• 基于转换器 (MMC) 技术和电压源转换器 (VSC) 的高压直流 (HVDC) 模型（Matlab&Simulink实现）

    目录

    1 概述

    2 主要模块说明

    2.1 简化电网

    2.2 转换器 1

    2.3 直流电路

    2.4 控制器

    2.5 示波器和测量

    3 Simulink仿真及Matlab代码

    3.1 参数设置

    3.2 SPS 比较

    3.3 结果比较

     3.4 参考文献

    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 Simulink仿真及Matlab代码

    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：

    1. %HVDC_MMC_param.m:
    2.  
    3. % 此模块为SPS模型参数文件: HVDC_MMC.slx
    4.  
    5. load sound                     % 操作面板使用的sound.mat
    6.  
    7. Fnom= 50;                      % 系统频率 (Hz)
    8. Pnom= 1000e6;                  %转换器三相额定功率(MVA)
    9. Vnom_prim= 400e3;              % 标称初级电压 (V)
    10. Vnom_sec= 333e3;               % 标称二次电压 (V)
    11. Nb_PM=36;                      % 每臂电源模块数
    12. Vnom_dc= 640e3;                % 直流标称电压 (V)
    13. C_PM= 1.758e-3; % 电源模块电容器 (F)
    14. %% 能量输入 kJ/MVA
    15. W_kJ_MVA= 0.5 * C_PM * (Vnom_dc/Nb_PM)^2 * Nb_PM * 6 / (Pnom/1e6)/1e3;
    16. Vc0_PM=0;                     % 电容初始电压 (V)
    17.  
    18. %% 序列器时序：
    19. Tbrk1_On=0.1;                 % 断路器1合闸时间(换流器充电量)
    20. Tbrk2_On=1.0;                 % 断路器 2 的闭合时间（s）（跨启动电阻）
    21. %===========================================================%
    22. Tdeblock=1.5;                 %转换器解除阻塞时间 (s)
    23. Ton_VDCreg=1.5;               % VDC 稳压器开启时间 (s) - VDC 稳压
    24. Tramping_Vdc_ref=2;           % 开始时间 Vdc_ref 上升到标称值 (s)
    25. Slope_Vdc_ref=Vnom_dc/5;      % 爬坡 (V/s)
    26. %==========================================================%
    27. Ton_PQreg=4;                  % Preg & Qreg 稳压器开启时间 (s) - PQ 调节
    28. Tramping_Pref=Ton_PQreg+0.2;  % 预爬坡开始时间（s）
    29. Slope_Pref=0.5;               % 爬坡(V/s)
    30. Tramping_Qref=Ton_PQreg+3.5;  % 预爬坡开始时间（s）
    31. Slope_Qref=0.5;               % 爬坡(V/s)
    32. %==========================================================%
    33. Ton_Converter2=4;             % 转换器 2 等效开启时间 (s)
    34. %%
    35. Tfault= 9999;             %直流故障时序( s )
    36. Rfault=1;                 %直流故障电阻(欧姆)
    37.  
    38. %% PWM 输出脉冲选择器
    39. pp=0;
    40. for p=1:2:72
    41.     pp=pp+1;
    42.     SelectPulses1(p)=pp;
    43.     SelectPulses1(p+1)=pp+36;
    44. end
    45. %====================================================%
    46. Ts_Power= 20e-6;    % SPS仿真时间步长( s )
    47. Ts_Control=40e-6;   % 控制系统时间步长（s）
    48. Ts=Ts_Control;
    49.  
    50. %% 变压器阻抗
    51. Lxfo= 0.12;         % 总漏感 (pu)
    52. Rxfo= 0.003;        % 总绕组电阻( pu )
    53.  
    54. Zbase= Vnom_sec^2/Pnom;
    55.  
    56. Larm_pu=0.15;
    57. Rarm_pu=Larm_pu/100;
    58.  
    59. Zbase= Vnom_sec^2/Pnom;
    60. Larm=Larm_pu*(Zbase/(2*pi*Fnom));
    61. Rarm=Rarm_pu*Zbase;
    62. w=2*pi*Fnom;
    63. wc2=(2*w)^2;
    64. Cfilter=1/(Larm*wc2);      % 2次谐波滤波器的电容值( F )
    65. Rfilter=1/(Cfilter*w)*30;  % 2次谐波滤波器的阻值(欧姆)
    66. Topen_Filter=1e6;          % 二谐波滤波器的分断器开启时间( s )
    67.  
    68. %% 控制参数
    69.  
    70. %======(1)调制器参数======
    71. Fc=Fnom*3.37;        %载波频率( Hz )
    72.  
    73. %======(2)dq 和 Vdc 测量滤波器截止频率：==
    74. Fn_filter=1000;
    75. Zeta_filter=1;
    76.  
    77. %======(3)有功功率调节器=======
    78. Kp_Preg= 0.5/3;                % 比例增益
    79. Ki_Preg= 1.0;                  % 积分增益
    80. Limits_Preg = [ 1.2, 0.8 ] ;   %输出上限/下限 (pu)
    81.  
    82. %======(4)无功功率调节器======
    83. Kp_Qreg= 0.5/3;                % 比例增益
    84. Ki_Qreg= 1.0;                  % 积分增益
    85. Limits_Qreg = [ 0.25, -0.25 ]; % 输出上限/下限 (pu)
    86.  
    87. %=====(5)直流稳压器==========
    88. Kp_VDCreg=4;                   %比例增益
    89. Ki_VDCreg=100;                 %积分增益
    90. Limits_VDCreg= [ 2.0  -2.0];   % 输出上限/下限 (pu)
    91.  
    92. %======(6)电流调节器========
    93. Kp_Ireg= 0.6;                  % 比例增益
    94. Ki_Ireg= 6;                    % 积分增益
    95. Limits_Ireg= [ 2.0  -2.0];     % 输出上限/下限 (pu)
    96.  
    97. %=====(7)前馈系数==========
    98. Lff=Larm_pu/2;
    99. Rff= Rarm_pu/2;
    100.  
    101. %% 电力系统参数
    102.  
    103. Psc= Pnom*20;     % 短路功率 (MVA)
    104. X_R= 7;           % X/R ratio
    105. P_Ld1= Psc/30;   % 负载（主母线）（MW）
    106. R_startup= 400;   % 启动阻力(欧姆)
    107.  
    108. %=====电缆数据======
    109. R_cable = 0.5;      %欧姆
    110. L_cable= 15e-3;   % (H)
    111.  
    112. % 接地( RC)
    113. Rg= 100;              % 欧姆
    114. Cg= 50e-9;            % (F)
    115.  
    116.  
    117.

