CN104953873B - 一种混合结构模块化多电平换流器仿真模型 - Google Patents

一种混合结构模块化多电平换流器仿真模型 Download PDF

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Abstract

一种混合结构模块化多电平换流器仿真模型,所述的仿真模型由六个相同桥臂等效电路构成。每个桥臂中不控半桥功率模块等效为两只二极管(D1,D2)及第一电压源(S1),不控全桥功率模块等效为四只二极管(D3,D4,D5,D6)及第二电压源(S2),受控半桥功率模块和全桥功率模块等效为第三电压源(S3)。所述仿真模型可实现混合结构模块化多电平换流器在各工况下的电磁暂态快速仿真。

Description

一种混合结构模块化多电平换流器仿真模型
技术领域
[0001] 本发明涉及一种混合结构模块化多电平换流器仿真模型。
背景技术
[0002] 基于模块化多电平换流器(Modular Wlultilevel Converter,MMC)的高压柔性直 流输电系统(VSC-HVDC)具有四象限运行、滤波器小、可向无源网络供电等诸多优点,其在输 电领域获得了广泛关注。
[0003] 模块化多电平换流器电路拓扑有半桥结构模块和全桥结构模块两种类型。对于半 桥结构模块化多电平换流器,当直流侧出现短路故障时,其交流电源、绝缘栅双极型晶闸管 (Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)反并联二极管与直流短路点将构成短路回 路,造成模块化多电平换流器系统严重过流。对于高电压且大容量柔性直流输电系统,直流 侧短路故障的短路电流已经超过现有器件最大承受能力,导致模块化多电平换流器灾难性 的损坏。全桥结构模块不同于半桥结构模块,半桥模块只能输出零电压或正电压,而全桥模 块可输出零电压、正电压和负电压三种,具备直流侧短路故障隔离能力,该优点对于未来采 用架空线的高电压且大容量柔性直流输电系统具有十分重要作用。然而全桥结构模块的开 关器件个数比半桥结构模块多了一倍,其造价及质量增加较大。为了避免两种类型模块的 缺点,目前相关学者研究采用混合型模块化多电平换流器,其相对半桥模型具备直流侧短 路故障隔离能力,相对于全桥模块减少开关器件个数。
[0004] 然而对于混合型模块化多电平换流器,其结构复杂,采用传统的半桥模块模型或 全桥模块模型已无法满足快速仿真要求。CN104320011A提出具备直流故障穿越能力的混合 型模块化多电平换流器,阐述了该类型换流器相对传统半桥型或全桥型结构的优点,然而 并未解决混合型模块化多电平换流器快速仿真问题。CN103593521A提出了全桥结构模块化 多电平换流器快速仿真方法,但并不适用混合型模块化多电平换流器,此外该方法仅仅针 对在解锁和闭锁两种工况下全桥结构模块化多电平换流器的仿真,而对于少数模块发生故 障工况并未考虑。
发明内容
[0005]本发明的目的是克服现有技术的缺点,提出了一种混合结构模块化多电平换流器 仿真模型。本发明可实现混合结构模块化多电平换流器的各种工况下的快速仿真。
[0006]本发明应用于高电压大容量柔性直流输电工程的混合结构模块化多电平换流器。 本发明仿真模型可实现混合结构多电平换流器在不控状态、受控状态、少数模块发生故障 状态运行工况下的快速仿真。
[0007]本发明所述仿真模型由六个相同的桥臂等效电路构成。每个桥臂等效电路可模拟 桥臂中所有半桥及全桥功率模块在各工况的电磁暂态过程。所述的桥臂等效电路由六只二 极管,三个电压源,一个电抗器,以及桥臂上下端接线端子组成。其中,第一二极管的阴极与 二极管的阳极连接,连接点为桥臂上端接线端子;第一二极管的阴极与第二二极管的阴极 及第一电压源的一端相连接,第一二极管的阳极、第三二极管的阳极、第四二极管的阴极及 第一电压源的一端相连接;第二二极管的阴极与第一电压源的另一端相连接;第三二极管 的阴极与第五二极管阴极及第二电压源的一端相连接;第四二极管阳极与第六二极管的阳 极及第二电压源的另一端相连接;第五二极管的阳极与第六二极管的阴极及第一电压源的 一端相连接;桥臂第一电抗的一端与第三电压源的另一端相连接;桥臂第一电抗的另一端 为桥臂下端接线端子。所述桥臂等效电路中第一电压源为桥臂中所有不控半桥功率模块电 容电压之和,第二电压源为桥臂中所有不控全桥功率模块电容电压之和,第三电压源为桥 臂中所有全桥功率模块和半桥功率模块输出电压之和。所述快速仿真模型可实现混合结构 模块化多电平换流器在不控、受控以及少数模块发生故障工况下的电磁暂态快速仿真。
[0008] 采用本发明仿真模型的仿真过程如下:
