CN104199997A - 一种mmc多子模块自定义集成元件的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力系统运行和控制技术领域中的一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法。包括：确定每个子模块的等效状态和等效模型，将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型；修正处于闭锁状态的子模块的等效状态；设置子模块的故障类型，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型；在电磁暂态仿真软件PSCAD中实现子模块的编写。本发明克服了现有的子模块等效模型在建立大规模MMC系统时存在的工作量过大的缺陷，实现了子模块闭锁状态的等效，解决了现有的等效模型无法设置故障的问题。

Description

一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法

技术领域

本发明属于电力系统运行和控制技术领域，尤其涉及一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法。

背景技术

采用电压源型换流器(Voltage Source Converter，VSC)和脉宽调制(Pulse-width Modulation，PWM)技术的电压直流输电(High Voltage DirectCurrent,HVDC)成为电压源型高压直流输电发展的新趋势。相比于传统2电平、3电平的拓扑结构，模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)被提出后凭借其技术优势成为国内外学者研究的热点。它的模块化结构使其可扩展性强、输出电平数高，并很好的克服了传统电压源换流器存在开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、换流站占地面积大、动态均压困难等缺点。

随着MMC换流器向高电平数、大容量的趋势发展，每个桥臂串联的子模块数急剧增加，这给仿真平台PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer AidedDesign/Electromagnetic Transients including DC，电磁暂态仿真软件)对基于MMC的高压直流输电系统的仿真带来了很大的困难。由于子模块数量过多且IGBT频繁的开断，使得PSCAD/EMTDC仿真计算上导纳矩阵过大且时刻变化，造成了矩阵求逆消耗了很长的时间。而且，子模块中包含IGBT和二极管带插值精确计算的器件，造成仿真时重复多次调用接口函数，同样消耗了的一定的仿真时间。

目前，一些研究针对子模块的运行特性提出了对应的等效模型，用于替代子模块以提升仿真的速率，但是仍然存在很大的缺陷。已有的等效模型在实现子模块闭锁状态存在很大的问题，且无法实现子模块的故障仿真，而且未将等效模型集成为自定义元件，在搭建大规模的MMC换流器模型时，其仍然存在很大的数据量，造成了搭建模型工作量大且容易出错。因此，基于PSCAD/EMTDC平台采用Fortran语言建立一种灵活的自定义MMC多子模块集成元件具有很大的必要性。这不仅能够提升仿真的时间、减少搭建MMC模型的工作量，而且能够为研究MMC子模块闭锁和故障的动态特性提供可能。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法，用于克服仿真软件PSCAD大规模仿真和MMC子模块等效模型存在的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：确定每个子模块的等效状态和等效模型，将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型；

步骤2：修正处于闭锁状态的子模块的等效状态；

步骤3：设置子模块的故障类型，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型；

步骤4：在电磁暂态仿真软件PSCAD中实现子模块的编写。

所述确定每个子模块的等效状态和等效模型具体为：

当子模块为投入状态，或者子模块为闭锁状态并且满足i_br(t)>0和V_{in_i}>U_ci(t)时，子模块的等效状态为电容状态且子模块的等效模型为： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=\frac{\mathrm{\Δt}}{2C}\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=U_{\mathrm{ci}}(t-\mathrm{\Δt})+\frac{\mathrm{\Δt}}{2C}{i}_{\mathrm{br}}(t-\mathrm{\Δt})\end{array}\right.;$

当子模块为旁路状态，或者子模块为闭锁状态并且满足i_br(t)<0时，子模块的等效状态为小电阻状态且子模块的等效模型为： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=1e-6\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=0\end{array}\right.;$

当子模块为闭锁状态并且满足i_br(t)≥0和V_{in_i}≤U_ci(t)时，子模块的等效状态为大电阻状态且子模块的等效模型为： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=1e6\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=0\end{array}\right.;$

其中，R_eqi为第i个子模块的等效电阻，V_eqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C为子模块电容，U_ci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，U_ci(t)为第i个子模块在时刻t的电容电压，i_br(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流，i_br(t)为时刻t流入第i个子模块的桥臂电流，V_{in_i}为第i个子模块的输入电压。

