模块化多电平换流器实时仿真建模与硬件在环实验

模块化多电平换流器(MMC)因其独特的优势已在世界范围内取得广泛的应用。MMC实时仿真平台可以对控制系统进行测试,对实际工程具有重要的意义。文中开发了一种基于RT-LAB的高效MMC实时仿真模型,在MATLAB/Simulink中搭建21电平双端系统,在稳态、交直流暂态工况下与详细模型进行对比测试,验证了该MMC实时仿真等效模型的正确性。相比于OPAL-RT公司开发的提速模型,在相同条件下所述模型占用资源更少,能够仿真更大规模MMC系统;采用状态空间节点算法,将换流器的6个桥臂分割成6个子网络求解,可以实现超过601电平MMC双端系统的实时仿真。通过实时仿真平台,连接外部物理控制器进行硬件在环测试,实验结果表明所述模型具有良好适用性。     

一种模块化多电平换流器动态组合实时仿真模型

模块化多电平换流器(MMC)具有低谐波、低开关损耗、模块化等优点,已在国内外多个柔性直流输电工程中投入运行。数字实时仿真可对MMC控制与保护装置进行硬件在环测试,对保障交直流系统安全稳定运行具有重要意义。因具有高度并行计算能力,现场可编程逻辑门阵列(FPGA)常在实时仿真器中用于MMC模型计算。随着交直流仿真系统中MMC数量的增加,FPGA逻辑计算资源的消耗也成倍增长。在单个仿真计算步长内,元件模型计算与系统电路矩阵计算为顺序执行关系,因此MMC计算单元在周期性运算中存在闲置时间。文章提出了基于桥臂等效电路模型与桥臂平均值模型的动态组合实时仿真模型,FPGA中的MMC计算单元可以在元件模型计算与矩阵求解阶段中复用,实现MMC逻辑资源的优化利用,大幅降低仿真硬件成本。文章在PSCAD/EMTDC离线仿真环境验证了算法的准确性,并在包含FPGA的多核片上系统中实现了三端柔性直流输电系统实时仿真。     

基于FPGA的高压直流输电系统建模与实时仿真

高压直流HVDC(high-voltage direct current)输电技术的应用改变了传统输电网的形态与运行特性,大量高频电力电子设备的接入使得输电网动态特性更加复杂,通过实时仿真研究其复杂动态特性对于电网的运维具有重要意义.首先,基于现场可编程门阵列FPGA(field programmable gate a...     

基于FPGA的电力传动实时仿真系统的设计

给出电力传动实时仿真系统的一种快速成型方法.采用自顶向下的设计流程:初级仿真、混合仿真及现场可编程门阵列( FPGA)在回路仿真,建立电力电子装置的数学模型.使用FPGA对相应的数学模型进行硬件实现,完成电力传动实时仿真系统的建立.最后采用该设计方法对带阻感负载两电平结构的三相逆变器进行特性模拟,建立相应数学模型,并在S3EStarter_ug230实验平台上进行实验,结果证明该方法有效.     

基于NLM的MMC低开关损耗控制策略建模与仿真

介绍了模块化多电平换流器（MMC）的工作原理,在分析基于最近电平逼近（NLM）调制方式的传统MMC控制策略基础上,重点对一种能有效减少开关次数、降低开关损耗的优化控制策略进行分析并建立数学模型,然后以11电平的MMC为例,在PCSAFD／EMTDC中搭建MMC仿真模型,验证低开关损耗控制策略及其数学模型的正确性与有效性。     

基于FPGA的变电站实时仿真培训系统

为降低变电站仿真培训系统的建设成本,提高变电站实时数字仿真的质量,提出了一种基于FPGA的变电站实时仿真培训系统。采用最小度最大独立集法安排节点消去和电压计算的顺序,较好地兼顾了运算量和运算并行度。采用多输入多输出的指令流运算器实现细粒度的并行计算,提高了FPGA资源利用率。利用状态字和影响字间接完成仿真参数的修改,减少了仿真计算时间和节约了数据存储空间。实例表明,采用最小度最大独立集法、指令流运算器及仿真参数间接修改方法,一个具有542节点的仿真变电站能以40 ms仿真步长在一块EP4CGX150芯片上正常运行。     

