CN102663174A - 一种mmc的仿真方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MMC的仿真方法,包括:(1)获取SM的运行参数;(2)构建SM的等效电路;(3)建立SM的仿真电路;(4)建立MMC的仿真系统,并对系统进行仿真。本发明利用数值计算以及电磁仿真的内部机理,能够有效地将MMC中SM等效为一个由受控电压源以及可调电阻构成的简单支路,大大减少了系统的节点数及相应的仿真运算量;故本发明能够在保证仿真精度的前提下,大幅度地提升MMC的仿真速度,且应用于MMC设计。
Description
技术领域
本发明属于电力系统仿真技术领域,具体涉及一种MMC的仿真方法及应用。
背景技术
MMC(Modular Multilevel Converter,模块化多电平换流器)是电压源型换流器的一种比较新颖的拓扑类型,其拓扑结构的基本单元是电力电子开关组成的半桥子模块(Submodule,SM)或者全桥子模块。近年来,随着更加新颖的MMC拓扑结构的出现以及其控制方式的不断发展,MMC的电压等级以及功率输送能力得到了很大的提升,这使得大功率的柔性高压直流输电成为了未来发展的趋势。与基于晶闸管的传统直流输电拓扑不同,MMC的模块电力电子器件的导通与关断均由通过器件门极的触发信号实现;通过使用合适的电路拓扑以及开关调制方式,能够使得换流器的输出交流电压与工频正弦电压接近,以降低输出电压中的谐波含量,减小波形的畸变,满足电网的谐波要求。
在众多MMC的拓扑结构中,三相全桥模块化多电平换流器因其扩展性强、开关频率低、能够处理直流侧故障以及谐波含量低等一系列特点受到了广泛的关注;其拓扑结构如图1所示。这种三相全桥模块化多电平换流器为三相六桥臂结构,每一相分为了上下两个桥臂,每个桥臂由n个全桥SM级联而成并通过电抗器连接于对应的相端口。
然而,为了将MMC应用于大功率高压直流输电场合,单个桥臂所需的SM数量将随着直流电压等级以及传输功率的增长而增多。过多的SM将给换流器的仿真建模造成极大的挑战;即使仿真建模能够顺利完成,随着SM个数的增加,电力系统电磁暂态仿真工具进行仿真所需要的时间也会大幅增加,这给仿真研究以及工程设计带来了极大的不便。造成多SM系统仿真速度过慢的原因如下:(1)开关器件数量的增加将导致系统的结构每时每刻都发生着较大的变化,这增加了软件求取系统矩阵的时间;(2)电力系统电磁暂态仿真软件进行一步仿真,软件都需要对系统进行迭代求解,求解过程包含了对整个系统矩阵进行一次求逆的过程,然而,系统矩阵的规模与系统的节点数正相关;因此,更多的SM个数就意味着系统含有更多的节点数,而更多的节点数就意味着系统矩阵的规模将变得更加庞大,计算机系统不得不消耗更多的时间进行大规模系统矩阵的生成以及求逆的运算。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷,本发明提供了一种MMC的仿真方法,能够在保证仿真结果准确可靠的前提下,大幅度地提升仿真速度,且应用于MMC设计。
一种MMC的仿真方法,所述的MMC包含有若干个SM,所述的SM由四个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和一个电容组成;其中,第一IGBT的发射极与第三IGBT的集电极相连并构成SM的一端,第一IGBT的集电极与第二IGBT的集电极和电容的一端相连,第二IGBT的发射极与第四IGBT的集电极相连并构成SM的另一端,第四IGBT的发射极与第三IGBT的发射极和电容的另一端相连,所述的IGBT的基极接收外部设备提供的开关信号;该方法包括如下步骤:
(1)获取所述的SM的运行参数,所述的运行参数包括输入电流、第一开关信号和第二开关信号;
所述的第一开关信号和第二开关信号分别为SM中第一IGBT和第二IGBT接收的开关信号。
(2)根据所述的运行参数构建SM的等效电路;
(3)根据所述的等效电路建立SM的仿真电路;
(4)根据SM的仿真电路建立MMC的仿真系统,并对该系统进行仿真。
