1 概述
1000 MW HVDC-MMC 互连的 SPS 模型。本文基于模块化多电平转换器 (MMC) 技术的电压源转换器 (VSC) 的高压直流 (HVDC) 互连的 SimPowerSystems (SPS) 模型。 SPS 仿真通过使用聚合 MMC 模型进行了优化。
直流输电线路正成为国家间电力交换和可再生能源（水力发电厂、海上风力发电厂和太阳能发电厂）向电网输送电力的首选方式。其中一些系统目前正在运行，例如Dolwin1项目（海上风电HVDC链路），或计划用于未来的项目，如Northern Pass（加拿大-美国1090-MW直流链路）。
本文案例将说明目前使用的一种典型VSC拓扑：模块化多电平转换器（MMC）技术。在该示例中，MMC转换器使用聚合模型来实现，以模拟每臂 36 个电源模块。通过该聚合模型，可以很好地描述控制系统动力学、变流器谐波和循环电流现象。然而，只有一个虚拟电容器来代表手臂的 36 个电容器，该模型假设所有电源模块的电容器电压是均衡的。聚合模型的运行速度比详细模型要快得多，模型将详细为每个单独的电源模块使用两个开关设备和一个电容器。这种聚合模型也非常适合实时仿真。
模拟本文SPS模型10秒钟，可以观察启动（电容器充电）、电压调节和功率调节期间的互连操作。还提供了该聚合模型与SPS详细模型之间的比较。
2 主要模块说明
2.1 简化电网
电网使用 400 kV、50 Hz 等效电压和两个断路器为转换器 1 供电.
2.2 转换器 1
转换器 1 使用 6 个半桥 MMC 模块实现，每个模块代表 36 个电源模块。此自定义 SPS 模块使用开关功能模型，其中仅使用一个等效模块来表示所有电源模块。控制信号是一个二元向量 [Nin, Nbl]，其中 Nin 表示插入模块的数量，Nbl 表示处于阻塞状态的模块数量。输出 Vc（电容器电压）只有一个元素，并给出电容器模块的平均值。
2.3 直流电路
在直流电路子系统中，将会发现电缆的简化模型，以及使用直流电源和理想开关建模的第二个转换器。您还将找到一个开关，用于在电缆上应用故障。
2.4 控制器
控制器子系统包含操作互连所需的各种控制系统。它包括以下子系统：有功和无功功率调节器-直流电压调节器-带前馈的dq电流调节器-PLL和测量子系统-用于控制转换器1（Converter1 ）半桥MMC的PWM发电机。在文件夹中还可以找到对转换器1的各种操作模式进行编程的排序器区域。
2.5 示波器和测量
该子系统包含用于在仿真期间观察多个信号的所有示波器。功率和基波电压计算也在子系统中进行。
3 讲解
3.1 参数设置
模拟SPS 模型 10 秒，可以观察启动（电容器充电）、电压调节和功率调节期间的互连操作。运行模型所需的所有参数都可以在：HVDC_MMC_param.m这一子函数中看到。当示例打开时，该文件会在 MATLAB 工作区中自动执行。运行模型并观察到：
%HVDC_MMC_param.m: % 此模块为SPS模型参数文件: HVDC_MMC.slx load sound % 操作面板使用的sound.mat Fnom= 50; % 系统频率 (Hz) Pnom= 1000e6; %转换器三相额定功率(MVA) Vnom_prim= 400e3; % 标称初级电压 (V) Vnom_sec= 333e3; % 标称二次电压 (V) Nb_PM=36; % 每臂电源模块数 Vnom_dc= 640e3; % 直流标称电压 (V) C_PM= 1.758e-3; % 电源模块电容器 (F) %% 能量输入 kJ/MVA W_kJ_MVA= 0.5 * C_PM * (Vnom_dc/Nb_PM)^2 * Nb_PM * 6 / (Pnom/1e6)/1e3; Vc0_PM=0; % 电容初始电压 (V) %% 序列器时序： Tbrk1_On=0.1; % 断路器1合闸时间(换流器充电量) Tbrk2_On=1.0; % 断路器 2 的闭合时间（s）（跨启动电阻） %===========================================================% Tdeblock=1.5; %转换器解除阻塞时间 (s) Ton_VDCreg=1.5; % VDC 稳压器开启时间 (s) - VDC 稳压 Tramping_Vdc_ref=2; % 开始时间 Vdc_ref 上升到标称值 (s) Slope_Vdc_ref=Vnom_dc/5; % 爬坡 (V/s) %==========================================================% Ton_PQreg=4; % Preg & Qreg 稳压器开启时间 (s) - PQ 调节 Tramping_Pref=Ton_PQreg+0.2; % 预爬坡开始时间（s） Slope_Pref=0.5; % 爬坡(V/s) Tramping_Qref=Ton_PQreg+3.5; % 预爬坡开始时间（s） Slope_Qref=0.5; % 爬坡(V/s) %==========================================================% Ton_Converter2=4; % 转换器 2 等效开启时间 (s) %% Tfault= 9999; %直流故障时序( s ) Rfault=1; %直流故障电阻(欧姆) %% PWM 输出脉冲选择器 pp=0; for p=1:2:72 pp=pp+1; SelectPulses1(p)=pp; SelectPulses1(p+1)=pp+36; end %====================================================% Ts_Power= 20e-6; % SPS仿真时间步长( s ) Ts_Control=40e-6; % 控制系统时间步长（s） Ts=Ts_Control; %% 变压器阻抗 Lxfo= 0.12; % 总漏感 (pu) Rxfo= 0.003; % 总绕组电阻( pu ) Zbase= Vnom_sec^2/Pnom; Larm_pu=0.15; Rarm_pu=Larm_pu/100; Zbase= Vnom_sec^2/Pnom; Larm=Larm_pu*(Zbase/(2*pi*Fnom)); Rarm=Rarm_pu*Zbase; w=2*pi*Fnom; wc2=(2*w)^2; Cfilter=1/(Larm*wc2); % 2次谐波滤波器的电容值( F ) Rfilter=1/(Cfilter*w)*30; % 2次谐波滤波器的阻值(欧姆) Topen_Filter=1e6; % 二谐波滤波器的分断器开启时间( s ) %% 控制参数 %======(1)调制器参数====== Fc=Fnom*3.37; %载波频率( Hz ) %======(2)dq 和 Vdc 测量滤波器截止频率：== Fn_filter=1000; Zeta_filter=1; %======(3)有功功率调节器======= Kp_Preg= 