基于FPGA的模块化多电平换流器建模

基于FPGA的模块化多电平换流器建模

万洪宇

中车青岛四方机车车辆股份有限公司   山东省青岛市  266109

摘要 在传统的软件仿真模型中，随着模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)电平数的升高，MMC子模块数目增加，仿真所需要的时间会急剧增加。在现有多核处理器的串行架构下，传统的软件仿真在MMC电路电平数超过50电平时，会导致MMC电路基本无法仿真，更不能满足实时仿真的实时性需求。为解决这一问题，本文采用基于FPGA的等效MMC子模块，在FPGA中建立MMC主回路模型，利用FPGA的并行运算特性和流水线特点，采用分时复用技术，可将MMC主回路扩展到几百上千电平规模，且能够满足MMC系统仿真的实时性需求。在不降低仿真精度的情况下，利用FPGA和分时复用技术可以建立大规模MMC系统仿真模型。本文搭建了21电平MMC主回路模型，仿真结果验证了模型的正确性。

关键词  FPGA；模块化多电平换流器；子模块；分时复用

引言

柔性直流输电系统是一种新型的直流输电系统，其中基于高压直流输电的模块化多电平换流器[1-3]（Modular Multilevel Converter-HVDC, MMC-HVDC）电压等级随着需求逐渐增大。当MMC换流阀从低电压等级、小容量发展到高电压等级、大容量时，每个桥臂串联的子模块数目急剧增加。采用PSCAD等仿真软件进行仿真时，由于高等级的MMC系统需要对大量的IGBT开关器件的开通、关断状态进行运算[4-5]，这使得软件仿真的计算量非常巨大，当MMC系统的电平数超过50电平时，采用软件仿真基本无法实现MMC电路的快速仿真。为了解决高电压等级、高电平数导致的软件仿真速度过慢[6-7]的问题，我们采用FPGA和分时复用技术，原理图如图1所示。为了节约FPGA硬件资源，在FPGA中建立MMC子模块的分时复用模型，组成MMC的主回路。在PC机中建立MMC的电力主回路和负载，二者通过USB-JTAG连接。MMC系统的控制器通过光模块(Small Form-factor Pluggable, SFP)与MMC主回路连接。

图 1 硬件协仿真原理图

通过该方法，可将MMC系统扩展到几百上千电平，根据此可研究MMC在复杂模型下的实时仿真。

1 MMC子模块分时复用模型建立

通常情况下，使用软件进行MMC仿真，在PC机上建立MMC-HVDC的主回路、电力系统和负载进行仿真，当MMC电平数上升到50电平以上时，在现有多核处理器的串行架构下，此方法不能满足实时性仿真的需求。为了解决高电平、高电压的MMC-HCDC的实时性需求，FPGA的硬件资源有限，为了能在单片FPGA中装入数量非常大的模块数，本文采用分时复用技术，建立基于FPGA的MMC模型。

使用Matlab与Xilinx公司合作的Xilinx Blockset工具库中的Mcode模块建立基于FPGA的MMC子模块的分时复用模型，使用此模块可以将模块自动转换成Verilog HDL。根据MMC子模块数学模型，建立MMC子模块的分时复用模型，模型的原理图如图2所示。当控制系统向MMC模型发出触发脉冲时，根据每个时段的不同依次选择触发脉冲，每个时段只计算单个子模块的数据，在单个控制周期内，计算出全部子模块的数据，并将结果发送到MMC主回路中，完成仿真。

图 2 分时复用原理图

下面以5电平MMC系统为例来建立MMC子模块的分时复用模型。在Mcode模块中建立分时模型，设置Xilinx工具库器件的时钟为系统时钟的1/4，利用同步时钟将系统时钟分为4个时段。每个时段将两路触发信号T1、T2和主电路电流值Ism输入到分时复用模块，模型输出子模块的电容电压和子模块电压，并通过同步时钟将这两个数据发送到系统中。MMC子模块分时复用模型工作的时序图如图3所示。

图 3 分时复用模型时序图

根据此方法，当需要高电平时，在仿真周期不变的情况下，只需要减少单个步长就可以实现子模块数目的增加，实现多模块的实时仿真需求。

FPGA模型中最重要的是模型所占FPGA的硬件资源，若超出FPGA硬件资源，则无法进行仿真，所以使用FPGA进行模型仿真需要考虑硬件资源的消耗。

可以看出当MMC子模块数大大增加后，MMC资源几乎不变，这就为高电平数MMC系统的硬件在环仿真提供了可行性。

2  仿真验证

本文采用21电平的仿真实验来验证分时复用模型的正确性。系统控制策略采用最近电平逼近(Nearest Level Modulation, NLM)的调制策略，子模块的电容电压采用选择排序的均压策略，首先建立一个纯软件仿真的21电平单相MMC主电路。其中MMC子模块采用的是Matlab/Simulink中的IGBT/Diode模块搭建的。

基于以上仿真电路的各个器件参数设置如表1所示。通过纯软件仿真得到仿真波形，主电路在系统控制下的输出电压

Vout和输出电流Iout，主电路控制输出波形正确。

表 1 仿真参数

在软件仿真正确的情况下，将主电路中上、下桥臂的MMC子模块用FPGA建立的MMC子模块分时复用模型代替。

通过仿真可知，基于分时复用技术在FPGA中建立的MMC子模块模型组成的单相主电路输出电压Vout和输出电流Iout的波形与纯软件仿真输出波形基本一致，证明了FPGA建模的子模块完全正确，满足了实时仿真的需求。

3  结论

位解决高电平数MMC电路仿真速度慢的问题，本文从基于FPGA的MMC子模块等效模型出发，详细介绍了在Matlab/Simulink环境下建立MMC换流阀子模块以及整个桥臂FPGA分时复用模型的方法，该方法采用硬件在环方式大大降低了仿真时间，提高运算速度，对高电平、高电平的MMC-HVDC仿真研究提高了一种新的方法。

本文建立了基于FPGA的MMC子模块模型，仿真验证显示，该模型与传统模型的仿真结果保持高度一致，而且消耗的FPGA硬件资源较少。对于研究高压大容量MMC的动态特性是可行的。

参考文献

[1] 韦延芳, 卫志农, 孙国强, 等. 适用于电压源换流器型高压直流输电的模块化多电平换流器最新研究进展[J]. 高电压技术, 2012, 38(5): 1243-1252.

[2] 韦延芳, 卫志农, 孙国强, 等. 一种新型的高压直流输电技术-MMC-HVDC[J]. 电力自动化设备, 2012, 32(7): 1-8.

[3] 赵成勇, 李路遥, 翟晓萌, 等. 一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑[J]. 南方电网技术,