发明内容
基于此,有必要提供一种能够模拟二极管箝位型级联多电平换流器的基于二极管箝位型级联多电平换流器的建模方法及系统。
一种二极管箝位型级联多电平换流器的建模方法,所述二极管箝位型级联多电平换流器包括不少于两个桥臂,每个桥臂包括由不少于两个功率模块级联组成的功率模块串及与所述功率模块串级联的桥臂电抗器;其中,每个所述功率模块包括第一开关管、第一二极管、第二开关管、第二二极管、第三开关管、第三二极管、第四二极管、第一电容器和第二电容器;所述第一开关管和所述第一二极管构成反并联结构;所述第二开关管和所述第二二极管、所述第三开关管和所述第三二极管分别构成反并联结构;所述第一二极管的阴极与所述第一电容器的正极连接,所述第一电容器的负极与所述第二电容器的正极相连,并与所述第四二极管的阴极连接;所述第四二极管的阳极与所述第三二极管的阴极连接,其连接点为所述功率模块的负输出端;所述第三二极管的阳极与所述第二二极管的阳极连接,并与所述第二电容器的负极相连;所述第二二极管的阴极与所述第一二极管的阳极连接,其连接点为所述功率模块的正输出端;所述建模方法包括步骤:
将所述每个桥臂的所有第一二极管等效为一个第一辅助二极管,所述每个桥臂的所有第二二极管等效为一个第二辅助二极管,所述每个桥臂的所有第三二极管等效为一个第三辅助二极管,所述每个桥臂的所有第四二极管等效为一个第四辅助二极管;
将所述每个桥臂的所有第一电容器等效为一个第一受控电压源,所述每个桥臂的所有第二电容器等效为一个第二受控电压源;
将所述每个桥臂的所述功率模块串等效为一个等值模块,所述等值模块包括一个损耗电阻和一个与所述损耗电阻串联的复合等值模型,所述复合等值模型包括所述第一辅助二极管、所述第二辅助二极管、所述第三辅助二极管、所述第四辅助二极管、所述第一受控电压源及所述第二受控电压源。
上述二极管箝位型级联多电平换流器的建模方法,由于将所针对的二极管箝位型级联多电平换流器的每个桥臂的各功率模块中相同位置的多个元器件等效为一个元器件,可以降低二极管箝位型级联多电平换流器在PSCAD/EMTDC软件中仿真时的节点电压方程阶数,提高仿真效率,且仿真效率不会随着功率模块数量的增加而降低。通过该建模方法进行的建模能够满足远距离、大容量、架空线场合的柔性直流输电工程参数设计、控制策略验证等需求。
一种二极管箝位型级联多电平换流器的建模系统,所述二极管箝位型级联多电平换流器包括不少于两个桥臂,每个桥臂包括由不少于两个功率模块级联组成的功率模块串及与所述功率模块串级联的桥臂电抗器;其中,每个所述功率模块包括第一开关管、第一二极管、第二开关管、第二二极管、第三开关管、第三二极管、第四二极管、第一电容器和第二电容器;所述第一开关管和所述第一二极管构成反并联结构;所述第二开关管和所述第二二极管、所述第三开关管和所述第三二极管分别构成反并联结构;所述第一二极管的阴极与所述第一电容器的正极连接,所述第一电容器的负极与所述第二电容器的正极相连,并与所述第四二极管的阴极连接;所述第四二极管的阳极与所述第三二极管的阴极连接,其连接点为所述功率模块的负输出端;所述第三二极管的阳极与所述第二二极管的阳极连接,并与所述第二电容器的负极相连;所述第二二极管的阴极与所述第一二极管的阳极连接,其连接点为所述功率模块的正输出端;所述建模系统包括:
二极管等效模块,用于将所述每个桥臂的所有第一二极管等效为一个第一辅助二极管,所述每个桥臂的所有第二二极管等效为一个第二辅助二极管,所述每个桥臂的所有第三二极管等效为一个第三辅助二极管,所述每个桥臂的所有第四二极管等效为一个第四辅助二极管;
电容器等效模块,用于将所述每个桥臂的所有第一电容器等效为一个第一受控电压源,所述每个桥臂的所有第二电容器等效为一个第二受控电压源;
