控制保護裝置。
4.根據權利要求2所述的MMC-HVDC半實物仿真系統，其特征在于，所述MMC-HVDC半實物仿真系統包含一個用于實現逆變站雙極閥控及閥體模型實時仿真的FPGA仿真機； 所述MMC-HVDC控制保護柜包含正極MMC逆變站控制保護裝置和負極MMC逆變站控制保護裝置；所述IO擴展機箱連接所述正極MMC逆變站控制保護裝置和所述負極MMC逆變站控制保護裝置； 所述正極MMC逆變站控制保護裝置和所述負極MMC逆變站控制保護裝置分別將各橋臂的參考電壓調制波通過所述兩路光纖通信鏈路分別發送給所述FPGA仿真機；所述FPGA仿真機將所述逆變站中換流閥橋臂電壓和電流信息通過所述兩路光纖通信鏈路分別反饋至所述正極MMC逆變站控制保護裝置和所述負極MMC逆變站控制保護裝置。
5.根據權利要求2所述的MMC-HVDC半實物仿真系統，其特征在于，所述MMC-HVDC半實物仿真系統包含一個用于實現整流站雙極閥控及閥體模型實時仿真的第一 FPGA仿真機和一個用于實現逆變站雙極閥控及閥體模型實時仿真的第二 FPGA仿真機； 所述MMC-HVDC控制保護柜包含正極MMC整流站控制保護裝置、負極MMC整流站控制保護裝置、正極MMC逆變站控制保護裝置和負極MMC逆變站控制保護裝置；所述IO擴展機箱連接所述正極MMC整流站控制保護裝置、所述負極MMC整流站控制保護裝置、所述正極MMC逆變站控制保護裝置和所述負極MMC逆變站控制保護裝置； 所述正極MMC整流站控制保護裝置和所述負極MMC整流站控制保護裝置分別將各橋臂的參考電壓調制波通過所述兩路光纖通信鏈路分別發送給所述第一 FPGA仿真機；所述第一FPGA仿真機將所述整流站中換流閥橋臂電壓和電流信息通過所述兩路光纖通信鏈路分別反饋至所述正極MMC整流站控制保護裝置和所述負極MMC整流站控制保護裝置； 所述正極MMC逆變站控制保護裝置和所述負極MMC逆變站控制保護裝置分別將各橋臂的參考電壓調制波通過所述兩路光纖通信鏈路分別發送給所述第二 FPGA仿真機；所述第二FPGA仿真機將所述逆變站中換流閥橋臂電壓和電流信息通過所述兩路光纖通信鏈路分別反饋至所述正極MMC逆變站控制保護裝置和所述負極MMC逆變站控制保護裝置。
6.根據權利要求2所述的MMC-HVDC半實物仿真系統，其特征在于，所述FPGA仿真機上配置光纖接口板，用于實現光電信號的轉換。
7.根據權利要求1所述的MMC-HVDC半實物仿真系統，其特征在于，所述數字仿真主機與所述IO擴展機箱交互，實現MMC-HVDC系統中交直流系統與MMC-HVDC控制保護柜之間的接口信號處理； 其中，所述數字仿真主機與所述IO擴展機箱的交互信息包含:電流、電壓的模擬量以及控制斷路器、隔離刀閘的數字開關量。
8.據權利要求1所述的MMC-HVDC半實物仿真系統，其特征在于，所述數字仿真主機對MMC-HVDC系統中交直流系統的實時仿真包含:對整流側和逆變側的電源、變壓器、斷路器、隔離刀閘及閥體的橋臂電感的實時仿真。
9.根據權利要求1所述的MMC-HVDC半實物仿真系統，其特征在于，所述數字仿真主機、所述FPGA仿真機以及所述IO擴展機箱通過同步線互聯實現仿真數據交互同步。
10.根據權利要求1所 述的MMC-HVDC半實物仿真系統，其特征在于，所述FPGA仿真機所采用的實現整流站雙極閥控及MMC閥體的數學模型或逆變站雙極閥控及MMC閥體的數學模型根據所述MMC的拓撲結構確定。
【文檔編號】G05B17/02GK103792854SQ201410073737
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年3月3日 優先權日:2014年3月3日
【發明者】尹平平, 王志鵬, 王佳 申請人:上海科梁信息工程有限公司