MMC换流器是目前科研和工业应用的热点，本文介绍了如何通过远宽能源（ModelingTech）的基于FPGA的电力电子实时仿真软件StarSim HIL来进行MMC换流器的实时仿真，并通过一个经典的5-level MMC背靠背系统的实时仿真实验结果来验证所提的系统和软件，为科研人员和企业的相关工程师提供参考。 

应用背景

MMC介绍

模块化多电平换流器（MMC）是近些年柔性直流输电在主电路拓扑方面的最新成果，在工程中表现出很高的应用价值。2001年，R. Marquardt教授提出MMC概念。2003年MMC拓扑结构首次应用于HVDC（High-voltage direct current transmission，高压直流输电）领域，并于洛杉矶Trans Bay Cable项目首次商业化运用。我国已建成的上海南汇柔性直流工程、南澳三端（MTDC）柔性直流工程、舟山五端（MTDC）柔性直流输电工程等都采用MMC结构。MMC拓扑结构已成为柔性直流输电主电路拓扑的一种发展趋势。

MMC型换流器同时在中高压静止无功补偿器（STATCOM）、统一电能质量控制器（UPQC）等电力电子装置中得到工程应用，表现出广泛的应用前景。MMC拓扑结构的特殊性使其在工程应用中面临诸如电容电压平衡、相间环流抑制等亟需解决的实际问题，这也是当前学术界与工程界研究的重点内容。

MMC由多个子模块级联构成，子模块的结构可以分为半桥型、全桥型和双钳位型等。同时，近年来发展出了Hybrid-MMC拓扑，即半桥、全桥、晶闸管等的两种或多种电力电子器件混合桥臂类型。各种新型拓扑也是MMC的研究热点。

MMC组成部件多（多子模块、电压电流传感器），控制复杂，想要搭建出多级的完整实物系统比较困难，因此目前许多MMC的研究工作是通过仿真来进行。对象仿真有两种方法，离线仿真和实时仿真。实时仿真器是一种通过实时运行数学模型来模拟物理系统行为的设备，科研人员和工程师可以通过实时仿真器来对控制器进行非常接近真实情况的测试与验证，实时仿真测试是一种比离线仿真要更接近真实工况的研究方法，因此实时仿真得到了越来越广泛的应用。

基于StarSim的解决方案

MMC换流器的任意小步长实时仿真

对于基于半桥模块的经典MMC系统，目前市场上已经有较多实时仿真方案，这些实时仿真方案的好处是可以仿真较多的电平数，但是缺点是等效模型的推导过程中基于模块的半桥拓扑假设，使其无法仿真其它类型的拓扑；同时有的仿真方案是运行在CPU上的基于平均值模型大步长仿真，仿真波形结果缺少了很多细节。

为了解决这一难题，远宽能源（ModelingTech）推出了基于FPGA的StarSim实时仿真器，可以实现1微秒步长、任意拓扑、任意工况的电力电子系统实时仿真，被广泛应用于新型拓扑结构、新型控制策略验证、可再生能源并网、电机驱动等的实时仿真中。这样的实时仿真器特别适合研究人员来进行各类新型MMC拓扑研究或者通过实时实验来验证所提出的新的MMC控制策略。如在IEEE Transactions on Power Electronics发表的文[1]就是利用StarSim实时仿真器来研究一种新的三相四臂MMC拓扑的无传感器控制方式。

应用实例

五电平MMC系统实时仿真

本文以经典的半桥模块MMC为例，利用远宽能源提供的StarSim实时仿真软件和美国NI的通用FPGA硬件来进行实时仿真测试。系统的具体拓扑如下，其为一背靠背（AC-DC-AC）单相五电平MMC系统。每个桥臂上分别含有4个子模块（Sub-module）。

图1 MMC背靠背系统

图中，HBM为Half-bridge module的简写，具体的内部结构如下图：

图2 MMC半桥子模块

注：①此系统虽然仿真的是经典的半桥结构，但实时仿真系统本身并没有对拓扑有任何限制或预先假设，即用户也可以如文[1]一样很方便在此平台上搭建和仿真其它新型拓扑。

②图1中的MMC系统一共含有58个关键元件（其中32个开关、其它为L、C、电源等），对于这样一个系统StarSim实时仿真软件目前最小可以以0.6375微秒的步长实时仿真运行。

实时仿真测试

实时仿真系统的照片如下图所示，下图左边的白色机箱是实时仿真器，它的FPGA上按1微秒的仿真步长实时运行着5-level的MMC换流器数学模型；右边的白色机箱是MMC换流器的原型控制器，它运行着变流器控制、电容均压、MMC的PSPWM（Phase shift PWM）脉冲发生等控制算法。实时仿真器和原型控制器通过真实的物理IO互联。

图3测试现场图

MMC换流器的实时仿真结果

如下是利用实时仿真器的上位机软件截取的右侧变流器上桥臂（参考图1MMC背靠背系统）高压直流电容的电压波形，可以看到，4个电容电压均压都控制在1600V，纹波（peak-to-peak ripple）处于正常范围，控制算法实现了模块间的电压均衡控制。

如下示波器波形图是高压侧电网电压和电网电流的示波器波形图，可以看到控制器实现了MMC换流器的单位功率因数控制：

如下示波器波形展示的是其中一个子模块内部一个IGBT的PWM脉冲，可以看到，PWM脉冲的宽度根据参考波在实时调整：

如下示波器波形，展示的是MMC换流器网侧的端点对地电压，可以看到基于FPGA的小步长仿真很好地反映了系统的特性，即清晰的阶梯状电压波形和真实的MMC系统响应一致：

参考文献：

[1]  Xing Liu, Lin Qiu, Youtong Fang, et al., Finite-Level-State Model Predictive Control for Sensorless Three-Phase Four-Arm Modular Multilevel Converter[J], IEEE Transactions on Power Electronics. DOI 10.1109/TPEL.2019.2944638.

[2]  Makoto Hagiwara, Hirofumi Akagi. Control and Experiment of Pulse width-Modulated Modular Multilevel Converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, VOL. 24, NO. 7, JULY 2009. DOI 10.1109/TPEL.2009.2014236

[3]   赵成勇，胡静，翟晓萌，等. 模块化多电平换流器桥臂电抗器参数设计方法[J]. 电力系统自动化，2013， 37(15): 89-94.

[4]   王珊珊，周孝信，汤广福，等. 模块化多电平HVDC输电系统子模块电容值的选取和计算[J]. 电网技术，2011, 35(1): 26-32.

[5]  Qingrui Tu, Zheng Xu, Hongyan Huang, Jing Zhang. Parameter design principle of the arm inductor in modular multilevel converter based HVDC[C]. 2010 International Conference on Power System Technology. Hangzhou, China, 2010.