桥臂等效模块,用于将所述每个桥臂的所述功率模块串等效为一个等值模块,所述等值模块包括一个损耗电阻和一个与所述损耗电阻串联的复合等值模型,所述复合等值模型包括所述第一辅助二极管、所述第二辅助二极管、所述第三辅助二极管、所述第四辅助二极管、所述第一受控电压源及所述第二受控电压源。
上述二极管箝位型级联多电平换流器的建模系统,由于将所针对的二极管箝位型级联多电平换流器的每个桥臂的各功率模块中相同位置的多个元器件等效为一个元器件,可以降低二极管箝位型级联多电平换流器在PSCAD/EMTDC软件中仿真时的节点电压方程阶数,提高仿真效率,且仿真效率不会随着功率模块数量的增加而降低。通过该建模系统进行的建模能够满足远距离、大容量、架空线场合的柔性直流输电工程参数设计、控制策略验证等需求。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施例。相反地,提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/和”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1及图2所示,二极管箝位型级联多电平换流器包括不少于两个桥臂,每个桥臂包括由不少于两个功率模块级联组成的功率模块串M及与所述功率模块串M级联的桥臂电抗器L0;其中,每个所述功率模块包括第一开关管S1、第一二极管D1、第二开关管S2、第二二极管D2、第三开关管S3、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电容器C1和第二电容器C2;所述第一开关管S1和所述第一二极管D1构成反并联结构,即所述第一开关管S1的集电极(C极)、发射极(E极)分别与所述第一二极管D1的阴极、阳极连接;所述第二开关管S2和所述第二二极管D2、所述第三开关管S3和所述第三二极管D3分别构成反并联结构;所述第一二极管D1的阴极与所述第一电容器C1的正极连接,所述第一电容器C1的负极与所述第二电容器C2的正极相连,并与所述第四二极管D4的阴极连接;所述第四二极管D4的阳极与所述第三二极管D3的阴极连接,其连接点为所述功率模块的负输出端;所述第三二极管D3的阳极与所述第二二极管D2的阳极连接,并与所述第二电容器C2的负极相连;所述第二二极管D2的阴极与所述第一二极管D1的阳极连接,其连接点为所述功率模块的正输出端。具体地,各个功率模块为结构、功能完全一致的二极管箝位型功率模块。
请同时结合参阅图3-5,一种实施方式的二极管箝位型级联多电平换流器的建模方法,其特征在于,所述建模方法包括步骤:
S100:将所述每个桥臂的所有第一二极管D1等效为一个第一辅助二极管SD1,所述每个桥臂的所有第二二极管D2等效为一个第二辅助二极管SD2,所述每个桥臂的所有第三二极管D3等效为一个第三辅助二极管SD3,所述每个桥臂的所有第四二极管D4等效为一个第四辅助二极管SD4。其中,每个第一二极管D1在各对应功率模块的位置相同。每个第二二极管D2、每个第三二极管D3及每个第四二极管D4在各对应功率模块位置也相同。
S300:将所述每个桥臂的所有第一电容器C1等效为一个第一受控电压源V1,所述每个桥臂的所有第二电容器C2等效为一个第二受控电压源V2。其中,每个第一电容器C1、每个第二电容器C2在各对应功率模块的位置相同。
S500:将所述每个桥臂的所述功率模块串M等效为一个等值模块,所述等值模块包括一个损耗电阻R和一个与所述损耗电阻R串联的复合等值模型Eq。
所述复合等值模型Eq包括所述第一辅助二极管SD1、所述第二辅助二极管SD2、所述第三辅助二极管SD3、所述第四辅助二极管SD4、所述第一受控电压源V1及所述第二受控电压源V2。
