CN105117549B

CN105117549B - 一种考虑多种闭锁模态的基于箝位双子模块mmc的等效仿真方法

Info

Publication number: CN105117549B
Application number: CN201510528773.1A
Authority: CN
Inventors: 徐政; 肖晃庆; 曹冬明; 刘高任; 唐庚
Original assignee: Zhejiang University ZJU; State Grid Corp of China SGCC; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; NR Electric Co Ltd
Current assignee: Zhejiang University ZJU; State Grid Corp of China SGCC; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; NR Electric Co Ltd
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2018-02-13
Anticipated expiration: 2035-08-25
Also published as: CN105117549A

Abstract

本发明公开了一种考虑多种闭锁模态的基于箝位双子模块MMC的等效仿真方法，包括：获取对应桥臂的桥臂电流、桥臂各箝位双子模块IGBT的开关信号；根据所述的运行参数构建桥臂的等效电路；根据桥臂等效电路建立相应的仿真系统，并进行仿真。本发明MMC等效仿真方法利用数值计算以及电磁仿真的内部机理，将子模块等效为戴维南等效支路，避免了大量电力电子器件的频繁开断，大幅减少可仿真计算时间；同时引入真实二极管器件，能够在保证仿真速度的前提下对箝位双子模块各闭锁状态进行精确模拟。

Description

一种考虑多种闭锁模态的基于箝位双子模块MMC的等效仿真方法

技术领域

本发明属于电力系统仿真技术领域，具体涉及一种考虑多种闭锁模态的基于箝位双子模块MMC的等效仿真方法。

背景技术

2001年，德国学者R.Marquardt首先提出了模块化多电平换流器(modularmultilevel converter，MMC)拓扑，该型拓扑的桥臂采用基本运行单元级联的形式，避免大量开关器件直接串联，不存在一致触发等问题，因此在近年来得到了学界与工业界的广泛关注，并被迅速应用到工程实际当中。

如图1所示，MMC拓扑的桥臂由多个子模块串联而成，子模块的结构根据使用场合的需要可分为不同的类型，目前比较常用的有半桥子模块、全桥子模块以及箝位双子模块三类。其中箝位双子模块因为可靠性强、处理直流故障能力优秀、使用的电力电子器件少而更具应用前景。

系统仿真建模是对MMC拓扑研究的基础。MMC拓扑包含大量的电力电子器件，在正常运行时，这些电力电子器件将频繁开断，这会对系统的仿真计算产生很大负担。特别是在实际工程中，随着MMC电压等级以及容量的增大，单个桥臂所需要串联的子模块数量将随之增大。如果每个子模块都采用传统方法用真实模型搭建，一方面搭建难度大，另一方面后续的仿真计算也将花费很长时间。因此，有学者提出将子模块中的电容器用时域戴维南等效支路替代，进而将子模块等效为一个戴维南等效支路，最终将子模块戴维南等效支路级联构成整个桥臂的戴维南等效支路。这种算法大大减少了MMC导纳矩阵的维数，加快了仿真速度，但无法对二极管的插值进行精确地处理，导致子模块闭锁时系统仿真特性与真实特性出现较大偏差。此外，现有研究一般仅针对半桥子模块，对于箝位双子模块的研究较少。箝位双子模块不同于半桥子模块，其闭锁特性与闭锁方式也有很大不同。因此，有必要提出一种考虑箝位双子模块闭锁特性的快速仿真建模方法。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种考虑多种闭锁模态的基于箝位双子模块MMC的等效仿真方法，该方法将子模块等效为戴维南等效支路，同时引入真实二极管器件，能够在保证仿真速度的前提下对箝位双子模块各闭锁状态进行精确模拟。