0.5/3; % 比例增益 Ki_Preg= 1.0; % 积分增益 Limits_Preg = [ 1.2, 0.8 ] ; %输出上限/下限 (pu) %======(4)无功功率调节器====== Kp_Qreg= 0.5/3; % 比例增益 Ki_Qreg= 1.0; % 积分增益 Limits_Qreg = [ 0.25, -0.25 ]; % 输出上限/下限 (pu) %=====(5)直流稳压器========== Kp_VDCreg=4; %比例增益 Ki_VDCreg=100; %积分增益 Limits_VDCreg= [ 2.0 -2.0]; % 输出上限/下限 (pu) %======(6)电流调节器======== Kp_Ireg= 0.6; % 比例增益 Ki_Ireg= 6; % 积分增益 Limits_Ireg= [ 2.0 -2.0]; % 输出上限/下限 (pu) %=====(7)前馈系数========== Lff=Larm_pu/2; Rff= Rarm_pu/2; %% 电力系统参数 Psc= Pnom*20; % 短路功率 (MVA) X_R= 7; % X/R ratio P_Ld1= Psc/30; % 负载（主母线）（MW） R_startup= 400; % 启动阻力(欧姆) %=====电缆数据====== R_cable = 0.5; %欧姆 L_cable= 15e-3; % (H) % 接地( RC) Rg= 100; % 欧姆 Cg= 50e-9; % (F)
在 0.1 秒时，断路器 1 闭合，转换器 1 通过电阻器通电以降低充电电流。电容器正在充电，并且在 1 秒时，启动电阻器通过闭合断路器 2 短路。
在 1.5 秒时，转换器 1 被解除阻塞并且电压调节器被启用。
在 2 秒时，电压调节器设定点斜升至互连的标称直流工作电压：640 kV (+/-320 kV)。
在 4 秒时，PQ 稳压器启用，转换器 2 开关闭合。
在 4.2 秒时，有功功率调节器设定点斜升至 1pu (1000 MW)。
在 7.5 秒时，无功功率调节器设定点斜升至 0.25pu (250 Mvar)。
如果在工作区中将参数“Tfault”的值设置为 7（实际默认值 =9999）并重新开始仿真，则在 7s 时将在电缆中间施加直流故障。半桥 MMC 将被阻塞，互连将在两个周期后关闭（Brk1 将打开）。
3.2 SPS 比较
要将此模型的结果与包含 432 (2*36*6) 个 IGBT 的详细 SPS 模型进行比较，只需双击比较结果子系统。要将此模型与其他 SPS MMC 模型的仿真速度进行比较，只需双击 Compare Speed 子系统。
close all % % Ts_Power=20us & Ts_Control=40us % ExecTime(1)=1351; % SwD (s) ExecTime(2)=64; % SwF (s) ExecTime(3)=49; % Agg (s) ExecTime(4)=28; % Avg (s) % h1=figure; set(h1,'Name','Speed Comparison'); ScreenS=get(0,'Screensize'); set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.2 ScreenS(4)*0.16 ScreenS(3)*0.58 ScreenS(4)*0.67]) bar(1,1./(ExecTime(1)/max(ExecTime)),'k') hold on bar(2,1./(ExecTime(2)/max(ExecTime)),'b') bar(3,1./(ExecTime(3)/max(ExecTime)),'r') bar(4,1./(ExecTime(4)/max(ExecTime)),'g') ylabel('越高越好','Fontsize',18,'Color','r') title('性能比较：4种MMC模型','Fontsize',16,'Color','r') legend('开关器件（以 432 IGBT 为模型）','开关功能（使用 432 个门信号操作）','聚合（本文）', '平均（不需要 PWM 发生器，Uref 控制）','Location','NorthWest') grid axis([0 5 0 65]) xlabel('SimPowerSystems MMC 模型') text(0.1,51,'SPS sample time (Ts Power) = 20us') text(0.1,49,'控制系统采样时间 (Ts Control) = 40us')
3.3 结果比较
%....... h1=figure; set(h1,'Name','DC'); ScreenS=get(0,'Screensize'); set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.01 ScreenS(4)*0.52 ScreenS(3)*0.32 ScreenS(4)*0.37]) subplot(2,1,1) plot(results.time3,results.signals(1).values*1e-3,'b', ... results.time3,results.signals(11).values*1e-3,'r') ylabel('(kV)') grid title('Vdc Conv1') axis([0 10 0 700]) legend('SwD','Agg') subplot(2,1,2) plot(results.time3,results.signals(2).values,'b', ... results.time3,results.signals(12).values,'r') ylabel('(A)') xlabel('(s)') grid title('Idc Conv1') legend('SwD','Agg') axis([0 10 -2000 1000]) % h1=figure; set(h1,'Name','PQ'); ScreenS=get(0,'Screensize'); set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.34 ScreenS(4)*0.52 ScreenS(3)*0.32 ScreenS(4)*0.37]) subplot(2,1,1) plot(results.time2,results.signals(3).values,'b', ... results.time2,results.signals(13).values,'r') ylabel('(MW)') grid title('有功功率') axis([0 10 -500 