CN105870959B - 基于平均模型的mmc电路结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平均模型的MMC电路结构及设计方法，其中，所述基于平均模型的MMC电路结构包括若干个串联的SM，所述SM包括一可控电压源、一可控电流源和一电容，所述可控电压源和可控电流源串联后与所述电容并联；所述受控电流源的电流由SM的输出电流决定，所述受控电压源的电压由子模块的正负极电压决定；通过控制SM的占空比分量控制每个SM的状态，所述状态包括正常状态和移除状态。本发明可以仿真MMC开关模型的每个子模块里的电压波动情况，本发明考虑了电压波动对交流侧的影响，并且能够通过控制使每个子模块的电压波动在合理范围之内；该模型可以模拟子模块正常状态以及出现故障被移除的状态，通用性强，极大地提高了仿真速度。

Description

基于平均模型的MMC电路结构及设计方法

技术领域

本发明涉及MMC电路结构的建模，尤其是一种基于平均模型的MMC电路结构。

背景技术

近年来，MMC在高压直流输电系统中的应用越来越广泛。与传统的两电平和三电平VSC-HVDC相比，MMC通过子模块的串联，可以承受更高的电压，并且输出电平数可以随着子模块数的增加而增加，使输出波形更加光滑。

由于在高压直流输电系统中，MMC的每个桥臂中有许多子模块，数目达数百个，在实际应用前需要对其进行仿真，使得能得到合理的控制参数。但是在传统的仿真平台下对具有高达数千个子模块的换流器进行仿真变得很困难，速度很缓慢。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有技术存在仿真困难、速度很慢或者算法比较复杂的缺点，需要对其进行进一步的改进。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种基于平均模型的MMC电路结构，包括若干个串联的SM(子模块，下同)，所述SM包括一可控电压源、一可控电流源和一电容，所述可控电压源和可控电流源串联后与所述电容并联；所述受控电流源的电流由SM的输出电流决定，所述受控电压源的电压由子模块的正负极电压决定；通过控制SM的占空比分量控制每个SM的状态，所述状态包括正常状态和移除状态。

所述SM的可控电压源和可控电流源分别通过以下公式计算：

u_cbj＝d_j×u_cj，i_aj＝d_j×i_cj；

u_cbj为第j个SM对应的可控电压源的电压；u_cj为第j个SM正负两端的电压；

i_aj为第j个SM对应的可控电流源的电流；i_cj为第j个SM的输出电流；

d_j为第j个SM的占空比分量，即输入的控制分量；当该子模块被移除时，d_j＝0；当该子模块正常工作时，0＜d_j＜1。

一种基于平均模型的MMC电路结构的设计方法，所述基于平均模型的MMC电路结构包括若干个串联的SM，所述SM包括一可控电压源、一可控电流源和一电容，所述可控电压源和可控电流源串联后与所述电容并联；所述受控电流源的电流由SM的输出电流决定，所述受控电压源的电压由子模块的正负极电压决定；通过控制SM的占空比分量控制每个SM(子模块)的状态，所述状态包括正常状态和移除状态。

所述SM的可控电压源和可控电流源分别通过以下公式计算：

u_cbj＝d_j×u_cj，i_aj＝d_j×i_cj；

u_cbj为第j个SM对应的可控电压源的电压；u_cj为第j个SM正负两端的电压；

i_aj为第j个SM对应的可控电流源的电流；i_cj为第j个SM的输出电流；

d_j为第j个SM的占空比分量，即输入的控制分量；当该子模块被移除时，d_j＝0；当该子模块正常工作时，0＜d_j＜1，j为自然数。

一种基于平均模型的MMC电路结构的设计方法，在换流器全部子模块串联的基础上，将每个子模块用一个受控电压源和受控电源来替代；受控电流源的电流可以由子模块的输出电流来决定，受控电压源的电压由子模块的正负两极的电压来决定；通过控制第j个子模块的占空比分量控制每个子模块属于正常状态或者移除状态。

本发明的电路结构里每个子模块的连接方式跟开关模型中子模块的连接方式类似，即每个子模块的两端对地电位跟开关模型中的相同，因此在本发明的电路结构中可以直接测量每个子模块的对地电位。

