基于FPGA的MMC建模与实时仿真

翟鹤峰，黄冠标，赵利刚，洪 潮

（直流输电技术国家重点实验室（南方电网科学研究院有限责任公司），广州 510663）

由于模块化多电平换流器MMC（modular multi⁃level converter）具有凭借开关频率低、谐波特性好、可扩展性强等独特优势，已被广泛应用于国内外数项柔性直流工程[1-2]。MMC的接入使得电力系统的动态特性更加复杂，针对传统电网的稳态仿真分析已不能满足需求，需要借助详细的电磁暂态仿真来深入了解MMC系统的运行机理与动态特征。离线电磁暂态仿真可对较小规模MMC的复杂动静态特性进行分析，但对大规模高电平MMC详细模型的计算用时往往是难以忍受的。实时仿真能够在小于或等于仿真步长所对应的物理时间内完成每个时步的计算任务，可与物理世界同步实现对MMC暂态行为的模拟。这使得实时仿真具备硬件在环测试的能力，即通过将MMC实时仿真器与实际物理装置连接，可以对各种控制策略和保护方案开展近乎工程实际的无损化有效验证，这对于MMC系统的技术创新、算法测试、设备研发具有重要意义[3]。

在实际工程应用中，为了提升输送电压等级，MMC每个桥臂往往由数百个子模块级联而成[4]，每个子模块又包含若干电力电子器件，庞大的仿真规模给实时仿真精度和计算速度带来了严峻挑战。一方面，MMC不同子模块中的开关器件往往不是同时动作的，对该类元件的精确仿真要在μs级步长下进行；另一方面，MMC中成百上千个电力电子开关器件导致节点导纳矩阵的维度大，而实时仿真要求高阶线性方程组求解必须在一个仿真步长内完成，繁杂的解算任务必然导致较长的求解时间，对MMC仿真的实时仿性提出了极大的挑战。……