[0009] (1)不控工况下半桥功率模块电磁暂态仿真
[0010] 混合结构模块化多电平换流器每个桥臂中所有不控半桥功率模块的电磁暂态过 程可由第一二极管、第二二极管和一个电压源表示。第一电压源的电压US1为桥臂中所有不 控半桥功率模块电容电压Um,UCH2, • • •,UCHM之和,假设桥臂有M个不控半桥功率模块,M多1 且为整数,
[0011] Usi 二 UcHl+UcH2+__.+UCHM (1)
[0012] 每个不控半桥功率模块电容电压UCH经式(2)计算得出。电容电压初始值为〇,UCH ⑼=0。下式(2)经过一次计算可得1½ (1),为1时刻仿真计算得到的电容电压值,Ts为计算 步长。以此类推经过k次计算可得到UCH⑹,为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值,UCH(k+l) 为(k+1) Ts时刻仿真计算得到的电容电压值。kTs代表仿真运行时间,由于数字仿真每次仿真 计算步长相等,因此k>〇且为整数。
[0013] UcH(k+l) =UCH〇〇+fx(ia)TsCf (2)
[0014] 其中,ia为桥臂电流,Cf为半桥功率模块电容值,Ts为计算步长,fx为半桥功率模块 电容电流计算方法,当ia彡〇时,fx(ia) =ia;iia<0时,fx(ia) =0。
[0015] (2)不控工况下全桥功率模块电磁暂态仿真
[0016] 混合结构模块化多电平换流器每个桥臂所有不控全桥功率模块由第三二极管、第 四二极管、第五二极管、第六二极管和第二电压源表示,可以模拟桥臂中所有不控全桥功率 模块的电磁暂态过程。第二电压源的电压US2为桥臂中所有不控全桥功率模块电容电压UCFI, U(F2, . . .,UeFP之和,假设桥臂有P个不控全桥功率模块,P彡1且为整数,
[0017] Us2 = UcFl+UcF2+. . .+Ucfp (3)
[0018] 每个全桥功率模块电容的电压Ucf经式(4)计算得出,电容电压初始值为〇,Ucf (0) =0。下式(4)经过一次计算可得Ucf(1),为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值,Ts为计算步 长。以此类推经过k次计算可得到Ucf (k),为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值,UCF (k+1)为 (k+1) Ts时刻仿真计算得到的电容电压值。kTs代表仿真运行时间,由于数字仿真每次仿真计 算步长相等,因此k多〇且为整数。
[0019] Ucf (k+1) =Ucf (k) +1 ia | TsCf ⑷
[0020] 其中,ia为桥臂电流,Cf为全桥功率模块电容值,Ts为计算步长。
[0021] (3)受控工况下全桥及半桥功率模块电磁暂态仿真
[0022] 混合结构模块化多电平换流器每个桥臂所有受控半桥功率模块和全桥功率模块 由第三电压源表示其电磁暂态过程。第三电压源的电压US3为桥臂中所有全桥和半桥模块输 出电压U〇Fl,U〇F2, • • •,U〇FQ,U〇Hl,U〇H2, • • •,U〇HR之和,假设桥臂有Q个受控全桥功率模块、R个受 控半桥功率模块,Q多1整数,R多1整数。
[0023] Us3 = Uofi+Uof2+. . .+Uofq+Uohi+Uoh2+. . .+Uohr (5)
[0024] 每个全桥功率模块的输出电压Uqf由模块电容电压UCF及第一开关器件、第二开关 器件、第三开关器件和第四开关器件的开关状态决定,具体如下:
[0025]当第一开关器件和第四开关器件为开通状态,第二开关器件和第三开关器件为关 闭状态,全桥功率模块输出电压为Ucf;当第一开关器件和第四开关器件为关闭状态,第二开 关器件和第三开关器件为开通状态,全桥功率模块输出电压为-UCF;第一开关器件和第三开 关器件为开通状态,第二开关器件和第四开关器件为关闭状态,全桥功率模块输出电压为 〇;第一开关器件和第三开关器件为关闭状态,第二开关器件和第四开关器件为开通状态, 全桥功率模块输出电压为〇。
[0026] 每个半桥功率模块的输出电压Uqh由模块电容电压Uch及第五开关器件、第六开关 器件的开关状态决定,具体如下:
[0027] 当第五开关器件为开通状态,第六开关器件为关闭状态,半桥功率模块输出电压 为UCH;当第五开关器件为关闭状态,第六开关器件为开通状态,半桥功率模块输出电压为〇。