一种考虑多种闭锁模态的基于箝位双子模块MMC的等效仿真方法，所述的MMC为三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个箝位双子模块级联构成；所述的箝位双子模块由五个带反并联二极管的IGBT管T₁～T₅、两个续流二极管D₆～D₇和两个电容C₁～C₂组成；其中，IGBT管T₁的集电极与电容C₁的正极和续流二极管D₆的阴极相连，IGBT管T₁的发射极与IGBT管T₂的集电极相连并构成箝位双子模块的正极，IGBT管T₂的发射极与电容C₁的负极、续流二极管D₇的阴极以及IGBT管T₅的发射极相连，续流二极管D₆的阳极与IGBT管T₅的集电极、电容C₂的正极以及IGBT管T₃的集电极相连，IGBT管T₃的发射极与IGBT管T₄的集电极相连并构成箝位双子模块的负极，续流二极管D₇的阳极与IGBT管T₄的发射极以及电容C₂的负极相连；五个IGBT管T₁～T₅的基极均接收外部设备提供的开关信号；所述的等效仿真方法包括如下步骤：

(1)获取MMC的桥臂运行参数，所述的桥臂运行参数包括桥臂电流和桥臂各子模块内IGBT管的开关状态；

(2)根据所述的桥臂运行参数构建MMC的桥臂等效电路，并确定桥臂等效电路中各器件的参数；

所述的桥臂等效电路由五个等效电阻R₁～R₅、三个等效电压源U₁～U₄以及九个等效二极管D₁～D₉构成；其中，等效电压源U₁的正极对应为桥臂等效电路的正极，等效电压源U₁的负极与等效电阻R₁的一端相连，等效电阻R₁的另一端与等效二极管D₁的阳极和等效二极管D₂的阴极相连，等效二极管D₁的阴极与等效电压源U₂的正极和等效二极管D₆的阴极相连，等效电压源U₂的负极与等效电阻R₂的一端相连，等效电阻R₂的另一端与等效二极管D₂的阳极、等效二极管D₅的阳极以及等效二极管D₇的阴极相连，等效二极管D₆的阳极与等效二极管D₅的阴极、等效电压源U₃的正极以及等效二极管D₃的阴极相连，等效电压源U₃的负极与等效电阻R₃的一端相连，等效电阻R₃的另一端与等效二极管D₇的阳极和等效二极管D₄的阳极相连，等效二极管D₃的阳极与等效二极管D₄的阴极、等效电阻R₄的一端以及等效电阻R₅的一端相连，等效电阻R₄的另一端与等效二极管D₈的阳极相连，等效电阻R₅的另一端与等效二极管D₉的阴极相连，等效二极管D₈的阴极与等效二极管D₉的阳极相连并构成桥臂等效电路的负极；

(3)根据所述的桥臂等效电路建立MMC的仿真系统，并对该系统进行仿真。

进一步地，所述等效二极管D₁～D₉的通态电阻均为1×10^-6Ω，关断电阻均为1×10⁹Ω。所述的等效二极管为理想二极管，其通态电阻很小，可忽略不计，其关断电阻为一个很大的数值，保证了器件关断后通过极小的电流。

进一步地，所述等效电阻R₁～R₅的电阻值以及等效电压源U₁～U₃的电压值的表达式如下：

其中：R_eqi(t)为t时刻等效电阻R_i的电阻值，R_smji(t)为t时刻桥臂中第j个子模块对应等效电阻R_i的等效电阻值，u_eqk(t)为t时刻等效电压源U_k的电压值，u_smjk(t)为t时刻桥臂中第j个子模块对应等效电压源U_k的等效电压值，i和k均为自然数且1≤i≤5，1≤k≤3，N为桥臂的子模块级联个数，t表示时间。

进一步地，对于桥臂中的任一子模块，当该子模块处于正常运行状态下，则t时刻其对应等效电阻R_i的等效电阻值R_smi(t)以及对应等效电压源U_k的等效电压值u_smk(t)的计算公式如下：

R_sm1(t)＝R_A(t)+R_J(t)+R_K(t)+R_E(t)

R_sm2(t)＝0

u_sm2(t)＝0

R_sm3(t)＝0

u_sm3(t)＝0

R_sm4(t)＝0

R_sm5(t)＝0

u_c1eq(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1(t) u_c2eq(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2(t)

u_c1(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1eq(t-ΔT) u_c2(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2eq(t-ΔT)

