CN105045952B - 模块化多电平换流器多维度建模方法与仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及模块化多电平换流器多维度建模方法和仿真方法，包括：①，建立半桥子模块的等效模型，根据戴维南等效原理建立子模块的戴维南等效模型；将子模块的戴维南等效模型进行级联，建立模块化多电平换流器的高速等效模型；②，获取杂散参数，在步骤①所建立高速等效模型相应位置接入杂散电容及杂散电阻，建立模块化多电平换流器宽频模型；③，将步骤②所建立宽频模型每个桥臂的一个子模块替代为详细电磁暂态模型，建立模块化多电平换流器多维度模型。本发明不仅大大的提高了系统仿真效率，能够实现器件级电磁暂态分析，还能够模拟杂散元件对系统运行的影响，便于对模块化多电平换流器系统进行高效、精确的仿真分析。
Description
技术领域
本发明涉及模块化多电平换流器多维度建模方法与仿真方法。
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技术日益受到重视。模块化多电平换流器是柔性直流输电系统应用中电压源换流器的一种，它由多个半桥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。
模块化多电平换流器由于电平数较高，系统所需的元器件较多，基于详细电磁暂态模型搭建仿真系统进行仿真，可以对系统器件级电磁暂态特性进行分析，但是忽略了杂散元件对系统运行特性的影响，且仿真时间较长，仿真效率较低。
基于宽频模型[1]搭建仿真系统进行仿真，考虑了杂散元件对系统运行特性的影响，但是需要的元器件更多，仿真时间更长，仿真效率更低，严重影响对模块化多电平换流器系统的研究与分析。
基于高速等效模型[2]搭建仿真系统进行仿真，能够基本等效详细模型，仿真所需时间较短，大大提高了仿真效率，但是忽略了杂散元件对系统运行的影响，且无法对器件级电磁暂态特性进行分析。
为提高仿真系统运行效率的同时，实现开关器件级电磁暂态特性仿真，且能够模拟杂散元件对系统过电压分布特性的影响，提高仿真模型的精确度，亟待提出一种能够兼顾高速仿真、更高的等效性和器件级电磁暂态分析的模块化多电平换流器建模方法。
[1]张文亮,汤广福.±800kV/4750A特高压直流换流阀宽频建模及电压分布特性研究[J].中国电机工程学报,2010,30(31):1-6.
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发明内容
本发明的目的是提供一种模块化多电平换流器多维度建模方法，用以解决现有技术中单独使用某种仿真模型不能兼顾仿真效率、暂态分析、精确的问题。基于上述建模方法，本发明还提供了一种仿真方法。
为实现上述目的，本发明的方案包括：模块化多电平换流器多维度建模方法，包括：
①建立半桥子模块的等效模型，根据戴维南等效原理建立子模块的戴维南等效模型；将子模块的戴维南等效模型进行级联，建立模块化多电平换流器的高速等效模型；获取杂散参数，
②在步骤①所建立高速等效模型相应位置接入杂散电容及杂散电阻，建立模块化多电平换流器宽频模型；
③将步骤②所建立宽频模型每个桥臂的一个子模块替代为详细电磁暂态模型，建立模块化多电平换流器多维度模型。
进一步的，所述杂散参数包括阀塔进出线间的杂散电容、阀塔间对地杂散电容与杂散电阻。
进一步的，所述子模块为半桥子模块，步骤①中将半桥子模块的IGBT支路等效为电阻支路、电容支路等效为电阻与电压源的串联支路，建立半桥子模块的等效模型；然后根据戴维南等效原理建立半桥子模块的戴维南等效模型；最后将半桥子模块的戴维南等效模型进行级联，建立模块化多电平换流器的高速等效模型。
本发明还提供了一种模块化多电平换流器多维度仿真方法，
①建立半桥子模块的等效模型，根据戴维南等效原理建立子模块的戴维南等效模型；将子模块的戴维南等效模型进行级联，建立模块化多电平换流器的高速等效模型；
②获取杂散参数，在步骤①所建立高速等效模型相应位置接入杂散电容及杂散电阻，建立模块化多电平换流器宽频模型；
③将步骤②所建立宽频模型每个桥臂的一个子模块替代为详细电磁暂态模型，建立模块化多电平换流器多维度模型；