实施本发明能够获得的有益效果是：本发明以子模块为研究替代对象，可以仿真MMC开关模型的每个子模块里的电压波动情况，考虑了电压波动对交流侧的影响，并且能够通过控制使每个子模块的电压波动在合理范围之内；该模型可以模拟子模块正常状态以及出现故障被移除的状态，通用性强，极大地提高了仿真速度。

附图说明

图1为MMC的三相拓扑结构，其中，A、B、C表示MMC换流器交流侧三相；

SM1、SM2、…SMn分别表示MMC中第一个子模块，第二个子模块，…，第n个子模块；L表示桥臂电抗；U_dc表示MMC大直流侧的电压。

图2为半桥MMC的子模块拓扑结构，T₁，T₂分别为半桥子模块中的IGBT；D₁，D₂表示二极管，U_cj为j子模块的电容电压，U_oj为j子模块的输出电压。

图3为本发明所提出模型中等效子模块的示意图。

图4为本发明所提出的MMC平均模型结构示意图(以每个桥臂2个子模块为例)。

具体实施方式

结合图1至图4描述本发明的技术方案和技术原理。为解决这个问题，申请人研究了多个现有技术。现有技术一提出了简化的动态模型，但是将一整个桥臂进行整体等效，虽然模型里保留了换流器的基本对外输出特性，但是无法精确模拟换流器的每个子模块的特性，每个子模块的电容电压变化对交流侧输出的电压影响未被考虑，实际电路中对每个子模块的电容电压的控制也无法体现，因为建模不够精确。

现有技术二为了加快仿真速度，提出了一种基于受控源的MMC通用建模模型，它的实施方法为：在现有换流器全部子模块串联模型的基础上，将换流器的每个桥臂替换为可控电压源，并实时测量桥臂电流；将桥臂中全部子模块的正端连接同一可控电流源，全部子模块的负端接地，并实时测量子模块的输出电压；将同一桥臂中全部子模块的输出电压求和，将其设定为可控电压源的瞬时电压值，将桥臂电流的测量值设定为可控电流源的电流值。它虽对模型进行等效处理，但其实仍是一种基于开关模型的的建模，因为它实际上需要监测属于开关模型的子模块的输出电压，再反馈到受控电压源中，因此仿真出来的波形仍然有开关纹波；对于仿真速度上，虽然算法上经过降阶处理后比详细模型提速很多，但是由于开关模型的限制，因此提速仍会有很大的局限性，特别是在子模块数很大的情况下。在下文中会特别对该技术的仿真速度和本文所提出的技术进行对比。另外，该模型在建模时将全部子模块的负端接地，而详细模型中并不接地，因此该技术与真实模型具有物理上的差异，而且不能直接测量每一个子模块对地的电位，这是该技术为加快仿真速度所作出的牺牲。

现有技术三将子模块中的2个IGBT等效为两个可变电阻，更进一步，将桥臂等效为一个电压源和电阻，减少仿真电力的节点数，但该简化需要考虑触发脉冲分配、电容和电压均衡，算法比较复杂。

在上述研究基础上，申请人提出了如下技术方案：一种基于平均模型的MMC电路结构的仿真方法，在换流器全部子模块串联的基础上，将每个子模块用一个受控电压源和受控电源来替代；受控电流源的电流可以由子模块的输出电流来决定，受控电压源的电压由子模块的正负两极的电压来决定；通过控制第j个子模块的占空比分量可以控制每个子模块属于正常状态或者移除状态。

具体地，基于平均模型的MMC电路结构包括若干个串联的SM，SM包括一可控电压源、一可控电流源和一电容，可控电压源和可控电流源串联后与所述电容并联；受控电流源的电流由SM的输出电流决定，受控电压源的电压由子模块的正负极电压决定；通过控制SM的占空比分量控制每个SM的状态，所述状态包括正常状态和移除状态。

所述SM(子模块)的可控电压源和可控电流源分别通过以下公式计算：

u_cbj＝d_j×u_cj，i_aj＝d_j×i_cj；

u_cbj为第j个SM对应的可控电压源的电压；u_cj为第j个SM正负两端的电压；

i_aj为第j个SM对应的可控电流源的电流；i_cj为第j个SM的输出电流；

d_j为第j个SM的占空比分量，即输入的控制分量；当该子模块被移除时，d_j＝0；当该子模块正常工作时，0＜d_j＜1，j为自然数，如图3所示。

图1为MMC总的拓扑结构，图2为半桥子模块拓扑。从图中可知，MMC的每个桥臂由N个半桥子模块串联而成。MMC大直流侧的电压为U_dc，桥臂电抗为L。每个半桥子模块包括上下两个IGBT，即T1和T2，D1和D2表示两个二极管。

