模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）需要達(dá)到數(shù)百電平才能滿足實(shí)際工程對(duì)高電壓、大容量的需求，這給MMC的電磁暫態(tài)仿真帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多高效建模方法，根據(jù)研究對(duì)象的不同，將MMC子模塊、橋臂或者整個(gè)三相換流單元等效為封裝模塊，降低了仿真系統(tǒng)的求解維度。

其中，以橋臂為單元進(jìn)行封裝建模的方法既可以充分利用MMC模塊化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)從而減小計(jì)算量，又可以保留較多換流器內(nèi)部的細(xì)節(jié)特征，且模型搭建較方便，在現(xiàn)有文獻(xiàn)中應(yīng)用較多。

根據(jù)能否保留子模塊內(nèi)部細(xì)節(jié)特征又可以將模型分為兩類：第一類模型可以保留子模塊內(nèi)部特征，但需要對(duì)大量子模塊電容進(jìn)行積分運(yùn)算，計(jì)算效率較低，有學(xué)者研究文獻(xiàn)中的模型屬于該類模型；第二類模型模擬橋臂電壓的動(dòng)態(tài)特性，不保留子模塊內(nèi)部特征，但計(jì)算簡(jiǎn)單，有學(xué)者研究文獻(xiàn)中的模型屬于該類模型。

現(xiàn)有高度封裝化的建模方法能夠準(zhǔn)確模擬MMC穩(wěn)態(tài)、換流器閉鎖、交流故障和直流故障等過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，而且具有較高的仿真效率，但給換流器內(nèi)部故障的仿真造成了困難。為了模擬子模塊故障，現(xiàn)有文獻(xiàn)都是利用仿真平臺(tái)提供的元件模型按照子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)額外搭建若干個(gè)子模塊模型（子模塊詳細(xì)模型）。

有學(xué)者用子模塊詳細(xì)模型的仿真信息替換等效模型中對(duì)應(yīng)子模塊模型的數(shù)值信息，因此存在一個(gè)仿真步長(zhǎng)的滯后。有學(xué)者則是直接將詳細(xì)子模塊模型串聯(lián)接入橋臂之中，只能模擬某一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)子模塊的故障情況，而且該方法并不適用于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器（Real-Time Digital Simulator, RTDS），因?yàn)镽TDS提供的電力電子元器件和用戶自定義模型分屬不同的仿真步長(zhǎng)，相互連接需要用到接口變壓器從而引入新的誤差。電力電子換流器結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，這勢(shì)必導(dǎo)致設(shè)備故障概率大大增加，如何對(duì)換流器內(nèi)部故障，包括子模塊的內(nèi)部故障以及橋臂故障進(jìn)行建模，仍然是該領(lǐng)域研究的難點(diǎn)。

RTDS是MMC控制器及保護(hù)裝置在設(shè)計(jì)、研發(fā)及調(diào)試過(guò)程中常用的仿真裝置，與離線的電磁暫態(tài)仿真軟件相比，RTDS由于其實(shí)時(shí)性的仿真特性以及有限的硬件資源，對(duì)于模型的計(jì)算速度和效率有著更高的要求；而且由于RTDS不提供插值算法，不能準(zhǔn)確判斷電力電子器件的準(zhǔn)確動(dòng)作時(shí)刻，不能在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫蛔儠r(shí)重新對(duì)網(wǎng)絡(luò)初始化，對(duì)含電力電子元器件的電路仿真較為困難。

用戶可以通過(guò)兩種方法使用RTDS進(jìn)行MMC仿真：一是利用RTDS平臺(tái)提供的MMC橋臂封裝模塊搭建仿真系統(tǒng)；二是利用RTDS的CBuilder工具自定義MMC子模塊或橋臂模型。

RTDS平臺(tái)提供了兩種基于GPC/PB5處理器板卡的MMC封裝模塊：rtds_vsc_MMC5和rtds_ vsc_CHAINV5，以及兩種基于FPGA板卡開(kāi)發(fā)的MMC模型：Unified Model（U5）和Generic Model（GM）。

