CN104063536B - 一种模块化多电平换流器软启过程仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模块化多电平换流器软启过程仿真方法，属于电力系统柔性输配电和电力电子技术领域。本发明首先建立模块化多电平换流器的等效电路，以桥臂等效模块代替多电平环流器的MMC换流阀桥臂，将每个桥臂等效为两个二极管串接后与电容、泄放电阻和受控电流源并联构成的等效模块，然后对桥臂等效模块中的每个元件参数进行设置，使该等效电路模型与详细模型具有相同的外部特性，对配置后的模块化多电平换流器的等效电路的软启过程进行仿真。本发明采用等效电路进行换流器软启过程的仿真，大大缩短了换流器软启过程的仿真时间，也提高了软启电阻工程设计的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种模块化多电平换流器软启过程仿真方法，属于电力系统柔性输配电和电力电子技术领域。
背景技术
随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力系统中的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电(VSC-HVDC)技术日益受到重视。模块化多电平换流器(ModularMultilevel Converter)是VSC-HVDC系统中应用的电压源换流器的一种，它由多个半桥或全桥式子模块按照一定的方式连接而成，通过分别控制各个子模块IGBT组件的投入和切除状态使换流器输出的交流电压逼近正弦波，实现能量的高效传输。
软启电阻作为模块化多电平换流器充电阶段限制电流的重要器件，如何对其进行设计并选定合适的阻值,以使其完全满足换流器各种启动工况需要的同时，具有经济性，不留太大的功率裕量，是模块化多电平换流器设计中的一个重要工作。由于软启过程时间本身较长，且使用详细模型进行模块化多电平换流器的软启动过程仿真消耗的时间很长，大大影响了软启电阻工程设计的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种模块化多电平换流器软启过程仿真方法，以解决现有模块化多电平换流器软启仿真时间过长问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种模块化多电平换流器软启过程仿真方法，该仿真方法包括以下步骤：
1)建立软启过程下模块化多电平换流器的等效电路模型，以桥臂等效模块代替多电平换流器的MMC换流阀桥臂，所述的桥臂等效模块由两个二极管，一个电容，一个恒功率受控电流源和一个泄放电阻构成；
2)配置桥臂等效模块中各元件的参数，使所建立的软启过程下的模块化多电平换流器等效电路模型与软启过程下模块化多电平换流器详细模型具有相同的外部特性；
3)对配置后的软启过程下模块化多电平换流器的等效电路的软启过程进行仿真。
所述的桥臂等效模块的两个二极管串接形成二极管支路后与电容、泄放电阻和受控电流源并联，两个二极管之间的引出点作为桥臂等效模块的正输出端，二极管支路的负端作为桥臂等效模块的负输出端。
所述的步骤2)中配置的每个桥臂等效模块的电容量为C＝Cs*n2/N，其中Cs为MMC换流阀桥臂中单个子模块的电容值，n为投入子模块个数，N为桥臂子模块总个数。
所述步骤2)中配置的每个桥臂等效模块中恒功率受控电流源的电流给定值为I＝P*N/U，其中P为实际换流阀桥臂中单个子模块软启过程的恒功率损耗，U为桥臂等效模块中电容电压的测量值。
本发明的有益效果是:本发明首先建立软启过程下模块化多电平换流器的等效电路模型，以桥臂等效模块代替多电平环流器的MMC换流阀桥臂，每个桥臂等效由两个二极管串接后与电容、泄放电阻和受控电流源并联构成，然后对桥臂等效模块中的每个元件参数进行配置置，使所建立的等效电路模型与详细模型具有相同的外部特性，对配置后的模块化多电平换流器的等效电路的软启过程进行仿真。本发明采用等效电路进行换流器软启过程的仿真，大大缩短了换流器软启过程的仿真时间，也提高了软启电阻工程设计的效率。
附图说明
图1是模块化多电平换流器详细模型图；
图2-a是本发明所采用模块化多电平换流器的等效电路示意图；
图2-b是桥臂等效模块示意图；
图3-a是等效电路在Simulink环境下的等效模型图；
图3-b是Simulink环境下封装模块MMC和MMC2的内部示意图；
图3-c是Simulink环境下换流器的等效桥臂模块示意图；
图4是等效电路模型与详细模型软启阶段的双端仿真对比图；
图5是等效电路模型与详细模型软启阶段的双端仿真对比图；
图6是等效电路模型与详细模型软启阶段的双端仿真对比图。
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说明。
1.建立模块化多电平换流器的等效电路，以桥臂等效模块代替多电平环流器的MMC换流阀桥臂。
本发明所采用的多电平换流器的详细模型如图1所示，包括三相电网、一个联结变压器、三个软起电阻模块、六个缓冲电抗器和六个桥臂，每个桥臂分别串联各自对应的缓冲电抗器，每相两个电抗器之间为换流器交流输出端，换流器的交流输出端依次通过并联旁路开关的软启电阻、交流系统开关和联结变压器与三相电网相连。与该详细模型等效的多电平换流器等效电路模型如图2-a所示，包括三相电网、一个联结变压器、三个软起电阻模块、六个缓冲电抗器和六个桥臂等效模块。每个桥臂等效模块如图2-b所示，包括两个二极管，一个电容，一个恒功率受控电流源和一个泄放电阻，两个二极管串接形成二极管支路后与电容、泄放电阻和受控电流源并联，两个二极管之间的引出点作为桥臂等效模块的正输出端，二极管支路的负端作为桥臂等效模块的负输出端。