优选地,所述的等效电路由四个开关电阻、一个等效电压源和一个等效电阻构成;其中,第一开关电阻的一端与第三开关电阻的一端相连并对应SM的一端,第一开关电阻的另一端与第二开关电阻的一端和等效电阻的一端相连,第二开关电阻的另一端与第四开关电阻的一端相连并对应SM的另一端,等效电阻的另一端与等效电压源的正端相连,等效电压源的负端与第四开关电阻的另一端和第三开关电阻的另一端相连。能够较好地等效实际SM电路,并且所使用的元件简单,便于后续求解。
当SM处于正常运行状态下:
若第一开关信号和第二开关信号均为高电平,则第一开关电阻和第二开关电阻的阻值均为0.01Ω,第三开关电阻和第四开关电阻的阻值均为106Ω;
若第一开关信号和第二开关信号均为低电平,则第一开关电阻和第二开关电阻的阻值均为106Ω,第三开关电阻和第四开关电阻的阻值均为0.01Ω;
若第一开关信号为低电平,第二开关信号为高电平,则第一开关电阻和第四开关电阻的阻值均为106Ω,第二开关电阻和第三开关电阻的阻值均为0.01Ω;
若第一开关信号为高电平,第二开关信号为低电平,则第一开关电阻和第四开关电阻的阻值均为0.01Ω,第二开关电阻和第三开关电阻的阻值均为106Ω;
该状态下,SM中第一IGBT接收的开关信号与第三IGBT接收的开关信号互补,第二IGBT接收的开关信号与第四IGBT接收的开关信号互补;
当SM处于闭锁状态下:
若输入电流大于等于10-5A,则第一开关电阻和第四开关电阻的阻值均为0.01Ω,第二开关电阻和第三开关电阻的阻值均为5×10-7Ω;
若输入电流小于等于-10-5A,则第一开关电阻和第四开关电阻的阻值均为5×10-7Ω,第二开关电阻和第三开关电阻的阻值均为0.01Ω;
若输入电流大于-10-5A且小于10-5A,则所有开关电阻的阻值均为5×10-7Ω;
该状态下,SM中四个IGBT接收的开关信号均为低电平。
所述的等效电阻的阻值和等效电压源的电压值的计算公式如下:
UC(t)=RC·IC(t)+UCEQ(t-ΔT)
RA=R3·(RC+R2+R4)+RC·R4
RB=-(R2+R4)
RE=-[R4·(R1+R3+RC)+RC·R3]
RD=-(R1+R3)
RM=(R1+R3)×(R2+R4)+RC×(R1+R3+R2+R4)
其中:RC为等效电阻的阻值,ΔT为仿真步长,C为SM中电容的容值,UCEQ(t)为t时刻等效电压源的电压值,ISM(t)为t时刻SM的输入电流,R1、R2、R3和R4分别为第一开关电阻、第二开关电阻、第三开关电阻和第四开关电阻的阻值。
优选地,所述的仿真电路由一个仿真电压源和一个仿真电阻构成;其中,仿真电阻的一端对应SM的一端,仿真电阻的另一端与仿真电压源的正端相连,仿真电压源的负端对应SM的另一端。能够使得SM的仿真计算得到进一步地简化。
所述的仿真电阻的阻值和仿真电压源的电压值的计算公式如下:
其中:RSMEQ为仿真电阻的阻值,USMEQ(t)为t时刻仿真电压源的电压值。
在设计MMC的过程中,根据本发明仿真方法建立MMC的仿真系统,通过不断调节系统内器件的参数,根据系统的各运行信息,以确定系统的最终参数。
本发明利用数值计算以及电磁仿真的内部机理,能够有效地将MMC中SM等效为一个由受控电压源以及可调电阻构成的简单支路,大大减少了系统的节点数及相应的仿真运算量;故本发明能够在保证仿真精度的前提下,大幅度地提升MMC的仿真速度,且应用于MMC设计。
附图说明
图1为三相全桥模块化多电平换流器的结构示意图。
图2为SM的等效电路结构示意图。
图3为SM的仿真电路结构示意图。
图4为本发明仿真方法的步骤流程图。
图5为MMC每一桥臂的仿真结构示意图。
图6为MMC每一桥臂合并后的仿真结构示意图。
图7为MMC的仿真系统结构示意图。
图8(a)为稳态仿真下仿真系统A相桥臂电流的对比波形图。
图8(b)为稳态仿真下仿真系统A相桥臂电压的对比波形图。
图8(c)为稳态仿真下仿真系统A相子模块电容电压的对比波形图。
图8(d)为稳态仿真下仿真系统A相交流侧电压的对比波形图。
图9(a)为暂态仿真下仿真系统A相桥臂电流的对比波形图。