其中，rtds_vsc_MMC5不能模擬單個(gè)子模塊的動(dòng)態(tài)特性，rtds_vsc_CHAINV5可以模擬每個(gè)子模塊電容的充放電過(guò)程，但單橋臂子模塊個(gè)數(shù)最大僅為56個(gè)，這兩種模型都沒(méi)有提供故障仿真功能。

基于FPGA的模型需另外購(gòu)買(mǎi)GTFPGA Unit才能使用，U5和GM模型分別能夠?qū)崿F(xiàn)不超過(guò)501電平和1025電平的MMC系統(tǒng)仿真，這兩種模型都具備部分換流器內(nèi)部故障仿真功能，但只包括電容短路故障、電容值下降和子模塊旁路等三種子模塊故障和橋臂電抗器短路故障，不具備模擬子模塊中電力電子開(kāi)關(guān)元件故障的功能，也不能模擬橋臂接地、短路、斷路等故障。但子模塊和橋臂故障會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對(duì)其建立精確的仿真模型用于故障特性、診斷及保護(hù)策略的研究。

用戶在利用RTDS的CBuilder平臺(tái)進(jìn)行自定義開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)MMC系統(tǒng)仿真時(shí)，會(huì)受到計(jì)算資源的限制，進(jìn)而影響模型的計(jì)算效率。有學(xué)者利用CBuilder平臺(tái)開(kāi)發(fā)了可用于子模塊內(nèi)部特性及控制保護(hù)策略研究的自定義子模塊模型，但由于對(duì)每個(gè)子模塊單獨(dú)建模，計(jì)算資源需求較多，因此所開(kāi)發(fā)的模型無(wú)法應(yīng)用于高電平MMC系統(tǒng)的仿真。

針對(duì)換流站內(nèi)部故障仿真困難的問(wèn)題，兼顧實(shí)時(shí)仿真對(duì)模型計(jì)算效率的需求，本文建立了子模塊內(nèi)部故障詳細(xì)等效模型和子模塊組簡(jiǎn)化等效模型，在這兩種模型的基礎(chǔ)上，采用詳細(xì)等效和簡(jiǎn)化等效相結(jié)合的混合仿真方法，設(shè)計(jì)一種具備內(nèi)部故障仿真功能的MMC橋臂混合仿真模型。

圖5 具備故障仿真功能的橋臂混合仿真模型

圖7 單端21電平MMC仿真系統(tǒng)

結(jié)論

本文在RTDS平臺(tái)中的GPC/PB5環(huán)境下，利用CBuilder工具，以橋臂為基本單元，開(kāi)發(fā)了適用于大規(guī)模MMC-HVDC系統(tǒng)仿真的混合仿真模型，不僅能夠仿真高電平MMC系統(tǒng)，還能夠模擬換流器內(nèi)部故障，該模型具有如下特征：

• 1）為了模擬子模塊內(nèi)部故障，對(duì)子模塊每個(gè)器件的故障狀態(tài)進(jìn)行建模，建立子模塊內(nèi)部故障詳細(xì)等效模型。
• 2）為解決CBuilder下資源受限的問(wèn)題，根據(jù)子模塊平均電容電壓與開(kāi)關(guān)函數(shù)和橋臂電流的數(shù)學(xué)關(guān)系，提出一種基于戴維南等效的子模塊組簡(jiǎn)化等效模型，避免了基于受控電壓源的簡(jiǎn)化等效模型存在的滯后一個(gè)仿真步長(zhǎng)的問(wèn)題。
• 3）采用詳細(xì)等效和簡(jiǎn)化等效混合仿真的方法，將橋臂中的所有子模塊分為兩組：一組為特殊子模塊，建立子模塊內(nèi)部故障詳細(xì)等效模型；其余為另一組，建立子模塊組簡(jiǎn)化等效模型，并在橋臂模型中增設(shè)故障節(jié)點(diǎn)，使得模型既可用于高電平系統(tǒng)仿真，又能夠模擬換流器內(nèi)部故障，包括子模塊內(nèi)部各類故障和橋臂故障。

通過(guò)與PSCAD/EMTDC中用器件搭建的詳細(xì)模型進(jìn)行仿真對(duì)比，證明了所提模型的有效性和精確性以及動(dòng)態(tài)下模型的穩(wěn)定性。