CN103593520B - 一种模块化多电平换流器的等值仿真计算建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器的高效仿真建模方法。所述模块化多电平换流器由六只桥臂组成，每两只桥臂串联形成一个相单元，每只桥臂由级联子模块以及桥臂电抗L串联组成，子模块包括有绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2，二极管D1、D2以及电容C，每只绝缘栅双极型晶闸管与一只二极管反向并联构成一个开关器件支路。本发明将模块化多电平换流器的子模块及桥臂用Dommel等值计算模型进行等效，对于模块化多电平换流器闭锁阶段中开关管导通状态在两个仿真时刻之间发生变化的问题进行了附加开关器件的处理。本发明通过减小在电磁暂态仿真计算中可变阻抗支路的数量减少仿真运算中的计算量，使模块化多电平换流器的仿真高效。本发明的计算结果稳定可靠。

Description

一种模块化多电平换流器的等值仿真计算建模方法

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平换流器的高效仿真建模方法，属于输配电技术领域。

背景技术

出于可持续发展需要，利用以太阳能、风能等可再生能源发电已成为未来电力系统的发展方向。这些发电方式具有远离主电网、随时间波动较大等特点。柔性直流输电系统基于电压源换流器（Voltage Source Converter,VSC）和脉冲宽度调制技术（Pulse WidthModulation,PWM）将直流电压逆变为幅值和相位都可控的交流电压，并可以独立快速控制所传输的有功功率和无功功率，极大地增强了输电的灵活性，成为实现可再生能源发电与主电网之间的稳定联结的最有潜质的电力传输方式。由于模块化多电平换流器（ModularMultilevel Converter,MMC）具有公共直流端，且有易拓展、有功无功可解耦控制、谐波特性优秀、开关器件损耗小等特点，十分适用于柔性直流输电系统。

在工程领域使用的模块化多电平换流器往往需要级联数量巨大的子模块，单个的子模块中通常包含4个以上的电力电子开关，且不同子模块中的电力电子开关器件状态往往是相互独立的。在目前通用的电磁暂态仿真软件（ElectroMagnetic TransientProgram,EMTP）的算法中，开关器件被等效成一个双状态的可变电阻，因此在仿真研究中如果采用详细的器件模型，则每一个仿真时刻都有许多电力电子开关器件支路的等值计算导纳需要更新状态，这将使得节点导纳矩阵在每一个仿真时刻中有大量的行需要重新三角化，且为了消除在两次仿真时刻间电力电子器件改变开关状态所造成的计算错误，还需要对准确开关时刻下的状态变量进行插值，这将导致包含模块化多电平换流器模型的仿真速度非常缓慢，若采用器件模型对实用工程级联量级的模块化多电平换流器模型进行仿真，则其仿真时间将几乎无法接受。

目前已发表的文献中提到几种不同的仿真建模方法以期解决这个问题。有文献提出可以采用可控电压源代替模块化多电平换流器中的子模块输出电压，采用可控电流源与子模块电路连接，然而这种方法没有考虑在数值计算中的延时问题，其解耦方法中的可控电压电流源采用的数值并不是当前求解步长中的计算值而是上一个步长得到的计算值，这样会人为地将桥臂等值电路的电压与电流的求解在时间上解耦，从而导致动态下模型不稳定。有文献将级模块化多电平换流器等效成一个输出电压电流可控的电容器，忽略了各子模块电容的区别，因此无法使用这种模型进行电压平衡算法的验证。

发明内容

本发明提出一种可使仿真计算快速、计算结果稳定可靠的模块化多电平换流器的等值仿真计算建模方法。

本发明提出的模块化多电平换流器的等值仿真计算建模方法，所述模块化多电平换流器由六只桥臂组成，每两只桥臂串联形成一个相单元，每只桥臂由级联子模块以及桥臂电抗L串联组成，其中子模块包括有绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2，二极管D1、D2以及电容C，每只绝缘栅双极型晶闸管与一只二极管反向并联构成一个开关器件支路，形成的两个开关器件支路级联并与电容C相并联，将两个开关器件支路级联的连接点作为子模块电路与外界对接的节点NF，将两个开关器件支路级联的负极节点作为子模块电路与外界对接的节点NT，模块化多电平换流器的等值仿真计算建模方法包括以下步骤：

