基于Rt-Lab的模块化多电平换流器实时仿真
【CN109782626A】一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统【专利】
6 .根据权利要求5所述的一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于： 所述机组机械模型包含风速模型、风机模型和传动链。
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CN 109782626 A
说 明 书
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一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统
技术领域 [0001] 本发明涉及风力发电电气控制技术领域，具体的是一种基于RT-LAB的风电主控实 时仿真测试系统。
背景技术 [0002] 风能是一种清洁的可再生资源，近年来风力发电技术飞速发展，风电装机容量迅 速攀升。随着风电 行业的不断发展和竞争的 加剧，一方面要求风电 机组成本不断下降 ，另一 方面要求风电 机组可靠性不断 提高。主控系统 作为风电 机组电 控系统的 重要子系统之一 ， 其控制性能直接关系到风电机组的整体性能。 [0003] 主控系统负责整个风电机组的总体控制 ,实现主控、变桨和变流三大子系统的协 调运行。在风力发电 机组实际 运行中 ，主控系统要根据自身采集的 信息和变桨系统以 及变 流系统传输
7 .根据权利要求5所述的一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于： 所述机组电气模型包含发电机、变流器、变压器、电网和变桨电气系统。
8 .根据权利要求5所述的一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于： 所述实时操作系统为嵌入式操作系统。
9 .根据权利要求5所述的一种基于RT-LAB的风电主控实时仿真测试系统，其特征在于： 所述实时仿真器为RT-LAB仿真器 ，为分布式实时平台 ，通过对进行工程仿真或者是对实物 在回路的实时 系统建立动态模型 ，外部设置有I/O板卡 ，用于与主控控制系统进行I/O 信号 连接。
基于RT-LAB的柔性直流输电系统仿真平台设计
基于RT-LAB的柔性直流输电系统仿真平台设计
张群;赵倩;陈朋
【期刊名称】《高压电器》
【年(卷),期】2015(51)9
【摘要】基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术以其在功率控制、潮流反转、无功补偿等方面的诸多优势,必将成为未来输配电系统的重要组成部分。
但是当系统电压等级较高时,所需开关器件可能会成千上万,传统仿真平台完成不了如此庞大的仿真任务,更不能满足工程测试需求。
针对该问题,文中设计了一种针对柔性直流输电系统的实时仿真平台,以实时仿真器RT-LAB为基础,配以高速光纤通信接口与被测系统进行数据交互,运用半实物仿真技术完成系统测试。
该平台已用于舟山工程极控系统(PCP)和阀控系统(MVCE)的测试,试验结果及工程应用表明,该仿真平台能够完成阀控系统和极控系统实时全功能仿真验证,满足实际工程测试需求。
【总页数】6页(P123-128)
【关键词】MMC-HVDC;输配电;实时仿真技术(RT-LAB);实时仿真
【作者】张群;赵倩;陈朋
【作者单位】许继集团直流输电系统公司
【正文语种】中文
【中图分类】TM721.1
【相关文献】
1.基于RT-LAB的PET中间级直流变换器半实物仿真平台设计
2.基于HCM3000平台柔性直流输电系统设计
3.基于RT-LAB的柔性直流配电网建模与仿真分析
4.基于工业控制平台柔性直流输电仿真系统设计
5.基于RT-LAB的柔性直流配电网实时仿真研究
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基于RTLAB的柔性直流配电网实时仿真研究
等。中压直流部分由模块化多电平换流器及直流变压器构成， 其 中 MMC1#~3#， 额 定 容 量 为 1 MW，MMC4# 及 DCSST 容 量为 500 kW，各设备都连接到 ±10 kV 直流母线。
［关键词］直流配电 ；实时仿真 ；混合式模块化多电平电压源换流器 ；直流变压器 ［中图分类号］TM721.1 ［文献标志码］A ［文章编号］1001–523X（2019）03–0108–03
Real-time Simulation of Flexible Dc-grid Based on Rt-lab
2019年第3期
2019 No.3
电力系统
Electric System
电力系统装备
Electric Power System Equipment
基于RT-LAB的柔性直流配电网实时仿真研究
谢百明1，谈竹奎1，赵宇明2，郭茂派3，徐玉韬1 （1.贵州电力科学研究院，贵州贵阳 550002；2.深圳供电局有限公司，广东深圳 518048；
Xie Bai-ming，Tan Zhu-kui，Zhao Yu-ming，Guo Mao-pai，Xu Yu-tao
［Abstract］The paper introduce real-time simulation for flexible DC-Grid system based on RT-LAB, according to the technical parameters of practical facility, modeling of each device, such as multiple multilevel converter, solid state DC-transformer, wind-power, photovoltaic, were fulfilled, using 104 protocal, manufacturer’s controller were connected with RT-LAB simulators, various experiments regarding control strategy were validated on the platform.