当该子模块处于全闭锁运行状态下，即该子模块中的五个IGBT管T₁～T₅均关断，则t时刻其对应等效电阻R_i的等效电阻值R_smi(t)以及对应等效电压源U_k的等效电压值u_smk(t)的计算公式如下：

R_sm1(t)＝0

u_sm1(t)＝0

R_sm2(t)＝R_c1

u_sm2(t)＝u_c1eq(t)

R_sm3(t)＝R_c2

u_sm3(t)＝u_c2eq(t)

R_sm4(t)＝0.015

R_sm5(t)＝0.0125

u_c1eq(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1(t) u_c2eq(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2(t)

u_c1(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1eq(t-ΔT) u_c2(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2eq(t-ΔT)

当该子模块处于左半部分闭锁运行状态下，即该子模块中的IGBT管T₁和T₂关断，则t时刻其对应等效电阻R_i的等效电阻值R_smi(t)以及对应等效电压源U_k的等效电压值u_smk(t)的计算公式如下：

R_sm2(t)＝R_c1

u_sm2(t)＝u_c1eq(t)

R_sm3(t)＝0

u_sm3(t)＝0

R_sm4(t)＝0.015

R_sm5(t)＝0.015

u_c1eq(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1(t) u_c2eq(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2(t)

u_c1(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1eq(t-ΔT) u_c2(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2eq(t-ΔT)

当该子模块处于右半部分闭锁运行状态下，即该子模块中的IGBT管T₃和T₄关断，则t时刻其对应等效电阻R_i的等效电阻值R_smi(t)以及对应等效电压源U_k的等效电压值u_smk(t)的计算公式如下：

R_sm2(t)＝0

u_sm2(t)＝0

R_sm3(t)＝R_c2

u_sm3(t)＝u_c2eq(t)

R_sm4(t)＝0.015

R_sm5(t)＝0.015

u_c1eq(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1(t) u_c2eq(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2(t)

u_c1(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1eq(t-ΔT) u_c2(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2eq(t-ΔT)

其中：R_c1为子模块中电容C₁的等效阻值，R_c2为子模块中电容C₂的等效阻值，ΔT为仿真步长，c₁为子模块中电容C₁的容值，c₂为子模块中电容C₂的容值，i_c1(t)为t时刻流经子模块中电容C₁的电流值，i_c2(t)为t时刻流经子模块中电容C₂的电流值，u_c1(t)为t时刻子模块中电容C₁的电压值，u_c2(t)为t时刻子模块中电容C₂的电压值，u_c1eq(t)为t时刻子模块中电容C₁的等效历史电压源幅值，u_c1eq(t-ΔT)为t-ΔT时刻子模块中电容C₁的等效历史电压源幅值，u_c2eq(t)为t时刻子模块中电容C₂的等效历史电压源幅值，u_c2eq(t-ΔT)为t-ΔT时刻子模块中电容C₂的等效历史电压源幅值，R₁(t)为t时刻子模块中IGBT管T₁的等效电阻值，R₂(t)为t时刻子模块中IGBT管T₂的等效电阻值，R₃(t)为t时刻子模块中IGBT管T₃的等效电阻值，R₄(t)为t时刻子模块中IGBT管T₄的等效电阻值，R₅(t)为t时刻子模块中IGBT管T₅的等效电阻值，R₆(t)为t时刻子模块中续流二极管D₆的等效电阻值，R₇(t)为t时刻子模块中续流二极管D₇的等效电阻值，R_A(t)、R_B(t)、R_D(t)、R_E(t)、R_F(t)、R_G(t)、R_H(t)、R_I(t)、R_J(t)和R_K(t)均为中间变量且均由公式给定，i_arm(t)为t时刻的桥臂电流。