所述将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型采用公式： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqsm}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_{\mathrm{eqi}}\\ V_{\mathrm{eqsm}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)\end{array}\right.;$ 其中，R_eqsm为MMC多子模块等效电阻，V_eqsm为MMC多子模块等效受控电压源，R_eqi为第i个子模块的等效电阻，V_eqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，N为子模块数量。

所述修正处于闭锁状态的子模块的等效状态具体为：

子步骤A1：分别设定子模块的等效状态为电容、大电阻和小电阻状态时的标识flag的值；

当子模块的等效状态为电容状态时，设定标识flag＝-2；

当子模块的等效状态为大电阻状态时，设定标识flag＝1；

当子模块的等效状态为小电阻状态时，设定标识flag＝-1；

子步骤A2：判断V_{in_i}>U_ci(t)是否成立，如果V_{in_i}>U_ci(t)，则子模块的等效状态为电容状态且令标识flag＝-2；否则，执行子步骤A3；其中，V_{in_i}为第i个子模块的输入电压，U_ci(t)为第i个子模块在时刻t的电容电压；

子步骤A3：子模块的等效状态为大电阻状态且令标识flag＝1；

子步骤A4：判断i_br(t)>0是否成立，如果i_br(t)>0，则子模块的等效状态为大电阻状态且令标识flag＝1；否则，执行子步骤A5；其中，i_br(t)为时刻t流入第i个子模块的桥臂电流；

子步骤A5：判断flag>0是否成立，如果flag>0，则执行子步骤A6；否则，执行子步骤A7；

子步骤A6：判断V_{in_i}<0是否成立，如果V_{in_i}<0，则执行子步骤A7；否则，执行子步骤A3；

子步骤A7：子模块的等效状态为小电阻状态且令标识flag＝-1；

子步骤A8：判断i_br(t)>0是否成立，如果i_br(t)>0，则令t＝t+1，执行子步骤A2；否则，令t＝t+1，执行子步骤A7。

子模块的故障类型包括子模块IGBT击穿故障、子模块电容值变化故障和子模块电容击穿故障。

当子模块的故障类型为子模块IGBT击穿故障时，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型具体为：

当第i个子模块上IGBT未出现击穿故障且第i个子模块下IGBT出现击穿故障时，子模块的等效电阻和受控电压源分别为： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=1e-6\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=0\end{array}\right.;$

当第i个子模块上IGBT出现击穿故障且第i个子模块下IGBT未出现击穿故障并处于关断状态时，子模块的等效电阻和受控电压源分别为： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=U_{\mathrm{ci}}(t-\mathrm{\&Delta;t})+\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}{i}_{\mathrm{br}}(t-\mathrm{\&Delta;t})\end{array}\right.;$

其中，R_eqi为第i个子模块的等效电阻，V_eqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C为子模块电容，U_ci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，i_br(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流。

当子模块的故障类型为子模块电容值变化故障时，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型具体采用公式： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C^{\&prime;}}\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=U_{\mathrm{ci}}(t-\mathrm{\&Delta;t})+\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C^{\&prime;}}{i}_{\mathrm{br}}(t-\mathrm{\&Delta;t})\end{array}\right.;$

其中，R_eqi为第i个子模块的等效电阻，V_eqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C′为变化后的子模块电容值，U_ci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，i_br(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流。

当子模块的故障类型为子模块电容击穿故障时，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型具体采用公式： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=K_{\mathrm{ci}}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}+\stackrel{\&OverBar;}{K_{\mathrm{ci}}}\&CenterDot;(1e-6)\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=K_{\mathrm{ci}}\&CenterDot;[U_{\mathrm{ci}}(t-\mathrm{\&Delta;t})+\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}{i}_{\mathrm{br}}(t-\mathrm{\&Delta;t})]\end{array}\right.;$

其中，R_eqi为第i个子模块的等效电阻，V_eqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C为子模块电容，K_ci为第i个子模块是否出现电容击穿故障的标识变量，当K_ci＝1时，第i个子模块未出现电容击穿故障，当K_ci＝0时，第i个子模块出现电容击穿故障，为对K_ci取反，U_ci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，i_br(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流。