适用于FPGA的模块化多电平换流器电容电压均衡控制方法

子模块电容电压均衡是模块化多电平换流器稳定运行的重要前提。针对传统均压控制方法排序计算量大、器件开关频率高的问题,从实际工程角度出发,提出了一种适用于现场可编程门阵列的新型电容电压平衡控制方法。根据正常运行时电容电压波动范围划分若干子区间,并依据实时采集到的电容电压将子模块匹配到相应的子区间分组内。在此基础上,针对电容电压在额定值附近的子模块,分组时考虑上一时刻的开关状态,并遵循尽量维持原有开关状态不变的原则进一步降低了器件的开关频率。在ML605-FPGA板卡中开发实现所提方法,并与实时数字仿真器组成硬件在环实时仿真系统。仿真实验结果验证了该方法的可行性与有效性。     

提高MMC高效电磁暂态模型仿真精度的方法

对基于戴维南等效原理的模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）桥臂电磁暂态仿真详细模型的数学原理进行了分析,发现当仿真过程中发生故障或开关动作等引起网络结构变化时,由于电容电流会发生突变,当采用梯形积分法计算时会引入计算误差。为了解决这一问题,提出了一种通过求解突变后的非状态变量来消除计算误差的方法,在PSCAD/EMTDC下对比分析了误差消除前后在开关变化时刻的电容电压,验证了本方法的正确性和有效性。同时,搭建了单端101电平MMC-HVDC仿真系统,验证了本文提出的改进计算模型的正确性。     

MMC电磁暂态快速仿真模型

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)中大量的开关器件给电磁暂态仿真程序(如PSCAD/EMTDC)带来巨大的计算量,使得仿真速度极其缓慢,给仿真研究以及工程设计带来极大的不便。通过进一步推导电容、电感Dommel电磁暂态数值计算方法,得到了电容、电感等值计算中的历史电流源递推公式,使得历史电流源的计算过程中不必再进行支路电流的中间计算,加快了计算速度。基于此历史电流源递推公式建立了MMC电磁暂态快速仿真模型,并在PSCAD/EMTDC中搭建不同端数、不同电平数MMC-HVDC系统,验证了该快速模型的仿真精度和提速效果。     

基于RT-LAB的MMC换流器HVDC输电系统实时仿真

基于RT-LAB实时仿真平台,研究了实时仿真技术在基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电系统(HVDC)中的应用。建立了基于MMC的柔性直流输电系统的实时仿真模型,并将RT-LAB的实时仿真结果与PSCAD/EMTDC的离线仿真结果进行了对比验证。两种仿真结果在暂态和稳态下都比较一致,这说明通过RT-LAB可以得到MMC高压直流输电系统的正确仿真结果。还对两种仿真方法的仿真时间进行了对比,说明通过RT-LAB的实时仿真可以大幅度提高对MMC换流器的仿真效率。研究结果为采用RT-LAB平台对柔性直流输电系统等大规模电力电子装置实时仿真研究应用提供了参考。     

基于FPGA的光伏发电系统暂态实时仿真

介绍了分布式发电系统暂态实时仿真的主要难点,研究了基于现场可编程门阵列(FPGA)的电力电子设备和控制系统的实时仿真方法以及不同步长下电气系统与控制系统的仿真时序和交互方法。在此基础上,设计了具有高度并行性、内存分布性及流水线架构的多种典型分布式电源控制元件模块,搭建了光伏电池及其控制系统模型,并以单极光伏发电系统为例对所提的暂态实时仿真器在多个步长下进行了验证,通过与PSCAD和RTDS软件仿真结果的对比,验证了所提实时仿真器的正确性。     

