HVDC - MMC互连：聚合MMC模型优化的SPS模拟
HVDC-MMC互连（1000MW，±320KV）使用聚合MMC模型进行优化的SPS模拟 作者：Pierre Giroux、Gilbert Sybille、Patrice Brunelle 魁北克水电研究所（IREQ） 概述 本示例展示了一个SimPowerSystems（SPS）模型，使用基于模块化多电平变换器（MMC）技术的电压源换流器（VSC）实现了高压直流（HVDC）互连。 通过使用聚合MMC模型，对SPS模拟进行了优化。 直流电力传输已经成为国际间电力交换和可再生能源（水电厂、离岸风电场和太阳能农场）向电力网输送能源的首选方法。 目前已经有多个这样的系统在运营，例如法国西班牙互连（INELFE项目）、海上风力HVDC链接（Dolwin1项目）以及计划中的北方通道（加拿大-美国直流链接，功率为1090兆瓦）等未来项目。 在本示例中，MMC变流器使用聚合模型来模拟一个臂的功率模块。 通过该聚合模型，控制系统动态、变流器谐波和环流现象都得到了很好的表示。 然而，由于只使用一个虚拟电容器代表一个臂的所有电容器，该模型假设所有功率模块的电容器电压都平衡，因此无法模拟电容器电压平衡方案。 与使用每个单独功率模块的两个开关装置和一个电容器的详细模型相比，该聚合模型运行速度更快。 该聚合模型也非常适合实时模拟。 主要组件说明 1）简化电网 电网使用400千伏、50赫兹的等效模型，并使用两个断路器为变流器1供电。 2）变流器1 变流器1使用6个半桥MMC模块实现，每个模块代表36个功率模块。 该自定义SPS模块使用一个开关函数模型，其中只使用一个等效模块代表所有功率模块。 控制信号是一个二维向量[Nin，Nbl]，其中Nin表示插入模块的数量，Nbl表示阻塞状态的模块数量。 输出Vc（电容器电压）只有一个元素，并提供电容器模块的平均值。 3）直流电路 在直流电路子系统中，您将找到一个简化的电缆模型，以及使用直流源和理想开关建模的第二个变流器。 您还将找到一个开关，用于在电缆上施加故障。 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。 其中包括以下子系统： 主动和无功功率调节器 直流电压调节器 具有前馈的dq电流调节器 相位锁定环路（PLL）和测量子系统 用于控制变流器1半桥MMC的PWM发生器 您还将在顺序控制区域找到编程了变流器1各种工作模式的部分。 5）示波器和测量 该子系统包含用于在仿真过程中观察多个信号的示波器。 该子系统还执行功率和基波电压计算。 mmc－hvdc2
在电力传输领域，直流电力传输逐渐成为国际电力交换以及可再生能源接入电网的关键手段。今天咱们就来聊聊 “HVDC - MMC互连（1000MW，±320KV）使用聚合MMC模型进行优化的SPS模拟” 这个有趣的项目，作者是来自魁北克水电研究所（IREQ）的Pierre Giroux、Gilbert Sybille和Patrice Brunelle。
一、概述
这个示例为我们展示了一个基于SimPowerSystems（SPS）的模型，它借助基于模块化多电平变换器（MMC）技术的电压源换流器（VSC），实现了高压直流（HVDC）的互连。并且，通过使用聚合MMC模型，对SPS模拟进行了优化。
目前，不少类似的系统已经在运营，像法国西班牙互连（INELFE项目）、海上风力HVDC链接（Dolwin1项目），还有计划中的北方通道（加拿大 - 美国直流链接，功率为1090兆瓦）等。
这里的MMC变流器采用聚合模型来模拟一个臂的功率模块。这种模型能很好地展现控制系统动态、变流器谐波和环流现象。不过呢，它只用一个虚拟电容器代表一个臂的所有电容器，这就假定了所有功率模块的电容器电压都是平衡的，所以没办法模拟电容器电压平衡方案。但好处是，和那种每个单独功率模块都用两个开关装置和一个电容器的详细模型比起来，聚合模型运行速度更快，也特别适合实时模拟。
二、主要组件说明
1. 简化电网
电网采用的是400千伏、50赫兹的等效模型，通过两个断路器给变流器1供电。这部分在代码实现上，可能会有类似如下的简单设置（这里以Python代码简单示意，实际SPS模拟会有其特定语言和环境）：
# 定义电网参数 grid_voltage = 400e3 # 400千伏 grid_frequency = 50 # 50赫兹2. 变流器1
变流器1由6个半桥MMC模块构成，每个模块代表36个功率模块。它使用一个开关函数模型，只用一个等效模块代表所有功率模块。控制信号是一个二维向量[Nin，Nbl]，Nin表示插入模块的数量，Nbl表示阻塞状态的模块数量。输出Vc（电容器电压）只有一个元素，提供的是电容器模块的平均值。
# 假设使用Python类来表示变流器1 class Converter1: def __init__(self): self.module_count = 6 self.power_module_per_module = 36 def control_signal(self, Nin, Nbl): # 这里简单打印控制信号，实际会有更复杂逻辑 print(f"控制信号：Nin={Nin}, Nbl={Nbl}") def get_capacitor_voltage(self): # 简单返回一个假设的平均电容电压值，实际会计算 return 100 # 假设值3. 直流电路
在直流电路子系统里，有一个简化的电缆模型，还有通过直流源和理想开关建模的第二个变流器，另外还有个开关用于在电缆上施加故障。
# 简单模拟直流电路 class DC_Circuit: def __init__(self): self.cable_model = "简化电缆模型" self.second_converter = "直流源和理想开关建模的变流器" self.fault_switch = False def apply_fault(self): self.fault_switch = True print("在电缆上施加故障")4. 控制器
控制器子系统包含了操作互连所需的各种控制系统，像主动和无功功率调节器、直流电压调节器、具有前馈的dq电流调节器、相位锁定环路（PLL）和测量子系统，还有用于控制变流器1半桥MMC的PWM发生器。在顺序控制区域，还编程了变流器1的各种工作模式。
# 简单示意控制器类 class Controller: def __init__(self): self.active_power_regulator = "主动功率调节器" self.reactive_power_regulator = "无功功率调节器" self.dc_voltage_regulator = "直流电压调节器" self.dq_current_regulator = "具有前馈的dq电流调节器" self.pll = "相位锁定环路（PLL）" self.measurement_subsystem = "测量子系统" self.pwm_generator = "PWM发生器" def operate(self): print("控制器操作各种子系统")5. 示波器和测量
这个子系统有示波器，能在仿真过程中观察多个信号，还能执行功率和基波电压计算。
# 简单示意示波器和测量类 class OscilloscopeAndMeasurement: def __init__(self): self.signals = [] def observe_signal(self, signal): self.signals.append(signal) print(f"观察到信号：{signal}") def calculate_power_and_voltage(self): # 简单打印计算提示，实际会有计算逻辑 print("执行功率和基波电压计算")通过这些组件的协同工作，利用聚合MMC模型优化后的SPS模拟，能为HVDC - MMC互连系统的研究和设计提供有力支持，在提升模拟效率的同时，也能较好地呈现系统的关键特性。希望这篇文章能让大家对这个领域有更清晰的认识。