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摘要：本文提出了一种可在现场可编程门阵列(FPGA)上实时执行的、可在硬件中实现的主动混合高压直流(HVDC)断路器(HHB)电磁暂态模型。为了实现高保真度，HHB模型应该具有与真实模型相同的配置，以及三种不同的绝缘栅极双极晶体管(IGBT)模型，换句话说，一种双状态切换模型、曲线拟合模型和改进的非线性行为模型，以满足不同的精度和仿真速度要求。由于在一个巨大的阵列中设计一个具有数百个隔离栅两极晶体管的混合高压直流断路器，将会导致一个极其沉重的计算负担，同时也会导致FPGA资源的高利用率，因此，每个模型都应用了电路分区，这使得分解成为一个具有较小矩阵维的物理独立子电路，以利用并行实现。与此同时，通过使用其中一个子电路来表示剩余的硬件资源需求，因为它们是相同的。由于IGBTs产生大量的热量，进而影响其性能，因此将电热网络作为模型的一部分添加，以提供关于设备运行状态的具体信息，包括连接温度。将该模型应用于一个三端HVDC系统中，模拟了线路故障来激活HHB保护序列。将设备级和系统级性能与商业离线仿真工具的性能进行比较，验证了所提出的模型的有效性和解决方案的有效性。
关键词：现场可编程门阵列(FPGA)，硬件设计，高压直流输电(HVDC)，混合高压直流断路器(HHB)，绝缘栅双极晶体管(IGBT)，模块化多电平变换器(MMC)，多终端高压直流输电(MTDC)，并行处理，分区算法，实时系统。
1.介绍
随着标志性的主动式混合HVDC断路器（HHB）技术的发展，多端子HVDC（MTDC）正在变成现实。 在点对点HVDC系统中，当确认阻碍能量传输的长期线路故障时，交流断路器打开以保护电气设备。然而，在MTDC网络中，当其中一条线路发生故障时，整流器侧的交流电场断路器会导致供电中断，导致部分或全部直流系统吞没，因此不切实际。HHB能够在几毫秒内隔离故障，将其对电力系统的危害降至最低。同时，与机械式断路器和固态断路器相比，其响应速度快和传导功率损失低等优点使其成为一种新兴产品，而这种断路器要么太慢，要么耗能太多。
由于上述优点，将集成HHB模型作为各种电磁暂态（EMT）工具的库中的基本组件包括在验证模型或控制算法而不是实验中发挥关键作用是有意义的设置成本非常低。迄今为止，适用于快速模拟或能够实时实现硬件在环（HIL）执行的精确HHB模型还有待开发。为了在保护过程中承受高电压和大电流作用于直流断路器，HHB主路径中的数百个绝缘栅双极性晶体管（IGBT）串联和并联。尽管如此，为了快速模拟，以前的许多建模工作都集中在缩小模型上，即IGBT的数量，这比真正的直流断路器的数量少得多。这样的简化是合理的，并且可以为系统级网格研究提供良好的结果，因为主要兴趣是验证控制和保护概念。同时，IGBT和其辅助电路如缓冲器也被省略。该模型的一个好处是可以将网格或节点的数量保持在最小，从而避免了模拟过程中需要花费特别长的时间来处理CPU或FPGA的大尺寸矩阵。然而，这些模型失去了特殊性，因此没有提供HHB设计的指导，通常是对HVDC电网性能有重大影响的缓冲电路，以及用于操作监控的断路器内的组件或设备的状态。
相反，全尺寸HHB模型包含IGBT和其他器件的确切数量，以便可以显示更多的系统级细节。然而，由于相应的大型矩阵方程花费了很长的计算时间，因此该模型的数百甚至更多的电路节点会显着降低离线仿真速度。同样，由于速度非常低且硬件资源利用率高的原因，实时仿真平台实时测试MTDC系统的控制和保护策略是不切实际的。此外，尽管模型中包含所有元件，但保真度仍然不够高，因为所采用的TSSM不足以评估IGBT的器件级行为，如开关瞬变，功率损耗以及结温,影响HHB的表现。
因此，HHB的建模可以从两个角度进行：系统级和设备级。精确的HHB模型应该是全尺度模型，以便可以调查内部细节，并且应用电路划分来减轻计算负担。TLM和电压-电流源耦合方法都会引入一个统一延迟，但将大电路分成若干子电路。包含IGBT模型可以通过提供更多细节进一步改进模拟结果。如上所述，主要模型是TSSM，它只有两个节点来实现快速电路计算。CFM也是一种双节点开关模型，其通态电阻取自静态I-V特性，并可从实验测量或间接从器件数据表中直接获取动态波形。因此，稳态和瞬态功率损耗的计算更准确。其主要缺点是需要随着电磁环境的变化重复调整瞬态波形的存储值以获得准确的结果。NBM广泛应用于SabreRD等离线设备级工具，以准确提供电路的每个细节。另一个优点是多功能性：该模型被认为能够在大多数条件下代表真实的IGBT，而无需改变其参数。缺点是它的复杂性导致电路的低效率解决方案，因为非线性模型包含通常由Newton-Raphson（N-R）方法的许多迭代解决的多个节点，使其容易产生不收敛并且对初始条件敏感。
