CN105631088B - 一种模块化多电平换流器临界仿真步长的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器临界仿真步长的计算方法，属输配电技术领域。模块化多电平换流器(MMC)在电磁暂态仿真时，计算出临界仿真步长作为设置仿真步长的参考值，可以保证MMC模型在仿真软件中精确输出该电平下对应的台阶数，从而体现该电平下MMC的模块化多电平的特性。本发明的核心技术方案是：首先，分析MMC最近电平逼近调制中参考波的波形特性和电磁暂态仿真软件中波形展现的方式；然后通过分析MMC阶梯波跳变情况，计算出极限情况下过零点的两个台阶之间的电压差；最后，将参考电压离散化，推导得出电磁暂态仿真软件中MMC临界仿真步长的计算公式。该方法对MMC的研究具有重要的理论意义。

Description

一种模块化多电平换流器临界仿真步长的计算方法
技术领域
本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种电磁暂态仿真软件中模块化多电平换流器临界仿真步长的计算方法。
背景技术
近年来，由西门子公司提出的模块化多电平换流器(MMC)(子模块为半桥结构)已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑。我国建设的柔性直流输电工程中，上海南汇工程、南澳三端工程、舟山五端工程都采用MMC结构。美国直流输电跨湾工程(Trans BayCable Project,TBC)和法国—西班牙联网工程(INELFE工程)也采用MMC结构。因此，MMC已由最初的低电压、小容量示范工程向高电压、大容量方向快速发展，展现出良好的发展前景。
但是在实际工程正式投运之前，必须对MMC模型进行电磁暂态仿真以验证所设计控制算法和选择的系统参数的合理性，且仿真高频开关器件动作过程时，必须设置的合理仿真步长，否则严重影响仿真精度和MMC输出特性。
目前，有文献给出了采样频率的临界值计算方法，但是该临界值只适用于实际MMC工程或动模试验中物理样机控制器触发频率提出的参考值；有文献给出了MMC仿真步长的经验计算公式，该公式在低电平时较为实用，但是高电平时(如401电平)，并不能满足精确输出MMC对应电平下的台阶数的要求，影响了MMC的输出特性。
本发明通过研究MMC最近电平逼近调制(NLM)原理，分析调制波和阶梯波之间的关系，推导得出了适合于电磁暂态软件中MMC临界仿真步长的计算方法。当仿真步长小于等于该临界仿真步长时，MMC模型能够在仿真软件中精确仿真出该电平下对应的台阶数，从而体现该电平下MMC的模块化多电平的特性。
发明内容
针对上述背景技术中提到的模块化多电平换流器在电磁暂态软件中如何设置合适的仿真步长问题，本发明提出了一种电磁暂态仿真软件中模块化多电平换流器临界仿真步长的计算方法。
本发明的技术方案是，一种电磁暂态仿真软件中模块化多电平换流器临界仿真步长的计算方法，其特征是该设计方法包括以下步骤：
步骤1：分析MMC最近电平逼近调制中参考波的波形特性和电磁暂态仿真软件中波形展现的方式；
步骤2：通过分析MMC阶梯波跳变情况，计算出极限情况下过零点的两个台阶之间的电压差；
步骤3：将参考电压离散化，推导得出电磁暂态仿真软件中MMC临界仿真步长的计算公式。
本发明中的计算方法计算出MMC临界仿真步长，可以保证MMC精确输出对应电平下的台阶数，不会出现电平丢失情况，对电磁暂态仿真软件中MMC模型仿真十分实用。
附图说明
图1为本发明中为MMC最近电平逼近调制原理图
图2为本发明中所提出的MMC临界仿真步长计算方法中仿真步长与电平数的关系说明图
图中各符号：图1中UC表示子模块电容电压平均值；Uref—桥臂电压参考值；
图2中UC表示子模块电容电压平均值；u1表示过零点某一时刻t对应的参考波电压值u1；△T表示仿真步长；u2表示t+△T时刻对应的参考波电压值u2；△U＝u1-u2，表示电压u1与u2之差。
具体实施方式
下面结合说明书附图中的全部附图，对本发明涉及的一种电磁暂态仿真软件中模块化多电平换流器临界仿真步长的计算方法进行详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
步骤1：分析MMC最近电平逼近调制中参考波的波形特性和电磁暂态仿真软件中波形展现的方式。
MMC应用最为普遍的调制方式为最近电平逼近调制(Nearest Level Modulation，NLM)也称作量化取整法，其原理与数字电路中的A/D变换类似，如图1所示。它的工作机理是从换流器所能生成的电平中选择与调制波采样值最接近的数字作为控制指令，然后触发相应数目的子模块产生所需的电平输出。最近电平逼近调制在选择最邻近电平时可基于以下公式得到：
N(t)＝[Uref/UC] (1)
式中，N(t)—桥臂需要投入的子模块数目；UC—子模块电容电压平均值；Uref—桥臂电压参考值；“[x]”表示对x按四舍五入原则取整。
从输出电压波形上看，最近电平逼近调制类似于阶梯波调制，是逼近于正弦波的阶梯波。为了使MMC的每个子模块得到充分利用，即每个子模块都能输出对应的一个电平，则参考电压波形的每个阶梯就应展现对应的电平。正弦波在峰值处斜率最小，最为平坦；在过零点处斜率最大，坡度最陡。因正弦波在过零点处斜率最大，参考电压的阶梯波在过零点附近处最容易丢失电平。
在仿真软件中，要使得每个电平对应的台阶都出现，至少要有两个连续的仿真时刻保持电平不变化才能体现一个台阶。此处以过零点的电平为例，结合图2分析仿真步长的求取问题。在仿真软件中，波形输出是以描点连线的方式体现台阶，所以每两个台阶之间是由斜坡联接，并且斜坡映射到时间轴的长度为一个仿真步长△T。
步骤2：在t时刻，要使阶梯跳变，参考波(实线正弦波)的t时刻对应值u1应满足[u1]＝0，即0<u1<UC/2。要使得过零的电平保持，参考波(实线正弦波)的t+△T时刻对应值u2应满足[u2]＝0，即-UC/2<u2<0。设△U＝u1-u2，为了防止t+△T时刻阶梯直接跳变到-UC电平，即u2满足要求，则△U≤UC/2。图2中虚线正弦波所示参考波为本推论的极限情况，该参考波此时在t时刻过零，若在仿真的t+ΔT时刻，参考波纵坐标增量△U＝Uc/2时，[u2]＝-1，会发生电平数变化。所以在求取最大仿真步长时，计算出的小数需要向小取整，以避免极限情况发生的电平丢失。
步骤3：忽略参考电压中的直流分量，假设参考电压的表达式为：
其中k为电压调制比，ω0为基波角频率，Udc为换流器直流电压。参考电压在一个仿真步长△T内的变化量为
由上述推导可知，要使得参考波完全地显示每个电平数，一个仿真步长△T内的参考波的变化量最大值应不大于UC/2，结合式(3)得
由此可以得到临界仿真步长△T的表达式为
有了MMC对应电平下的仿真步长，就能够在仿真软件中精确仿真出该电平下的台阶数，从而体现该电平下MMC的模块化多电平的特性。