本发明的效果在于，基于PSCAD仿真平台采用fortran编程语言建立自定义的多子模块集成元件，在提高仿真的速率的同时，自定义集成元件能够克服现有的子模块等效模型在建立大规模MMC系统工作量太大的缺陷，使得大规模MMC系统在PSCAD仿真上成为可能。此外，本方法还针对子模块闭锁状态存在的问题进行修正，解决了子模块闭锁状态等效的问题；而且通过不同故障类型的设置修正等效模型，采用fortran编程语言自定义集成元件解决了目前现有的等效模型无法设置故障的缺陷，使得在仿真平台上进行大规模MMC系统子模块内部多种故障的仿真成为可能。

附图说明

图1是本发明提供的MMC多子模块自定义集成元件的设计方法流程图；

图2是MMC系统模型结构图；

图3是子模块结构图；

图4是采用fortran自定义的多子模块集成元件示意图；

图5是子模块闭锁状态理论上的状态转移图；

图6是子模块闭锁状态修正后的状态转移图；

图7是仿真参数表；

图8是基于自定义元件的MMC子模块电容电压波形图；

图9是基于PSCAD库元件的MMC子模块电容电压波形图；

图10是仿真运行时间对比表；

图11是子模块闭锁时MMC子模块电容电压波形对比图；

图12是子模块闭锁时MMC交流侧电流波形对比图；

图13是IGBT故障时两种模型的电容电压波形对比图；

图14是电容值变化时两种模型的电容电压波形对比图；

图15是电容击穿时两种模型的电容电压波形对比图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。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。

图1是本发明提供的MMC多子模块自定义集成元件的设计方法流程图。如图1所示，本发明提供的MMC多子模块自定义集成元件的设计方法包括：

步骤1：确定每个子模块的等效状态和等效模型，将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型。

MMC三相上下桥臂均有多个子模块与限流电感串联而成，如图2所示。子模块的结构图如图3所示，每个子模块由上下IGBT及其反并的二极管、电容构成，根据上下IGBT的触发信号，将子模块的工作状态划分为：投入、旁路和闭锁三种状态。图3中的R_eqi和V_eqi串联的戴维南模型为等效后的子模块模型。

确定每个子模块的等效状态和等效模型，根据子模块的绝缘栅双极型晶体管IGBT和桥臂电流的状态，采用如下方式：

对于第i个子模块上下IGBT的状态分别用FP_i1和FP_i2表示，U_ci(t)为第i个子模块在时刻t的电容电压，i_br(t)为时刻t流入第i个子模块的桥臂电流，V_{in_i}为第i个子模块的输入电压，R_eqi为第i个子模块的等效电阻，V_eqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源。

1)当FP_i1＝1且FP_i2＝0时，第i个子模块为投入状态，此时第i个子模块的等效状态为电容状态，其电容的电压电流关系如下：

$i_{\mathrm{br}}\left(t\right)=C\frac{d{U}_{\mathrm{ci}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

其中，C为电容值。由于仿真采用离散化连续的计算方式，因此采用差分的方式将电容进行等效，等效后的电容模型如下：

$U_{\mathrm{ci}}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}{i}_{\mathrm{br}}\left(t\right)+U_{\mathrm{ci}}(t-\mathrm{\&Delta;t})+\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}{i}_{\mathrm{br}}(t-\mathrm{\&Delta;t})---\left(2\right)$

其中，Δt为仿真的步长，U_ci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，i_br(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流。

因此，可以得到电容状态的等效戴维南模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=U_{\mathrm{ci}}(t-\mathrm{\&Delta;t})+\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}{i}_{\mathrm{br}}(t-\mathrm{\&Delta;t})\end{array}\right.---\left(3\right)$

2)当FP_i1＝0且FP_i2＝1时，第i个子模块为旁路状态，此时第i个子模块的等效状态为小电阻状态，其等效模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=1e-6\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，1e-6表示10的-6次方。

3)当FP_i1＝0且FP_i2＝0时，第i个子模块为闭锁状态。此时，只能根据流经子模块的桥臂电流i_br(t)和子模块的输入电压V_{in_i}判断子模块的等效状态。

3.1)当i_br(t)>0和V_{in_i}>U_ci(t)时，第i个子模块的等效状态为电容状态，其对应的等效模型(即等效电阻R_eqi和受控电压源V_eqi(t))如式(3)所示。