2.配置桥臂等效模块中各元件的参数，使所建立的模块化多电平换流器等效电路模型与模块化多电平换流器详细模型具有相同的外部特性。
每个桥臂等效模块的电容量为C＝Cs*n2/N，其中Cs为详细模型中单个子模块的电容值，n为投入子模块个数，N为桥臂子模块总个数，该式可由存储能量相等的关系式Cn2u2＝NCsu2得出。
桥臂等效模块中与电容并联的的恒功率受控电流源的电流给定值为I＝P*N/U，其中P为实际换流阀桥臂中单个子模块软启过程的恒功率损耗，U为简化桥臂模块等效电路上的电容电压测量值。
桥臂等效模块中与电容并联的泄放电阻阻值为R＝Rs*n2/N，其中Rs为详细模型中单个子模块的总等效恒阻性负载的电阻值。
桥臂等效模块中二极管参数通态电阻Ron为Rons*N，其中Rons为详细模型中单个子模块的二极管通态电阻，桥臂等效模块中二极管参数导通电压Vf为Vfs*N，其中Vfs为详细模型中单个子模块的二极管导通电压，桥臂等效模块中二极管参数阻断电阻Roff＝Roffs*n2/N，其中Roffs为详细模型中单个子模块的二极管阻断电阻。
以上公式中，若对自然软启进行仿真，则设置投入子模块数为桥臂子模块总个数，若需等效切除固定子模块数的软启过程，则根据据实际情况设置投入的子模块数即可，此时可以对详细模型换流阀软启均压状态进行等效。
3.对配置后的模块化多电平换流器的等效电路的软启过程进行仿真。
为了验证该本发明的可实现性及与详细模型的等效性，本实施例建立了MATLABR2012b Simulink仿真环境下的271电平双端仿真模型，在相同工况下，只是用等效电路的桥臂替换原详细模型的桥臂，进行软启阶段的仿真对比验证。
建立等效电路在Simulink环境下的等效模型，如图3-a所示，其结构与图2-a大体相同，其中封装模块Measure、Measure1为测量单元，Soft_start为软启电阻单元，这里不再详述，封装模块MMC、MMC2为换流器模块，其内部图详见图3-b。图3-b换流器模块中的等效桥臂模块如图3-c所示，其中使用SimPowerSystem库中自带的Controlled Current Source模块表示并联在电容上的恒功率损耗，其电流值通过损耗功率值除以实际测量电容电压得到。针对Simulink环境下的所建立的等效模型进行仿真，其仿真的结果图4、图5和图6所示。
图4为等效电路模型与详细模型软启阶段的双端模型仿真对比图，双端模型指一端从交流侧充电软启，另一端与交流侧断开，由直流侧软启充电。图5为等效电路模型与详细模型软启阶段的双端模型仿真对比图初始阶段细节。图6为等效电路模型与详细模型软启阶段的双端模型仿真对比图切除软启电阻阶段细节。图4、图5、图6中，纵坐标均采用标幺值。由上到下，第一栏为软启电阻损耗功率波形，蓝、绿、红为详细模型三相波形，浅蓝、粉红、黄为等效模型三相波形。第二栏为阀侧电流波形，蓝、绿、红为详细模型三相波形，浅蓝、粉红、黄为等效模型三相波形。第三栏为阀侧功率波形，蓝、绿为详细模型的有功和无功波形，红、浅蓝为等效模型有功和无功波形。第四栏为直流侧电压波形，蓝色为详细模型的波形，绿色为等效模型的波形。
因此由图4、图5和图6可知，等效电路模型与详细模型波形高度一致，只是直流侧电压的波动稍有不同，从而充分证明了等效电路模型的正确性和准确性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行的各种修改或变更的行为，均在本发明专利的权利申请要求保护范围之内。
Claims (2)
1.一种模块化多电平换流器软启过程仿真方法，其特征在于，该仿真方法包括以下步骤：
1)建立软启过程下模块化多电平换流器的等效电路模型，以桥臂等效模块代替多电平换流器的MMC换流阀桥臂，所述的桥臂等效模块由两个二极管，一个电容，一个恒功率受控电流源和一个泄放电阻构成；所述的桥臂等效模块的两个二极管串接形成二极管支路后与电容、泄放电阻和受控电流源并联，两个二极管之间的引出点作为桥臂等效模块的正输出端，二极管支路的负端作为桥臂等效模块的负输出端；
2)配置桥臂等效模块中各元件的参数，使所建立的软启过程下的模块化多电平换流器等效电路模型与软启过程下模块化多电平换流器详细模型具有相同的外部特性；
配置的每个桥臂等效模块的电容量为C＝Cs*n2/N，其中Cs为MMC换流阀桥臂中单个子模块的电容值，n为投入子模块个数，N为桥臂子模块总个数；
配置的每个桥臂等效模块中恒功率受控电流源的电流给定值为I＝P*N/U，其中P为实际换流阀桥臂中单个子模块软启过程的恒功率损耗，U为桥臂等效模块中电容电压的测量值；
配置的每个桥臂等效模块中的泄放电阻阻值为R＝Rs*n2/N，其中Rs为MMC换流阀桥臂中单个子模块的总等效恒阻性负载的电阻值；
配置的每个桥臂等效模块中二极管参数通态电阻Ron为Rons*N，二极管参数导通电压Vf为Vfs*N，二极管参数阻断电阻Roff＝Roffs*n2/N，其中Rons为MMC换流阀桥臂中单个子模块的二极管通态电阻，Vfs为MMC换流阀桥臂中单个子模块的二极管导通电压，Roffs为MMC换流阀桥臂中单个子模块的二极管阻断电阻；
3)对配置后的软启过程下模块化多电平换流器的等效电路的软启过程进行仿真。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器软启过程仿真方法，其特征在于，所述步骤3)中的仿真是在MATLAB R2012b Simulink仿真环境下实现的。
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