CN103605850B - 一种带子模块闭锁功能的mmc等效建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MMC换流器子模块的建模方法，具体涉及一种带子模块闭锁功能的MMC等效建模方法。该方法将子模块的等效为：将子模块的IGBT串联支路等效为电阻串联支路；将电容器支路等效为电阻和电源串联支路；该方法包括下述步骤：①确定子模块等效电路的等效电压V_sm和等效电阻R_smEQ；②确定等效电路参数。该方法可以准确快速的对模块化多电平换流器进行电磁暂态仿真，并且具有子模块闭锁功能，极大的提高了仿真效率，降低了仿真用时。

Description

一种带子模块闭锁功能的MMC等效建模方法

技术领域

本发明涉及MMC换流器子模块的建模方法，具体涉及一种带子模块闭锁功能的MMC等效建模方法。

背景技术

随着环境问题的突出和能源危机的加剧，风能、太阳能等可再生能源发电得到了突飞猛进的发展。轻型直流输电技术作为清洁能源并网的有效手段，受到了越来越多人的重视。基于两电平或者三电平换流技术的柔性直流输电技术，交流侧电压谐波含量高，需要体积庞大的交流滤波器，增加了换流站的成本和占地。另一方面，随着电压等级的升高，器件均压和器件损耗也使两电平或者三电平柔性直流输电技术面临重大挑战。模块化多电平换流技术（Modular Multilevel Converter,MMC）作为一种新型的换流技术，它模块化程度高，易于扩展，可以实现任意电平输出，在柔性直流输电领域具有明显优势。

然而，在MMC电磁暂态仿真过程中，随着子模块数目的增加，需要对大量电力电子器件进行计算，极大的增加了仿真负担和仿真用时。以m端直流输电系统为例，每一个换流站级联数为n，那么，仿真过程中需要对12mn个IGBT和二极管进行计算。每一次IGBT开通和关断过程都需要对节点矩阵求倒，随着节点数的增加求倒过程越来越复杂，计算量也越来越大。另一方面，为了能够精确模拟每一次IGBT开通和关断过程，仿真步长必须足够小。因此，综合考虑以上因素，采用实际模型对级联数较高的模块化多电平换流器仿真研究不太切合实际。如何快速准确的对MMC换流器电磁暂态仿真，并实现完备的子模块功能是设计的难点所在。

柔性直流输电技术灵活的应用性能，使其在城市电网互联、新能源并网以及无源负荷供电等领域有着极其广阔的应用前景，而MMC是最近几年兴起的一种崭新的适用于高压柔性直流输电技术领域的换流器，它的出现打破了原有的两电平拓扑独占柔性直流输电领域的局面，拓宽了柔性直流输电技术应用过程中的可选择方案。

然而，在MMC换流器电磁暂态仿真过程中，需要模拟大量的电力电子期间，增大了仿真负担，在级联数较高时需要采用等效模型计算。目前MMC等效建模有很多，但是均未涉及子模块闭锁功能，只能对MMC换流器正常运行状态等效。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种带子模块闭锁功能的MMC等效建模方法，该方法可以准确快速的对模块化多电平换流器进行电磁暂态仿真，并且具有子模块闭锁功能，极大的提高了仿真效率，降低了仿真用时。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种带子模块闭锁功能的MMC等效建模方法，所述MMC为三相六桥臂结构，每个桥臂由子模块级联组成；所述子模块包括并联的IGBT串联支路和电容器支路；所述IGBT串联支路由两个串联的IGBT模块组成；其改进之处在于，子模块的等效电路包括：将所述子模块的IGBT串联支路等效为电阻串联支路；将所述电容器支路等效为电阻和电源串联支路；所述方法包括下述步骤：

①确定子模块等效电路的等效电压V_sm和等效电阻R_smEQ；

②确定等效电路参数。

进一步地，所述IGBT模块包括IGBT模块I和IGBT模块II，IGBT模块I和IGBT模块II均由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；IGBT器件包括上管T₁和下管T₂；所述电阻串联支路由电阻R₁和电阻R₂串联组成，其中R₁为IGBT模块I的等效电阻；R₂为IGBT模块II的等效电阻；

所述电阻和电源串联支路由串联的电阻R_c和电源V_cEQ组成；其中R_c为电容器的等效电阻，V_cEQ为电容器的等效电压；

所述子模块的工作状态包括：闭锁状态，旁路状态和投入状态。

进一步地，若三相六桥臂结构的MMC单个桥臂包括6个级联的子模块，其中两个子模块处于闭锁状态，两个子模块处于投入状态，另外两个子模块处于旁路状态；将MMC单个桥臂等效为并联的二极管串联支路以及闭锁状态的两个子模块和投入状态的两个子模块串联支路，每个子模块等效为并联的二极管D、电容器C和均压电阻R；所述二极管串联支路由串联的续流二极管D1和D2组成。