3.2)当i_br(t)≥0和V_{in_i}≤U_ci(t)时，第i个子模块的等效状态为大电阻状态，其对应的等效模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=1e6\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，1e6表示10的6次方。

3.3)当i_br(t)<0时，第i个子模块的等效状态为小电阻状态，其对应的等效模型如式(4)所示。

将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型采用如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqsm}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_{\mathrm{eqi}}\\ V_{\mathrm{eqsm}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，R_eqsm为MMC多子模块等效电阻，V_eqsm为MMC多子模块等效受控电压源，R_eqi为第i个子模块的等效电阻，V_eqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，N为子模块数量。

采用fortran编程语言自定义的多子模块集成元件如图4所示，可以实现1～500个子模块的等效模型。节点N1和N2为电气节点，分别用于接入电气网络，IGBT为子模块的上IGBT触发脉冲的数组，根据选择的子模块的个数，自动识别需要几组的触发脉冲。EN为控制器的控制信号，i_br为等效模型所在的桥臂电流。Vc为子模块的电容电压数组，可以实现1～500个子模块的电容电压输出。

步骤2：修正处于闭锁状态的子模块的等效状态。

根据步骤1的自定义集成元件，对子模块闭锁状态进行修正，通过电流电压判断和标志位的防止误跳变处理，在大步长环境下来较好地解决子模块闭锁状态的等效问题，避免电流过零点子模块闭锁状态的等效出错，无法正确仿真子模块闭锁的电路动态特性。

由于子模块的上下IGBT均处于关断状态，此时，只能根据桥臂电流i_br(t)和子模块的输入电压V_{in_i}来进行子模块等效状态的判断。理论条件下子模块对应的等效模型如步骤1所述。现有的子模块等效研究在子模块闭锁状态，并未考虑因等效计算导致的状态误跳变问题。

但是，作为等效已知判断条件的桥臂电流i_br(t)和子模块的输入电压V_{in_i}，又受到子模块的等效状态的影响。因此，桥臂电流和输入电压既是决定子模块等效状态的电气变量，同时这两个电气变量下一时刻又受到上一时刻的子模块等效状态的影响。这样就会导致，子模块闭锁状态的等效出错，特别是桥臂电流过零点时容易出现误判断，进而导致步骤1各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型的完全出错。

当i_br(t)>0且V_{in_i}>U_ci(t)时，子模块的等效状态为电容状态；当i_br(t)≥0且V_{in_i}≤U_ci(t)时，子模块等效状态为大电阻状态；当i_br(t)<0时，将子模块的等效状态为小电阻状态。在大步长仿真环境下，这三种等效状态之间的跳转就会出现错误。当子模块的等效状态为大电阻状态时，此时i_br(t)约等于0，即等效计算后出现i_br(t)在0上下波动，下一时刻的等效模型会出现误判断：

A)在i_br(t)约等于0且应等效为大电阻状态期间，i_br(t)在0上下波动会导致等效状态由大电阻状态误跳入小电阻状态。

B)在i_br(t)约等于0且应从大电阻状态跳转为小电阻状态期间，由于上一时刻大电阻的等效状态使得i_br(t)一直约等于0，导致大电阻等效状态跳转不到小电阻等效状态，引起接下来的等效模型全部出错。

因此，需要在子模块的桥臂电流i_br(t)约等于0时，添加防止状态误跳变的预处理，使得在正确等效时，防误跳变的处理不会对等效产生影响；在程序误跳变时可以通过预处理将等效状态强制修正回到正确的状态。因此。步骤2对步骤1中的子模块的闭锁状态等效进行了修正。

采用PSCAD库元件搭建的子模块在一个周期内，其对应的状态转换图如图5所示。当桥臂电流i_br>0且电容电压U_ci小于输入电压V_{in_i}时，子模块等效状态为电容状态；当U_ci>V_{in_i}时，子模块等效状态为大电阻状态；当桥臂电流由i_br>0跳转为i_br<0，子模块的等效状态为小电阻状态。