    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。

    1. close all
    2. %
    3. % Ts_Power=20us & Ts_Control=40us
    4. %
    5.  
    6. ExecTime(1)=1351;   % SwD (s)
    7. ExecTime(2)=64;    % SwF (s)
    8. ExecTime(3)=49;     % Agg (s)
    9. ExecTime(4)=28;     % Avg (s)
    10. %
    11. h1=figure;
    12. set(h1,'Name','Speed Comparison');
    13. ScreenS=get(0,'Screensize');
    14. set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.2 ScreenS(4)*0.16 ScreenS(3)*0.58 ScreenS(4)*0.67])
    15. bar(1,1./(ExecTime(1)/max(ExecTime)),'k')
    16. hold on
    17. bar(2,1./(ExecTime(2)/max(ExecTime)),'b')
    18. bar(3,1./(ExecTime(3)/max(ExecTime)),'r')
    19. bar(4,1./(ExecTime(4)/max(ExecTime)),'g')
    20. ylabel('越高越好','Fontsize',18,'Color','r')
    21. title('性能比较：4种MMC模型','Fontsize',16,'Color','r')
    22. 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')
    23. grid
    24. axis([0 5 0 65])
    25. xlabel('SimPowerSystems MMC 模型')
    26. text(0.1,51,'SPS sample time (Ts Power) = 20us')
    27. text(0.1,49,'控制系统采样时间 (Ts Control) = 40us')