上述二极管箝位型级联多电平换流器的建模方法,由于将所针对的二极管箝位型级联多电平换流器的每个桥臂的各功率模块中相同位置的多个元器件等效为一个元器件,可以降低二极管箝位型级联多电平换流器在PSCAD/EMTDC软件中仿真时的节点电压方程阶数,提高仿真效率,且仿真效率不会随着功率模块数量的增加而降低。通过该建模方法进行的建模能够满足远距离、大容量、架空线场合的柔性直流输电工程参数设计、控制策略验证等需求。
请继续参阅图4,在其中一个实施例中,所述复合等值模型Eq还包括第一辅助开关K1、第二辅助开关K2;所述第一辅助开关K1的第一端A1与所述第一辅助二极管SD1的阴极连接,并与所述第一受控电压源V1的正端相连;所述第一受控电压源V1的负端与所述第二受控电压源V2的正端相连,并与所述第四辅助二极管SD4的阴极相连;所述第四辅助二极管SD4的阳极与所述第三辅助二极管SD3的阴极、所述第二辅助开关K2的第一端B2相连,其公共的连接点为所述复合等值模型Eq的负输出端NO;所述第二辅助开关K2的第二端A2与所述第三辅助二极管SD3的阳极连接,并与所述第二受控电压源V2的负端、所述第二辅助二极管SD2的阳极相连;所述第二辅助二极管SD2的阴极与所述第一辅助开关K1的第二端B1、所述第一辅助二极管SD1的阳极连接,其公共的连接点为所述复合等值模型Eq的正输出端PO。
当二极管箝位型级联多电平换流器处于闭锁模式时,第一转换开关K1和第二转换开关K2处于断开状态。此时,所述的第一受控电压源V1的电压值由对应桥臂中所有功率模块的第一电容器C1共同贡献,第二受控电压源V2的电压值由对应桥臂中所有功率模块的第二电容器C2共同贡献。
当二极管箝位型级联多电平换流器处于正常工作模式时,第一转换开关K1和第二转换开关K2处于闭合状态。此时,所述的第一受控电压源V1的电压值由对应桥臂中所有处于投入状态的功率模块的第一电容器C1共同贡献,第二受控电压源V2的电压值由对应桥臂中所有处于投入状态的功率模块的第二电容器C2共同贡献。
通过上述建模方法建立的模型可以模拟二极管箝位型级联多电平换流器的闭锁模式和正常工作模式两种工作模式,相较于只能模拟一种工作方式的建模方法进行建模得到的结果,具有良好的仿真精度。
在其中一个实施例中,所述损耗电阻R与所述复合等值模型Eq的正输出端PO相连。如此,损耗电阻R未与所述复合等值模型Eq相连的另一端,可作为等效功率模块串的等值模块的正输出端;而复合等值模型Eq的负输出端NO可作为等值模块的负输出端。在另一个实施例中,所述损耗电阻R与所述复合等值模型Eq的负输出端NO相连。如此,损耗电阻R未与所述复合等值模型Eq相连的另一端,可作为等效功率模块串的等值模块的负输出端;而复合等值模型Eq的正输出端PO可作为等值模块的正输出端。
请参阅图6,在其中一个实施例中,步骤S300,包括:
S310:获取对应桥臂的每个所述功率模块的电气信息。
S320:根据所述电气信息,确定所述对应桥臂的每个所述功率模块的所述第一电容器C1和所述第二电容器C2分别在当前仿真步长中的第一历史电流值和第二历史电流值。
在其中一个实施例中,所述电气信息包括:仿真步长,用Δt表示;所述第一电容器C1和所述第二电容器C2的电容值相等,用C表示;所述功率模块的总数,用N表示;所述功率模块的编号,用i表示;所述对应桥臂的第i个所述功率模块的所述第一电容器C1在上一仿真步长中的第一电流值和第一电压值,分别用IC1i(t-Δt)、UC1i(t-Δt)表示;及所述对应桥臂第i个所述功率模块的所述第二电容器C2在上一仿真步长中的第二电流值和第二电压值,分别用IC2i(t-Δt)、UC2i(t-Δt)表示。
确定所述第一历史电流值和所述第二历史电流值的公式分别为:
ICD1i(t)=-IC1i(t-Δt)-UC1i(t-Δt)/RCD(1)
ICD2i(t)=-IC2i(t-Δt)-UC2i(t-Δt)/RCD(2)
