CN102403916A - 一种仿真提速电路的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了输配电技术领域，尤其涉及一种仿真提速电路的设计方法。本发明在现有换流器全部子模块串联模型的基础上，将换流器的每个桥臂替换为可控电压源，并实时测量桥臂电流；将桥臂中全部子模块的正端连接同一可控电流源，全部子模块的负端接地，并实时测量子模块的输出电压；将同一桥臂中全部子模块的输出电压求和，将其设定为可控电压源的瞬时电压值，将桥臂电流的测量值设定为可控电流源的电流值。在相同条件下，本发明极大提高了仿真速度，且无需用户元件自定义，具有很强的通用性。

Description

一种仿真提速电路的设计方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种仿真提速电路的设计方法。

背景技术

近年来，高电压大功率的全控型电力电子器件如IGBTs和IGCTs在远距离输电系统和低压配电网络中得到广泛使用，特别是应用于基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)技术。与传统的两电平和三电平VSC-HVDC相比，由西门子公司提出的模块化多电平换流器(MMC)(子模块为半桥结构)拓扑具有无需大量IGBT直接串联，器件承受电压电流变化率低，无需滤波器等优点。同时，在同等电压等级下，它需要两倍的开关器件，且由于需要对其分散布置的子模块电容进行电压平衡控制，使其控制系统变得复杂。

世界上第一个商业化运行的MMC-HVDC工程是美国的传斯贝尔(TBC)工程，其额定容量为400MW，直流电压±200kV，每个换流器桥臂中有216个子模块。此外，将于2013年建成的法国到西班牙的MMC-HVDC工程INELFE，额定容量为2×1000MW。在实际工程投运之前，非常有必要对MMC模型进行电磁暂态仿真以验证所设计控制算法和选择的系统参数的合理性，且仿真高频开关器件动作过程时，必须设置较短的仿真步长，否则严重影响仿真精度，但是在PSCAD/EMTDC平台下仿真具有高达数千个子模块的换流器时，将变得非常困难。此处以双端系统具有3000个子模块为例，经仿真测试并估算发现，如果设置仿真步长为20微妙，仿真时长为5秒，则每次仿真需要3000小时(125天)以上，速度过于缓慢，严重影响工作进度，并将导致控制参数的调节与优化及后续研究工作变得无法实现。

为解决这一问题，有文献提出一种简化动态模型，该模型基本保留了换流器的对外输出特性，但是无法精确模拟换流器中每个子模块的特性，例如，无法模拟特定子模块故障情况下系统的特性；有文献提出一种MMC的时变等效戴维南电路模型，可以在保证仿真精度的前提下显著提高MMC的仿真速度，但是其只考虑了子模块结构为半桥的MMC换流器，如果将其应用于子模块结构为全桥的MMC及其它换流器结构时，同样需要复杂的用户自定义才可以实现，无法利用PSCAD/EMTDC的库元件从原有模型直接改造，因此其通用性和扩展性较差。

发明内容

针对上述背景技术中提到现有模块化多电平换流器仿真时间长、通用性和扩展性差等不足，本发明提出了一种仿真提速电路的设计方法。

本发明的技术方案是，一种仿真提速电路的设计方法，其特征是该设计方法包括以下步骤：

步骤1：在现有换流器全部子模块串联模型的基础上，将换流器的每个桥臂替换为可控电压源，并实时测量桥臂电流；

步骤2：将桥臂中全部子模块的正端连接同一可控电流源，全部子模块的负端接地，并实时测量子模块的输出电压；

步骤3：将同一桥臂中全部子模块的输出电压求和，将其设定为可控电压源的瞬时电压值，将桥臂电流的测量值设定为可控电流源的电流值。

所述可控电压源的计算公式为：

$u_{\mathrm{sum}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{sm}\_i}$

其中：

u_sum为可控电压源的电压；

u_{sm_i}为第i个子模块端口输出电压。

本发明可以在保证换流器和子模块的暂稳态仿真精度的前提下，利用PSCAD/EMTDC库元件直接从原先仿真模型进行改造，经仿真测试并对比发现，如果利用MMC(子模块为全桥或半桥结构)的原有模型对其在PSCAD/EMTDC中直接进行建模仿真，则在同等仿真步长和仿真时长的前提下，所需仿真用时与子模块个数呈指数倍增长，而本发明提出的提速模型，其仿真用时与子模块个数呈线性增长，因此相比原有模型，所提出的提速模型的提速倍数也与子模块个数呈指数增长，提速效果非常显著。此外，由于所提出的发明无需用户元件自定义，且便于从原有模型直接改造，因此具有很强的通用性。