[0028] 所有受控全桥功率模块和半桥功率模块的电容电压计算过程如下,每个全桥功率 模块电容的电压Ucf经下式⑹计算得出,电容电压初始值为〇,UCF⑼=0。下式(6)经过一次 计算可得UcF (D,为%时刻仿真计算得到的电容电压值,Ts为计算步长。以此类推经过k次计 算可得到UCF(k),为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值,UcF(k+l)为(k+1) Ts时刻仿真计算 得到的电容电压值。kTs代表仿真运行时间,由于数字仿真每次仿真计算步长相等,因此k多 〇且为整数。
[0029] UcF(k+l)=UcF(k)+fx(ia)TsCf ⑹
[0030] 其中,ia为桥臂电流,Cf为全桥功率模块电容值,Ts为计算步长,fx为半桥功率模块 电容电流计算方法。
[0031] 所述fx的计算方法如下:当第一开关器件和第四开关器件为开通状态,第二开关 器件和第三开关器件为关闭状态,fx(ia) =ia;当第一开关器件和第四开关器件为关闭状 态,第二开关器件和第三开关器件为开通状态,fx(ia)=-ia;第一开关器件和第三开关器件 为开通状态,第二开关器件和第四开关器件为关闭状态,fX (U =〇;第一开关器件和第三开 关器件为关闭状态,第二开关器件和第四开关器件为开通状态,fX(ia)=〇。
[0032] 每个受控半桥功率模块电容电压Uch经下式(7)计算得出,电容电压初始值为0,Uch (0) =0。下式(7)经过一次计算可得Uch (1),为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值,Ts为计算 步长。以此类推经过k次计算可得到Uch (k),为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值,Uch (k+1) 为(k+1) Ts时刻仿真计算得到的电容电压值。kTs代表仿真运行时间,由于数字仿真每次仿真 计算步长相等,因此k多0且为整数。
[0033] UcH(k+l)=Uc:H(k)+fx(ia)TsCf ⑺
[0034] 其中,ia为桥臂电流,Cf为半桥功率模块电容值,Ts为计算步长,fx为半桥功率模块 电容电流计算方法,所述fx的计算方法如下:当第五开关器件为开通状态,第六开关器件为 关闭状态,fx(U =ia;当第五开关器件为关闭状态,第六开关器件为开通状态,fx(ia) =0。
[0035] ⑷少数模块发生故障工况下的电磁暂态仿真
[0036] 混合结构模块化多电平换流器正常运行,当少数半桥或者全桥功率模块发生故障 时,故障功率模块处于闭锁不受控状态,此时混合结构模块化多电平换流器桥臂中包含不 控状态和受控状态两种状态的功率模块。采用本发明的仿真模型可模拟混合结构模块化多 电平换流器同时具有不控功率模块和受控功率模块的工况,因此实现混合结构模块化多电 平换流器在少数模块发生故障工况下的电磁暂态快速仿真。
[0037] 所述的仿真模型能够同时模拟混合结构模块化多电平换流器中所有不控全桥功 率模块和半桥功率模块、受控全桥功率模块和半桥功率模块的电磁暂态特征;当混合结构 模块化多电平换流器中所有全桥功率模块和半桥功率模块为不控时,能够仿真不控充电或 者停机过程;当混合结构模块化多电平换流器所有全桥功率模块和半桥功率模块为受控状 态时,能够仿真正常运行过程;当混合结构模块化多电平换流器中既有受控功率模块又有 不控功率模块时,能够仿真桥臂有少数模块发生故障状态时的电磁暂态仿真。
附图说明
[0038]图1为混合结构模块化多电平换流器结构图;
[0039] 图2为全桥型功率模块的内部电路原理图;
[0040] 图3为半桥型功率模块的内部电路原理图;
[0041] 图4为混合结构模块化多电平换流器桥臂等效电路;
[0042]图5为混合结构模块化多电平换流器快速仿真模型。
具体实施方式
[0043]以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
[0044] 图1为混合结构模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)结构 图。混合结构模块化多电平换流器由六个桥臂组成,每个桥臂由若干个全桥模块、半桥模块 及电抗器串联而成。例如CU桥臂包括一个电抗器Xcu,K个串联连接的全桥功率模块Clh,..., CUK,K彡1,(N-K)个串联连接的半桥模块CUK+1 — CUN,N彡K彡1。