图9(b)为暂态仿真下仿真系统A相桥臂电压的对比波形图。
图9(c)为暂态仿真下仿真系统A相子模块电容电压的对比波形图。
图9(d)为暂态仿真下仿真系统A相交流侧电压的对比波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明,下面结合附图及具体实施方式对本发明仿真方法进行详细说明。
如图4所示,一种MMC的仿真方法,包括如下步骤:
本实施方式中,MMC为三相全桥模块化多电平换流器,如图1所示,其为三相六桥臂结构,每一相分为了上下两个桥臂,每个桥臂由n个SM级联而成并通过电抗器连接于对应的相端口。SM由四个IGBT和一个电容C组成;其中,IGBT1的发射极与IGBT3的集电极相连并构成SM的一端,IGBT1的集电极与IGBT2的集电极和电容C的一端相连,IGBT2的发射极与IGBT4的集电极相连并构成SM的另一端,IGBT4的发射极与IGBT3的发射极和电容C的另一端相连;各IGBT的基极均接收外部设备提供的开关信号,正常运行状态下,IGBT1接收的开关信号与IGBT3接收的开关信号互补,IGBT2接收的开关信号与IGBT4接收的开关信号互补。
(1)获取SM的运行参数。
运行参数包括输入电流ISM、第一开关信号Φ1和第二开关信号Φ2;第一开关信号Φ1和第二开关信号Φ2分别为SM中IGBT1和IGBT2接收的开关信号。
(2)构建SM的等效电路。
如图2所示,等效电路由四个开关电阻R1~R4、一个等效电压源UCEQ和一个等效电阻RC构成;其中,开关电阻R1的一端与开关电阻R3的一端相连并对应SM的一端,开关电阻R1的另一端与开关电阻R2的一端和等效电阻RC的一端相连,开关电阻R2的另一端与开关电阻R4的一端相连并对应SM的另一端,等效电阻RC的另一端与等效电压源UCEQ的正端相连,等效电压源UCEQ的负端与开关电阻R4的另一端和开关电阻R3的另一端相连。
当SM处于正常运行状态下:
若第一开关信号Φ1和第二开关信号Φ2均为高电平,则开关电阻R1和开关电阻R2的阻值均为0.01Ω,开关电阻R3和开关电阻R4的阻值均为106Ω;
若第一开关信号Φ1和第二开关信号Φ2均为低电平,则开关电阻R1和开关电阻R2的阻值均为106Ω,开关电阻R3和开关电阻R4的阻值均为0.01Ω;
若第一开关信号Φ1为低电平,第二开关信号Φ2为高电平,则开关电阻R1和开关电阻R4的阻值均为106Ω,开关电阻R2和开关电阻R3的阻值均为0.01Ω;
若第一开关信号Φ1为高电平,第二开关信号Φ2为低电平,则开关电阻R1和开关电阻R4的阻值均为0.01Ω,开关电阻R2和开关电阻R3的阻值均为106Ω;
当SM处于闭锁状态下(SM中四个IGBT接收的开关信号均为低电平):
若输入电流ISM大于等于10-5A,则开关电阻R1和开关电阻R4的阻值均为0.01Ω,开关电阻R2和开关电阻R3的阻值均为5×10-7Ω;
若输入电流ISM小于等于-10-5A,则开关电阻R1和开关电阻R4的阻值均为5×10-7Ω,开关电阻R2和开关电阻R3的阻值均为0.01Ω;
若输入电流ISM大于-10-5A且小于10-5A,则所有开关电阻的阻值均为5×10-7Ω。
开关信号为高电平表示IGBT导通,开关信号为低电平则表示IGBT关断。在正常运行的情况下,当某个IGBT导通的时候,其等效的电阻值可用很小的阻值表示,即0.01Ω;当IGBT处于关断的状态时,其等效的电阻值可用一个很大的阻值表示,即106Ω。另外,在正常运行的时候,IGBT1与IGBT3、IGBT2和IGBT4的开关状态互补,以满足运行的需要。在系统从正常运行状态转入闭锁状态的时候,流经SM的电流幅值骤减,最后换流器闭锁,此时,流入SM的电流ISM近乎于零;因此最后当电流ISM幅值很小的时候,4个IGBT均处于高阻态。
等效电阻的阻值和等效电压源的电压值的计算公式如下:
UC(t)=RC·IC(t)+UCEQ(t-ΔT)
RA=R3·(RC+R2+R4)+RC·R4
RB=-(R2+R4)
RE=-[R4·(R1+R3+RC)+RC·R3]
RD=-(R1+R3)