近年来，FPGA被广泛用于电力系统和电力电子设备的实时仿真。在本文中，我们提出了三种类型的高保真HHB模型，这些模型根据它们所包含的IGBT模型进行了高保真分类，用于在FPGA上实现HVDC网格的高效实时HIL仿真以及通过离线实现快速EMT计算仿真工具。Type-1模型基于过去开发的TSSM，但是这项工作克服了其原始缺点：模拟速度慢，资源利用率高，因此这种新模型可以实时执行。基于曲线拟合技术的Type-2模型是同时实现两个目标的进一步改进：它可用于实时HIL仿真，并包含设备级现象以使模型提供更多细节。以二阶NBM为基础的直流断路器也是最精确的一种，被归类为3型。与其曲线拟合的对应部件一样，创建电热网络可以获取IGBT功率损耗和结温等运行状态，因此可以评估HHB设计，包括选择IGBT类型和数量。为了减少大量IGBT引起的FPGA硬件资源利用率，首先应用电路划分，并在此基础上使用其中一个子电路来表示所有其他相同的子电路。
本文组织如下。第二节讨论了三端高压直流输电系统。第三节描述了HHB的模型方法和特定的IGBT模型。第四部分介绍了HHB的硬件设计。第五部分比较了实时HIL仿真和离线仿真工具之间的验证结果，第六部分给出了结论。
2.MTDC系统
A.一个MTDC示意图
图1显示了一个三端HVDC系统，其中可以评估HHB的功能。三个换流站的配置是对称的。STN1（REC）被设置为整流器站，而另外两个，被表示为STN2（INV1）和STN3（INV2），是逆变器站。前者负责电源，后者负责控制各个直流母线电压。I1，I12和I13为整流侧直流电流，I21和I31为变流器侧直流电流。 L12，L13，L21和L31是直流场中的限流电感，它们与符号B12，B13，B21和B31一起构成HHB。在逆变器站与整流站之间的两条传输线上都可以模拟电阻Rf的线对地故障。
由于模块化多电平变流器（MMC）越来越流行，并被推测在未来的MTDC项目中占主导地位，所提出的HHB模型被插入到这种系统的直流场中。考虑到主要侧重于HHB的性能，并且由于将交流侧电抗和电阻折扣到直流侧的适当修改使得MMC平均值模型（AVM）能够预测直流线路故障发生时的系统级行为，所以它是通过实现低计算负担。此外，安装适当设计的HHB可确保基于AVM的MTDC系统的直流故障电流与基于长于HHB保护时间的详细等效模型的直流故障电流相似。
B. DC线路保护
MMC-HVDC系统的直流线路保护（LPR）概念与基于线路换流器的高压直流输电具有很大的相似性，这意味着各种标准（如电压微分保护（VDP），欠压保护和过流保护（OCP）也可用于判断线路故障。不同之处在于隔离故障部分主要是通过逆变器和整流器侧的HHB实现的。在图1中，显示了两种用于HHB测试的流行保护概念。
2）过电流保护：与VDP相比，OCP对线路故障的响应速度相对较慢，因此对HHB的分断能力有较高的要求。尽管如此，它在保护电气设备方面仍然很有用，并且可以用作备份。其原理如下：当线路电流超过设定值时，将发出一个具有预定义宽度的跳闸脉冲，其后是HHB操作顺序。
3.前瞻HHB
图2（a）显示了单向HHB的缩小模型，它与实际设备一样，包含六个基本部分：限流电感器L，RCB，UFD，LCS，MOV和 带缓冲电路的MB。在正常传导下，LCS占能量消耗的大部分。相反，当直流LPR被触发时，LCS的功率损耗与MB以及MOV吸收的能量可以忽略不计，这些能量吸收了能量传输通道中储存的大部分能量，包括电流 - 限制电感。因此，MB需要准确的器件级IGBT模型，以便为HHB设计评估计算开关功耗，而对于LCS，其稳态功耗更受关注。
作为LPR概念的一部分，HVDC断路器的操作顺序显示在图1的右上角。在收到跳闸命令后，立即检索LCS门信号并命令UFD打开，这大约需要2 ms 去完成。一旦前面的动作被确认，MB门电压应该消失。当线路电流下降到零时，保护程序以RCB断开结束，以保护变阻器免受过热。
- 建议HHB的EMT模型
在MB链中的所有IG-BT都是同步的假设下详细说明了HHB的设计理论和操作原理，这是合理的，并且也意味着所有内部节点均衡良好。在一个按比例缩小的模型中，MB和LCS被视为两态电阻，其导通和截止电阻Ron和Roff，并且缓冲电路很少包含在内。因此，总节点数为3，因为UFD和LCS可以合并为一个电阻器，从而消除它们之间的内部节点。为了进一步简化，UFD-LCS分支与MB分支合并，这构成了用于EMT模拟的最简单的HHB模型。当传输线发生故障时，该模型可以给出HHB的近似性能。但是，如上所述，它不能提供断路器的进一步信息，并可能导致不准确的结果。在图2（b）中，描绘了满量程HHB模型，其具有与真实的配置相同的精确配置，并且采用两种用于断路器的常用缓冲电路，即RC和RCD，后者显示在子图中。