[0045] 图2为全桥型模块的内部电路原理图,如图2所示,全桥型模块包括储能电容&amp;、四 只开关器件心^^及四只二极管仏^^^其中巧一开关器件仏和第三开关器 件K3的集电极连接到第一储能电容&amp;的正极,第二开关器件1(2和第四开关器件K4的发射极 连接到第一储能电容〇的负极;第一开关器件I的集电极与第一仏的阴极相连,第一开关器 件1^的发射极与第一二极管〇1的阳极相连;第二开关器件心的集电极与第二二极管D2的阴 极相连,第二开关器件K2的发射极与第二二极管以的阳极相连;第三开关器件K3的集电极与 第三二极管D3的阴极相连,第三开关器件K3的发射极与第三二极管D3的阳极相连;第四开关 器件K4的集电极与第四二极管D4的阴极相连,第四开关器件K4的发射极第四与二极管D4的 阳极相连;第一开关器件Ki的发射极与第二开关器件K2的集电极连接在到半桥型功率模块 的输出端子E,第三开关器件K3的发射极与第四开关器件K4的集电极连接在到半桥型功率模 块的输出端子F;Ufq为模块输出电压,U为桥臂电流。
[0046] 图3为半桥型模块的内部电路原理图。如图3所示,半桥型模块包括储能电容CH、第 五开关器件K5、第六开关器件K6,以及第五二极管他、第六二极管D6。其中,第五开关器件K5的 集电极连接到第二储能电容Ch的正极,第六开关器件K6的友射极连接到苐二储此电咎(^的 负极;第五开关器件Ks的集电极第与五二极管Ds的阴极相连,第五开关器件心的发射极与第 五二极管D5的阳极相连;第六开关器件K6的集电极与第六二极管〇6的阴极相连,第六开关器 件K6的发射极与第六二极管D6的阳极相连;第五开关器件仏的发射极连接在到半桥型功率 模块的输出端子G,第六开关器件K6的发射极连接在到半桥型功率模块的输出端子H; Uho为 模块输出电压,ia为桥臂电流。
[0047]图4所示为混合结构模块化多电平换流器桥臂等效电路。每个桥臂等效电路可模 拟桥臂中所有半桥及全桥功率模块在各工况的电磁暂态过程。如图4所示,桥臂等效电路由 六只二极管〇1,〇2,〇3,〇4,〇5,〇6,三个电压源31,32,33,一个电抗器乂1以及桥臂上下端接线端 子A+、A-组成;其中,第一二极管Di的阴极与第二二极管D2的阳极连接,连接点为桥臂上端接 线端子A+;第一二极管Di的阴极与第二二极管D2的阴极及第一电压源§1的一纟而相连接,第一' 二极管Di的阳极、第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极及第一电压源Si的一端相连 接;第二二极管D2的阴极与第一电压源&amp;的另一端相连接;第三二极管Da的阴极与第五二极 管以的阴极及第二电压源S2的一端相连接;第四二极管D4的阳极与第六二极管D6的阳极及 第二电压源S2的另一端相连接;第五二极管D5的阳极与第六二极管D6的阴极及第一电压源 S3的一端相连接;桥臂第一电抗Xi的一端与第三电压源S3的另一端相连接;桥臂第一电抗Xi 的另一端为桥臂下端接线端子A-。所述桥臂等效电路中第一电压源Si为桥臂中所有不控半 桥功率模块电容电压之和,第二电压源S2为桥臂中所有不控全桥功率模块电容电压之和, 第三电压源&amp;为桥臂中所有全桥功率模块和半桥功率模块输出电压之和。所述快速仿真模 型可实现混合结构模块化多电平换流器在不控、受控以及少数模块发生故障等工况下的电 磁暂态快速仿真。
[0048] 本发明仿真过程如下:
[0049] (1)不控工况下半桥功率模块电磁暂态仿真
[0050] 混合结构模块化多电平换流器每个桥臂中所有不控半桥功率模块的电磁暂态过 程可由两只第一二极管以、第二二极管D2和第一电压源Si表示。第一电压源Si的电压US1为桥 臂中所有不控半桥功率模块电容电压UCH1,UCH2,. ..,UCHM之和,假设桥臂有M个不控半桥功率 模块,M多1且为整数,
[0051] Usi = UcHl+UcH2+. . .+Uchm (1)
[0052]每个不控半桥功率模块电容电压UCH经下式(2)计算得出,电容电压初始值为0,UCH (0) =0。下式(2)经过一次计算可得Uch(1),为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值,Ts为计算 步长。以此类推经过k次计算可得到Uch (k),为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值,Uch (k+1) 为(k+1) Ts时刻仿真计算得到的电容电压值。kTs代表仿真运行时间,由于数字仿真每次仿真 计算步长相等,因此k>0且为整数。
[0053] UCH(k+l) =UcH〇〇+fx(ia)TsCf (2)
[00M]其中,ia为桥臂电流,&amp;为半桥功率模块电容值,Ts为计算步长,匕为半桥功率模块 电容电流计算方法,当ia>0时,fx(ia)=乜;当乜<〇时,fx(ia)二〇。
[0055] (2)不控工况下全桥功率模块电磁暂态仿真
