CN105099245B

CN105099245B - 二极管箝位式模块化多电平换流器子模块等值仿真方法

Info

Publication number: CN105099245B
Application number: CN201510490045.6A
Authority: CN
Inventors: 龚文明; 朱喆; 许树楷
Original assignee: Research Institute of Southern Power Grid Co Ltd
Current assignee: Research Institute of Southern Power Grid Co Ltd
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2018-05-01
Anticipated expiration: 2035-08-11
Also published as: CN105099245A

Abstract

本发明提供了一种二极管箝位式模块化多电平换流器子模块等值仿真方法，该仿真方法包括如下步骤：A、仿真前，根据开关状态与桥臂电流方向预先分析子模块所有可能的十六种工作状态，根据分析结果最终归纳为六种工作模式，并得到每种工作模式下C₁、C₂的电压计算公式和子模块的输出电压计算公式；B、仿真时，根据求解时刻开关驱动信号与桥臂电流方向判断子模块工作模式；C、根据步骤A所述对应工作模式下的电容电压计算公式得到C₁、C₂的电压；D、根据步骤A所述对应工作模式下的子模块输出电压计算公式和步骤C得到的电容电压计算得到子模块输出电压。采用本发明的仿真方法，可以实现多电平换流器的并行计算，从而提高仿真速度；其原理简明，计算速度快，结果准确。

Description

二极管箝位式模块化多电平换流器子模块等值仿真方法

技术领域

本发明一种二极管箝位式模块化多电平换流器子模块等值仿真方法。

背景技术

柔性直流输电是解决大规模可再生能源并网、大容量远距离输电、输电走廊紧缺等问题的有效技术手段之一。

现有柔性直流输电系统一般基于模块化多电平换流器，这种换流器由数量巨大的子模块级联构成，每个子模块中又包含数个电力电子开关、二极管、电容等器件。在使用目前通用的电磁暂态仿真软件进行仿真计算时，开关器件被等效成一个双状态的可变电阻，当发生开关状态变化时就需要重新生成节点导纳矩阵，并且为了消除在两次仿真采样时刻之间开关状态改变所造成的计算误差，还需要对开关时刻的状态变量进行插值运算。由于模块化多电平换流器包含了大量开关动作，因此每一个仿真步长中都存在大量矩阵逆运算与插值运算，大大降低了仿真效率。

目前文献中提出了几类改进仿真效率的建模方法。第一类是采用平均值建模方法，但这种方法忽略了开关过程，难以得到精确的电磁暂态计算结果。第二类方法将开关器件等效为理想开关，并将模块化多电平换流器的子模块及桥臂用Dommel等值计算模型进行等效，从而避免了开关状态变化时重新生成节点导纳矩阵，这种方法仍然是串行计算方法。第三类方法是利用可控电压源和可控电流源实现子模块与主电路的解耦，从而可以基于现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现大量子模块的实时并行计算，这类方法需要根据电路拓扑结构进行特殊的建模。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是实现一种二极管箝位式模块化多电平换流器的并行仿真。

为了实现上述目的，本发明提供了一种二极管箝位式模块化多电平换流器子模块等值仿真方法，所述模块化多电平换流器由六个桥臂组成，每两个桥臂串联形成一个相单元，每个桥臂由数个级联子模块和一个桥臂电抗L串联组成；每个所述子模块包括反并联连接的第一开关管S₁与第一二极管D₁、反并联连接的第二开关管S₂与第二二极管D₂、反并联连接的第三开关管S₃与第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一电容C₁和第二电容C₂；其中，D₁的正极与D₂的负极连接到所述子模块的正输出端，D₁的负极连接到C₁的正极，C₁的负极与C₂的正极连接到D₄的负极，D₂的正极与D₃的正极连接到C₂的负极，D₃的负极与D₄的正极连接到所述子模块的负输出端；

该仿真方法包括如下步骤：

A、仿真前，根据开关状态与桥臂电流方向预先分析子模块所有可能的十六种工作状态，根据分析结果最终归纳为六种工作模式，并得到每种工作模式下C₁、C₂的电压计算公式和子模块的输出电压计算公式；

B、仿真时，根据求解时刻开关驱动信号与桥臂电流方向判断子模块工作模式；

C、根据步骤A所述对应工作模式下的电容电压计算公式得到C₁、C₂的电压；

D、根据步骤A所述对应工作模式下的子模块输出电压计算公式和步骤C得到的电容电压计算得到子模块输出电压。

根据本发明另一具体实施方式，步骤A中的第一工作模式MOD1为：两个电容旁路；

两个电容的电压计算公式为：

u_c1＝U_c10

u_c2＝U_c20

u_sm＝sign(i)(u_D+u_S)