进一步地，所述步骤①包括：根据基尔霍夫定律计算电容器电压V_c，子模块等效电压V_sm和子模块等效电阻R_smEQ的数学表达式分别如下：

V_sm(t)＝V_smEQ(t-ΔT)+R_smEQ×I_arm(t) （3）；

其中： ΔT为子模块仿真步长，V_c(t-ΔT)表示上一时刻电容电压；I_c(t-ΔT)表示上一时刻电容电流；I_arm为桥臂电流；C为子模块电容容值，V_smEQ(t-ΔT)为上一时刻子模块等效电压；

对于一个N级联的MMC，每个桥臂包含有N个子模块，桥臂等效电压U_eq和桥臂等效电阻R_eq分别表示为：

式中，V_smi和R_smEQi分别为第i（i＝1～N）个子模块等效电压和等效电阻。

进一步地，所述步骤②中，确定子模块在闭锁状态，旁路状态和投入状态下的等效电路参数，所述等效电路参数包括电容器电压V_c，子模块等效电压V_sm和子模块等效电阻R_smEQ；所述IGBT器件T₁和T₂的导通电阻用R_Gon表示，二极管的导通电阻用R_Don表示，IGBT器件T₁和T₂以及二极管的关断电阻用R_off表示；

子模块在投入状态且桥臂电流为正方向时，IGBT模块I的等效电阻R₁为R_Don；IGBT模块II的等效电阻R₂为R_off；桥臂电流方向为负时，IGBT模块I的等效电阻R₁为R_Gon；IGBT模块II的等效电阻R₂为R_off；

子模块在旁路状态且桥臂电流为正方向时，IGBT模块I的等效电阻R₁为R_off；IGBT模块II的等效电阻R₂为R_Gon；桥臂电流方向为负时，IGBT模块I的等效电阻R₁为R_off；IGBT模块II的等效电阻R₂为R_Don；

子模块在闭锁状态且桥臂电流为正方向时，IGBT模块I的等效电阻R₁为R_Don；IGBT模块II的等效电阻R₂为R_off；桥臂电流方向为负时，IGBT模块I的等效电阻R₁为R_off；IGBT模块II的等效电阻R₂为R_Don。

进一步地，当R_Don≈R_Gon≈0，R_off≈∞时，

且当子模块在投入状态时，电容器电压V_c，子模块等效电压V_sm和子模块等效电阻R_smEQ用下述表达式组表示：

且当子模块在旁路状态时，电容器电压V_c，子模块等效电压V_sm和子模块等效电阻R_smEQ用下述表达式组表示：

且当子模块在闭锁状态时，电容器电压V_c，子模块等效电压V_sm和子模块等效电阻R_smEQ用下述表达式组表示：

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明的方法将子模块等效为电压源和电阻的串联，忽略子模块中IGBT和二极管的详细开关过程，极大的降低了仿真计算的复杂程度，提高了仿真速度。

2、本发明考虑了子模块中二极管续流功能，根据电流的方向和子模块的状态灵活选择等效电阻，从而实现完备的子模块功能。

3、本发明针对实际情况，对IGBT和二极管的通态电阻和断态电阻进行了近似，得到了子模块等效电阻等效电压的简化计算方法，降低了计算的复杂程度。

附图说明

图1是本发明提供的子模块结构图；

图2是本发明提供的子模块等效电路图；

图3是本发明提供的桥臂等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供一种带子模块闭锁功能的MMC等效建模方法，所述MMC为三相六桥臂结构，每个桥臂由子模块级联组成；所述子模块包括并联的IGBT串联支路和电容器支路；所述IGBT串联支路由两个串联的IGBT模块组成；MMC子模块电路图如图1所示。

子模块等效电路如图2所示，包括：将所述子模块的IGBT串联支路等效为电阻串联支路；将所述电容器支路等效为电阻和电源串联支路；

IGBT模块包括IGBT模块I和IGBT模块II，IGBT模块I和IGBT模块II均由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；IGBT器件包括上管T₁和下管T₂；所述电阻串联支路由电阻R₁和电阻R₂串联组成，其中R₁为IGBT模块I的等效电阻；R₂为IGBT模块II的等效电阻；电阻和电源串联支路由串联的电阻R_c和电源V_cEQ组成；其中R_c为电容器的等效电阻，V_cEQ为电容器的等效电压；子模块的工作状态包括：闭锁状态，旁路状态和投入状态。