这种分区方法的优点是功率传输路径中的HHB不会引入任何附加网格; 因此，网格电流而不是节点电压作为变量，使其相应的矩阵方程的求解变得快速。
- 压敏电阻模型
- 一般HHB单元模型
使用三种类型的IGBT模型来满足精度和速度的不同模拟要求。对于旨在获得系统级性能的实时HIL仿真，Type-1模型是一个不错的选择，因为双态开关的仿真速度很快，FPGA资源的利用率较低。在要求高仿真速度和HHB特性的情况下，优选具有曲线拟合IGBT的2型模型。当优先考虑IGBT模型的通用性时，采用NBM的Type-3模型成为最佳选择。
- 双节点IGBT模型
- IGBT NBM
上述两节点模型带来的一个突出优点是高效计算。然而，它们都有局限性，即TSSM不能显示切换细节，并且功率计算不准确，并且CFM缺乏通用性，因为其瞬态电流波形不会随着电磁环境而改变，因此曲线应该是修正。有一些模型具有一般性，同时提供了开关的细节，例如四阶NBM。主要缺点是复杂性和相对较慢的计算速度。为了促进HIL仿真以及由这些模型组成的电路的仿真，其以简化的方式保持其精度。
1)IGBT四阶行为模型：图5（a）显示了IGBT的全行为模型，它主要可以归类为由压电流源表示的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）行为 Im和电极间电容器Cce，Cge和Ccg，由Vtai控制的尾电流，Ctail和Rtail上的电压，以及设置最小导通状态集电极发射极的分段线性二极管D电压下降
可以看出，完整模型包含五个节点，这意味着任何包含它的电路都将产生至少一个4times;4的导纳矩阵，解决其相应的方程需要多次N-R迭代，而且往往不是这样，它很容易发散。因此，进行模型简化以提高其计算速度以及对发散的稳健性。
2）参数提取：不同的IGBT模型类型通过参数进行区分，可以使用离线模拟工具SaberRD中的IGBT工具从器件数据表中提取参数。类似于CFM，IGBT NBM的参数可以被归类为静态组和反映个体特征的动态组。前者主要集中在内部，后者则应用于其余组件。
应该指出的是，器件数据表中的曲线和数据是通过实验测量得到的，这意味着充分考虑了线性和非线性，包括IGBT电容的非线性特性，并可以通过NBM反应出来。器件数据表中的许多曲线（包括典型导通特性，典型传输特性，输出特性）被导入到IGBT工具中，用于提取静态参数，如a，b，x，y，z，Vt和Rg。同时，使用动态特性（例如典型电容与集电极 - 发射极电压之间的关系，导通时间和关断时间）来获得附录中所示的其余参数，以确保瞬态特性得到充分反映，正确建模。参数提取的具体步骤由SaberRD提供。
3）灵敏度分析：从IGBT NBM可以看出，每个节点都连接到多个分支，导纳矩阵中的元素GijI为单个导纳的总和。因此，在计算矩阵时，相当多的时间将用于加法和减法操作。基于雅可比敏感度分析，矩阵可以进一步简化。为了实现这个目标，可以通过将IGBT放入测试电路来识别的弱耦合项必须与那些占优势的项区分开来。
4）模型并联：注意到IGBT的行为可以大致分为两种类型，即由vCge和vd确定的MOSFET行为，以及根据灵敏度分析可以视为完全依赖于vtail的尾电流现象，完整的行为模型可以实现。前者主要包括imos，ccg，Cge和Rg等成分，后者则是Rtail，Ctail和ita il的组合。因此，整体模型可以被视为两种行为的叠加，并且因此可以将这两个部分彼此分离以减少每个部分中的节点的数量。由于它可被视为电流和电压控制的电流源，其自身的端电压不受影响，所以不需要将其物理连接到其他电路组件。因此，尾电流本身构成一个独立的电路。关于并联Rtail-Ctail组合，它们之间的电压与imos相比非常小，以至于它们的存在对MOSFET性能的影响可以忽略不计。因此，它也可以被分离。然后，IGBT的叠加模型可以作为几个子模型的集合来推导出来，如图5（b）所示。
全模型的这种改进导致了多重优点：新模型与原始模型一样精确，并且由于较少的非线性以及较小的矩阵维数，N-R迭代次数大大减少;同时，计算模型的最大时间步长也会增加，以便模拟运行速度更快。
F．电热网络
IGBT功率损耗引起的热量会提高结温，进而影响HHB
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