CN103929088A - 一种模块化多电平换流器的平均值模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器的平均值模型，属输配电技术领域。模块化多电平换流器（MMC）的平均值模型无法精确仿真MMC系统的直流故障以及换流器闭锁等功能，本发明提出改进MMC平均值模型，其核心技术方案是：首先，在平均值模型的直流侧等效电容上并联一个二极管，使其在严重双极直流短路故障下电容电压恒为非负值；其次，在平均值模型的交直流侧通过关断电阻很大的级联开关相连，可以在发生单极直流接地故障时准确模拟输出交流侧电压偏置；最后，采用级联旁路开关在平均值模型的交流侧桥臂中串联续流二极管，并在直流侧的等效电容支路通过旁路开关串联反向续流二极管，使得平均值模型具备仿真换流器闭锁启动以及直流故障后闭锁等功能。

Description

一种模块化多电平换流器的平均值模型

技术领域

本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器的平均值模型。

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）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，但是其在仿真超过250电平的MMC特别是多端MMC直流电网时的计算效率较低。有文献提出一种MMC的平均值模型，该模型基本保留了换流器的对外输出特性，虽然无法精确模拟换流器中每个子模块的内部特性，但是在仿真超大规模MMC组成的多端直流电网时，计算效率非常高，非常适合与系统级仿真分析研究。已有MMC平均值模型无法仿真换流器闭锁以及直流故障等多端直流电网仿真中的常见情形。

本发明通过对已有MMC平均值模型进行三个层面的改进，使其具备精确仿真MMC型多端直流电网直流故障和换流器闭锁的能力，提高其有效性和实用性。

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平均值模型的不足，本发明提出了一种改进的模块化多电平换流器平均值模型。

本发明的技术方案的特征包括以下步骤：

步骤1：在平均值模型的直流侧等效电容上并联一个二极管，使其在严重双极直流短路故障下电容电压恒为非负的值。

步骤2：在平均值模型的交直流侧通过关断电阻很大的级联开关相连，可以在发生单极直流接地故障时准确模拟输出交流侧电压偏置。

步骤3：采用级联旁路开关在平均值模型的交流侧桥臂中串联续流二极管，并在直流侧的等效电容支路通过旁路开关串联反向续流二极管，使得平均值模型具备仿真换流器闭锁启动以及直流故障后闭锁等功能。

本发明通过对已有MMC平均值模型进行以上三个步骤的改进，使其具备精确仿真MMC型多端直流电网直流故障和换流器闭锁的能力，提高其有效性和实用性。

 

附图说明

图1为已有平均值模型交、直流侧等效的等效图，其中图1(a)为交流侧等效图，图1(b)为直流侧等效图。图中字符a，b，c分别表示a，b，c三相；字符i _a，i _b，i _c 分别表示a，b，c三相交流电流；字符V _{AVM_au}, V _{AVM_al} 分别表示a相上、下桥臂的受控源的电压值；字符I _C表示从交流侧流入MMC的直流等效电流；字符I _LOSS 表示MMC的换流器损耗；字符I _dc表示流入外部直流网络的电流；字符U _dc表示直流电压；字符S1，S2，S3表示开关；字符C _AVM表示MMC平均值模型中的直流侧等效电容(用于等效MMC详细模型中三相6N个电容)；字符L ₀表示MMC的桥臂电抗。

图2为改进平均值模型的拓扑。图中字符D1表示详细模型的桥臂中全部续流二极管；字符D2表示详细模型中子模块上部的二极管；字符D3表示与C _AVM永久并联的二极管；字符J _DC表示受控电流源；其余字符含义与图1中相同。

具体实施方式

下面将对本发明涉及的一种模块化多电平换流器的平均值模型作详细说明。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通过提出改进MMC平均值模型拓扑，弥补已有平均值模型无法精确仿真MMC系统的直流故障以及换流器闭锁等功能，使其具备相应功能，更适合于多端直流电网的仿真。本发明采用如下技术方案实现：

本发明通过对已有平均值模型进行如下三步改进实现：

步骤1：在图1中的平均值模型的直流侧等效电容C _AVM上并联一个二极管D3，得到图2中的改进平均值模型；通过从整体上对原有平均值模型在双极直流故障后的缺陷进行改进，使其在严重双极直流短路故障下电容电压恒为非负的值。

步骤2：在图2中的改进平均值模型中，交直流侧通过关断电阻很大的级联开关S2相连 (也即S2打开时，相当于断态大电阻)，实质上将平均值模型的交、直流侧联系起来了，但其对平均值模型的交、直流侧稳态特性均无影响。在发生单极接地故障时，打开的开关S2却可以使得改进后的平均值模型在交流输出电压中产生正确的直流偏置，这是由于此时平均值模型的健全极直流电压偏置可以正确地对其交流侧产生影响。因此可以在发生单极直流接地故障时准确模拟输出交流侧电压偏置。

步骤3：采用级联旁路开关S1在平均值模型的交流侧桥臂中串联续流二极管D1，并在直流侧的等效电容支路通过旁路开关S3串联反向续流二极管D2。图2改进平均值模型中，打开级联开关S1和开关S3，闭合级联开关S2，这将使D1串联入平均值模型的桥臂。受控电流源J _DC设为0(由于换流器闭锁，不再需要根据功率平衡计算所得的受控电流注入)，相反，连接平均值模型交、直流侧的是二极管D1、D2以及S2，使得平均值模型具备仿真换流器闭锁启动以及直流故障后闭锁等功能。

需要说明的是步骤1,2和3整体作为发明内容，使得平均值模型具备仿真换流器闭锁和直流故障能力，三个步骤为有机的不可分割的整体。

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)

1.一种模块化多电平换流器的平均值模型，其特征是该模型从已有平均值模型出发进行三次改进，包括以下步骤：步骤1：在平均值模型的直流侧等效电容上并联一个二极管，使其在严重双极直流短路故障下电容电压恒为非负的值；步骤2：在平均值模型的交直流侧通过关断电阻很大的级联开关相连，可以在发生单极直流接地故障时准确模拟输出交流侧电压偏置；步骤3：采用级联旁路开关在平均值模型的交流侧桥臂中串联续流二极管，并在直流侧的等效电容支路通过旁路开关串联反向续流二极管，使得平均值模型具备仿真换流器闭锁启动以及直流故障后闭锁等功能。

2.基于权利要求1中所述的一种模块化多电平换流器的平均值模型，其特征是步骤1,2和3整体作为发明内容，使得平均值模型具备仿真换流器闭锁和直流故障能力，三个步骤为有机的不可分割的整体。