当t时刻子模块中的IGBT管T₁导通，则R₁(t)为0.01Ω，IGBT管T₁关断，则R₁(t)为1MΩ；当t时刻子模块中的IGBT管T₂导通，则R₂(t)为0.01Ω，IGBT管T₂关断，则R₂(t)为1MΩ；当t时刻子模块中的IGBT管T₃导通，则R₃(t)为0.01Ω，IGBT管T₃关断，则R₃(t)为1MΩ；当t时刻子模块中的IGBT管T₄导通，则R₄(t)为0.01Ω，IGBT管T₄关断，则R₄(t)为1MΩ；当t时刻子模块中的IGBT管T₅导通，则R₅(t)为0.01Ω，IGBT管T₅关断，则R₅(t)为1MΩ；当t时刻子模块中的续流二极管D₆导通，则R₆(t)为0.01Ω，续流二极管D₆关断，则R₆(t)为1MΩ；当t时刻子模块中的续流二极管D₇导通，则R₇(t)为0.01Ω，续流二极管D₇关断，则R₇(t)为1MΩ。

箝位双子模块可以输出一倍正电平、负电平、零电平以及两倍正电平。当子模块中的IGBT管T₁、T₃、T₅导通，T₂、T₄关断时，子模块端口输出电压为正，记为一倍正电平；当子模块中的IGBT管T₂、T₄、T₅导通，T₁、T₃关断时，子模块端口输出电压为也为正，记为一倍正电平2；当子模块中的IGBT管T₂、T₃、T₅导通，T₁、T₄关断时，子模块端口输出电压为零，记为零电平；当子模块中的IGBT管T₁、T₄、T₅导通，T₂、T₃关断时，子模块端口输出电压为两倍正电平1；当子模块中所有的IGBT都关断，若流过子模块的电流为正时，子模块端口输出电压为两倍正电平2，若流过子模块的电流为负时，子模块端口输出电压为负，记为负电平。

本发明MMC等效仿真方法利用数值计算以及电磁仿真的内部机理，能够有效地将箝位双子模块以及由该类型子模块构成的的桥臂等效为一个由受控电压源、可调电阻以及二极管构成的简单支路，大大减少了系统的节点数及相应的仿真运算量；本发明不仅能够大幅度地提升MMC的仿真速度，而且考虑了箝位双子模块的各种闭锁方式；本发明方法搭建的MMC仿真模型在正常运行以及闭锁时均具备有很高的仿真精度。

附图说明

图1为MMC的拓扑结构示意图。

图2为箝位双子模块的结构示意图。

图3为本发明桥臂等效电路的结构示意图。

图4为本发明仿真系统的结构示意图。

图5(a)为本发明等效模型阀侧电压的波形示意图。

图5(b)为真实模型阀侧电压的波形示意图。

图6(a)为本发明等效模型等效模型阀侧电流的波形示意图。

图6(b)为真实模型阀侧电流的波形示意图。

图7(a)为本发明等效模型等效模型有功功率的波形示意图。

图7(b)为真实模型有功功率的波形示意图。

图8(a)为本发明等效模型等效模型子模块电容电压的波形示意图。

图8(b)为真实模型子模块电容电压的波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

本实施方式中，MMC为三相全桥模块化多电平换流器。如图1所示，MMC包含有三个相，每个相有两个桥臂，每个桥臂由若干个箝位双子模块构成。子模块如图2所示，由五个IGBT(T1、T2、T3、T4、T5)、七个二极管(D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7)和两个电容(C1、C2)组成。其中，第一IGBT的发射极与第一二极管的阳极，第二IGBT的集电极、第二二极管的阴极相连并构成子模块的一端；第三IGBT的发射极与第三二极管的阳极，第四IGBT的集电极、第四二极管的阴极相连并构成子模块的另一端。IGBT的基极接收外部设备提供的开关信号。