1500]) legend('SwD','Agg','Location','southeast') subplot(2,1,2) plot(results.time2,results.signals(4).values,'b', ... results.time2,results.signals(14).values,'r') ylabel('(Mvar)') xlabel('(s)') grid title('无功功率') axis([0 10 -300 300]) legend('SwD','Agg','Location','southeast') % % h1=figure; set(h1,'Name','Iprim'); ScreenS=get(0,'Screensize'); set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.67 ScreenS(4)*0.52 ScreenS(3)*0.32 ScreenS(4)*0.37]) plot(results.time1(1:25000),results.signals(5).values(1:25000),'b') hold on plot(results.time1(1:25000),results.signals(15).values(1:25000),'r') ylabel('(A)') xlabel('(s)') grid title('一次电流, A相') axis([0.35 0.45 -250 250]) text(0.38,225,'(during capacitors energization)') legend('SwD','Agg','Location','southeast') % h1=figure; set(h1,'Name','Vcap'); ScreenS=get(0,'Screensize'); set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.01 ScreenS(4)*0.06 ScreenS(3)*0.32 ScreenS(4)*0.37]) subplot(2,2,1) plot(results.time1(225000:250000),results.signals(6).values) ylabel('(V)') axis([9.9 9.98 16000 20000]) grid title('Vcap 4 模块; SwD') subplot(2,2,2) plot(results.time1(225000:250000),results.signals(16).values,'r') axis([9.9 9.98 16000 20000]) ylabel('(V)') grid title('Vcap 平均值: Agg') subplot(2,2,[3:4]) plot(results.time1(225000:250000),results.signals(7).values,'b', ... results.time1(225000:250000),results.signals(17).values,'r') ylabel('(V)') axis([9.9 9.98 16000 20000]) xlabel('(s)') grid title('电容器平均电压，上臂 phA') legend('SwD','Agg','Location','northeast') % h1=figure; set(h1,'Name','Iarm'); ScreenS=get(0,'Screensize'); set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.34 ScreenS(4)*0.06 ScreenS(3)*0.32 ScreenS(4)*0.37]) plot(results.time1(225000:250000),results.signals(8).values,'b', ... results.time1(225000:250000),results.signals(18).values,'r') ylabel('(A)') xlabel('(s)') grid title('臂, 上臂, A相') axis([9.9 10.0 -2000 2000]) legend('SwD','Agg','Location','southeast') % h1=figure; set(h1,'Name','Iprim'); ScreenS=get(0,'Screensize'); set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.67 ScreenS(4)*0.06 ScreenS(3)*0.32 ScreenS(4)*0.37]) plot(results.time1(225000:250000),results.signals(5).values(225000:250000),'b', ... results.time1(225000:250000),results.signals(15).values(225000:250000),'r') ylabel('(A)') xlabel('(s)') grid title('A相一次电流') axis([9.9 10.0 -2500 2500]) text(9.935,2300,'(in steady-state)') legend('SwD','Agg','Location','southeast') %
需要准备：
Simulink
SimPowerSystems
Simscape
3.4 参考文献
[1]VSC-HVDC Transmission with Cascaded Two-Level Converters
Bjorn Jacobson, Patrik Karlsson, Gunnar Asplund, Lennart Harnefors, Tomas Jonsson
ABB,Sweden
CIGRE 2010 B4-110
[2]Setup and Performance of the Real-Time Simulator used for Hardware-in-Loop-Tests of a
VSC-Based HVDC scheme for Offshore Applications.
O. Venjakob, S. Kubera, R. Hibberts-Caswell, P.A. Forsyth, T.L. Maguire
Siemens, Germany & RTDS Technologies, Canada
Paper submitted to the International Conference on Power Systems Transients (IPST2013) in
Vancouver, Canada July 18-20, 2013.
