电力系统实物设计需要大量的物理财力,实验室建设大型电力系统也不现实,因此目前绝大多数的电力系统仿真都是基于Matlab、RT-LAB、PSCAD等软件,距离实际的工程有一定的局限性。针对目前电力系统实验软件仿真的现况,本文设计了一种基于半实物仿真的电力系统仿真实验,提出和研究了子模块集中布局结构和一种新型预测保护的功率开关器件的保护控制策略,并研究低压直流输电的半实物仿真实验,经过能量和容量比保持不变进行等效缩放,以南澳±160kV直流输电工程背景展开研究,以张北直流输电线路为背景研究了线路等效计算等问题。主要的研究内容如下所示:(1)以半桥和全桥MMC拓扑结构为例,讲解了MMC的基本工作原理。从MMC的基本单元的的基本结构为基础讲解了子模块的工作原理和机制,进而对三相MMC的工作原理和机制的拓展;以MMC的多种调制方法的对比为依托,确定了本文采用NLM的调制方式;解析了MMC的数学模型以及研究输入输出的结构,为算法的设计打下理论基础;研究电压调制比、基波特性、谐波特性及稳态运行的范围,分析了系统的特性指标,研究等效缩放。(2)研究和提出了一种新型的子模块集中布局结构,即一个控制器板同时连接多个半桥或全桥主电路,实现更高速度上的同步控制。首先从理论角度研究桥臂上子模块数量和控制频率的选择,另外介绍了电容和功率器件的选择方法,在此基础上根据设计容量的要求确定子模块数、控制频率、电容和功率器件的选择;根据MMC和电网的特性选择电抗器和联接变压器;根据电路器件的选择研究损耗的产生及计算方法;依据理论研究设计主电路的硬件和控制电路的硬件;根据MMC的控制原理和现有的硬件电路设计相应的控制算法。(3)研究和提出了一种用于功率开关器件的保护控制策略,并以MOSFET为例进行了实验以及讲解。首先根据MOSFET的结构特性与原理设计驱动电路以及反馈采集电路;研究故障诊断与保护的原理,提出基于灰色预测模型的设计思路,通过MATLAB进行原理性仿真实验;在仿真实验的基础上搭建硬件电路,并通过System Generator将仿真验证过的代码生成ISE代码烧录到FPGA在硬件电路上进行实验,实验结果和仿真结果一致,效果良好。