其中,RCD=Δt/C,ICD1i(t)为所述第一历史电流值,ICD2i(t)为所述第二历史电流值。
S330:根据所述电气信息及所述第一历史电流值和所述第二历史电流值,确定所述对应桥臂的每个所述功率模块的所述第一电容器C1和所述第二电容器C2分别在当前仿真步长中的第一电流值和第二电流值。
在其中一个实施例中,所述电气信息还包括:所述对应桥臂在当前仿真步长中的桥臂电流值,用IARM(t)表示;所述对应桥臂的各所述功率模块的所述第一电容器C1和所述第二电容器C2的泄漏电阻,用RP为表示;所述对应桥臂第i个所述功率模块的所述第一开关管S1、所述第二开关管S2、所述第三开关管S3在上一仿真步长中的开关状态分别用S1i(t-Δt)、S21i(t-Δt)、S3i(t-Δt)表示,其中,值为1时,表示开关为导通状态,值为0时,表示开关为关断状态。
确定所述第一电流值和所述第二电流值的公式分别为:
其中,IC1i(t)为所述第一电流值,IC2i(t)为所述第二电流值。
S340:根据所述电气信息,确定所述对应桥臂的每个所述功率模块的所述第一电容器C1和所述第二电容器C2分别在当前仿真步长中的第一电压值和第二电压值。
在其中一个实施例中,确定所述第一电压值和所述第二电压值的公式分别为:
UC1i(t)=UC1i(t-Δt)+RCD[IC1i(t)+IC1i(t-Δt)](5)
UC2i(t)=UC2i(t-Δt)+RCD[IC2i(t)+IC2i(t-Δt)](6)
其中,所述的UC1i(t)为所述第一电压值,UC2i(t)为所述第二电压值。
S350:根据所述电气信息、所述第一电流值和所述第二电流值及所述第一电压值和所述第二电压值,确定所述对应桥臂的每个所述功率模块的所述第一电容和所有所述第二电容分别在当前仿真步长中的第一贡献值和第二贡献值。
在其中一个实施例中,所述电气信息还包括所述对应桥臂第i个所述功率模块的所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管在当前仿真步长中的开关状态分别用S1i(t)、S21i(t)、S3i(t)表示。其中,值为1时,表示开关为导通状态,值为0时,表示开关为关断状态。
确定所述第一贡献值和所述第二贡献值的公式分别为:
其中,UM1i(t)为所述第一贡献值,UM2i(t)为所述第二贡献值。
S360:根据所述对应桥臂的所有所述功率模块的所述第一贡献值和所述第二贡献值分别确定所述第一受控电压源V1和所述第二受控电压源V2的电压值,并根据所述电气信息确定所述第一受控电压源V1和所述第二受控电压源V2的内阻值。
在其中一个实施例中,确定所述第一受控电压源V1和所述第二受控电压源V2的电压值的公式分别为:
其中,U1(t)为所述第一受控电压源的电压值,U2(t)为所述第二受控电压源的电压值。
确定所述第一受控电压源V1和所述第二受控电压源V2的内阻值的公式为:
其中,R1(t)为所述第一受控电压源的电阻值、R2(t)为所述第二受控电压源的电阻值。not表示非运算,即S21i(t)取反。
请同时结合参阅图7,本发明还提供一种与上述二极管箝位型级联多电平换流器的建模方法对应的二极管箝位型级联多电平换流器的建模系统,包括:
二极管等效模块100,用于将每个桥臂的所有第一二极管D1等效为一个第一辅助二极管SD1,所述每个桥臂的所有第二二极管D2等效为一个第二辅助二极管SD2,所述每个桥臂的所有第三二极管D3等效为一个第三辅助二极管SD3,所述每个桥臂的所有第四二极管D4等效为一个第四辅助二极管SD4;
电容器等效模块300,用于将所述每个桥臂的所有第一电容器C1等效为一个第一受控电压源V1,所述每个桥臂的所有第二电容器C2等效为一个第二受控电压源V2;