[0056]混合结构模块化多电平换流器每个桥臂所有不控全桥功率模块由第三二极管〇3、 第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第二电压源s2表示,可模拟桥臂中所有不控 全桥功率模块的电磁暂态过程。第二电压源S2的电压us2为桥臂中所有不控全桥功率模块电 容电压U(:F1,U(F2, . • •,UcFP之和,假设桥臂有P个不控全桥功率模块,p彡1且为整数,
[0057] Us2 = UcFl+UcF2+. . .+Ucfp (3)
[0058] 每个全桥功率模块电容的电压UCF经下式(4)计算得出,电容电压初始值为0,UCF ⑼=0。下式(4)经过一次计算可得Ucf (1),为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值,Ts为计算 步长。以此类推经过k次计算可得到Ucf(k),为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值,Ucf(k+1) 为(k+1) Ts时刻仿真计算得到的电容电压值。kTs代表仿真运行时间,由于数字仿真每次仿真 计算步长相等,因此k多0且为整数。
[0059] Ucf (k+1) =Ucf ⑹ + 丨 ia 1 TsCf ⑷
[0060] 其中,ia为桥臂电流,Cf为全桥功率模块电容值,Ts为计算步长。
[0061] 03)受控工况下全桥及半桥功率模块电磁暂态仿真
[0062]混合结构模块化多电平换流器每个桥臂所有受控半桥功率模块和全桥功率模块 由第三电压源S3表示其电磁暂态过程。第三电压源S3的电压为桥臂中所有全桥和半桥功率 模块输出电压之和U〇Fi,U〇F2,…,Uqfq,Uqhi,Uqh2,.…,Uqhr之和,假设桥臂有Q个受控全桥功率 模块、R个受控半桥功率模块,Q多1整数,R多1整数。
[0063] Us3 = Uofi+Uof2+. . .+Uofq+Uohi+Uoh2+. . .+Uohr (5)
[0064] 每个全桥功率模块的输出电压UQF由模块电容电压Ucf及第一开关器件!^、第二开关 器件K2、第三开关器件K3和第四开关器件K4的开关状态决定,具体如下:
[0065]当第一开关器件心和第四开关器件K4为开通状态,第二开关器件1(2和第三开关器 件K3为关闭状态,全桥功率模块输出电压为UCF;当第一开关器件心和第四开关器件K4为关闭 状态,第二开关器件K2和第三开关器件K3为开通状态,全桥功率模块输出电压为-UCF;第一 开关器件心和第三开关器件K3为开通状态,第二开关器件K2和第四开关器件K4为关闭状态, 全桥功率模块输出电压为0;第一开关器件&amp;和第三开关器件K3为关闭状态,第二开关器件 K2和第四开关器件K4为开通状态,全桥功率模块输出电压为0。
[0066] 每个半桥功率模块的输出电压UQH由模块电容电压UCH及第五开关器件1(5、第六开关 器件K6的开关状态决定,具体如下:
[0067] 当第五开关器件心为开通状态,第六开关器件K6为关闭状态,半桥功率模块输出电 压为UcH;当第五开关器件1(5为关闭状态,第六开关器件K6为开通状态,半桥功率模块输出电 压为0。
[0068] 所有受控全桥功率模块和半桥功率模块的电容电压计算过程如下,每个全桥功率 模块电容的电压Ucf经下式⑹计算得出,电容电压初始值为0,Ucf⑼=0。下式(6)经过一次 计算可得UCF(1),为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值,Ts为计算步长。以此类推经过k次计 算可得到UCF(k),为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值,UCF (k+1)为(k+1) Ts时刻仿真计算 得到的电容电压值。kTs代表仿真运行时间,由于数字仿真每次仿真计算步长相等,因此k多 0且为整数。
[0069] UCF(k+l) =UCF〇〇+fx(ia)TsCf (6)
[0070] 其中,ia为桥臂电流,Cf为全桥功率模块电容值,Ts为计算步长,fx为半桥功率模块 电容电流计算方法。
[0071] 所述的计算方法如下:当第一开关器件和第四开关器件为开通状态,第二开关 器件和第三开关器件为关闭状态,fx(ia)=ia;当第一开关器件1和第四开关器件K4为关闭 状态,第二开关器件K2和第三开关器件&amp;为开通状态,fx (ia) ia;第一开关器件Kl和第三 开关器件K3为开通状态,第二开关器件K2和第四开关器件K4为关闭状态,fx(ia)=0;第一开 关器件心和第三开关器件K3为关闭状态,第二开关器件心和第四开关器件k4为开通状态,fx (ia) =0。