1）将模块化多电平换流器桥臂子模块中的电容用贝瑞隆等值计算模型替代，绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2与二极管D1、D2的并联支路用可控时变电阻等效；

2）根据求解时刻t的前一时刻t-Δt开关管触发脉冲信号确定绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2与二极管D1、D2的并联支路用可控时变电阻在t-Δt时刻的阻值；

3）根据步骤2）中确定的t-Δt时刻IGBT1、IGBT2与二极管D1、D2的并联支路的阻值以及t-Δt时刻子模块对外接口的电流求得t-Δt时刻流经子模块电容的电流i_c(t-Δt)；

4）根据步骤3）中求解得到的t-Δt时刻子模块中电容的电流i_c(t-Δt)与t-2Δt时刻的历史状态记录量采用梯形积分法求解得到t-Δt时刻子模块中电容C的电压v_c(t-Δt)；历史状态记录量包括电容C的电压v_c(t-2Δt)、电容C的电流i_c(t-2Δt)；

5）根据步骤3）、步骤4）中计算得到的t-Δt子模块中电容的电压电流状态v_c(t-Δt)、i_c(t-Δt)以及t时刻的开关管触发脉冲信号代入步骤1）中确定的t时刻子模块的等值计算模型；

6）将t时刻子模块的等值计算模型简化成为一个只包含历史电压源以及电阻的戴维南型式的等值计算模型；

7）将步骤6）中得到多个子模块等值计算模型进行串联合并，得到模块化多电平换流器桥臂的等值计算模型；

8）根据子模块的具体拓扑结构，确定在子模块中开关器件全部闭锁情况下单只桥臂外部接入的辅助二极管位置。

上述步骤1）中，绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2与二极管D1、D2的反并联支路在求解电路数值解的过程中被当作一个阻值受绝缘栅双极型晶闸管触发脉冲控制的电阻支路看待。

本发明提出一种基于Dommel等值计算原理，在通用的电磁暂态仿真计算中实现的模块化多电平换流器等值仿真计算模型。本发明的方法将模块化多电平换流器的桥臂对外等效为一个单独的Dommel等值计算模型，在系统节点导纳矩阵中只引入一个可变阻抗支路；桥臂等值电路的电压电流值均在网络矩阵中统一计算；桥臂中的电容状态量采用梯形积分法更新。采用本发明的方法可使仿真计算快速、计算结果稳定可靠。

附图说明

图1是模块化多电平换流器桥臂的电路图；

图2为图1中子模块的电路图；

图3是半桥式子模块的等值计算模型；

图4是半桥式子模块在t-Δt时刻的等值计算模型；

图5是子模块戴维南型式的最简等值计算模型；

图6是模块化多电平换流器桥臂的最简等值计算模型；

图7是模块化多电平换流器桥臂在闭锁情况下的电路图。

具体实施方式

本发明提出的模块化多电平换流器的等值仿真计算建模方法，所述模块化多电平换流器的结构如图1所示，相单元由两只桥臂串联而成，每只桥臂由级联子模块以及桥臂电抗L串联组成。其中子模块的结构如图2所示，包括有绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2，二极管D1、D2以及电容C，每只绝缘栅双极型晶闸管IGBT与一只二极管反向并联构成一个开关器件支路，形成的两个开关器件支路级联并与电容C相并联，将两个开关器件支路级联的连接点作为子模块电路与外界对接的节点NF，将两个开关器件支路级联的负极节点作为子模块电路与外界对接的节点NT，模块化多电平换流器的等值仿真计算建模方法包括以下步骤：

1）将模块化多电平换流器桥臂子模块中的电容用贝瑞隆等值计算模型替代，绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2与二极管D1、D2的并联支路用可控时变电阻等效；

2）根据求解时刻t的前一时刻t-Δt开关管触发脉冲信号确定绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2与二极管D1、D2的并联支路用可控时变电阻在t-Δt时刻的阻值；

3）根据步骤2）中确定的t-Δt时刻IGBT1、IGBT2与二极管D1、D2的并联支路的阻值以及t-Δt时刻子模块对外接口的电流求得t-Δt时刻流经子模块电容的电流i_c(t-Δt)；

4）根据步骤3）中求解得到的t-Δt时刻子模块电容的电流i_c(t-Δt)与t-2Δt时刻的历史状态记录量（电容C的电压v_c(t-2Δt)、电容C的电流i_c(t-2Δt)）采用梯形积分法求解得到t-Δt时刻子模块电容C的电压v_c(t-Δt)；