RM=(R1+R3)×(R2+R4)+RC×(R1+R3+R2+R4)
其中:RC为等效电阻的阻值,ΔT为仿真步长,C为SM中电容的容值,UCEQ(t)为t时刻等效电压源的电压值且初始值为0,ISM(t)为t时刻SM的输入电流,R1、R2、R3和R4分别为第一开关电阻、第二开关电阻、第三开关电阻和第四开关电阻的阻值。
(3)建立SM的仿真电路。
如图3所示,仿真电路由一个仿真电压源USMEQ和一个仿真电阻RSMEQ构成;其中,仿真电阻RSMEQ的一端对应SM的一端,仿真电阻RSMEQ的另一端与仿真电压源USMEQ的正端相连,仿真电压源USMEQ的负端对应SM的另一端。
仿真电阻的阻值和仿真电压源的电压值的计算公式如下:
其中:RSMEQ为仿真电阻的阻值,USMEQ(t)为t时刻仿真电压源的电压值。
(4)建立MMC的仿真系统,并对系统进行仿真。
根据步骤(1)至(3),遍历MMC中的所有SM;MMC的每个桥臂的仿真结构如图5所示,然后将每个桥臂的各仿真电阻和仿真电压源进行合并,最后使得每个桥臂就只由一个电阻REQ和一个电压源UEQ组合,如图6所示,其中:
REQ=RSMEQ1+RSMEQ2+...+RSMEQn
UEQ(t)=USMEQ1(t)+USMEQ2(t)+...+USMEQn(t)
以下利用电力系统电磁暂态仿真软件对MMC的仿真系统进行仿真,该仿真系统如图7所示,该仿真系统的仿真参数如表1所示;仿真过程分为稳态仿真与暂态仿真两个过程。
表1
系统频率(Hz) | 50 |
模块电容(uF) | 1300 |
桥臂电感(H) | 0.04 |
全桥子模块个数 | 20 |
交流母线电压(kV) | 110 |
直流电缆电压(kV) | ±200 |
有功功率、无功功率控制信号(MW) | (400,0) |
仿真步长(s) | 10-5 |
仿真情景1:在真实桥臂所搭建的仿真系统以及本实施方式等效桥臂所搭建的仿真系统中分别进行稳态仿真。在稳态仿真过程中,仿真软件记录了流经A相上桥臂的稳态仿真电流,如图8(a)所示;稳态仿真A相上桥臂的桥臂电压,如图8(b)所示;稳态仿真A相上桥臂子模块的电容电压,如图8(c)所示;以及稳态仿真交流侧的A相电压波形,如图8(d)所示。记录的仿真波形全都进行了标么化处理;由稳态仿真的波形图可见,等效桥臂构成的仿真系统与真实桥臂构成的仿真系统的仿真结果吻合度很高,两条曲线几乎重合,误差近乎可以忽略,因此用等效桥臂来模拟真实桥臂,在稳态仿真的环境中具有较高的精度,是可行的。
仿真情景2:在两个仿真系统中同时引入短时交流单相金属性接地的故障,故障在0.5s时于交流A相母线上引入,故障持续5个周期(100ms)。在故障期间不加入任何系统保护,对比真实桥臂的仿真系统以及本实施方式等效桥臂的仿真系统故障下的自然响应。在暂态仿真过程中,仿真软件记录了流经A相上桥臂的暂态电流,如图9(a)所示;暂态仿真A相上桥臂的桥臂电压,如图9(b)所示;暂态仿真A相上桥臂子模块的电容电压,如图9(c)所示;以及暂态仿真交流侧的A相电压波形,如图9(d)所示。记录的仿真波形全都进行了标么化处理;由暂态仿真的波形图可见,等效桥臂构成的仿真系统与真实桥臂构成的仿真系统的仿真结果吻合度很高,两条曲线几乎重合,误差近乎可以忽略,因此用等效桥臂来模拟真实桥臂,在暂态仿真的环境也具有较高的精度,是可行的。
在稳态仿真下对真实桥臂的仿真系统以及本实施方式等效桥臂的仿真系统进行仿真速度测试,两个仿真系统的每个桥臂拥有的全桥子模块数都为20个。仿真步长为10us,仿真进行1s,使用同一台计算机进行仿真。真实桥臂构成的仿真系统进行这1s的仿真所需要的时间为880.24s;而本实施方式等效桥臂构成的仿真系统进行这1s的仿真所需要的时间为14.62s。对比两个仿真时间可以明显看出,本实施方式等效桥臂构成的仿真系统的仿真速度约为真实桥臂构成的仿真系统的60.21倍。由此可见,利用本实施方式等效的模块代替真实桥臂进行系统仿真能够大幅地提高仿真的速度,从而使得研发工作的效率得到了大幅的提升,给从事多电平换流器研究的工作人员以极大地便利,且值得大力推广。
Claims (7)