模块化多电平换流器实时仿真的快速实现方法
模块化多电平换流器实时仿真的快速实现方法摘要：本文介绍了一种基于MATLAB/Simulink平台的模块化多电平换流器实时仿真的快速实现方法。
该方法通过使用Simulink中的S-Function模块实现了模块化多电平换流器的建模，并使用了Simulink Real-Time Workshop工具生成C代码，实现了模块化多电平换流器的实时仿真。
通过实验验证，该方法具有较高的仿真精度和较快的仿真速度。
关键词：模块化多电平换流器；实时仿真；MATLAB/Simulink；S-Function；Real-Time Workshop1.引言多电平换流器是一种常用的电力电子装置，广泛应用于工业、交通、航空航天等领域。
在多电平换流器的控制中，实时仿真是一种非常重要的技术手段，它可以有效地验证控制策略的正确性，提高控制系统的可靠性和稳定性。
然而，由于多电平换流器的复杂性，实时仿真往往需要大量的计算资源和时间，因此如何快速实现多电平换流器的实时仿真是一个重要的研究方向。
2.模块化多电平换流器的建模模块化多电平换流器是一种常用的多电平换流器拓扑结构，它通过将多个单元级联组合而成，可以实现任意电平的输出电压。
在本文中，我们将采用模块化多电平换流器作为仿真对象，介绍一种基于MATLAB/Simulink平台的模块化多电平换流器实时仿真的快速实现方法。
首先，我们需要对模块化多电平换流器进行建模。
在Simulink 中，我们可以使用S-Function模块来实现模块化多电平换流器的建模。
S-Function模块是一种通用的模块化设计工具，可以将外部C代码嵌入到Simulink模型中，实现复杂的功能。
在本文中，我们将使用S-Function模块来实现模块化多电平换流器的建模。
具体来说，我们需要将模块化多电平换流器分解为多个单元，并对每个单元进行建模。
在每个单元中，我们需要实现电压平衡控制、电流控制、PWM控制等功能。
为了保证仿真精度，我们需要考虑到各个单元之间的耦合关系，以及各种干扰因素对系统的影响。
基于RT-LAB的MMC-HVDC系统FPGA片上仿真分析
基于RT-LAB 的MMC-HVDC系统FPGA片上仿真分析Weihua Wang1, 王涛2, Luc-Andre Gregoire1, Wei Li1（1,Opal-RT 2,上海科梁信息工程有限公司,上海市宜山路829号海博新大楼二楼东翼，200233）摘要：分布式能源接入大电网系统采用模块化多电平源换流器（MMC）进行交-直-交变换已经日益增多。
MMC的硬件在环(HIL)仿真对传统实时仿真机的架构和算法都提出了严重的技术挑战，因为HIL测试必须能够在非常小的仿真步长下实时计算大量MMC模块，且必须能够实时处理与待测控制器的大量的通讯，从而实现闭环测试。
本文阐述了采用小步长对MMC换流器进行仿真的优势。
仿真器基于Intel处理器和FPGA片上协同仿真的架构，其中FPGA上以250ns的步长模拟MMC换流阀的高速暂态，同时Intel 处理器以10µs-20µs的步长对交流电网及直流传输线进行仿真。
文中描述了仿真器架构及元件模型，同时探讨了实时仿真模型中快速系统与慢速系统进行互联的技术方法。
关键词：FPGA片上仿真模块化多电平换流器（MMC）硬件在环(HIL)1引言全球电力系统架构正日益从集中发电、超高压输电演变为越来越多的分布式发电和配电。
这种转变对电力电子设备需求不断增多，如高压直流输电、柔性交流输电以及直流源（光伏发电）或变频源（风力发电）等并网设备。
电力电子换流器发展迅速，表现在电路电子器件和拓扑方面都获得了很大发展。
从晶闸管到基于IGBT的电压源换流器VSC，再到模块化多电平技术MMC，这些技术的演变对仿真技术尤其是实时仿真技术也提出了越来越高的要求。
例如，VSC对仿真步长和模型精度都要求很高，需要在20µs-50µs的步长下才能模拟出高速的暂态。
