一种基于FPGA的MMC实时仿真设计方法、实时仿真器技术

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的MMC实时仿真设计方法，在基于FPGA的实时仿真器中，建立基于戴维南等效的MMC实时仿真模型；其中，所述基于FPGA的实时仿真器包括桥臂解算单元和子模块解算单元，所述桥臂解算单元计算当前仿真步长下MMC中所有桥臂的历史项电流源和电流，所述子模块解算单元计算当前仿真步长下的MMC中所有子模块的戴维南等效电压源和戴维南等效电阻，根据预设的仿真步长完成每一次实时仿真，并在当前的仿真时刻达到预设的仿真结束时刻时，输出所述MMC实时仿真模型的仿真结果。本发明专利技术还公开了基于FPGA的实时仿真器，采用本发明专利技术实施例，基于FPGA实现对更高电平数的MMC的实时仿真，能够保证对MMC模型高效精确求解，且有效提升实时仿真器的资源利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的MMC实时仿真设计方法、实时仿真器
本专利技术涉及电气系统仿真
，尤其涉及一种基于FPGA的MMC实时仿真设计方法、实时仿真器。
技术介绍
凭借开关频率低、谐波特性好、可扩展性强等独特优势，MMC(ModularMultilevelConverter，模块化多电平换流器)已成为柔性直流输电系统的首选拓扑，并被广泛应用于国内外数项柔性直流工程。MMC的接入使得电气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，需要借助精细的暂态仿真来深入了解MMC系统的运行机理与动态特征。要实现快速电磁暂态仿真仍然需要采用实时仿真的手段，特别是对MMC在长时间尺度下的细粒度仿真。实时仿真具备硬件在环的能力，通过将MMC实时仿真器与控保装置连接，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，对MMC系统的技术创新、算法测试、设备研发具有重要意义。在现有的实时仿真方法中，通常采用基于常规CPU处理器或DSP等串行硬件的实时仿真器进行计算求解。然而，在实施本专利技术过程中，专利技术人发现现有技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的MMC实时仿真设计方法，其特征在于，包括：/n在基于FPGA的实时仿真器中，建立基于戴维南等效的MMC实时仿真模型；其中，所述基于FPGA的实时仿真器包括桥臂解算单元和子模块解算单元；/n在所述基于FPGA的实时仿真器初始化并启动仿真之后，所述桥臂解算单元计算当前仿真步长下MMC中所有桥臂的历史项电流源i

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的MMC实时仿真设计方法，其特征在于，包括：
在基于FPGA的实时仿真器中，建立基于戴维南等效的MMC实时仿真模型；其中，所述基于FPGA的实时仿真器包括桥臂解算单元和子模块解算单元；
在所述基于FPGA的实时仿真器初始化并启动仿真之后，所述桥臂解算单元计算当前仿真步长下MMC中所有桥臂的历史项电流源ih，arm，m和MMC中所有桥臂的电流iarm，m，并将计算得到的当前仿真步长下MMC中所有桥臂的电流iarm，m发送至所述子模块解算单元；
所述子模块解算单元根据所述桥臂的电流iarm，m计算当前仿真步长下的MMC中所有子模块的戴维南等效电压源esmeq，m，n和戴维南等效电阻Rsmeq，m，n，并将计算得到的当前仿真步长下的所述戴维南等效电压源esmeq，m，n和戴维南等效电阻Rsmeq，m，n发送至所述桥臂解算单元，以使所述桥臂解算单元根据当前仿真步长下的所述戴维南等效电压源esmeq，m，n和戴维南等效电阻Rsmeq，m，n，计算下一仿真步长下MMC中所有桥臂的电流iarm，m；
在当前的仿真时刻达到预设的仿真结束时刻时，输出所述MMC实时仿真模型的仿真结果。