    3.3 结果比较

    本文只展示部分代码：全部代码见：🍞正在为您运送作品详情

    1. %.......
    2.  
    3. h1=figure;
    4. set(h1,'Name','DC');
    5. ScreenS=get(0,'Screensize');
    6. set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.01 ScreenS(4)*0.52 ScreenS(3)*0.32 ScreenS(4)*0.37])
    7. subplot(2,1,1)
    8. plot(results.time3,results.signals(1).values*1e-3,'b', ...
    9. results.time3,results.signals(11).values*1e-3,'r')
    10. ylabel('(kV)')
    11. grid
    12. title('Vdc Conv1')
    13. axis([0 10 0 700])
    14. legend('SwD','Agg')
    15. subplot(2,1,2)
    16. plot(results.time3,results.signals(2).values,'b', ...
    17. results.time3,results.signals(12).values,'r')
    18. ylabel('(A)')
    19. xlabel('(s)')
    20. grid
    21. title('Idc Conv1')
    22. legend('SwD','Agg')
    23. axis([0 10 -2000 1000])
    24. %
    25. h1=figure;
    26. set(h1,'Name','PQ');
    27. ScreenS=get(0,'Screensize');
    28. set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.34 ScreenS(4)*0.52 ScreenS(3)*0.32 ScreenS(4)*0.37])
    29. subplot(2,1,1)
    30. plot(results.time2,results.signals(3).values,'b', ...
    31. results.time2,results.signals(13).values,'r')
    32. ylabel('(MW)')
    33. grid
    34. title('有功功率')
    35. axis([0 10 -500 1500])
    36. legend('SwD','Agg','Location','southeast')
    37. subplot(2,1,2)
    38. plot(results.time2,results.signals(4).values,'b', ...
    39. results.time2,results.signals(14).values,'r')
    40. ylabel('(Mvar)')
    41. xlabel('(s)')
    42. grid
    43. title('无功功率')
    44. axis([0 10 -300 300])
    45. legend('SwD','Agg','Location','southeast')
    46. %
    47. % 
    48. h1=figure;
    49. set(h1,'Name','Iprim');
    50. ScreenS=get(0,'Screensize');
    51. set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.67 ScreenS(4)*0.52 ScreenS(3)*0.32 ScreenS(4)*0.37])
    52. plot(results.time1(1:25000),results.signals(5).values(1:25000),'b')
    53. hold on
    54. plot(results.time1(1:25000),results.signals(15).values(1:25000),'r')
    55. ylabel('(A)')
    56. xlabel('(s)')
    57. grid
    58. title('一次电流, A相')
    59. axis([0.35 0.45 -250 250])
    60. text(0.38,225,'(during capacitors energization)')
    61. legend('SwD','Agg','Location','southeast')
    62. %
    63. h1=figure;
    64. set(h1,'Name','Vcap');
    65. ScreenS=get(0,'Screensize');
    66. set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.01 ScreenS(4)*0.06 ScreenS(3)*0.32 ScreenS(4)*0.37])
    67. subplot(2,2,1)
    68. plot(results.time1(225000:250000),results.signals(6).values)
    69. ylabel('(V)')
    70. axis([9.9 9.98 16000 20000])
    71. grid
    72. title('Vcap 4 模块; SwD')
    73. subplot(2,2,2)
    74. plot(results.time1(225000:250000),results.signals(16).values,'r')
    75. axis([9.9 9.98 16000 20000])
    76. ylabel('(V)')
    77. grid
    78. title('Vcap 平均值: Agg')
    79. subplot(2,2,[3:4])
    80. plot(results.time1(225000:250000),results.signals(7).values,'b', ...
    81. results.time1(225000:250000),results.signals(17).values,'r')
    82. ylabel('(V)')
    83. axis([9.9 9.98 16000 20000])
    84. xlabel('(s)')
    85. grid
    86. title('电容器平均电压，上臂 phA')
    87. legend('SwD','Agg','Location','northeast')
    88. %
    89. h1=figure;
    90. set(h1,'Name','Iarm');
    91. ScreenS=get(0,'Screensize');
    92. set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.34 ScreenS(4)*0.06 ScreenS(3)*0.32 ScreenS(4)*0.37])
    93. plot(results.time1(225000:250000),results.signals(8).values,'b', ...
    94. results.time1(225000:250000),results.signals(18).values,'r')
    95. ylabel('(A)')
    96. xlabel('(s)')
    97. grid
    98. title('臂, 上臂, A相')
    99. axis([9.9 10.0 -2000 2000])
    100. legend('SwD','Agg','Location','southeast')
    101. %
    102. h1=figure;
    103. set(h1,'Name','Iprim');
    104. ScreenS=get(0,'Screensize');
    105. set(h1,'Position',[ScreenS(3)*0.67 ScreenS(4)*0.06 ScreenS(3)*0.32 ScreenS(4)*0.37])
    106. plot(results.time1(225000:250000),results.signals(5).values(225000:250000),'b', ...
    107. results.time1(225000:250000),results.signals(15).values(225000:250000),'r')
    108. ylabel('(A)')
    109. xlabel('(s)')
    110. grid
    111. title('A相一次电流')
    112. axis([9.9 10.0 -2500 2500])
    113. text(9.935,2300,'(in steady-state)')
    114. legend('SwD','Agg','Location','southeast')
    115. %

    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.

  • 相关阅读:
    【附源码】计算机毕业设计java智慧后勤app设计与实现
    【嵌入式物联网实战项目】涂鸦幻彩灯带SDK商用项目
    分享3款ipad笔记工具，你们快来
    JAVA面试总结
    Git 工作流程、工作区、暂存区和版本库
    云原生安全性：保护现代应用免受威胁
    JUC第六讲：ThreadLocal/InheritableThreadLocal详解
    MySQL计划执行--定时任务处理
    论如何在使用RedisStandaloneConfiguration时让JedisConnectionFactory用上JedisPoolConfig
    菜品识别易语言代码
  • 原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_46039719/article/details/125406537