MMC由于需要大量模拟、数字或光纤输入输出系统（I/O）用于MMC模块的控制及信号采集，带来的挑战更是惊人。
高性能电力实时仿真平台RT-LA-
高性能电力实时仿真平台RT-LAB王涛1，邹毅军1，年晓红2，胡毅1(1. 上海科梁信息工程有限公司，上海 200233； 2. 中南大学信息科学与工程学院，长沙 410075)摘要：阐述了PC机群、商业货架（COTS）及实时互联网络概念，介绍了基于分布式并行计算技术的电力实时仿真平台RT-LAB，从软件和硬件架构上对该平台的性能进行了详细描述。
探讨了实时仿真及其意义，分析了快速控制原型（RCP）、硬件在环测试（HIL）及电力系统纯数字实时仿真的意义、应用原理及系统构架，针对以上三个应用领域，分别介绍了具体应用项目。
实际应用表明：实时仿真意义重大，RT-LAB平台仿真结果准确，计算性能强大，开辟了未来电力系统设计、规划、验证的新思路，有效的缩短了研究和产业化过程。
关键词：PC集群；实时仿真；快速控制原型；硬件在环；1. 引言伴随电力学科的飞速发展，电力电子及电力系统的复杂性日益增强，而另一方面市场竞争又在降低产品成本和加快上市时间上对行业人员提出了更高的要求。
大量的系统仿真因此变得不可替代且正在发挥越来越重要的作用。
实时仿真具有将硬件直接接入控制或测试回路的优势，使整个开发过程从本质上更接近于实际，具有更高的置信度[1]；并且大大缩短了开发周期，具有较高的经济价值。
因此实时仿真技术及其应用近年来得到了广泛的重视。
电力系统实时仿真方面的研究与应用已经开展多年，领域内早期的产品极大的推动了研究、测试的发展。
但这些产品有其固有的缺陷：1）价格昂贵；2）复杂的专用硬件；3）传统Tusin积分方法易于引起数值振荡问题[2]。
本文所介绍的电力系统实时仿真平台采用PC集群技术，基于以RT-LAB为旗舰的一系列软件工具包，对上述几个问题进行了解决。
以较高的性价比为电力领域的控制算法设计、控制器测试及系统级仿真提供了完整的解决方案。
2.PC集群架构计算能力是衡量一个国家国力和科学研究能力的重要指标，一个国家和地区的计算能力现在已经成为一种重要的战略资源，不亚于石油和其他战略物资的重要性。
基于RTDS的模块化多电平换流器r闭锁状态仿真建模方法
基于RTDS的模块化多电平换流器r闭锁状态仿真建模方法王洁聪;刘崇茹;徐东旭;谢国超;朱毅【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2018(033)016【摘要】模块化多电平换流器(MMC)因其模块化的结构特点在高压直流(HVDC)输电领域得到广泛应用.对于MMC闭锁状态的仿真涉及对二极管这种自然开断器件的仿真.由于实时数字仿真(RTDS)平台不能使用插值和变步长算法,在RTDS中仿真时会存在数值振荡和二极管开关动作延迟的问题,RTDS是通过小步长来实现误差降低.但CBuilder工具不具备小步长仿真能力,需采用接口变压器连接,其漏抗等参数会降低仿真精度.提出一种适于RTDS平台的MMC闭锁状态仿真方法,将桥臂电抗的积分方法改为能有效抑制数值振荡的后退欧拉法,同时采用双值电阻并联RC 阻尼电路的模型对二极管进行等效.通过对模型的稳态误差、暂态误差以及二极管动作延迟造成的误差进行计算分析,提出模型的参数选择方法,提高了模型的计算精度和数值稳定性.【总页数】11页(P3686-3696)【作者】王洁聪;刘崇茹;徐东旭;谢国超;朱毅【作者单位】新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京 102206;新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京 102206;新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京 102206;新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京 102206;国网山东省电力公司经济技术研究院济南 250021【正文语种】中文【中图分类】TM743【相关文献】1.