假设三相六桥臂结构的MMC单个桥臂包括6个级联的子模块，其中两个子模块处于闭锁状态，两个子模块处于投入状态，另外两个子模块处于旁路状态；将MMC单个桥臂等效为并联的二极管串联支路以及闭锁状态的两个子模块和投入状态的两个子模块串联支路，每个子模块等效为并联的二极管D、电容器C和均压电阻R；所述二极管串联支路由串联的续流二极管D1和D2组成。二极管D1、D2用来模拟闭锁状态下子模块续流功能；电阻R为均压电阻；由于子模块电容电压不能为负，因此反并联二极管D对电容电压嵌位。桥臂等效电路图如图3所示。

带子模块闭锁功能的MMC等效建模方法包括下述步骤：

①确定子模块等效电路的等效电压V_sm和等效电阻R_smEQ：

根据基尔霍夫定律计算电容器电压V_c，子模块等效电压V_sm和子模块等效电阻R_smEQ的数学表达式分别如下：

V_sm(t)＝V_smEQ(t-ΔT)+R_smEQ×I_arm(t) （3）；

其中： ΔT为子模块仿真步长，V_c(t-ΔT)表示上一时刻电容电压；I_c(t-ΔT)表示上一时刻电容电流；I_arm为桥臂电流；C为子模块电容容值，V_smEQ(t-ΔT)为上一时刻子模块等效电压；

对于一个N级联的MMC，每个桥臂包含有N个子模块，桥臂等效电压U_eq和桥臂等效电阻R_eq分别表示为：

式中，V_smi和R_smEQi分别为第i（i＝1～N）个子模块等效电压和等效电阻。

②确定等效电路参数：

确定子模块在闭锁状态，旁路状态和投入状态下的等效电路参数，所述等效电路参数包括电容器电压V_c，子模块等效电压V_sm和子模块等效电阻R_smEQ；

所述IGBT器件T₁和T₂的导通电阻用R_Gon表示，二极管的导通电阻用R_Don表示，IGBT器件T₁和T₂以及二极管的关断电阻用R_off表示；根据桥臂电流方向和IGBT开关状态即可得到各种状态下电阻R₁和R₂的计算方法。具体如表1所示。假设图2中的桥臂电流方向为正。

表1电阻R₁和R₂取值

当R_Don≈R_Gon≈0，R_off≈∞时，将表1中的数据代入式（1）、式（2）和式（3）可得：

当子模块投入时：

当子模块旁路时：

当子模块闭锁时：

本发明提供的一种具有子模块闭锁功能的MMC换流站等效建模方法，可以准确快速的对模块化多电平换流器进行电磁暂态仿真，并且具有子模块闭锁功能，极大的提高了仿真效率，降低了仿真用时。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种带子模块闭锁功能的MMC等效建模方法，所述MMC为三相六桥臂结构，每个桥臂由子模块级联组成；所述子模块包括并联的IGBT串联支路和电容器支路；所述IGBT串联支路由两个串联的IGBT模块组成；其特征在于，子模块的等效电路包括：将所述子模块的IGBT串联支路等效为电阻串联支路；将所述电容器支路等效为电阻和电源串联支路；所述方法包括下述步骤：

①确定子模块等效电路的等效电压V_sm和等效电阻R_smEQ；

②确定等效电路参数；

所述IGBT模块包括IGBT模块I和IGBT模块II，IGBT模块I和IGBT模块II均由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；IGBT器件包括上管T₁和下管T₂；所述电阻串联支路由电阻R₁和电阻R₂串联组成，其中R₁为IGBT模块I的等效电阻；R₂为IGBT模块II的等效电阻；

所述电阻和电源串联支路由串联的电阻R_c和电源V_cEQ组成；其中R_c为电容器的等效电阻，V_cEQ为电容器的等效电压；

所述子模块的工作状态包括：闭锁状态，旁路状态和投入状态；

若三相六桥臂结构的MMC单个桥臂包括6个级联的子模块，其中两个子模块处于闭锁状态，两个子模块处于投入状态，另外两个子模块处于旁路状态；将MMC单个桥臂等效为并联的二极管串联支路以及闭锁状态的两个子模块和投入状态的两个子模块串联支路，每个子模块等效为并联的二极管D、电容器C和均压电阻R；所述二极管串联支路由串联的续流二极管D1和D2组成；

所述步骤①包括：根据基尔霍夫定律计算电容器电压V_c，子模块等效电压V_sm和子模块等效电阻R_smEQ的数学表达式分别如下：

$V_c\left(t\right)=V_c(t-\mathrm{\Δ}T)+R_c\×\[I_c(t-\mathrm{\Δ}T)+\frac{I_{arm}\left(t\right)\×R_2-V_{cEQ}\left(t\right)}{R_1+R_2+R_c}\]---\left(1\right);$

