学术简报︱基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器内部故障混合仿真模型
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、国网山东省电力公司经济技术研究院的研究人员王洁聪、刘崇茹、徐东旭、朱毅，在2019年第18期《电工技术学报》上撰文指出，高电压模块化多电平换流器（MMC）中大量子模块级联给实时仿真带来了极大的挑战。
通过对桥臂或换流器进行封装等效可以提高MMC仿真系统的计算效率，但高度封装化的模型给换流器内部故障的仿真造成了困难。相比于离线仿真软件，实时数字仿真器（RTDS）对模型计算速度和效率的要求更高，而且由于不能进行插值，对电力电子器件的模拟较为困难。
为了兼顾实时仿真对故障仿真功能和模型计算效率的双重需求，该文采用详细等效和简化等效相结合的混合仿真方法，利用CBuilder工具开发了一种适用于RTDS的具备内部故障仿真功能的MMC桥臂混合仿真模型。该模型避免了不同类型仿真模型间一个步长的延时问题，不仅能够快速仿真大规模MMC系统，还能够模拟多种换流器内部故障。在RTDS中搭建单端MMC系统，验证了所提模型的精确性和有效性。
模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）需要达到数百电平才能满足实际工程对高电压、大容量的需求，这给MMC的电磁暂态仿真带来了极大的挑战。
针对这一问题，国内外学者提出了很多高效建模方法，根据研究对象的不同，将MMC子模块、桥臂或者整个三相换流单元等效为封装模块，降低了仿真系统的求解维度。
其中，以桥臂为单元进行封装建模的方法既可以充分利用MMC模块化的结构特点从而减小计算量，又可以保留较多换流器内部的细节特征，且模型搭建较方便，在现有文献中应用较多。
根据能否保留子模块内部细节特征又可以将模型分为两类：第一类模型可以保留子模块内部特征，但需要对大量子模块电容进行积分运算，计算效率较低，有学者研究文献中的模型属于该类模型；第二类模型模拟桥臂电压的动态特性，不保留子模块内部特征，但计算简单，有学者研究文献中的模型属于该类模型。
现有高度封装化的建模方法能够准确模拟MMC稳态、换流器闭锁、交流故障和直流故障等过程的动态特性，而且具有较高的仿真效率，但给换流器内部故障的仿真造成了困难。为了模拟子模块故障，现有文献都是利用仿真平台提供的元件模型按照子模块拓扑结构额外搭建若干个子模块模型（子模块详细模型）。
有学者用子模块详细模型的仿真信息替换等效模型中对应子模块模型的数值信息，因此存在一个仿真步长的滞后。有学者则是直接将详细子模块模型串联接入桥臂之中，只能模拟某一个或少数几个子模块的故障情况，而且该方法并不适用于实时数字仿真器（Real-Time Digital Simulator, RTDS），因为RTDS提供的电力电子元器件和用户自定义模型分属不同的仿真步长，相互连接需要用到接口变压器从而引入新的误差。电力电子换流器结构越发复杂，这势必导致设备故障概率大大增加，如何对换流器内部故障，包括子模块的内部故障以及桥臂故障进行建模，仍然是该领域研究的难点。
RTDS是MMC控制器及保护装置在设计、研发及调试过程中常用的仿真装置，与离线的电磁暂态仿真软件相比，RTDS由于其实时性的仿真特性以及有限的硬件资源，对于模型的计算速度和效率有着更高的要求；而且由于RTDS不提供插值算法，不能准确判断电力电子器件的准确动作时刻，不能在网络拓扑突变时重新对网络初始化，对含电力电子元器件的电路仿真较为困难。
用户可以通过两种方法使用RTDS进行MMC仿真：一是利用RTDS平台提供的MMC桥臂封装模块搭建仿真系统；二是利用RTDS的CBuilder工具自定义MMC子模块或桥臂模型。
RTDS平台提供了两种基于GPC/PB5处理器板卡的MMC封装模块：rtds_vsc_MMC5和rtds_ vsc_CHAINV5，以及两种基于FPGA板卡开发的MMC模型：Unified Model（U5）和Generic Model（GM）。
其中，rtds_vsc_MMC5不能模拟单个子模块的动态特性，rtds_vsc_CHAINV5可以模拟每个子模块电容的充放电过程，但单桥臂子模块个数最大仅为56个，这两种模型都没有提供故障仿真功能。
基于FPGA的模型需另外购买GTFPGA Unit才能使用，U5和GM模型分别能够实现不超过501电平和1025电平的MMC系统仿真，这两种模型都具备部分换流器内部故障仿真功能，但只包括电容短路故障、电容值下降和子模块旁路等三种子模块故障和桥臂电抗器短路故障，不具备模拟子模块中电力电子开关元件故障的功能，也不能模拟桥臂接地、短路、断路等故障。但子模块和桥臂故障会严重影响系统的稳定运行，有必要对其建立精确的仿真模型用于故障特性、诊断及保护策略的研究。
用户在利用RTDS的CBuilder平台进行自定义开发实现MMC系统仿真时，会受到计算资源的限制，进而影响模型的计算效率。有学者利用CBuilder平台开发了可用于子模块内部特性及控制保护策略研究的自定义子模块模型，但由于对每个子模块单独建模，计算资源需求较多，因此所开发的模型无法应用于高电平MMC系统的仿真。
针对换流站内部故障仿真困难的问题，兼顾实时仿真对模型计算效率的需求，本文建立了子模块内部故障详细等效模型和子模块组简化等效模型，在这两种模型的基础上，采用详细等效和简化等效相结合的混合仿真方法，设计一种具备内部故障仿真功能的MMC桥臂混合仿真模型。
图5 具备故障仿真功能的桥臂混合仿真模型
图7 单端21电平MMC仿真系统
本文在RTDS平台中的GPC/PB5环境下，利用CBuilder工具，以桥臂为基本单元，开发了适用于大规模MMC-HVDC系统仿真的混合仿真模型，不仅能够仿真高电平MMC系统，还能够模拟换流器内部故障，该模型具有如下特征：
1）为了模拟子模块内部故障，对子模块每个器件的故障状态进行建模，建立子模块内部故障详细等效模型。
2）为解决CBuilder下资源受限的问题，根据子模块平均电容电压与开关函数和桥臂电流的数学关系，提出一种基于戴维南等效的子模块组简化等效模型，避免了基于受控电压源的简化等效模型存在的滞后一个仿真步长的问题。
3）采用详细等效和简化等效混合仿真的方法，将桥臂中的所有子模块分为两组：一组为特殊子模块，建立子模块内部故障详细等效模型；其余为另一组，建立子模块组简化等效模型，并在桥臂模型中增设故障节点，使得模型既可用于高电平系统仿真，又能够模拟换流器内部故障，包括子模块内部各类故障和桥臂故障。
通过与PSCAD/EMTDC中用器件搭建的详细模型进行仿真对比，证明了所提模型的有效性和精确性以及动态下模型的稳定性。