5）根据步骤3）、步骤4）中计算得到的t-Δt子模块电容电压电流状态v_c(t-Δt)、i_c(t-Δt)以及t时刻的开关管触发脉冲信号代入步骤1）中确定的t时刻子模块的等值计算模型；

6）将t时刻子模块的等值计算模型简化成为一个只包含历史电压源以及电阻的戴维南型式的等值计算模型；

7）将步骤6）中得到多个子模块等值计算模型进行串联合并，得到模块化多电平换流器桥臂的等值计算模型；

8）根据子模块的具体拓扑结构，确定在子模块中开关器件全部闭锁情况下单只桥臂外部接入的辅助二极管位置。

以下结合附图详细说明本发明内容。

如附图3所示,将附图2中的子模块电路中的开关以可控时变电阻G1、G2等效，如附图3所示，电容用Dommel等值计算模型替代，如附图3中可控电流源ICD与电导GCD的并联支路所示，将附图2中电容的泄漏电阻RP由如附图3中所示的电导GP等效，附图3中的NF、NT与附图2中的相同，为子模块与外界网络的电路连接点。

附图3中

$\begin{array}{c}\mathrm{GCD}=\frac{2C}{\mathrm{\Δt}}\\ \mathrm{ICD}=-i_c(t-\mathrm{\Δt})-\frac{2C}{\mathrm{\Δt}}{v}_c(t-\mathrm{\Δt})\end{array}---\left(1\right)$

Δt为仿真步长

本发明中采用的开关管导通条件是开关管正向电压>=0，关断条件是开关管正向电流<=0。为了避免仿真步长中间开关管的开关状态发生变化而导致开关管支路电阻的变化，假设IGBT与二极管的开通/关断电导相同，从而避免对仿真时刻中间开关状态变化进行插值所产生的问题。根据t时刻触发信号，可以得到附图3中G1、G2的具体表达式如表1所示：

表1

表中FP1、FP2为IGBTT1、T2的触发信号，“1”代表开通，“0”代表关断。GON/GOFF代表IBGT与二极管的开通/关断电导。

由于在等值计算模型中子模块中的电容没有直接参与上个步长的系统Dommel节点导纳矩阵求解，因此无法通过电流/电压测量模块直接得到式（1）中的状态量i_c(t-Δt)与v_c(t-Δt)值，从而需要在等效模型的程序中再回推一个步长。附图4为t-Δt时刻的半桥式子模块等值计算模型。

附图4中i_arm(t-Δt)为整个桥臂的等值计算模型参与t-Δt时刻系统矩阵求解后的已知值。附图4中的G1’与G2’为根据t-Δt时刻的触发脉冲（FPU、FPL）确定的开关器件等效电阻值附图4中的GCP、GP、NF、NT与附图3中的定义相同，附图4中的ICD’表示t-Δt时刻电容的Dommel等值计算模型的可控电流源。

根据附图4可以直接求得i_c(t-Δt)，即求流经GCD支路的电流与ICD’之和，其表达式如下：

$i_c=(t-\mathrm{\&Delta;t})=\frac{\mathrm{GCD}({G1}^{\&prime;}\&CenterDot;{G4}^{\&prime;}-{G2}^{\&prime;}\&CenterDot;{G3}^{\&prime;})}{\mathrm{GHB}}{i}_{\mathrm{arm}}(t-\mathrm{\&Delta;t})+\frac{\mathrm{GP}+\mathrm{GLB}+\mathrm{GRB}}{\mathrm{GCP}+\mathrm{GLB}+\mathrm{GRB}}{\mathrm{ICD}}^{\&prime;}---\left(2\right)$

式中GCP=GCD+GP。采用梯形积分法，求得v_c(t-Δt)为：

$v_c(t-\mathrm{\&Delta;t})=v_c(t-2\mathrm{\&Delta;t})+\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}(i_c(t-\mathrm{\&Delta;t})+i_c(t-2\mathrm{\&Delta;t}))---\left(3\right)$

计算得到的v_c(t-Δt)可以输出用于电容电压平衡控制的算法模块的使用。将式(2)与式(3)代入(1)，经过合并简化与诺顿/戴维南转化，可得子模块的等值计算模型如附图5所示，附图5中的UMD为子模块戴维南等效模型中的电压源，RMD为子模块戴维南等效模型中的内电阻，NF、NT与附图3中的定义相同。