其中U_c10、U_c10分别为C₁、C₂的初始电压，u_D为二极管电压降，u_S为开关管电压降，sign()为求符号函数。

根据本发明另一具体实施方式，第一工作模式MOD1分为两种状态：

在状态MOD1a中，S₂和D₃导通，两个电容旁路；

在状态MOD1b中，S₃和D₂导通，两个电容旁路。

根据本发明另一具体实施方式，步骤A中的第二工作模式MOD2为：两个电容串联；

两个电容的电压计算公式为：

根据本发明另一具体实施方式，第二工作模式MOD2分为两种状态：

在状态MOD2a中，D₁和D₃导通，两个电容串联充电；

在状态MOD2b中，S₁和S₃导通，两个电容串联放电。

根据本发明另一具体实施方式，步骤A中的第三工作模式MOD3为：D₂和D₄导通，C₁旁路，C₂充电；

两个电容的电压计算公式为：

u_c1＝U_c10

根据本发明另一具体实施方式，步骤A中的第四工作模式MOD4为：两电容串联并剧烈放电均压；

两个电容的电压计算公式为：

u_sm＝sign(i)(u_D+u_S)。

根据本发明另一具体实施方式，第四工作模式MOD4分为两种状态：

在状态MOD4a中，S₁、S₂和D₃导通，两电容串联并剧烈放电均压；

在状态MOD4b中，S₁、S₃和D₂导通，两电容串联并剧烈放电均压。

根据本发明另一具体实施方式，步骤A中的第五工作模式MOD5为：S₁、D₂和D₄导通，两电容并联充电；

两个电容的电压计算公式为：

根据本发明另一具体实施方式，步骤A中的第六工作模式MOD6为：S₁和D₄导通，C₁反向充电，C₂旁路；

两个电容的电压计算公式为：

u_c2＝U_c20

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

采用本发明的仿真方法，通过受控电压源和受控电流源，可实现换流器主电路与子模块的解耦运算。当存在大量子模块时，可以通过现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现多电平换流器的并行计算，从而提高仿真速度。本发明原理简明，计算速度快，结果准确。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1为实施例1中，模块化多电平换流器一个相单元的结构示意图；

图2为实施例1中，子模块的电路图；

图3为实施例1中，模块化多电平换流器一个相单元的等值模型示意图；

图4为实施例1中，子模块等值模型示意图；

图5a为实施例1中，子模块第一工作模式MOD1a的示意图；

图5b为实施例1中，子模块第一工作模式MOD1b的示意图；

图6a为实施例1中，子模块第二工作模式MOD2a的示意图；

图6b为实施例1中，子模块第二工作模式MOD2b的示意图

图7为实施例1中，子模块第三工作模式MOD3的示意图；

图8a为实施例1中，子模块第四工作模式MOD4a的示意图；

图8b为实施例1中，子模块第四工作模式MOD4b的示意图；

图9为实施例1中，子模块第五工作模式MOD5的示意图；

图10为实施例1中，子模块第六工作模式MOD6的示意图。

具体实施方式

实施例1

图1示出了模块化多电平换流器一个相单元的结构。其中一个向单元包含两个串联的桥臂，每个桥臂由N个级联子模块和一个桥臂电抗L串联组成。在三相系统中，每个模块化多电平换流器一般由三个这样的相单元构成。

图2示出了子模块电路结构。其中，每个子模块包括反并联连接的第一开关管S₁与第一二极管D₁、反并联连接的第二开关管S₂与第二二极管D₂、反并联连接的第三开关管S₃与第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一电容C₁和第二电容C₂，D₁的正极与D₂的负极连接到子模块的正输出端，D₁的负极连接到C₁的正极，C₁的负极与C₂的正极连接到D₄的负极，D₂的正极与D₃的正极连接到C₂的负极，D₃的负极与D₄的正极连接到子模块的负输出端，g₁、g₂、g₃分别为S₁、S₂、S₃的驱动信号，u_c1、u_c2分别为C₁和C₂的电压，i为子模块输入电流，i同时也是子模块所在桥臂的电流，u_sm为子模块输出电压。

图3示出了模块化多电平换流器一个相单元的等值模型。对比图1和图3可以看出，在等值模型中，用一个受控电压源代替了级联的N个子模块，受控电压源的电压输出U_sum为N个子模块电压输出u_sm的和。电压U_sum、桥臂电流i的下标p和n分别代表上桥臂和下桥臂。