2.如权利要求1所述的基于FPGA的MMC实时仿真设计方法，其特征在于，若当前仿真步长下的实时仿真不是首次仿真，则所述桥臂解算单元计算当前仿真步长下MMC中所有桥臂的电流iarm，m，具体包括：
所述基于FPGA的实时仿真器计算电气系统的各个电气元件的历史项电流源，以得到电气系统的历史项电流源列向量ih；
基于公式un＝G-1ih计算所述电气系统的节点电压列向量un，并获取M个MMC桥臂的首末节点电压，计算得到当前仿真步长下所有桥臂的电压uarm，m；
所述桥臂解算单元根据上一仿真步长接收到的戴维南等效电压源esmeq，m，n、戴维南等效电阻Rsmeq，m，n，以及当前仿真步长下的所述桥臂的电压uarm，m，通过以下计算公式，计算MMC中所有桥臂的电流iarm，m：









ih，L，m(t-Δt)＝2iarm，m(t-Δt)-ih，L，m(t-2Δt)；
其中，iarm，m为第m个MMC桥臂的电流，m≤M且为正整数，M为MMC的桥臂总数；esmeq，m，n和Rsmeq，m，n分别为第m个MMC桥臂中第n个子模块的戴维南等效电压源和戴维南等效电阻，n≤N且为正整数，N为MMC桥臂中的级联子模块的数量；uarm，m为第m个MMC桥臂的电压；earm，m为第m个MMC桥臂的戴维南等效电压源；R为预置的恒定电阻；RL，m为第m个MMC桥臂中限流电感的电抗；t为当前仿真时刻，Δt为MMC的仿真步长；ucomp，m为第m个MMC桥臂的串联补偿受控电压源；ih，L，m为第m个MMC桥臂限流电感的历史项电流源。


3.如权利要求2所述的基于FPGA的MMC实时仿真设计方法，其特征在于，所述子模块解算单元根据所述桥臂的电流iarm，m计算当前仿真步长下的MMC中所有子模块的戴维南等效电压源esmeq，m，n和戴维南等效电阻Rsmeq，m，n，具体包括：
所述子模块解算单元根据接收到的当前仿真步长下的所述桥臂的电流iarm，m，通过以下计算公式，计算所有子模块的直流电容的电流ic，m，n和电压uc，m，n：



uc，m，n(t)＝Rc，m，nic，m，n(t)+eceq，m，n(t-Δt)；
采用冒泡法同时对M个MMC桥臂的子模块电容电压uc，m，n进行排序后，生成所有子模块的触发信号；其中，所述触发信号用于触发子模块导通或关断；
根据所述子模块的直流电容的电流ic，m，n和电压uc，m，n，通过以下计算公式，计算当前仿真步长下所述子模块的戴维南等效电压源esmeq，m，n和戴维南等效电阻Rsmeq，m，n：






eceq，m，n(t)＝Rc，m，nic，m，n(t)+uc，m，n(t)；
其中，R1，m，n和R2，m，n分别表示第m个MMC桥臂中第n个子模块上、下桥臂的IGBT开关组的等效电阻，R1，m，n和R2，m，n取值为Ron或Roff，Ron为子模块导通时的电阻值，Roff为子模块关断时的电阻值；eceq，m，n和Rc，m，n分别表示第m个MMC桥臂中第n个子模块的直流电容的戴维南等效电压源和等效电抗；ic，m，n和uc，m，n分别为第m个MMC桥臂中第n个子模块的直流电容的电流和电压。


4.如权利要求1所述的基于FPGA的MMC实时仿真设计方法，其特征在于，若当前仿真步长下的实时仿真不是首次仿真，则所述桥臂解算单元计算当前仿真步长下MMC中所有桥臂的历史项电流源ih，arm，m，具体为：
所述桥臂解算单元通过以下计算公式，计算当前仿真步长下MMC中所有桥臂的历史项电流源ih，arm，m：









ih，L，m(t-Δt)＝2iarm，m(t-Δt)-ih，L，m(t-2Δt)；
其中，ih，arm，m为第m个MMC桥臂的历史项电流源，m≤M且为正整数，M为MMC的桥臂总数；earm，m为第m个MMC桥臂的戴维南等效电压源；N为MMC桥臂中的级联子模块的数量；R为预置的恒定电阻；RL，m为第m个MMC桥臂中限流电感的电抗；t为当前仿真时刻，Δt为MMC的仿真步长；esmeq，m，n和Rsmeq，m，n分别为第m个MMC桥臂中第n个子模块的戴维南等效电压源和戴维南等效电阻，n≤N且为正整数，ucomp，m为第m个MMC桥臂的串联补偿受控电压源；ih，L，m为第m个MMC桥臂限流电感的历史项电流源。


5....

【专利技术属性】
技术研发人员：洪潮，赵利刚，翟鹤峰，王长香，周挺辉，甄鸿越，黄冠标，吴小珊，徐原，涂思嘉，
申请(专利权)人：南方电网科学研究院有限责任公司，中国南方电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：广东;44