基于RTDS的电流互感器拖尾仿真建模研究 [J], 杜小磊;王倩倩;满基;徐兴豫;程鹏远2.基于PSCAD的大规模钳位双子模块-模块化多电平换流器高效仿真建模方法 [J], 刘崇茹;洪国巍3.基于RTDS的上海地区110kV变压器保护仿真建模研究 [J], 宋杰;徐洁;周德生;郑浩;范嘉玮4.基于RTDS的模块化多电平换流器功率模块级故障及保护逻辑动态模拟研究 [J], 陈钦磊;郭琦;黄立滨;李书勇;郭海平;林雪华;曾冠铭;罗炜5.基于RTDS的电厂主变空充过程的仿真建模及功率振荡抑制策略 [J], 夏小军;马红星;顾秋斌;唐硕;林济铿;江伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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基于Rt-Lab的模块化多电平换流器实时仿真于飞;张群;刘喜梅【摘要】基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电方式,由于其开关器件的数量是传统两电平或三电平换流器的几百倍,故传统的仿真软件需要花费更长的时间才能得到结果.系统仿真时间的显著增加使得系统仿真的时效性和实用性大大降低.为此引入实时仿真平台RT-Lab,减少系统仿真在柔性直流输电系统开发周期中所占比例.并通过同一种控制算法在RT-Lab和Matlab下的仿真进行了验证,结果表明RT-Lab能够显著地减少系统仿真时间,并保证运行结果的有效性和精确性.%Flexible DC transmission system based on modular multi-level convertor due to its inherent advantages reciving more and more attention . But the number of switching devices is hundreds of times of the traditional two-level or three-level convertor , so the tradional simulation software will take more time to get result. Because of the time of system simulation significantly increased, so the timeliness and practicality of system simulation is greatly reduced. Using the real-time simulation platform RT-LAB to reduce the proportion of system simulation in flexible DC transmission system development cycle. And verified through the same control algorithm simulation in RT-LAB and Matlab, the results show that RT-LAB can significantly reduce the simulation time, and ensure effectiveness and accuracy of the result.【期刊名称】《青岛科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)005【总页数】5页(P541-545)【关键词】MMC;RT-Lab;直接控制;实时【作者】于飞;张群;刘喜梅【作者单位】青岛科技大学自动化与电子工程学院,山东青岛266042;许继集团有限公司直流输电系统公司,河南许昌461000;青岛科技大学自动化与电子工程学院,山东青岛266042【正文语种】中文【中图分类】TP393;TP391.7与传统两三电平拓扑结构相比，多电平换流器技术能够有效的改善输出波形并能够降低开关损耗。