1.一种MMC的仿真方法,所述的MMC包含有若干个SM,所述的SM由四个IGBT和一个电容组成;其中,第一IGBT的发射极与第三IGBT的集电极相连并构成SM的一端,第一IGBT的集电极与第二IGBT的集电极和电容的一端相连,第二IGBT的发射极与第四IGBT的集电极相连并构成SM的另一端,第四IGBT的发射极与第三IGBT的发射极和电容的另一端相连,所述的IGBT的基极接收外部设备提供的开关信号;该方法包括如下步骤:
(1)获取所述的SM的运行参数,所述的运行参数包括输入电流、第一开关信号和第二开关信号,所述的第一开关信号和第二开关信号分别为SM中第一IGBT和第二IGBT接收的开关信号;
(2)根据所述的运行参数构建SM的等效电路;
(3)根据所述的等效电路建立SM的仿真电路;
(4)根据SM的仿真电路建立MMC的仿真系统,并对该系统进行仿真。
2.根据权利要求1所述的MMC的仿真方法,其特征在于:所述的等效电路由四个开关电阻、一个等效电压源和一个等效电阻构成;其中,第一开关电阻的一端与第三开关电阻的一端相连并对应SM的一端,第一开关电阻的另一端与第二开关电阻的一端和等效电阻的一端相连,第二开关电阻的另一端与第四开关电阻的一端相连并对应SM的另一端,等效电阻的另一端与等效电压源的正端相连,等效电压源的负端与第四开关电阻的另一端和第三开关电阻的另一端相连。
3.根据权利要求2所述的MMC的仿真方法,其特征在于:
当SM处于正常运行状态下:
若第一开关信号和第二开关信号均为高电平,则第一开关电阻和第二开关电阻的阻值均为0.01Ω,第三开关电阻和第四开关电阻的阻值均为106Ω;
若第一开关信号和第二开关信号均为低电平,则第一开关电阻和第二开关电阻的阻值均为106Ω,第三开关电阻和第四开关电阻的阻值均为0.01Ω;
若第一开关信号为低电平,第二开关信号为高电平,则第一开关电阻和第四开关电阻的阻值均为106Ω,第二开关电阻和第三开关电阻的阻值均为0.01Ω;
若第一开关信号为高电平,第二开关信号为低电平,则第一开关电阻和第四开关电阻的阻值均为0.01Ω,第二开关电阻和第三开关电阻的阻值均为106Ω;
当SM处于闭锁状态下:
若输入电流大于等于10-5A,则第一开关电阻和第四开关电阻的阻值均为0.01Ω,第二开关电阻和第三开关电阻的阻值均为5×10-7Ω;
若输入电流小于等于-10-5A,则第一开关电阻和第四开关电阻的阻值均为5×10-7Ω,第二开关电阻和第三开关电阻的阻值均为0.01Ω;
若输入电流大于-10-5A且小于10-5A,则所有开关电阻的阻值均为5×10-7Ω。
4.根据权利要求2所述的MMC的仿真方法,其特征在于:所述的等效电阻的阻值和等效电压源的电压值的计算公式如下:
UC(t)=RC·IC(t)+UCEQ(t-ΔT)
RA=R3·(RC+R2+R4)+RC·R4
RB=-(R2+R4)
RE=-[R4·(R1+R3+RC)+RC·R3]
RD=-(R1+R3)
RM=(R1+R3)×(R2+R4)+RC×(R1+R3+R2+R4)
其中:RC为等效电阻的阻值,ΔT为仿真步长,C为SM中电容的容值,UCEQ(t)为t时刻等效电压源的电压值,ISM(t)为t时刻SM的输入电流,R1、R2、R3和R4分别为第一开关电阻、第二开关电阻、第三开关电阻和第四开关电阻的阻值。
5.根据权利要求1所述的MMC的仿真方法,其特征在于:所述的仿真电路由一个仿真电压源和一个仿真电阻构成;其中,仿真电阻的一端对应SM的一端,仿真电阻的另一端与仿真电压源的正端相连,仿真电压源的负端对应SM的另一端。
6.根据权利要求5所述的MMC的仿真方法,其特征在于:所述的仿真电阻的阻值和仿真电压源的电压值的计算公式如下:
其中:RSMEQ为仿真电阻的阻值,USMEQ(t)为t时刻仿真电压源的电压值。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的MMC的仿真方法应用于MMC设计。
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