实际上，集成自定义元件时将子模块内部的所有器件等效为戴维南模型，在数值计算上存在一定的误差，这样就导致了i_br>0判断出错的问题，即图5的condition2和condition3均会出现i_br计算偏差导致状态误跳变。

首先，图5中condition2，子模块等效为大电阻时，i_br≈0。condition2应该从Yes条件跳转入大电阻状态，却会因等效计算的误差导致从No条件提前跳转入小电阻状态，进而导致接下来所有的等效过程全部出错。

其次，图5中condition1从No条件应该进入大电阻等效，condition1可能因为等效计算的误差导致condition1直接跳转到condition2，且从condition2的No条件进入小电阻等效，跳过了大电阻等效的状态，这样就会导致接下来所有的等效全部出错。

采用修正的子模块闭锁状态等效的状态转移图如图6所示，在图5基础上修正对应的跳转错误。电容、大电阻和小电阻三种状态的标志位flag分别为flag＝-2，flag＝1，flag＝-1。

1)condition1进入No条件时，由flag>0判断上一时刻是否等效为大电阻，flag>0不满足则跳转进入小电阻等效。

2)condition1进入No条件，且flag>0满足，说明子模块上一时刻等效为大电阻，需要对这个跳转进行修正。当输入电压V_{in_i}<0不满足时，说明此时子模块仍应等效为大电阻；当输入电压V_{in_i}<0满足时，说明大电阻等效状态应该结束，子模块需要进入小电阻等效状态，从判断V_{in_i}<0的Yes条件强制进入小电阻模型。

据此，对子模块闭锁状态进行修正具体为：

子步骤A1：分别设定子模块的等效状态为电容、大电阻和小电阻状态时的标识flag的值。当子模块的等效状态为电容状态时，设定标识flag＝-2；当子模块的等效状态为大电阻状态时，设定标识flag＝1；当子模块的等效为小电阻状态时，设定标识flag＝-1。

子步骤A2：判断V_{in_i}>U_ci(t)是否成立，如果V_{in_i}>U_ci(t)，则子模块的等效状态为电容状态且令标识flag＝-2；否则，执行子步骤A3；其中，V_{in_i}为第i个子模块的输入电压，U_ci(t)为第i个子模块在时刻t的电容电压。

子步骤A3：子模块的等效状态为大电阻状态且令标识flag＝1。

子步骤A4：判断i_br(t)>0是否成立，如果i_br(t)>0，则子模块的等效状态为大电阻状态且令标识flag＝1；否则，执行子步骤A5；其中，i_br(t)为时刻t流入第i个子模块的桥臂电流。

子步骤A5：判断flag>0是否成立，如果flag>0，则执行子步骤A6；否则，执行子步骤A7。

子步骤A6：判断V_{in_i}<0是否成立，如果V_{in_i}<0，则执行子步骤A7；否则，执行子步骤A3。

子步骤A7：子模块的等效状态为小电阻状态且令标识flag＝-1。

子步骤A8：判断i_br(t)>0是否成立，如果i_br(t)>0，则令t＝t+1，执行子步骤A2；否则，令t＝t+1，执行子步骤A7。

步骤3：设置子模块的故障类型，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型。

在步骤1的基础上，通过子模块故障的设置，根据不同的故障类型，将步骤1中子模块的等效电阻和受控电压源进行修正。当IGBT和电容击穿时，采用小电阻修正其对应的等效模型；当电容值变化时，则修正电容的戴维南模型中的等效电阻。然后，在集成自定义元件中采用fortran编程添加对应的故障类型。

1)IGBT击穿故障。

引入表征IGBT故障的变量对IGBT的等效模型进行修正，假设IGBT故障时呈现小电阻状态，K_i1和K_i2分别表征第i个子模块上下IGBT是否故障。当K_i1＝1时，表示上IGBT正常未出现故障击穿；当K_i1＝0时，表示上IGBT故障击穿。表示K_i1的状态取反，根据IGBT的故障情况可将子模块的等效状态修正为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=1e-6,V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=0,(K_{i1}=1,K_{i2}=0)\\ R_{\mathrm{eqi}}=\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C},V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=U_{\mathrm{ci}}(t-\mathrm{\&Delta;t})+\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}{i}_{\mathrm{br}}(t-\mathrm{\&Delta;t}),(K_{i1}=0,K_{i2}=1,{\mathrm{FP}}_{i2}=0)\end{array}\right.---\left(7\right)$