这种换流器能够输出多个电压等级，而每个电压等级只是输出电压的一部分。
最终输出波形可以接近正弦波。
目前国内高压直流输电的前沿是采用模块化多电平换流器技术（MMC）的柔性直流输电。
这种输电方式并不象传统的多电平技术，它采用完全相同的子模块，能方便的实现冗余控制，并且能够方便的调整子模块数量适应特定的电压等级，因此柔性直流输电技术能够容易的扩展到不同的电压等级。
由于输出电压是通过多个电压等级合成的正弦波，故其谐波含量非常少，不需要滤波器。
柔性直流输电方式具有经济、灵活、高质量、高可控性的优点［1］，能够将分散系统方便的连接在一起。
虽然柔性直流输电有很多固有优势，但是其开关元件个数能达到上千个甚至几千个，这对于建模柔性直流输电系统来说是巨大的挑战，如何降低系统仿真时间在开发周期中所占比例，以缩短整个系统的研发周期，抢占市场先机，成为国内各个研发单位所面临的现实问题。
本研究通过引入RT－LAB仿真平台来解决这一问题。
RT－LAB既可以使得系统运行在纯数字仿真状态下，在线方便的修改参数，最终使所建模型的参数达到最优；也可以进行半实物仿真即硬件在环实时仿真，这更接近于实际情况，能够有效减少最终实际系统可能发生的问题。
本研究将Simulink下搭建的柔性直流输电系统逆变器侧模型根据RT－LAB实时仿真的要求进行相关子系统的分割，并分成控制器和主电路两部分，从而实现硬件平台的对接，仿真运行结果很好地验证了RT－LAB仿真的实时性和精确性，并将这些结果与Simulink运行结果进行了比较。
1 MMC原理图1所示为MMC拓扑结构，每相由上下2个桥臂构成，而每个桥臂由N个子模块和1个电抗器串联而成。
每个子模块由2个IGBT、2个反向二极管和1个电容构成，如图2所示［2］。
图1 模块化多电平换流器拓扑结构Fig.1 Topology of modular multi－level convertor图2 模块化多电平子模块Fig.2 Sub－module of MMCMMC刚上电工作时通过反向二极管D1，每个子模块电容电压为Udc／2 N。
当MMC正常工作后，上下桥臂始终只有N个子模块投入，即Nu＋Nl＝N，通过调节Nu、Nl来实现输出不同的电压等级，最终合成所需N＋1阶正弦阶梯电压。
而Nu、Nl的调节是通过T1、T2的不同开关状态来实现的：1）T1、T2都闭锁，这时系统处于刚上电状态或故障；2）T1导通，T2闭锁，这时子模块电容可以通过T1放电或通过反向二极管D1充电，取决于流过子模块电容的电流方向，而其输出电压为Vsm，Nu或者 Nl增大；3）T1闭锁，T2导通，这时电流通过T2或反向二极管D2流通，子模块电容被旁路，其输出电压为0，Nu或Nl减小。
因电力系统的复杂性日益增强，和市场竞争又在降低产品成本和加快上市时间上对行业人员提出了更高的要求，大量的系统仿真因此变得不可替代且正在发挥越来越重要的作用。
实时仿真具有将硬件直接接入控制或测试回路的优势，使整个开发过程从本质上更接近于实际，具有更高的置信度；并且大大缩短了开发周期，具有较高的经济价值。
因此实时仿真技术及其应用近年来得到了广泛的重视。
目前，世界上已投运的电压等级最高的柔性直流输电系统是西门子在美国建设的Trans Bay Cable Project：设计功率400MW，电压等级±200kV，每个桥臂200个子模块，不考虑冗余一相400个子模块，三相总共1 200个子模块，2 400个IGBT。