图4示出了子模块的等值模型。对比图1和图4可以看出，在等值模型中，用一个受控电流源代替了子模块以外的电路，受控电流源的电流输出i为子模块所在桥臂的桥臂电流。

对比图1和图3、图4可以看出，等值模型实现了子模块与主电路的解耦，从而便于实现并行计算，提高仿真效率。

图5至图10分别示出了子模块的六种工作模式。其中虚线表示该支路或器件在该模式下没有电流流过。i为子模块电流，以流入为正。u_sm为模块输出电压。

图5a和图5b示出了子模块第一工作模式MOD1。其中，又分为两种状态。在状态MOD1a中，S₂和D₃导通，两个电容旁路。在状态MOD1b中，S₃和D₂导通，两个电容旁路。分析电路，存在以下电压计算公式：

u_c1＝U_c10 (1)

u_c2＝U_c20 (2)

u_sm＝sign(i)(u_D+u_S) (3)

图6a和图6b示出了子模块第二工作模式MOD2。其中，又分为两种状态。在状态MOD2a中，D₁和D₃导通，两个电容串联充电。在状态MOD2b中，

S₁和S₃导通，两个电容串联放电。分析电路，存在以下电压计算公式：

图7示出了子模块第三工作模式MOD3。其中，D₂和D₄导通，C₁旁路，C₂充电。分析电路，存在以下电压计算公式：

u_c1＝U_c10 (7)

图8a和图8b示出了子模块第四工作模式MOD4。其中，又分为两种状态。在状态MOD4a中，S₁、S₂和D₃导通，两电容串联并剧烈放电均压。在状态MOD4b中，S₁、S₃和D₂导通，两电容串联放电并剧烈放电均压。分析电路，存在以下电压计算公式：

u_sm＝sign(i)(u_D+u_S) (12)

图9示出了子模块第五工作模式MOD5。其中，S₁、D₂和D₄导通，两电容并联充电。分析电路，存在以下电压计算公式：

图10示出了子模块第六工作模式MOD6。其中，其中，S₁和D₄导通，C₁

反向充电，C₂旁路。分析电路，存在以下电压计算公式：

u_c2＝U_c20 (17)

本实施例的二极管箝位式模块化多电平换流器子模块等值仿真方法，包含以下步骤：

A、分析二极管箝位式子模块的工作状态与工作模式。由于本实施例所涉及的二极管箝位式子模块含有三个开关管，因此有2³＝8种驱动信号组合，其中g₁、g₂、g₃等于1为开通信号；再加上两种电流方向，一共有16种状态，以下分别叙述。换流器正常工作时，电容电压为正，因此以下假定状态开始时电容电压为正。

状态1(g₁＝0，g₁＝0，g₁＝1，i>0)：S₁和S₂关断；S₃承受反压，无法开通；D₁和D₃开通；D₂和D₄关断；C₁和C₂串联充电；子模块工作在MOD2。

状态2(g₁＝0，g₁＝0，g₁＝1，i<0)：S₁和S₂关断；S₃开通；D₂开通；D₁、D₃和D₄关断；C₁和C₂旁路；子模块工作在MOD1。

状态3(g₁＝1，g₁＝0，g₁＝1，i>0)：S₂关断；S₁和S₃承受反压，无法开通；D₁和D₃开通；D₂和D₄关断；C₁和C₂串联充电；子模块工作在MOD2。

状态4(g₁＝1，g₁＝0，g₁＝1，i<0)：S₂关断；S₁和S₃开通；D₁、D₂、D₃和D₄关断；C₁和C₂串联充电；子模块首先工作在MOD2。电容放电至0后，D₂导通，S₁关断；C₁和C₂旁路；子模块转换到MOD1。

状态5(g₁＝0，g₁＝1，g₁＝1，i>0)：S₁关断；S₂开通；S₃承受反压，无法开通；D₁、D₂和D₄关断；D₃开通；C₁和C₂旁路；子模块工作在MOD1。

状态6(g₁＝0，g₁＝1，g₁＝1，i<0)：S₁关断；S₃开通；S₂承受反压，无法开通；D₁、D₃和D₄关断；D₂开通；C₁和C₂旁路；子模块工作在MOD1。

状态7(g₁＝0，g₁＝0，g₁＝0，i>0)：S₁、S₂和S₃关断；D₁和D₃开通；D₂和D₄关断；C₁和C₂串联充电；子模块工作在MOD2。

状态8(g₁＝0，g₁＝0，g₁＝0，i<0)：S₁、S₂和S₃关断；D₁和D₃关断；D₂和D₄开通；C₁旁路；C₂充电；子模块工作在MOD3。

状态9(g₁＝1，g₁＝1，g₁＝0，i>0)：S₁和S₂开通；S₃关断；D₃开通；D₁、D₂和D₄关断；电容直接串联，剧烈放电均压；子模块工作在MOD4。

状态10(g₁＝1，g₁＝1，g₁＝0，i<0)：S₁和S₃开通；S₂关断；D₂开通；D₁、D₄和D₃关断；电容直接串联，剧烈放电均压；子模块首先工作在MOD4。电容均压完成后，D₂导通，S₂关断；子模块转换到MOD5。