箝位双子模块可以输出一倍正电平、负电平、零电平以及两倍正电平。当第一、第三、第五IGBT导通，第二、第四IGBT关断时，子模块端口输出电压为正，记为一倍正电平；当第二、第四、第五IGBT导通，第一、第三IGBT关断时，子模块端口输出电压为也为正，记为一倍正电平2；当第二、第三、第五IGBT导通，第一、第四IGBT关断时，子模块端口输出电压为零，记为零电平；当第一、第四、第五IGBT导通，第二、第三IGBT关断时，子模块端口输出电压为两倍正电平1；当所有的IGBT都关断，若流过子模块的电流为正时，子模块端口输出电压为两倍正电平2，若流过子模块的电流为负时，子模块端口输出电压为负，记为负电平。

本发明考虑多种闭锁模态的基于箝位双子模块MMC的等效仿真方法，包括如下步骤：

(1)获取对应桥臂的桥臂电流、桥臂各箝位双子模块IGBT的开关信号。

获取桥臂的运行参数包括桥臂输入电流I_arm、桥臂所有子模块第一开关信号Φ₁、第二开关信号Φ₂、第三开关信号Φ₃、第四开关信号Φ₄、第五开关信号Φ₅；第一开关信号Φ₁、第二开关信号Φ₂、第三开关信号Φ₃、第四开关信号Φ₄、第五开关信号Φ₅分别为子模块中T₁、T₂、T₃、T₄、T₅接收的开关信号。

(2)根据运行参数构建桥臂的等效电路。

如图3所示，由箝位双子模块组成的桥臂等效电路由五个等效电阻，三个等效电压源以及九个等效二极管构成。其中第一等效电压源的正极对应等效桥臂的一端，其负极与第一等效电阻相连。第一等效电阻的另一端与第一等效二极管的阳极和第二等效二极管的阴极相连，第一等效二极管的阴极与第二等效电压源的正极和第六等效二极管的阴极相连，第二等效电压源的负极与第二等效电阻的一端相连，第二等效电阻的另一端与第二等效二极管的阳极、第五等效二极管的阳极以及第七等效二极管的阴极相连。第五等效二极管的阴极与第六等效二极管的阳极、第三等效电压源的正极以及第三等效二极管的阴极相连，第三等效电压源的负极与第三等效电阻的一端相连，第三等效电阻的另一端与第七等效二极管阳极和第四等效二极管阳极相连。第三等效二极管阳极与第四等效二极管阴极、第四等效电阻一端以及第五等效电阻一端相连，第四等效电阻另一端与第八等效二极管阳极相连，第五等效电阻另一端与第九等效二极管阴极相连，第八等效二极管阴极与第九等效二极管阳极相连并对应桥臂的另一端。桥臂等效电路可以真实地模拟稳态以及闭锁状态下的真实桥臂，并且所使用的原件简单，便于后续的求解。

等效二极管的通态电阻为1e-6ohm，关断电阻为1e9ohm。等效二极管为理想二极管，其通态电阻很小，可忽略不计，其关断电阻为一个很大的数值，保证了器件关断后通过极小的电流。

等效桥臂中各子模块电容可由一个等效的历史电压源及一个与电容大小、仿真步长有关的等效电阻来替代，计算公式如下所示：

u_c1j(t)＝R_c1j(t)i_c1j(t)+u_c1jeq(t-ΔT)

u_c2j(t)＝R_c2j(t)i_c2j(t)+u_c2jeq(t-ΔT)

其中：R_c1j(t)为第j子模块电容C1的等效阻值，R_c2j(t)为第j子模块电容C2的等效阻值，ΔT为仿真步长，C₁为子模块电容C1的容值，C₂为子模块电容C2的容值；u_c1jeq(t-ΔT)为t时刻第j个子模块电容C1的历史电压源，u_c2jeq(t-ΔT)为t时刻第j个子模块电容C2的历史电压源，i_c1j(t)为t时刻第j个子模块的电容C1电容电流，i_c2j(t)为t时刻第j个子模块的电容C2电容电流，u_c1j(t)为t时刻第j个子模块电容C1的电压值，u_c2j(t)为t时刻第j个子模块电容C2的电压值。