表征故障的量K_i1和K_i2的值可由PSCAD自定义模型的选项卡设置的时间决定。当仿真时间在设置的故障时间范围内，则K_i1或K_i2的值变化，如下式：

其中，t₁和t₂为故障的起始和结束时间。

2)子模块电容值变化故障。

由于电容值在一定时间后其对应的电容值会发现一定的变化，因此通过对子模块某个电容值的设定，可以模拟桥臂某个子模块的电容值发生变化时，对MMC动态特性的影响。所以，对式(3)中的电容值C修正为变化后的电容值C′即可，然后整个桥臂的等效模型式(6)相对应的修改过来。

3)子模块电容击穿故障。

当子模块发生电容击穿时，其等效状态变为小电阻。因此，根据故障设置的时间点，当仿真时间处于故障时间点之内，则修正电容的等效模型式(3)，修正后的电容等效模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=K_{\mathrm{ci}}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}+\stackrel{\&OverBar;}{K_{\mathrm{ci}}}\&CenterDot;(1e-6)\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=K_{\mathrm{ci}}\&CenterDot;[U_{\mathrm{ci}}(t-\mathrm{\&Delta;t})+\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}{i}_{\mathrm{br}}(t-\mathrm{\&Delta;t})]\end{array}\right.---\left(9\right)$

K_ci为第i个子模块是否出现电容击穿故障的标识变量，当K_ci＝1时，第i个子模块未出现电容击穿故障，当K_ci＝0时，第i个子模块出现电容击穿故障，为对K_ci取反。

步骤4：采用fortran编程语言在PSCAD实现带闭锁状态修正和故障设置的自定义模块的编写，实现多个子模块等效模型的动态特性。

下面，再通过一个仿真实例说明本发明的实现过程。在PSCAD/EMTDC中，搭建如图2的7电平双端MMC直流输电系统仿真模型，包括两种模型：采用PSCAD库元件中的IGBT、二极管和电容构成子模块的模型，采用自定义集成元件搭建的模型。系统仿真参数为图7所示的表。

MMC系统中整流侧采用定有功功率和无功功率控制，控制的有功功率和无功功率分别为10MW和3Mvar。逆变侧采用定电压和无功功率控制，控制的直流电压和无功功率分别为20kV和5Mvar，调制策略采用载波相移调制，载波频率为200Hz。

MMC系统整流侧和逆变侧采用上述的控制方式，在PSCAD中建立如图2所示的两种MMC模型：一种采用自定义多子模块的模型搭建的模型，用mode1表示；另一种采用PSCAD库元件自带的IGBT、二极管和电容构成子模块来搭建的模型，用mode2表示。

仿真测试1：测试自定义多子模块集成元件的正确性。

mode1和mode2两种模型在采用相同的一次系统参数和相同的控制策略下，MMC系统达到稳定后其对应的子模块电容电压对比如图8和9，由此可以验证自定义的多子模块集成元件的正确性。

两种模型的仿真在Window7系统下进行，处理器为Pentium Rual Core，主频为2.8GHz，仿真软件版本为PSCAD V4.2.1Professional，仿真时间为2.5s，仿真步长为50us。两种模型的总运行对比如图10所示。

仿真测试2：测试子模块闭锁状态的正确性。

在仿真时间0-0.15s时，桥臂所有子模块处于闭锁状态，两种模型mode1和mode2在子模块闭锁状态下所有子模块的电容电压如图11所示。由于所有子模块均处于闭锁状态，因此每个子模块的电容电压均相等。从图11可以看出，两种模型下子模块的电容电压偏差较小。

两种模型下桥臂电流的对比波形如图12所示，从图中可以看出桥臂电流的波形基本一致，整体趋势与mode2的桥臂电流相吻合。由此可以验证自定义集成元件能够正确模拟子模块闭锁的动态特性。