桥臂等效模块500,用于将所述每个桥臂的所述功率模块串M等效为一个等值模块,所述等值模块包括一个损耗电阻R和一个与所述损耗电阻R相连的复合等值模型Eq,所述复合等值模型Eq包括所述第一辅助二极管SD1、所述第二辅助二极管SD2、所述第三辅助二极管SD3、所述第四辅助二极管SD4、所述第一受控电压源V1及所述第二受控电压源V2。
请继续参阅图4,在其中一个实施例中,所述复合等值模型Eq还包括第一辅助开关K1、第二辅助开关K2;所述第一辅助开关K1的第一端A1与所述第一辅助二极管SD1的阴极连接,并与所述第一受控电压源V1的正端相连;所述第一受控电压源V1的负端与所述第二受控电压源V2的正端相连,并与所述第四辅助二极管SD4的阴极相连;所述第四辅助二极管SD4的阳极与所述第三辅助二极管SD3的阴极、所述第二辅助开关K2的第一端B2相连,其公共的连接点为所述复合等值模型Eq的负输出端NO;所述第二辅助开关K2的第二端A2与所述第三辅助二极管SD3的阳极连接,并与所述第二受控电压源V2的负端、所述第二辅助二极管SD2的阳极相连;所述第二辅助二极管SD2的阴极与所述第一辅助开关K1的第二端B1、所述第一辅助二极管SD1的阳极连接,其公共的连接点为所述复合等值模型Eq的正输出端PO。
请同时结合参阅图8,在其中一个实施例中,电容器等效模块300,包括:
电气信息获取单元310,用于获取对应桥臂的每个所述功率模块的电气信息。
历史电流值确定单元320,用于根据所述电气信息,确定所述对应桥臂的每个所述功率模块的所述第一电容器C1和所述第二电容器C2分别在当前仿真步长中的第一历史电流值和第二历史电流值。
当前电流值确定单元330,根据所述电气信息及所述第一历史电流值和所述第二历史电流值,确定所述对应桥臂的每个所述功率模块的所述第一电容器C1和所述第二电容器C2分别在当前仿真步长中的第一电流值和第二电流值。
当前电压值确定单元340,用于根据所述电气信息,确定所述对应桥臂的每个所述功率模块的所述第一电容器C1和所述第二电容器C2分别在当前仿真步长中的第一电压值和第二电压值。
电容贡献确定单元350,用于根据所述电气信息、所述第一电流值和所述第二电流值及所述第一电压值和所述第二电压值,确定所述对应桥臂的每个所述功率模块的所述第一电容和所述第二电容分别在当前仿真步长中的第一贡献值和第二贡献值。
受控电压源确定单元360,用于根据所述对应桥臂的所有所述功率模块的所述第一贡献值和所述第二贡献值分别确定所述第一受控电压源V1和所述第二受控电压源V2的电压值,并根据所述电气信息确定所述第一受控电压源V1和所述第二受控电压源V2的内阻值。
所述建模系统中,电气信息获取单元310获取电气信息的方式、历史电流值确定单元320确定第一历史电流和第二历史电流的方式、当前电流值确定单元330确定第一电流值和第二电流值的方式、当前电压值确定单元340确定第一电压值和第二电压值的方式、电容贡献确定单元350确定第一贡献值和第二贡献值的方式,以及受控电压源确定单元360分别确定第一电压源和第二电压源的电压值和电阻值的方式均在上述建模方法的实施例中有详细的描述,故在此不作赘述。
上述二极管箝位型级联多电平换流器的建模系统,由于将所针对的二极管箝位型级联多电平换流器的每个桥臂的各功率模块中相同位置的多个元器件等效为一个元器件,可以降低二极管箝位型级联多电平换流器在PSCAD/EMTDC软件中仿真时的节点电压方程阶数,提高仿真效率,且仿真效率不会随着功率模块数量的增加而降低。通过该建模系统进行的建模能够满足远距离、大容量、架空线场合的柔性直流输电工程参数设计、控制策略验证等需求。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出多个变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。