等效桥臂中的等效电阻与等效电压源的计算公式如下所示：

其中：R_eq1(t)、R_eq2(t)、R_eq3(t)、R_eq4(t)、R_eq5(t)分别为第一、二、三、四、五等效电阻的等效阻值，u_eq1(t)、u_eq2(t)、u_eq3(t)分别为第一、二、三等效电压源的等效电压值，R_smj1(t)、R_smj2(t)、R_smj3(t)、R_smj4(t)、R_smj5(t)分别为第j个子模块中对应第一、二、三、四、五等效电阻的等效阻值，u_smj1(t)、u_smj2(t)、u_smj3(t)分别为第j个子模块中对应第一、二、三等效电压源的等效电压值。

当MMC中第j个子模块处于正常运行状态下，等效桥臂计算公式如下所示：

R_smj1(t)＝R_A(t)+R_J(t)+R_K(t)+R_E(t)

R_smj2(t)＝0

u_smj2(t)＝0

R_smj3(t)＝0

u_smj3(t)＝0

R_smj4(t)＝0

R_smj5(t)＝0

另有：

其中：i_arm(t)为桥臂的输入电流；R_1j(t)为第j个子模块的第一IGBT以及第一二极管的等效电阻，R_2j(t)为第j个子模块的第二IGBT以及第二二极管的等效电阻，R_3j(t)为第j个子模块的第三IGBT以及第三二极管的等效电阻，R_4j(t)为第j个子模块的第四IGBT以及第四二极管的等效电阻，R_5j(t)为第j个子模块的第五IGBT以及第五二极管的等效电阻，R_6j(t)为第j个子模块的第六二极管的等效电阻，R_7j(t)为第j个子模块的第七二极管的等效电阻。电容的等效电阻的阻值和等效电压源的电压值的计算公式可以将子模块中的电容等效为一个戴维南等效支路，为后续的仿真电路的等效提供了基础。

当第j个子模块中的第一IGBT导通时，R_1j(t)的取值为0.01Ω；关断时，R_1j(t)的取值为1MΩ。当第j个子模块中的第二IGBT导通时，R_2j(t)的取值为0.01Ω；关断时，R_2j(t)的取值为1MΩ。当第j个子模块中的第三IGBT导通时，R_3j(t)的取值为0.01Ω；关断时，R_3j(t)的取值为1MΩ。当第j个子模块中的第四IGBT导通时，R_4j(t)的取值为0.01Ω；关断时，R_4j(t)的取值为1MΩ。当第j个子模块中的第五IGBT导通时，R_5j(t)的取值为0.01Ω；关断时，R_5j(t)的取值为1MΩ。

当MMC第j个子模块处于全闭锁运行状态下，此时该子模块第一、第二、第三、第四、第五IGBT全部处于闭锁关断状态。等效桥臂计算公式如下所示：

R_smj1(t)＝0

u_smj1(t)＝0

R_smj2(t)＝R_c1(t)

u_smj2(t)＝u_c1jeq(t)

R_smj3(t)＝R_c2(t)

u_smj3(t)＝u_c2jeq(t)

R_smj4(t)＝0.015

R_smj5(t)＝0.0125

另有：

当MMC第j个子模块处于左半部分闭锁运行状态下，此时该子模块第一、第二IGBT全部处于闭锁关断状态；等效桥臂计算公式如下所示：

R_smj2(t)＝R_c1(t)

u_smj2(t)＝u_c1jeq(t)

R_smj3(t)＝0

u_smj3(t)＝0

R_smj4(t)＝0.015

R_smj5(t)＝0.015

另有：

当MMC第j个子模块处于右半部分闭锁运行状态下，此时该子模块第三、第四IGBT全部处于闭锁关断状态，等效桥臂计算公式如下所示：

R_smj2(t)＝0

u_smj2(t)＝0

R_smj3(t)＝R_c2(t)

u_smj3(t)＝u_c2jeq(t)