状态11(g₁＝0，g₁＝1，g₁＝0，i>0)：S₂开通；S₁和S₃关断；D₁、D₂和D₄关断；D₃开通；C₁和C₂旁路；子模块工作在MOD1。

状态12(g₁＝0，g₁＝1，g₁＝0，i<0)：S₁和S₃关断；S₂承受反压，无法开通；D₁和D₃关断；D₂和D₄开通；C₁旁路；C₂充电；子模块工作在MOD3。

状态13(g₁＝1，g₁＝0，g₁＝0，i>0)：S₂和S₃关断；S₁承受反压，无法开通；D₁和D₃开通；D₂和D₄关断；C₁和C₂串联充电；子模块工作在MOD2。

状态14(g₁＝1，g₁＝0，g₁＝0，i<0)：S₁开通；S₂和S₃关断；D₁、D₂和D₃关断；D₄开通；电容C₁反向充电，电容C₂旁路，子模块首先工作在MOD6。电容C₁和C₂电压反相相等后，D₂导通；子模块转换到MOD5。

状态15(g₁＝1，g₁＝1，g₁＝1，i>0)：S₁和S₂开通；S₃承受反压，无法开通；D₁、D₂和D₄关断；D₃开通；电容直接串联，剧烈放电均压；子模块工作在MOD4。

状态16(g₁＝1，g₁＝1，g₁＝1，i<0)：S₁和S₃开通；S₂承受反压，无法开通；D₁、D₃和D₄关断；D₂开通；电容直接串联，剧烈放电均压；子模块工作在MOD4。

B、仿真时，首先根据步骤A的分析，判断出子模块的工作模式；

4)根据步骤A所述对应工作模式下的子模块输出电压计算公式和步骤C得到的电容电压计算得到子模块输出电压，用于主电路下一步的求解。

根据以上描述，通过受控电压源和受控电流源，实现了换流器主电路与子模块的解耦运算。当存在大量子模块时，可以通过现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现多电平换流器的并行计算，从而提高仿真速度。本实施例的仿真方法原理简明，计算速度快，结果准确。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims

1.一种二极管箝位式模块化多电平换流器子模块等值仿真方法，所述模块化多电平换流器由六个桥臂组成，每两个桥臂串联形成一个相单元，每个桥臂由数个级联子模块和一个桥臂电抗L串联组成；每个所述子模块包括反并联连接的第一开关管S₁与第一二极管D₁、反并联连接的第二开关管S₂与第二二极管D₂、反并联连接的第三开关管S₃与第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一电容C₁和第二电容C₂；其中，D₁的正极与D₂的负极连接到所述子模块的正输出端，D₁的负极连接到C₁的正极，C₁的负极与C₂的正极连接到D₄的负极，D₂的正极与D₃的正极连接到C₂的负极，D₃的负极与D₄的正极连接到所述子模块的负输出端；

其特征在于，所述仿真方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，步骤A中的第一工作模式MOD1为：两个电容旁路；

两个电容的电压计算公式为：

u_c1＝U_c10

u_c2＝U_c20

u_sm＝sign(i)(u_D+u_S)

其中U_c10、U_c20 分别为C₁、C₂的初始电压，u_D为二极管导通压降，u_S为开关管导通压降，sign()为求符号函数。

3.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，所述第一工作模式MOD1分为两种状态：

在状态MOD1a中，S₂和D₃导通，两个电容旁路；

在状态MOD1b中，S₃和D₂导通，两个电容旁路。

4.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，步骤A中的第二工作模式MOD2为：两个电容串联；

两个电容的电压计算公式为：

5.根据权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，所述第二工作模式MOD2分为两种状态：

在状态MOD2a中，D₁和D₃导通，两个电容串联充电；

在状态MOD2b中，S₁和S₃导通，两个电容串联放电。

6.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，步骤A中的第三工作模式MOD3为：D₂和D₄导通，C₁旁路，C₂充电；

两个电容的电压计算公式为：

u_c1＝U_c10

7.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，步骤A中的第四工作模式MOD4为：两电容串联并剧烈放电均压；

两个电容的电压计算公式为：

u_sm＝sign(i)(u_D+u_S)。

8.根据权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，所述第四工作模式MOD4分为两种状态：

9.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，步骤A中的第五工作模式MOD5为：S₁、D₂和D₄导通，两电容并联充电；

两个电容的电压计算公式为：

10.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，步骤A中的第六工作模式MOD6为：S₁和D₄导通，C₁反向充电，C₂旁路；

两个电容的电压计算公式为：

u_c2＝U_c20