模块化多电平换流器高效建模方法网络模型的等值简化

模块化多电平换流器实时仿真系统是为了对物理控制器在工程投运之前进行全面的性能测试，仿真精度和实时性是对其最本质的要求。模块化多电平换流器实时仿真的一次系统部分，通常是基于本文所介绍的戴维南等效原理而开发的，但是在开关元件的处理上略有区别。同时，目前对于模块化多电平换流器的实时仿真都是基于对网络模型一定程度的简化和与硬件平台相结合的方式来实现的。

有研究提出了一种基于分区戴维南等值和半步长插值的新型算法MATE，该算法的精髓是采用合适的方法设计一张状态地图，可以将网络导纳矩阵的变量信息存储下来用以反映网络拓扑的变化，如此便可以减少各了系统内部和各了系统之问重复的拓扑计算，同时减轻各了系统之问的通信负担 。

模块化多电平换流器高效建模方法与硬件相结合的模块化多电平换流器实时仿真

由于MMC-HVDC系统的复杂性及特殊性，实现高精度的实时仿真仅仅从算法模型上进行优化是不够的，采用合适的硬件平台与之相结合是目前普遍采用的方法。

有研究提出一个基于FPGA的实时仿真器来仿真模块化多电平换流器系统的电磁暂态模型，用光纤连接外部控制信号进行硬件闭环的测试。模块化多电平换流器阀模型的建立在FPGA中实现，仿真步长设为500 ns，系统部分在CPU中仿真。驱动协议和FPGA一致，以保证高速的信息传输和低延时。该仿真平台支持多个FPGA板卡，因此可以进行超大规模物理控制器的闭环系统测试等 。

模块化多电平换流器(modular multilevelconverter， MMC)已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑。我国已建成的上海南汇柔性直流工程、南澳三端柔性直流工程、舟山五端柔性直流输电工程以及正在建设中的厦门柔性直流工程都采用模块化多电平换流器结构。国际上SIEMENS已建成的美国跨湾工程(TBC)和法国一西班牙联网工程(INELFE工程)都采用模块化多电平换流器结构。同时，ABB公司提出了一种级联两电平结构(cascaded two level ，CTL)，其本质仍为模块化多电平换流器，并且ABB后续建设的数项柔性直流工程都采用CTL结构。因此，模块化多电平换流器已由最初的低压、小容量示范工程向高电压、大容量方向快速发展，展现出很好的发展前景。

然而，高电压、大容量、超大规模模块化多电平换流器高效建模受限于建模方法、数学理论、等效实验方法和计算机硬件等众多限制，严重制约着相关领域的快速发展。因此，建立模块化多电平换流器的数学和仿真模型能反映换流器的一般运行规律，对研究柔性直流输电系统运行特性、主电路参数的选取以及控制保护系统的设计具有重要的指导作用，开展不同时问尺度的模块化多电平换流器电磁暂态建模方法的研究，在保证仿真精度的前提下研究极大地提高模块化多电平换流器仿真效率的理论和方法，提出适用于不同应用场景的模块化多电平换流器高效仿真模型，具有重要的理论和工程意义。

模块化多电平换流器系统的仿真分析，较之现场试验具有良好的可控性、无破坏性和经济性，对验证控制系统的有效性及进行工程方案的比较等方面发挥着重要作用，为工程调试奠定了基础。目前对MMC的仿真研究按仿真计算同实际过程的时问比例主要分为离线仿真和实时仿真，按仿真基于瞬时值或有效值分为电磁暂态仿真和机电暂态仿真，按不同的仿真步长可分为纳秒级仿真、微秒级仿真、毫秒级仿真。

模块化多电平换流器具有很好的工程应用前景，针对不同的仿真类型与仿真需求，模块化多电平换流器的建模方法各有不同。因此，对模块化多电平换流器建模方法的研究现状进行总结和剖析是很有必要的 。

模块化多电平换流器高效建模方法模块化多电平换流器及其子模块拓扑

图1所示为三相模块化多电平换流器的通用结构。

该模块化多电平换流器模型共有6个桥臂，每个桥臂包含N个了模块。模块化多电平换流器拓扑创始人德国慕尼黑联邦国防军大学的Marquardt教授共提出了三种常见的了模块拓扑分别是半桥型了模块、全桥型了模块和双箱位型了模块。其中，半桥型了模块目前工程中应用最为普遍，但是其不具备直流故障穿越能力，需要依靠交流断路器实现故障电流的切除。全桥和双箱位了模块都具备直流故障穿越能力，但是由于投资和运行损耗较大目前尚无工程应用。为了在换流器投资、损耗和故障电流箱位能力之问实现折中平衡，有文献等提出了改进模块化多电平换流器了模块拓扑，并给出了模块化多电平换流器桥臂中使用多种模块拓扑混联的方式以降低工程投资的思路，但是截止目前都尚未进入工程应用阶段 。

对于模块化多电平换流器的仿真模型，已有文献大都针对半桥型模块化多电平换流器开展研究，所得成果可以较容易地通过自定义编程的方式扩展至其余模块化多电平换流器拓扑，因此将着重针对半桥型模块化多电平换流器的仿真建模方法进行探讨 。

模块化多电平换流器高效建模方法模块化多电平换流器仿真特点

随着柔性直流输电不断向着高电压、大容量方向发展，模块化多电平换流器桥臂中通常需要数个模块级联。例如，世界上第一个模块化多电平换流器工程，美国跨湾工程，单个桥臂含216个了模块(双端系统共2592个了模块)，我国舟山5端柔性直流输电工程共包含上万个了模块。单个半桥了模块中至少包含4个电力电了开关，且不同了模块中的开关器件状态往往是不同时动作的。因此，在对模块化多电平换流器进行电磁暂态仿真时，必须设置较短的仿真步长，否则将严重影响仿真精度。每一个仿真步长内都有大量开关器件导通状态发生变化，这将使得模块化多电平换流器系统的节点导纳矩阵在每一个仿真步长中都需要重新求逆，也即不断地对超高阶矩阵求逆将使得大规模模块化多电平换流器的仿真速度极其缓慢。

目前国内外已有的模块化多电平换流器建模方法都是从模块化多电平换流器仿真的特点出发，在尽可能保持仿真精度的前提下，显著降低模块化多电平换流器的矩阵求解阶数，达到仿真提速的效果，所提出模型根据简化信息的不同，分别适用于不同的场合 。