而对于工程应用来说±200kV电压等级还不能够满足需求，提高电压等级意味着串联子模块数的增加，同时IGBT数量增加更多［3］。
这对于传统电力仿真软件来说已经满足不了系统仿真的时间要求，实时仿真技术成为解决这一问题的最佳方案。
2 实时仿真方案本研究中实时仿真平台使用加拿大Opal－rt公司的eMEGAsim平台，其配套软件为RTLAB。
RT－LAB完全集成Matlab／Simulink 和MATRIXx／SystemBuild，并采用一系列算法对模型运行进行优化，所使用算法包括：Artemis、RT－Event和 Rtedrive。
RT－LAB采用并行及分布式计算技术，使得计算能力有了很大提升，极大的减少了系统所需仿真时间。
实时仿真采用2台eMEGAsim实时仿真器，1台模拟控制器，1台模拟主电路，形成闭环对接，目的是在没有真实主电路的情况下，以模型替代主电路对控制器进行设计优化。
实时仿真器与上位机通讯采用TCP／IP协议。
相关运行结果将与Simulink仿真结果进行比较，验证实时仿真的优势和精确性。
3 RT－LAB简介RT－LAB是专为大型电网及电力电子系统的高精度实时仿真，快速控制原型（RCP）及硬件在环仿真测试（HIL）量身定做的高精度、多处理器实时仿真平台［4］。
它继承Opal－RT公司RTLAB分布式并行处理思路，基于IntelCoreTM2 Quad多核处理器和FPGA技术，实现了大型电网的多速率实时仿真，能在微秒以下的小步长实时运行，从而精确模拟目前电力系统中的各种电磁暂态。
非常适合于以下领域的实时仿真：大规模电网和风电场，大型舰船的分布式发电及输配电系统，电力牵引系统及馈电网络，柔性直流输电系统。
使用RT－LAB，用户可以专注于电力系统电磁暂态分析及电力系统控制保护装置的半实物仿真测试。
它同样适用于电力系统设计、人员培训以及科学研究。
RT－LAB具有以下技术亮点。
1）与Simulink／SimPowerSystem 及 ENTPRV无缝集成。
2）内含优化的解算器、针对柔性直流输电系统的模块库。
3）可在INTEL多核处理器上实现大电网的10us步长级实时仿真。
4）基于共享内存和PCI－E总线，处理器最多可扩展至64核。
5）Real－Time Workshop 和 FPGA Code Gennerator支持自动代码生成。
正是基于以上优点，柔性直流输电系统仿真平台采用RT－LAB。
目前所用的是20核的RTLAB实时仿真平台，具体配置如下：768路数字量输入通道，768路数字量输出通道，80路模拟量输入通道，96路模拟量输出通道。
4 实时运行模型图3 Simulink模型搭建原理Fig.3 The principle of Simulink modelRT－LAB下的实时运行模型是基于Simulink下的数字仿真模型，现将其原理［5］描述如图3。
图3其中调制算法的作用是给出上下桥臂投入的模块数Nu，Nl，均压算法具体原理如下：以上桥臂为例，将得到的三相上桥臂子模块电容电压进行排序，若是流过子模块的电流为充电电流，则选择上桥臂中电容电压最小的Nu个子模块投入，否则选择电容电压最大的Nu个子模块投入。
将上述原理描述的Simulink模型根据RT－LAB实时仿真的原则进行调整加入 Opcom、RT－E－vents和Artemis等，并完成各个子系统的分割实现分布式并行计算后分成控制器和主电路部分，如图4和图5。
4.1 仿真结果仿真中采用方案：六电平输出380V电压，总计30个子模块，不考虑冗余。
主电路反馈给控制器的信号有：30路子模块电容电压、逆变输出三相电压和三相桥臂电流；控制器信号只有30路PWM控制信号。
经过验证，RT－LAB实时仿真运行3秒只需要实际时间3秒，而在Simulink下运行仿真时间3秒却需要实际时间5分钟，若是将子模块数提高到几百甚至上千，那么系统仿真所需实际时间将严重超出开发所能承受的范围。