仿真测试3：测试IGBT故障模型的正确性。

在模型mode1和mode2下，同时在仿真时间为1.5s时，设置整流侧A相上桥臂第1个子模块的下IGBT发生故障击穿。当子模块发生下IGBT击穿后，其内部处于投入状态下，形成一个放电回路。因此，在故障发生后，故障子模块的电容电压很快变为0；而在保护未动作的情况下，其他正常子模块的电容电压则会形成多充电，以保持桥臂之间的能量平衡。两种模型的电容电压波形对比如图13所示，两种模型发生同样的故障后，其电容电压的变化波形几乎相同，由此可以看出，IGBT故障的等效模型能够正确的模拟对应的故障。

仿真测试4：测试电容值变化的正确性。

假设整流侧A相上桥臂第1个子模块的电容值发生变化，由之前的3mF变为1mF，其余子模块的电容均保持不变。此时，当系统启动时，由于第1个子模块的电容值变小，则其充电的速率变快，使得上桥臂中第1个子模块的电容电压与其余5个子模块的电容电压出现明显的偏差。在mode1和mode2两种模型下，分别对第1个子模块电容值变化进行仿真对比，验证电容值变化模型的正确性。

两种模型的第1、2个子模块的电容电压波形对比如图14所示，在交流电压为子模块充电时，第1个子模块的电容电压变化明显快于第2个子模块的电容电压，因此，电容值变化的故障等效具有正确性。

仿真测试5：测试电容击穿的正确性。

当桥臂中某个子模块的电容发生击穿，故障后其对应的动态特性采用小电阻状态描述，在故障后未采取保护动作的模型下进行仿真，通过mode1和mode2两种模型下同一时间同一子模块的电容击穿仿真进行对比，验证次等效模型的正确性。

假设整流侧A相上桥臂第1个子模块在1.5s时发生电容击穿故障，mode1中采用电容和小电阻切换的方式进行模拟击穿故障，mode2中则对故障子模块的电容等效模型进行修正，使其变成小电阻等效模型。通过两种模型的仿真波形对比，验证电容击穿故障等效模型的正确性。

两种模型下的电容电压对比波形如图15所示，从图中可以看出，当子模块发生击穿时，两种模型的电容电压波形基本一致，由此可验证电容击穿等效模型的正确性。

以上所述，充分验证了本发明在基于PSCAD/EMTDC仿真平台上采用fortran编程语言建立的自定义多子模块集成元件的正确性，能够有效大幅度地减少大规模MMC系统的仿真时间，同时减少搭建模型的大量工作。此外，本发明的设计方法还对现有的等效模型进行修正和补充，子模块闭锁状态通过防止误跳变的状态处理，能够较好的模拟子模块闭锁的动态特性；同时考虑子模块内部的故障，能够模拟多种故障类型的仿真，包括IGBT的击穿、电容值的改变、电容击穿，为未来大规模MMC系统子模块内部故障的研究提供了基础。

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 (8)

1.一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：确定每个子模块的等效状态和等效模型，将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型；

步骤2：修正处于闭锁状态的子模块的等效状态；

步骤3：设置子模块的故障类型，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型；

步骤4：在电磁暂态仿真软件PSCAD中实现子模块的编写。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述确定每个子模块的等效状态和等效模型具体为：

当子模块为投入状态，或者子模块为闭锁状态并且满足i_br(t)>0和V_{in_i}>U_ci(t)时，子模块的等效状态为电容状态且子模块的等效模型为： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=U_{\mathrm{ci}}(t-\mathrm{\&Delta;t})+\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}{i}_{\mathrm{br}}(t-\mathrm{\&Delta;t})\end{array}\right.;$

当子模块为旁路状态，或者子模块为闭锁状态并且满足i_br(t)<0时，子模块的等效状态为小电阻状态且子模块的等效模型为： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=1e-6\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=0\end{array}\right.;$

当子模块为闭锁状态并且满足i_br(t)≥0和V_{in_i}≤U_ci(t)时，子模块的等效状态为大电阻状态且子模块的等效模型为： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=1e6\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=0\end{array}\right.;$