将经过上述方法求得的多个子模块戴维南型式的等值计算模型合并即可得到桥臂的等值计算模型如附图6所示，附图6中的UAD为桥臂戴维南等效模型中的电压源，RAD为桥臂戴维南等效模型中的内电阻，NF和NT为桥臂与外界网络的电路连接点。图中：

$\begin{array}{c}\mathrm{RAD}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{RMD}}_i\\ \mathrm{UAD}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{UMD}}_i\end{array}---\left(4\right)$

式中N为桥臂级联的子模块数量。得到桥臂的戴维南型式等值计算模型后再利用EMTP型式的仿真软件的自定义支路接口，将该等值模型与外界节点组网求解。

在模块化多电平换流器中IBGT全部为关断（即桥臂闭锁）情况下，子模块中只包含二极管元件，在定步长仿真软件的算法中，通常需要对这种自然关断器件的开关时刻以及状态变量进行插值以避免数值计算产生的错误。然而由于在EMTP型式的仿真软件中的用户自定义代码只在仿真时刻进行运算，无法对两个仿真时刻的中间时刻进行运算，因此本发明利用EMTP型式的仿真软件自身提供的二极管模型与上文中提到的桥臂等值计算模型进行组合以对闭锁过程进行仿真，具体建模如附图7所示，其中开关Brk与Brk’由解闭锁信号控制，解锁时刻开关Brk闭合,Brk’打开，闭锁时刻开关Brk打开，Brk’闭合，UAD、RAD、NF、NT同附图6中的定义相同。在闭锁期间子模块等值计算模型的推导过程中G1=GOFF+GON，G2=GOFF+GOFF。

Claims (2)

1.一种模块化多电平换流器的等值仿真计算建模方法，所述模块化多电平换流器由六只桥臂组成，每两只桥臂串联形成一个相单元，每只桥臂由级联子模块以及桥臂电抗L串联组成，其中子模块包括有绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2，二极管D1、D2以及电容C，每只绝缘栅双极型晶闸管与一只二极管反向并联构成一个开关器件支路，形成的两个开关器件支路级联并与电容C相并联，将两个开关器件支路级联的连接点作为子模块电路与外界对接的节点NF，将两个开关器件支路级联的负极节点作为子模块电路与外界对接的节点NT，其特征在于模块化多电平换流器的等值仿真计算建模方法包括以下步骤：

1)将模块化多电平换流器桥臂子模块中的电容用Dommel等值计算模型替代，绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2与二极管D1、D2的并联支路用可控时变电阻等效；

2)根据求解时刻t的前一时刻t-Δt开关管触发脉冲信号确定绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2与二极管D1、D2的并联支路用可控时变电阻在t-Δt时刻的阻值；

3)根据步骤2)中确定的t-Δt时刻IGBT1、IGBT2与二极管D1、D2的并联支路的阻值以及t-Δt时刻子模块对外接口的电流求得t-Δt时刻流经子模块电容的电流i_c(t-Δt)；

4)根据步骤3)中求解得到的t-Δt时刻子模块中电容的电流i_c(t-Δt)与t-2Δt时刻的历史状态记录量采用梯形积分法求解得到t-Δt时刻子模块中电容C的电压v_c(t-Δt)；历史状态记录量包括电容C的电压v_c(t-2Δt)和电容C的电流i_c(t-2Δt)；

5)将步骤3)、步骤4)中计算得到的t-Δt子模块中电容的电压电流状态v_c(t-Δt)、i_c(t-Δt)以及t时刻的开关管触发脉冲信号代入步骤1)中确定的t时刻子模块的等值计算模型；

6)将t时刻子模块的等值计算模型简化成为一个只包含历史电压源以及电阻的戴维南型式的等值计算模型；

7)将步骤6)中得到多个子模块等值计算模型进行串联合并，得到模块化多电平换流器桥臂的等值计算模型；

8)根据子模块的具体拓扑结构，确定在子模块中开关器件全部闭锁情况下单只桥臂外部接入的辅助二极管位置。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器的等值仿真计算建模方法，其特征在于上述步骤1)中，绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2与二极管D1、D2的反并联支路在求解电路数值解的过程中被当作一个阻值受绝缘栅双极型晶闸管触发脉冲控制的电阻支路看待。