[0072] 每个受控半桥功率模块电容电压UCH经下式(7)计算得出,电容电压初始值为〇,UcH 〇))二0。下式(7)经过一次计算可得UCH(1),为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值,Ts为计算 步长。以此类推经过k次计算可得到UCH(k),为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值,UCH(k+l) 为(k+1) Ts时刻仿真计算得到的电容电压值。kTs代表仿真运行时间,由于数字仿真每次仿真 计算步长相等,因此k>〇且为整数。
[0073] UcH(k+l)=UcH(k)+fx(ia)TsCf ⑺
[0074] 其中,ia为桥臂电流,Cf为半桥功率模块电容值,Ts为计算步长,匕为半桥功率模块 电容电流计算方法,所述的计算方法如下:当第五开关器件Ks为开通状态,第六开关器件 K6为关闭状态,fx (ia) =ia;当第五开关器件K5为关闭状态,第六开关器件K6为开通状态,fx (ia) =0。
[0075] ⑷少数模块发生故障工况下的电磁暂态仿真
[0076] 混合结构模块化多电平换流器正常运行,当少数半桥或者全桥功率模块发生故障 时,故障功率模块处于闭锁不受控状态,此时混合结构模块化多电平换流器桥臂中包含不 控状态和受控状态两种状态的功率模块。采用本发明的仿真模型可模拟混合结构模块化多 电平换流器同时具有不控功率模块和受控功率模块的工况,因此实现混合结构模块化多电 平换流器在少数模块发生故障工况下的电磁暂态快速仿真。
[0077] 图5所示为混合结构模块化多电平换流器仿真模型,该仿真模型由六个所述的桥 臂等效电路组成,分别为八1]、八1^、81]、81^、〇]、(^六个桥臂等效电路。其中六1]桥臂等效电路的八-端及AL桥臂等效电路的A+的连接点为A,该点与交流侧电网A相连接;BU桥臂等效电路的A 一端 及BL桥臂等效电路的A+的连接点为B,该点与交流侧电网B相连接;CU桥臂等效电路的A-端及 CL桥臂等效电路的A+的连接点为C,该点与交流侧电网C相连接;AU桥臂等效电路的A+端,BU 桥臂等效电路的A+端,CU桥臂等效电路的A+端相连接,连接点接入直流电网正极DC+;AL桥臂 等效电路的A-端,BL桥臂等效电路的A-端,CL桥臂等效电路的A-端相连接,连接点接入直流 电网负极DC-。

Claims (6)

1.一种混合结构模块化多电平换流器仿真系统,其特征在于,所述的仿真系统由六个 相同桥臂等效电路构成,所述的桥臂等效电路由六只二极管(D1,D2,D3,D4,D5,D6)Gf%ff 源(Si,S2,S3),一个电抗器(Xl),以及桥臂上下端接线端子(A+、A_)组成;其中,第一二极管 (Di)的阴极与第二二极管①2)的阳极连接,连接点为桥臂上端接线端子(A+);第一二极管 (Di)的阳极、第三二极管①3)的阳极、第四二极管⑽的阴极及第—电压源⑸的一端相连 接;第一二极管①2)的阴极与第一电压源(S〇的另一端相连接;第三二极管(D3)的阴极与第 五一极管①5)的阴极及第二电压源(S2)的一端相连接;第四二极管①4)的阳极与第六二极 B (D6)的阳极及弟一电压源(S2)的另一端相连接;第五二极管(d5)的阳极与第六二极管 (D6)的阴极及第三电压源(S3)的一端相连接;桥臂第一电抗⑹的一端与第三电压源(S3) 的另一端相连接;桥臂第一电抗(Xi)的另一端为桥臂下端接线端子(a_);所述桥臂等效电路 中第一电压源(SD为桥臂中所有不控半桥功率模块电容电压之和,第二电压源(S2)为桥臂 中所有不控全桥功率模块电容电压之和,第三电压源(S3)为桥臂中所有受控全桥功率模块 和受控半桥功率模块输出电压之和; 所述的全桥型功率模块的内部电路包括储能电容(CF)、四只开关器件(Kl、K2、K3、K4),&amp; 及四只二极管(Di、D2、D3、D4);其中,第一开关器件(K0和第三开关器件(k3)的集电极连接到 第一储能电容(Cf)的正极,第二开关器件(K2)和第四开关器件(K4)的发射极连接到第一储 能电容(CF)的负极;第一开关器件(Ki)的集电极与第一二极管(Di)的阴极相连,第一开关器 件(Ki)的发射极与第一二极管(D〇的阳极相连;第二开关器件(K2)的集电极与第二二极管 ①2)的阴极相连,第二开关器件〇(2)的发射极与第二二极管(D2)的阳极相连;第三开关器件 (K3)的集电极与第三二极管(Da)的阴极相连,第三开关器件(K3)的发射极与第三二极管 (D3)的阳极相连;第四开关器件(K4)的集电极与第四二极管⑽的阴极相连,第四开关器件 (K4)的发射极与第四二极管(D4)的阳极相连;第一开关器件(L)的发射极与第二开关器件 (K2)的集电极连接在到半桥型功率模块的输出端子E,第三开关器件(K3)的发射极与第四开 关器件(K4)的集电极连接在到半桥型功率模块的输出端子F; 所述的半桥型功率模块的内部电路包括储能电容(〇〇、第五开关器件(K5)、第六开关器 件(K6),以及第五二极管(D5)、第六二极管(D6);其中,第五开关器件(K5)的集电极连接到第 二储能电容(Ch)的正极,第六开关器件(K6)的发射极连接到第二储能电容(CH)的负极;第五 开关器件(K5)的集电极第与第五二极管(D5)的阴极相连,第五开关器件(K5)的发射极与第 五二极管(D5)的阳极相连;第六开关器件(K6)的集电极与第六二极管(D6)的阴极相连,第六 开关器件(K6)的发射极与第六二极管(D6)的阳极相连;第五开关器件(K5)的发射极连接在 到半桥型功率模块的输出端子G,第六开关器件(K6)的发射极连接在到半桥型功率模块的 输出端子H; 所述的第一电压源(Si)中,为桥臂中所有不控半桥功率模块电容电压UdUd ...,UCHM 之和,假设桥臂有M个不控半桥功率模块,M^l且为整数,第一电压源(Si)的电压US1为: Usi = UcHl+UcH2+. . .+UCHM (1) 每个不控半桥功率模块电容电压UCH经下式(2)计算得出,电容电压初始值为0,UCH⑼= 0;下式⑵经过一次计算可得UCH(1),为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值,Ts为计算步长; 以此类推经过k次计算可得到UcH(k),为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值,UCH(k+l)为(k+ 1) Ts时刻仿真计算得到的电容电压值;kTs代表仿真运行时间,由于数字仿真每次仿真计算 步长相等,因此0且为整数; Uch (k+1) =Uch ⑹ +fx (ia) TsCf (2) 其中,ia为桥臂电流,Cf为不控半桥功率模块电容值,Ts为计算步长,fx为不控半桥功率 模块电容电流计算方法,当乜彡〇时,=k;当乜<0时,fx(ia) =〇; 所述的第二电压源(S2)中,假设桥臂有P个不控全桥功率模块,P多1且为整数,第二电压 源(s2)的电压US2为: US2 = UCF1+UCF2+. . .+UCFP ⑶ 每个不控全桥功率模块电容的电压UCF经下式⑷计算得出,电容电压初始值为0,UCF (〇) =0;下式(4)经过一次计算可得UCF(1),为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值,Ts为计算步 长;以此类推,经过k次计算可得到Ucf⑹,为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值,UCF(k+l) 为(k+1) Ts时刻仿真计算得到的电容电压值;kTs代表仿真运行时间,由于数字仿真每次仿真 计算步长相等,因此k多0且为整数; Ucf (k+1) =Ucf ⑹ + I ia | TsCf (4) 其中,ia为桥臂电流,Cf为全桥功率模块电容值,Ts为计算步长; 所述的第三电压源(S3)为桥臂中所有受控全桥功率模块和受控半桥功率模块输出电压 U〇Fl,U〇F2, • • .,U〇FQ,U〇Hl,U〇H2, • • •,U〇HR之和,假设桥臂有Q个受控全桥功率模块、R个受控半桥 功率模块,Q彡1整数,R彡1整数, Us3 = U〇Fl+U〇F2+. . .+U〇FQ+U〇Hl+U〇H2+. . .+U〇HR (5) 每个受控全桥功率模块的输出电压U〇F由模块电容电压UCF及第一开关器件(K〇、第二开 关器件(K2)、第三开关器件(K3)和第四开关器件(K4)的开关状态决定,具体如下: 当第一开关器件(Ki)和第四开关器件(K4)为开通状态,第二开关器件(K2)和第三开关 器件(K3)为关闭状态,受控全桥功率模块输出电压为UCF;当第一开关器件(Ki)和第四开关 器件(K4)为关闭状态,第二开关器件⑹和第三开关器件⑹为开通状态,受控全桥功率模 块输出电压为-Ucf;第一开关器件(¾)和第三开关器件(K3)为开通状态,第二开关器件(K2) 和第四开关器件(K4)为关闭状态,受控全桥功率模块输出电压为〇;第一开关器件(KD和第 三开关器件(K3)为关闭状态,第二开关器件(K2)和第四开关器件(K4)为开通状态,受控全桥 功率模块输出电压为〇; 每个受控半桥功率模块的输出电压Uqh由模块电容电压Uch及第五开关器件(K5)、第六开 关器件(K6)的开关状态决定,具体如下: 当第五开关器件(K5)为开通状态,第六开关器件(K6)为关闭状态,受控半桥功率模块输 出电压为UCH;当第五开关器件(K5)为关闭状态,第六开关器件(K6)为开通状态,受控半桥功 率模块输出电压为0; 所述仿真系统实现混合结构模块化多电平换流器在各工况下的电磁暂态仿真。