④配置换流器电气参数和规模，用步骤③建立的多维度模型进行仿真。
进一步的，所述杂散参数包括阀塔进出线间的杂散电容、阀塔间对地杂散电容与杂散电阻。
进一步的，所述子模块为半桥子模块，步骤①中将半桥子模块的IGBT支路等效为电阻支路、电容支路等效为电阻与电压源的串联支路，建立半桥子模块的等效模型；然后根据戴维南等效原理建立半桥子模块的戴维南等效模型；最后将半桥子模块的戴维南等效模型进行级联，建立模块化多电平换流器的高速等效模型。
本发明的模块化多电平换流器的多维度建模方法，不仅大大的提高了系统仿真效率，能够实现器件级电磁暂态分析，还能够模拟杂散元件对系统运行的影响，便于对模块化多电平换流器系统进行高效、精确的仿真分析。
附图说明
图1是本发明实施方式的模块化多电平换流器多维度模型一个桥臂的结构图；
图2是本发明实施方式的半桥子模块的戴维南等效模型；
图3是本发明实施方式的多维度模型高效性仿真验证结果图示；
图4是本发明实施方式的多维度模型开关器件级电磁暂态特性仿真验证结果图示；
图5是本发明实施方式的多维度模型宽频特性仿真验证结果图示。
具体实施方式
建模方法实施例
下面以半桥子模块为例进行介绍，作为其他实施方式，本发明的建模方法也适用于全桥或其他拓扑的子模块。
模块化多电平换流器多维度模型单个桥臂的结构图如图1所示。建模过程如下：
①首先建立模块化多电平换流器高速等效模型。模块化多电平换流器中每个子模块都可概述为由IGBT支路和电容支路构成，其中IGBT支路包含IGBT及其反并联的二极管DIODE。当有电流流过IGBT支路时，该支路等效为开关器件导通电阻Ron；当无电流流过IGBT支路时，该支路等效为开关器件关断电阻Roff；电容支路等效为电组与电压源的串联。
电容支路等效电阻及等效电压源电压计算。根据梯形积分法计算电容电压Vc：
半桥子模块的戴维南等效模型建立。如图2所示：
正常运行时，如果半桥子模块处于投入状态，则：
如果半桥子模块处于切除状态，则：
系统闭锁时，如果流入子模块的电流为正方向，即倾向于向子模块充电，则半桥子模块的戴维南等效模型参数计算与式(3)、式(4)相同；如果流入子模块的电流为负方向，则半桥子模块的戴维南等效模型参数计算与式(5)、式(6)相同。
模块化多电平换流器高速等效模型建立。换流器的每个桥臂都由半桥子模块串联而成，因此每个桥臂相当于各个子模块的等效电阻和电压的串联叠加，可以计算为：
Varm＝ΣRsm_HBSMi·Iarm+ΣVsm_HBSMi (7)
②然后获取杂散参数，并依据高速等效模型建立模块化多电平换流器宽频模型。
获取杂散元件参数。依本发明所述，以阀塔为单位，获取的杂散参数包括每个阀塔进出线之间的杂散电容、两个阀塔之间的对地杂散电容及杂散电阻。
使用Ansoft软件通过电场分析的方法可以得到换流阀杂散电容的值；换流阀杂散电阻难以使用电场分析的方法得到，其值与中间介质以及电压等级有关。
建立模块化多电平换流器宽频模型。按照所获取杂散元件在系统中的位置，在高速等效模型的相应位置接入杂散电容及杂散电阻，建立模块化多电平换流器宽频模型。
③最后结合高速等效模型、宽频模型以及详细电磁暂态模型，建立模块化多电平换流器多维度模型。
采用一个桥臂中单个子模块为开关器件级详细模型的方法，将建立完成的宽频模型的每个桥臂独立提出一个子模块，设计为详细电磁暂态模型，其余仍然按照高速等效模型进行设计，从而建立模块化多电平换流器多维度模型。
仿真方法实施例
采用以上实施例的方法进行建模，配置换流器：仿真系统直流母线电压为2400V，容量为20kW，交流阀侧线电压有效值为1400V，每个桥臂20个子模块，子模块电容为1mF，电容额定工作电压为120V，桥臂电抗器为50mH，每个桥臂包含3个阀塔，阀塔中子模块的个数分别为7个、7个、6个，且每个桥臂的第一个阀塔的第一个子模块设计为开关器件级详细电磁暂态模型。
对地杂散电容1nF；由于电压等级较低，干燥空气的电阻非常大，设置为1e9Ω；每个阀段进出线之间的杂散电容为50pF。
对模块化多电平换流器多维度模型的仿真验证包括高效性验证、宽频特性验证和器件级电磁暂态特性验证。其中多维度模型的高效性通过仿真时间的长短来验证，宽频特性通过观察桥臂受到雷电冲击过电压时的电压分布特性来验证，器件级电磁暂态特性通过观察旁路开关动作延时对子模块电容电压的影响来验证。