R_smj4(t)＝0.015

R_smj5(t)＝0.015

另有：

(3)根据桥臂等效电路建立相应的仿真系统，并进行仿真。

根据步骤(1)至(2)，遍历MMC中的所有桥臂；从而得到MMC的快速仿真电路。以下利用电力系统电磁暂态仿真软件对MMC的仿真系统进行仿真，该仿真系统如图4所示，该仿真系统的仿真参数如表1所示：

表1

仿真场景：模块化多电平换流器的稳定启动是系统安全运行的前提条件。在真实桥臂所搭建的仿真系统和本实施方式等效桥臂所搭建的仿真系统中分别进行MMC启动仿真。这种启动方式分为两个阶段，分别为不控阶段和可控阶段。在不控阶段时，交流阀侧出口需要投入100Ω的启动电阻，以限制启动时候的启动电流。此阶段所有的子模块保持闭锁，因此这里涉及了闭锁的测试。当子模块的电容电压充电至0.66倍后，系统进入可控充电阶段，MMC的控制系统采用定直流电压控制，直流电压参考值的标幺值由在1s内由0.66p.u升至1p.u，启动结束后系统进入稳态运行。图5为阀侧电压的对比图，图6为阀侧电流的对比图，图7为有功功率的对比图，图8为子模块电容电压的对比图。从仿真波形可见，本发明桥臂等效模型和真实桥臂模型关于主要电气运行参数(如阀侧电压、阀侧电流、有功功率及子模块电容电压)几乎一致，故也验证了本发明等效建模方法的有效性。

Claims

1.一种考虑多种闭锁模态的基于箝位双子模块MMC的等效仿真方法，所述的MMC为三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个箝位双子模块级联构成；所述的箝位双子模块由五个带反并联二极管的IGBT管T₁～T₅、两个续流二极管Z₁～Z₂和两个电容C₁～C₂组成；其中，IGBT管T₁的集电极与电容C₁的正极和续流二极管Z₁的阴极相连，IGBT管T₁的发射极与IGBT管T₂的集电极相连并构成箝位双子模块的正极，IGBT管T₂的发射极与电容C₁的负极、续流二极管Z₂的阴极以及IGBT管T₅的发射极相连，续流二极管Z₁的阳极与IGBT管T₅的集电极、电容C₂的正极以及IGBT管T₃的集电极相连，IGBT管T₃的发射极与IGBT管T₄的集电极相连并构成箝位双子模块的负极，续流二极管Z₂的阳极与IGBT管T₄的发射极以及电容C₂的负极相连；五个IGBT管T₁～T₅的基极均接收外部设备提供的开关信号；所述的等效仿真方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的等效仿真方法，其特征在于：所述等效二极管D₁～D₉的通态电阻均为1×10^-6Ω，关断电阻均为1×10⁹Ω。

3.根据权利要求1所述的等效仿真方法，其特征在于：所述等效电阻R₁～R₅的电阻值以及等效电压源U₁～U₃的电压值的表达式如下：

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4.根据权利要求3所述的等效仿真方法，其特征在于：对于桥臂中的任一子模块，当该子模块处于正常运行状态下，则t时刻其对应等效电阻R_i的等效电阻值R_smi(t)以及对应等效电压源U_k的等效电压值u_smk(t)的计算公式如下：

R_sm1(t)＝R_A(t)+R_J(t)+R_K(t)+R_E(t)

R_sm2(t)＝0

u_sm2(t)＝0

R_sm3(t)＝0

u_sm3(t)＝0

R_sm4(t)＝0

R_sm5(t)＝0

u_c1eq(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1(t) u_c2eq(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2(t)

u_c1(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1eq(t-ΔT) u_c2(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2eq(t-ΔT)

<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&Delta;</mi> <mi>T</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>c</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&Delta;</mi> <mi>T</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

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R_sm1(t)＝0

u_sm1(t)＝0

R_sm2(t)＝R_c1

u_sm2(t)＝u_c1eq(t)

R_sm3(t)＝R_c2

u_sm3(t)＝u_c2eq(t)