2.如权利要求1所述的仿真系统,其特征在于,所述的混合结构模块化多电平换流器每 个桥臂中所有不控半桥功率模块的电磁暂态过程由第一二极管(Dl)、第二二极管(D2)和第 一电压源(Si)表示。
3.如权利要求1所述的仿真系统,其特征在于,所述的混合结构模块化多电平换流器每 个桥臂所有不控全桥功率模块由第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六 二极管(D6)和第二电压源(S2)表示。
4. 如权利要求1所述的仿真系统,其特征在于,所述的混合结构模块化多电平换流器每 个桥臂所有受控半桥功率模块和受控全桥功率模块由第三电压源(S3)表示其电磁暂态过 程。
5. 如权利要求1所述的仿真系统,其特征在于所述的混合结构模块化多电平换流器仿 真系统中每个桥臂所有受控全桥功率模块和受控半桥功率模块的电容电压计算过程如下: 每个受控全桥功率模块电容的电压Ucf经下式(6)计算得出,电容电压初始值为〇,UCF (0) =〇;下式(6)经过一次计算可得Ucf (1),为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值,Ts为计算步 长;以此类推,经过k次计算可得到UCF(k),为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值,UCF(k+l) 为(k+1) Ts时刻仿真计算得到的电容电压值;kTs代表仿真运行时间,由于数字仿真每次仿真 计算步长相等,因此k多0且为整数; Ucf (k+1) =Ucf (k) +fx (ia) TsCf ⑹ 其中,ia为桥臂电流,Cf为受控全桥功率模块电容值,Ts为计算步长,fx为受控半桥功率 模块电容电流计算方法; 所述fx的计算方法如下:当第一开关器件(K0和第四开关器件(K4)为开通状态,第二开 关器件(K2)和第三开关器件(K3)为关闭状态,fx (ia) = ia;当第一开关器件(K0和第四开关 器件(K4)为关闭状态,第二开关器件(K2)和第三开关器件(K3)为开通状态,fx (ia) =-ia;第 一开关器件(Ki)和第三开关器件(K3)为开通状态,第二开关器件(K2)和第四开关器件(K4) 为关闭状态,fx(ia) =〇;第一开关器件(Ki)和第三开关器件(K3)为关闭状态,第二开关器件 (K2)和第四开关器件(K4)为开通状态,fx(ia)二0; 每个受控半桥功率模块电容电压UCH经下式C7)计算得出,电容电压初始值为0,UCH (0)= 0;下式⑺经过一次计算可得UCH(1),为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值,Ts为计算步长; 以此类推经过k次计算可得到UCH⑹,为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值,UCH (k+1)为(k+ 1) Ts时刻仿真计算得到的电容电压值;kTs代表仿真运行时间,由于数字仿真每次仿真计算 步长相等,因此k多0且为整数; Uch (k+1) =Uch ⑹ +fx (ia) TsCf (7) 其中,ia为桥臂电流,Cf为受控半桥功率模块电容值,Ts为计算步长,fx为受控半桥功率 模块电容电流计算方法,所述fx的计算方法如下:当第五开关器件(K5)为开通状态,第六开 关器件(K6)为关闭状态,fx(ia) =ia;当第五开关器件(K5)为关闭状态,第六开关器件(K6)为 开通状态,fx (ia) =0。
6. 如权利要求1所述的仿真系统,其特征在于,所述的仿真模型能够同时模拟混合结构 模块化多电平换流器中所有不控全桥功率模块和半桥功率模块、受控全桥功率模块和半桥 功率模块的电磁暂态特征;当混合结构模块化多电平换流器中所有全桥功率模块和半桥功 率模块为不控时,能够仿真不控充电或者停机过程;当混合结构模块化多电平换流器所有 全桥功率模块和半桥功率模块为受控状态时,能够仿真正常运行过程;当混合结构模块化 多电平换流器中既有受控功率模块又有不控功率模块时,能够仿真桥臂有少数模块发生故 障状态时的电磁暂态仿真。
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