一种基于FPGA的嵌入式实时以太网

提出了一种基于FPGA的嵌入式实时以太网。通过分析国际上多种实时工业以太网的特点,针对模块化设备对内部高速通讯的需求,设计了一种简化的实时以太网协议,并通过FPGA实现,最后通过实验进行验证;协议完全基于FPGA实现,简单可靠、通讯延时小,解决了现有工业以太网应用复杂、增加成本等问题,为高性能模块化工业控制系统奠定了通讯技术基础。     

MMC/SD卡控制器和仿真模型

文中介绍基于ARM9处理器核的系统级芯片中MMC/SD卡控制器的设计,该设计同时支持MMC卡和SD卡,经过前端的RTL编码,仿真验证,后端设计,最终采用TSMC的0.18微米工艺流片,控制器模块的最高工作时钟频率达到SD卡标准要求的25MHz.开发的用于功能验证的MMC/SD卡仿真模型支持最新的MMC 3.1和SD记忆卡1.0标准.     

基于SoC系统的模块化多电平换流器全电磁暂态实时仿真

随着基于模块化多电平换流器(MMC)拓扑的柔性直流工程技术广泛使用,相应的电磁暂态(EMT)实时仿真技术变得尤为关键.为了实现基于MMC的柔性直流输电系统的实时仿真,提出一种适用于现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate arrays,FPGA)的MMC实时片上系统(SoC)仿真模型及其计算...     

适用于多工况优化设计与重复仿真的MMC快速仿真平台

针对PSCAD/EMTDC下MMC仿真模型仿真速度慢,进行多工况优化设计与重复仿真效率低等问题,基于Matlab以M语言构建了MMC的快速仿真平台。该快速仿真平台的电气部分采用Dommel算法求解,控制部分采用梯形积分法求解。阐述了电气部分各主要元件的Dommel算法建模方法,提出了电气部分的求解方法以及电气部分和控制部分的联立求解方法。通过与基于PSCAD/EMTDC的MMC详细电磁暂态程序对比,仿真结果验证了基于Matlab的M语言MMC仿真平台的正确性。所开发的MMC快速仿真平台可以作为MMC阀损计算,过电压计算等需要多工况优化设计与重复仿真的内核仿真程序。     

基于载波移相的MMC控制策略研究及仿真

模块化多电平变换器(MMC)是一种结构独特的多电平变换器,相对于传统多电平变换器,其结构简单且高度模块化、输出灵活、谐波畸变率较小,因此成为大电压高功率场合的研究热点。由于MMC的调制技术和电容电压均衡是其稳定运行的基础和关键,因此研究分析了MMC的拓扑结构和工作原理,学习了载波移相调制技术(Carrier Phase-Shifted SPWM,CPS-SPWM)的原理,并提出将载波移相调制和子模块电压均衡控制相结合的控制策略。在Matlab/Simulink里搭建了基于载波移相调制和子模块电容电压均衡控制的三相MMC仿真模型,结果验证了研究提出的控制策略在MMC中等效开关频率较高,输出电压谐波特性良好,可以很好地控制电容电压波动,是一种适合MMC的控制策略。     

压接型IGBT在MMC系统中的电热耦合仿真

目前已知的高压柔性直流输电工程中的电压源换流器(voltage source converter,VSC)大多采用模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC),MMC子模块中半桥子模块的应用最为广泛。高压直流输电系统的高可靠性要求半桥子模块的搭建必须采用压接型的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)。本文主要针对压接型IGBT半桥模块的MMC展开电热耦合的仿真,探索出一种基于Foster热网络的电热耦合仿真方法,从热稳定性的角度对MMC系统的安全运行域进行了刻画。     

模块化多电平换流器三相桥臂电抗器有限元仿真分析

在模块化多电平换流器(MMC)运行过程中,由于每相桥臂上电容电压不相等,极易出现桥臂电压不平衡现象,伴随着桥臂中直流分量出现三相不相等情况,极易导致三相电抗器中其中一相偏磁过大,造成三相桥臂中电流不平衡,内部出现零序环流,该环流进入直流侧加剧直流侧电压、电流及功率的波动.利用有限元仿真软件搭建MMC解耦后的直流侧等效电...