R_sm4(t)＝0.015

R_sm5(t)＝0.0125

u_c1eq(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1(t) u_c2eq(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2(t)

u_c1(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1eq(t-ΔT) u_c2(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2eq(t-ΔT)

R_sm2(t)＝R_c1

u_sm2(t)＝u_c1eq(t)

R_sm3(t)＝0

u_sm3(t)＝0

R_sm4(t)＝0.015

R_sm5(t)＝0.015

u_c1eq(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1(t) u_c2eq(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2(t)

u_c1(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1eq(t-ΔT) u_c2(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2eq(t-ΔT)

<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>></mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&le;</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mn>3</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mn>2</mn> <mi>e</mi> <mi>q</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>&Delta;</mi> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mn>4</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>3</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

R_sm2(t)＝0

u_sm2(t)＝0

R_sm3(t)＝R_c2

u_sm3(t)＝u_c2eq(t)

R_sm4(t)＝0.015

R_sm5(t)＝0.015

u_c1eq(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1(t) u_c2eq(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2(t)

u_c1(t)＝R_c1i_c1(t)+u_c1eq(t-ΔT) u_c2(t)＝R_c2i_c2(t)+u_c2eq(t-ΔT)

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其中：R_c1为子模块中电容C₁的等效阻值，R_c2为子模块中电容C₂的等效阻值，ΔT为仿真步长，c₁为子模块中电容C₁的容值，c₂为子模块中电容C₂的容值，i_c1(t)为t时刻流经子模块中电容C₁的电流值，i_c2(t)为t时刻流经子模块中电容C₂的电流值，u_c1(t)为t时刻子模块中电容C₁的电压值，u_c2(t)为t时刻子模块中电容C₂的电压值，u_c1eq(t)为t时刻子模块中电容C₁的等效历史电压源幅值，u_c1eq(t-ΔT)为t-ΔT时刻子模块中电容C₁的等效历史电压源幅值，u_c2eq(t)为t时刻子模块中电容C₂的等效历史电压源幅值，u_c2eq(t-ΔT)为t-ΔT时刻子模块中电容C₂的等效历史电压源幅值，R₁(t)为t时刻子模块中IGBT管T₁的等效电阻值，R₂(t)为t时刻子模块中IGBT管T₂的等效电阻值，R₃(t)为t时刻子模块中IGBT管T₃的等效电阻值，R₄(t)为t时刻子模块中IGBT管T₄的等效电阻值，R₅(t)为t时刻子模块中IGBT管T₅的等效电阻值，R₆(t)为t时刻子模块中续流二极管Z₁的等效电阻值，R₇(t)为t时刻子模块中续流二极管Z₂的等效电阻值，R_A(t)、R_B(t)、R_D(t)、R_E(t)、R_F(t)、R_G(t)、R_H(t)、R_I(t)、R_J(t)和R_K(t)均为中间变量且均由公式给定，i_arm(t)为t时刻的桥臂电流。

5.根据权利要求4所述的等效仿真方法，其特征在于：当t时刻子模块中的IGBT管T₁导通，则R₁(t)为0.01Ω，IGBT管T₁关断，则R₁(t)为1MΩ；当t时刻子模块中的IGBT管T₂导通，则R₂(t)为0.01Ω，IGBT管T₂关断，则R₂(t)为1MΩ；当t时刻子模块中的IGBT管T₃导通，则R₃(t)为0.01Ω，IGBT管T₃关断，则R₃(t)为1MΩ；当t时刻子模块中的IGBT管T₄导通，则R₄(t)为0.01Ω，IGBT管T₄关断，则R₄(t)为1MΩ；当t时刻子模块中的IGBT管T₅导通，则R₅(t)为0.01Ω，IGBT管T₅关断，则R₅(t)为1MΩ；当t时刻子模块中的续流二极管Z₁导通，则R₆(t)为0.01Ω，续流二极管Z₁关断，则R₆(t)为1MΩ；当t时刻子模块中的续流二极管Z₂导通，则R₇(t)为0.01Ω，续流二极管Z₂关断，则R₇(t)为1MΩ。