$R_{smEQ}=R_2\×(1-\frac{R_2}{R_1+R_2+R_c})---\left(2\right);$

V_sm(t)＝V_sm(t-ΔT)+R_smEQ×I_arm(t) (3)；

其中：ΔT为子模块仿真步长，V_c(t-ΔT)表示上一时刻电容电压；I_c(t-ΔT)表示上一时刻电容电流；I_arm为桥臂电流；C为子模块电容容值，V_sm(t-ΔT)为上一时刻子模块等效电压；

对于一个N级联的MMC，每个桥臂包含有N个子模块，桥臂等效电压U_eq和桥臂等效电阻R_eq分别表示为：

$U_{eq}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{V}_{smi}\left(t\right)---\left(4\right);$

$R_{eq}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{R}_{smEQi}\left(t\right)---\left(5\right);$

式中，V_smi和R_smEQi分别为第i(i＝1～N)个子模块等效电压和等效电阻；

所述步骤②中，确定子模块在闭锁状态，旁路状态和投入状态下的等效电路参数，所述等效电路参数包括电容器电压V_c，子模块等效电压V_sm和子模块等效电阻R_smEQ；所述IGBT器件T₁和T₂的导通电阻用R_Gon表示，二极管的导通电阻用R_Don表示，IGBT器件T₁和T₂以及二极管的关断电阻用R_off表示；

子模块在投入状态且桥臂电流为正方向时，IGBT模块I的等效电阻R₁为R_Don；IGBT模块II的等效电阻R₂为R_off；桥臂电流方向为负时，IGBT模块I的等效电阻R₁为R_Gon；IGBT模块II的等效电阻R₂为R_off；

子模块在旁路状态且桥臂电流为正方向时，IGBT模块I的等效电阻R₁为R_off；IGBT模块II的等效电阻R₂为R_Gon；桥臂电流方向为负时，IGBT模块I的等效电阻R₁为R_off；IGBT模块II的等效电阻R₂为R_Don；

子模块在闭锁状态且桥臂电流为正方向时，IGBT模块I的等效电阻R₁为R_Don；IGBT模块II的等效电阻R₂为R_off；桥臂电流方向为负时，IGBT模块I的等效电阻R₁为R_off；IGBT模块II的等效电阻R₂为R_Don；

当R_Don≈R_Gon≈0，R_off≈∞时，

且当子模块在投入状态时，电容器电压V_c，子模块等效电压V_sm和子模块等效电阻R_smEQ用下述表达式组表示：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_c\left(t\right)\≈V_c(t-\mathrm{\Δ}T)+R_c\×I_c(t-\mathrm{\Δ}T)+R_c\×I_{arm}\left(t\right)\\ R_{smEQ}\≈R_1+R_c\\ V_{sm}\left(t\right)\≈V_{sm}(t-\mathrm{\Δ}T)+R_{smEQ}\×I_{arm}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(6\right);$

且当子模块在旁路状态时，电容器电压V_c，子模块等效电压V_sm和子模块等效电阻R_smEQ用下述表达式组表示：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_c\left(t\right)\≈V_c(t-\mathrm{\Δ}T)+R_c\×I_c(t-\mathrm{\Δ}T)\\ R_{smEQ}\≈0\\ V_{sm}\left(t\right)\≈V_{sm}(t-\mathrm{\Δ}T)\end{array}\right.---\left(7\right);$

且当子模块在闭锁状态时，电容器电压V_c，子模块等效电压V_sm和子模块等效电阻R_smEQ用下述表达式组表示：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_c\left(t\right)\≈V_c(t-\mathrm{\Δ}T)+R_c\×I_c(t-\mathrm{\Δ}T)+R_c\×I_{arm}\left(t\right)\\ R_{smEQ}\≈R_1+R_c\\ V_{sm}\left(t\right)\≈V_{sm}(t-\mathrm{\Δ}T)+R_{smEQ}\×I_{arm}\left(t\right)\end{array}\right.,(I_{arm}>0)---\left(8\right);$

$\left\{\begin{array}{c}{V}_c\left(t\right)\&ap;V_c(t-\mathrm{\&Delta;}T)+R_c\&times;I_c(t-\mathrm{\&Delta;}T)\\ R_{smEQ}\&ap;0\\ V_{sm}\left(t\right)\&ap;V_{sm}(t-\mathrm{\&Delta;}T)\end{array}\right.,(I_{arm}<0)---\left(9\right).$