其中，R_eqi为第i个子模块的等效电阻，V_eqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C为子模块电容，U_ci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，U_ci(t)为第i个子模块在时刻t的电容电压，i_br(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流，i_br(t)为时刻t流入第i个子模块的桥臂电流，V_{in_i}为第i个子模块的输入电压。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型采用公式： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqsm}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_{\mathrm{eqi}}\\ V_{\mathrm{eqsm}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)\end{array}\right.;$ 其中，R_eqsm为MMC多子模块等效电阻，V_eqsm为MMC多子模块等效受控电压源，R_eqi为第i个子模块的等效电阻，V_eqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，N为子模块数量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述修正处于闭锁状态的子模块的等效状态具体为：

子步骤A1：分别设定子模块的等效状态为电容、大电阻和小电阻状态时的标识flag的值；

当子模块的等效状态为电容状态时，设定标识flag＝-2；

当子模块的等效状态为大电阻状态时，设定标识flag＝1；

当子模块的等效状态为小电阻状态时，设定标识flag＝-1；

子步骤A2：判断V_{in_i}>U_ci(t)是否成立，如果V_{in_i}>U_ci(t)，则子模块的等效状态为电容状态且令标识flag＝-2；否则，执行子步骤A3；其中，V_{in_i}为第i个子模块的输入电压，U_ci(t)为第i个子模块在时刻t的电容电压；

子步骤A3：子模块的等效状态为大电阻状态且令标识flag＝1；

子步骤A4：判断i_br(t)>0是否成立，如果i_br(t)>0，则子模块的等效状态为大电阻状态且令标识flag＝1；否则，执行子步骤A5；其中，i_br(t)为时刻t流入第i个子模块的桥臂电流；

子步骤A5：判断flag>0是否成立，如果flag>0，则执行子步骤A6；否则，执行子步骤A7；

子步骤A6：判断V_{in_i}<0是否成立，如果V_{in_i}<0，则执行子步骤A7；否则，执行子步骤A3；

子步骤A7：子模块的等效状态为小电阻状态且令标识flag＝-1；

子步骤A8：判断i_br(t)>0是否成立，如果i_br(t)>0，则令t＝t+1，执行子步骤A2；否则，令t＝t+1，执行子步骤A7。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是子模块的故障类型包括子模块IGBT击穿故障、子模块电容值变化故障和子模块电容击穿故障。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是当子模块的故障类型为子模块IGBT击穿故障时，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型具体为：

当第i个子模块上IGBT未出现击穿故障且第i个子模块下IGBT出现击穿故障时，子模块的等效电阻和受控电压源分别为： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=1e-6\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=0\end{array}\right.;$

当第i个子模块上IGBT出现击穿故障且第i个子模块下IGBT未出现击穿故障并处于关断状态时，子模块的等效电阻和受控电压源分别为： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=U_{\mathrm{ci}}(t-\mathrm{\&Delta;t})+\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}{i}_{\mathrm{br}}(t-\mathrm{\&Delta;t})\end{array}\right.;$

其中，R_eqi为第i个子模块的等效电阻，V_eqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C为子模块电容，U_ci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，i_br(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征是当子模块的故障类型为子模块电容值变化故障时，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型具体采用公式： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C^{\&prime;}}\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=U_{\mathrm{ci}}(t-\mathrm{\&Delta;t})+\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C^{\&prime;}}{i}_{\mathrm{br}}(t-\mathrm{\&Delta;t})\end{array}\right.;$

其中，R_eqi为第i个子模块的等效电阻，V_eqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C′为变化后的子模块电容值，U_ci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，i_br(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征是当子模块的故障类型为子模块电容击穿故障时，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型具体采用公式： $\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{eqi}}=K_{\mathrm{ci}}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}+\stackrel{\&OverBar;}{K_{\mathrm{ci}}}\&CenterDot;(1e-6)\\ V_{\mathrm{eqi}}\left(t\right)=K_{\mathrm{ci}}\&CenterDot;[U_{\mathrm{ci}}(t-\mathrm{\&Delta;t})+\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{2C}{i}_{\mathrm{br}}(t-\mathrm{\&Delta;t})]\end{array}\right.;$

其中，R_eqi为第i个子模块的等效电阻，V_eqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C为子模块电容，K_ci为第i个子模块是否出现电容击穿故障的标识变量，当K_ci＝1时，第i个子模块未出现电容击穿故障，当K_ci＝0时，第i个子模块出现电容击穿故障，为对K_ci取反，U_ci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，i_br(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流。