Claims (2)

1.一种模块化多电平换流器临界仿真步长的计算方法，其特征是该计算方法包括以下步骤：
步骤1：分析MMC最近电平逼近调制中参考波的波形特性和电磁暂态仿真软件中波形展现的方式；
步骤2：通过分析MMC阶梯波跳变情况，计算出极限情况下过零点的两个台阶之间的电压差；
步骤3：将参考电压离散化，推导得出电磁暂态仿真软件中MMC临界仿真步长的计算公式，临界仿真步长的计算过程为：忽略参考电压中的直流分量，假设参考电压的表达式为：
其中k为电压调制比，ω0为基波角频率，Udc为换流器直流电压，参考电压在一个仿真步长△T内的变化量为：
由上述推导可知，要使得参考波完全地显示每个电平数，一个仿真步长△T内的参考波的变化量最大值应不大于UC/2，结合式(2)得：
式中UC表示子模块电容电压平均值，由此可以得到临界仿真步长△T的表达式为：
2.基于权利要求1中所述的一种模块化多电平换流器临界仿真步长的计算方法，其特征是步骤2所得结论是基于步骤1中MMC参考波的波形特性和电磁暂态仿真软件中波形以描点画线的展示方式，步骤3中参考电压离散化，是依赖步骤2中所得极限情况下过零点的两个台阶之间的电压差的结论，进而推导出临界仿真步长的计算公式。
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