为验证本发明所述模块化多电平换流器多维度模型的高效性，选择宽频详细模型、多维度模型分别仿真1s的时长，并对仿真时间进行计时，计时结果如图3所示。从图中可以看出，采用详细宽频模型进行仿真时，仿真1s的时长需要1小时49分钟12秒左右的时间，采用多维度模型进行仿真时，仿真1s的时长仅需要13分钟32秒左右的时间，仿真效率有了很大的提高。
为验证本发明所述模块化多电平换流器多维度模型的器件级电磁暂态特性，引入子模块故障，并在0.25s时刻封锁故障子模块驱动脉冲，此时子模块处于充电状态，观察旁路开关延时3ms、4ms、4.5ms时间动作时的故障子模块电容电压，仿真结果如图5所示，为观察方便，对仿真数据进行了处理。由图可知，随着旁路开关动作延时的增加，子模块电容电压逐渐升高，如果旁路开关动作延时过长，超过一个周期甚至是几个周期，可能导致电容电压过高而发生事故。
为验证本发明所述模块化多电平换流器多维度模型的宽频特性，对宽频详细模型、详细模型以及多维度模型的桥臂施加雷电冲击电压，观察到阀塔的电压分布特性如图4所示。由图可知，施加雷电冲击电压过程中，波前半段电压变化基本相同，直至分布在桥臂所有子模块两端的电压达到最大值之后出现差异，多维度模型、宽频详细模型由于杂散电容的电压箝位作用，阀塔进出线对地电压缓慢降低，且二者变化情况相同；详细模型阀塔进出线对地电压随着雷电冲击电压降低而降低且均匀分布。
通过仿真对比验证了本发明所示模块化多电平换流器多维度模型不仅大大提高了仿真系统的仿真效率，能够实现开关器件级电磁暂态分析，同时能够模拟杂散元件对系统运行的影响，更贴近实际系统，仿真精度更高。
以上给出了本发明涉及两个个主题的具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.模块化多电平换流器多维度建模方法，其特征在于，
①建立半桥子模块的等效模型，根据戴维南等效原理建立子模块的戴维南等效模型；将子模块的戴维南等效模型进行级联，建立模块化多电平换流器的高速等效模型；
②获取杂散参数，在步骤①所建立高速等效模型相应位置接入杂散电容及杂散电阻，建立模块化多电平换流器宽频模型；
③将步骤②所建立宽频模型每个桥臂的一个子模块替代为详细电磁暂态模型，建立模块化多电平换流器多维度模型。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器多维度建模方法，其特征在于，所述杂散参数包括阀塔进出线间的杂散电容、阀塔间对地杂散电容与杂散电阻。
3.根据权利要求1或2所述的模块化多电平换流器多维度建模方法，其特征在于，所述子模块为半桥子模块，步骤①中将半桥子模块的IGBT支路等效为电阻支路、电容支路等效为电阻与电压源的串联支路，建立半桥子模块的等效模型；然后根据戴维南等效原理建立半桥子模块的戴维南等效模型；最后将半桥子模块的戴维南等效模型进行级联，建立模块化多电平换流器的高速等效模型。
4.模块化多电平换流器多维度仿真方法，其特征在于，
①建立半桥子模块的等效模型，根据戴维南等效原理建立子模块的戴维南等效模型；将子模块的戴维南等效模型进行级联，建立模块化多电平换流器的高速等效模型；
②获取杂散参数，在步骤①所建立高速等效模型相应位置接入杂散电容及杂散电阻，建立模块化多电平换流器宽频模型；
③将步骤②所建立宽频模型每个桥臂的一个子模块替代为详细电磁暂态模型，建立模块化多电平换流器多维度模型；
④配置换流器电气参数和规模，用步骤③建立的多维度模型进行仿真。
5.根据权利要求4所述的模块化多电平换流器多维度仿真方法，其特征在于，所述杂散参数包括阀塔进出线间的杂散电容、阀塔间对地杂散电容与杂散电阻。
6.据权利要求4或5所述的模块化多电平换流器多维度仿真方法，其特征在于，所述子模块为半桥子模块，步骤①中将半桥子模块的IGBT支路等效为电阻支路、电容支路等效为电阻与电压源的串联支路，建立半桥子模块的等效模型；然后根据戴维南等效原理建立半桥子模块的戴维南等效模型；最后将半桥子模块的戴维南等效模型进行级联，建立模块化多电平换流器的高速等效模型。
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