附图说明

图1为MMC(子模块为半桥或全桥)的拓扑结构；

图2为半桥MMC的子模块拓扑结构；

图3为全桥MMC的子模块拓扑结构；

图4为本发明所提出模型中MMC的等效桥臂示意图；

图5为本发明所提出模型中半桥MMC桥臂中全部子模块的连接示意图；

图6为本发明所提出模型中全桥MMC桥臂中全部子模块的连接示意图；

图7为本发明所提出模型中半桥结构MMC的任意子模块的连接图；

图8为本发明所提出模型中全桥结构MMC的任意子模块的连接图。

图中各符号：

图1中A，B，C，表示MMC换流器交流侧三相；SM1，SM2，…，SMn，表示MMC某桥臂中第一个子模块，第二个子模块，…，第n个子模块；L表示桥臂电抗器；U_dc表示MMC正负极直流母线间的电压差；

图2中T1，T2，分别表示半桥子模块中上下两个IGBT，D1，D2，分别表示相应IGBT的反并联二极管；C₀表示半桥子模块中电容器；U_c表示子模块电容电压；u_sm表示子模块端口输出电压；

图3中T1，T2，T3，T4分别表示全桥子模块中四个IGBT，D1，D2，D3，D4分别表示相应IGBT的反并联二极管；C₀表示全桥子模块中电容器；U_c表示子模块电容电压；u_sm表示子模块端口输出电压；

图4中I_{_phase}表示MMC等效桥臂的电流监测值；u_sum表示MMC等效桥臂所对应的n个子模块的端口输出电压之和；L表示桥臂电抗器；

图5中I_{_phase_1}，I_{_phase_2}，…，I_{_phase_n}分别表示与第1，2，…n个子模块所连接的可控电流源的电流值；u_{sum_1}，u_{sum_2}，…，u_{sum_n}分别表示第1，2，…，n个子模块的端口输出电压；

图6中全部符号意义与图5相同；

图7中，I_{_phase_i}表示与第i(1≤i≤n)个子模块所连接的可控电流源的电流值；其余符号意义与图2中相应符号相同；

图8中全部变量意义与图3及图7中相应符号相同。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明所要解决的技术问题是具有很高电平的模块化多电平换流器在PSCAD/EMTDC中仿真速度过慢的问题，提供一种模块化多电平换流器在PSCAD/EMTDC中的仿真提速模型。本发明采用如下技术方案实现：

下面对模块化多电平换流器在PSCAD/EMTDC中的仿真提速模型进行详细说明。

图1为MMC的拓扑结构，图2和图3为其两种可选择的子模块拓扑，在原先仿真过程中，需要在PSCAD/EMTDC中搭建图1结合图2或图1结合图3所示拓扑，全部子模块为串联连接，当子模块数很大时，仿真速度将变得非常慢。本发明将利用PSCAD/EMTDC中库元件在原有模型基础上进行如下建模：

步骤1：在现有换流器全部子模块串联模型的基础上，将换流器的每个桥臂替换为可控电压源，并实时测量桥臂电流；

将图1中MMC三相共六个桥臂均替换为如图4中所示的等效桥臂。其中，电抗器L保留，其余全部子模块等效为一个可控电压源，其电压值为u_sum，并监测其桥臂电流I_{_phase}，电流正方向如图4所示。

步骤2：将桥臂中全部子模块的正端连接同一可控电流源，全部子模块的负端接地，并实时测量子模块的输出电压；

如图5结合图7或图6结合图8所示，断开MMC桥臂中全部子模块的电气连接，在第i(1≤i≤n)个子模块的正端口连接一个可控电流源，其电流为I_{_phase_i}，正方向如图7和图8所示，负端口接地，且满足式(1)：

I_{_phase_i}＝I_{_phase}    (1)

其中：

I_{_phase_i}为与第i个子模块连接的可控电流源的电流值；

I_{_phase}为流过桥臂的电流值。

步骤3：将同一桥臂中全部子模块的输出电压求和，将其设定为可控电压源的瞬时电压值，将桥臂电流的测量值设定为可控电流源的电流值。

步骤1中桥臂可控电压源的电压u_sum计算式(2)所示：

$u_{\mathrm{sum}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{sm}\_i}---\left(2\right)$

其中：

u_sum为可控电压源的电压，即桥臂的n个子模块的端口输出电压之和。

也即其为步骤2中同桥臂n个子模块的端口输出电压之和。

u_{sm_i}为第i个子模块端口输出电压。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种仿真提速电路的设计方法，其特征是该设计方法包括以下步骤：

步骤1：在现有换流器全部子模块串联模型的基础上，将换流器的每个桥臂替换为可控电压源，并实时测量桥臂电流；

步骤2：将桥臂中全部子模块的正端连接同一可控电流源，全部子模块的负端接地，并实时测量子模块的输出电压；

步骤3：将同一桥臂中全部子模块的输出电压求和，将其设定为可控电压源的瞬时电压值，将桥臂电流的测量值设定为可控电流源的电流值。

2.根据权利要求1所述的一种仿真提速电路的设计方法，其特征是所述可控电压源的计算公式为：

$u_{\mathrm{sum}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{sm}\_i}$

其中：

u_sum为可控电压源的电压；

u_{sm_i}为第i个子模块端口输出电压。

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