对于开关模型下的MMC仿真中，需要在psim中搭建图1结合图2的拓扑，当子模块数十分庞大时，仿真速度很缓慢，不利于控制参数的设计。

在一定的精度下，本发明利用psim仿真软件仿真，与开关模型MMC对比发现，基于MMC平均模型的电路结构仿真速度十分快。对于一个桥臂的子模块数为3的MMC,开关模型的时长为4分钟43秒，而本文所提出的平均模型仿真时长只有41秒，大大降低了仿真时长。在现有文献中的加速比测试中可以看出。随着电平数增加，加速比是成比例增长的。对于11电平的MMC，提出的模型和详细模型加速比为577％，而本文所提出的平均模型的仿真中，对于一个桥臂三个模块的MMC电路，也就是7电平的电路，加速比却有690％，因此比技术二的仿真速度要快。这是由于本文所提出的技术已经抛开了传统的开关模型，采用平均模型之后，输出波形已经没有开关纹波，但仍保持与原有的详细模型中一致的动态性能。因此仿真速度大大提高。此外，本发明所提出的模型能够分别测出每个子模块对地的电位。

总之，针对传统MMC电路结构进行仿真时存在由于子模块数目多而导致的仿真速度缓慢的问题。本发明抛弃了传统的开关模型，在平均模型下，将换流器的每个桥臂上的子模块都替换为由一个可控电压源和一个可控电流源组成；本发明的每个子模块里的受控电压源和受控电流源可以单独控制，增加了电路结构的通用性，不受子模块数的限制；在一定的仿真精度的前提下，能够仿真MMC的正常工作的性能，输出波形中没有开关纹波，极大地提高了仿真速度；区别于传统的一个桥臂用一个电压源和电流源来替代，本发明以子模块为研究替代对象，可以仿真MMC开关模型的每个子模块里的电压波动情况，考虑了电压波动对交流侧的影响，并且能够通过控制使每个子模块的电压波动在合理范围之内；该模型可以模拟子模块正常状态以及出现故障被移除的状态；最后本模型可以检测每个子模块的对地电位。本平均模型不仅可以替代半桥子模块，也可以替代全桥子模块，本发明仅仅以半桥子模块为例。

Claims (2)

1.一种基于平均模型的MMC电路结构，其特征在于，包括若干个串联的子模块，所述子模块包括一受控电压源、一受控电流源和一电容，所述受控电压源和受控电流源串联后与所述电容并联；所述受控电流源的电流由子模块的输出电流决定，所述受控电压源的电压由子模块的正负极电压决定；通过控制子模块的占空比分量控制每个子模块的状态，所述状态包括正常状态和移除状态；

所述子模块的受控电压源和受控电流源分别通过以下公式计算：

u_cbj＝d_j×u_abj，i_aj＝d_j×i_cj；

u_cbj为第j个子模块对应的受控电压源的电压；u_abj为第j个子模块正负两端的电压；

i_aj为第j个子模块对应的受控电流源的电流；i_cj为第j个子模块的输出电流；

d_j为第j个子模块的占空比分量，即输入的控制分量；当该子模块被移除时，d_j＝0；当该子模块正常工作时，0＜d_j＜1。

2.一种基于平均模型的MMC电路结构的设计方法，其特征在于，所述基于平均模型的MMC电路结构包括若干个串联的子模块，所述子模块包括一受控电压源、一受控电流源和一电容，所述受控电压源和受控电流源串联后与所述电容并联；所述受控电流源的电流由子模块的输出电流决定，所述受控电压源的电压由子模块的正负极电压决定；通过控制子模块的占空比分量控制每个子模块的状态，所述状态包括正常状态和移除状态；

所述子模块的受控电压源和受控电流源分别通过以下公式计算：

u_cbj＝d_j×u_abj，i_aj＝d_j×i_cj；

u_cbj为第j个子模块对应的受控电压源的电压；u_abj为第j个子模块正负两端的电压；

i_aj为第j个子模块对应的受控电流源的电流；i_cj为第j个子模块的输出电流；

d_j为第j个子模块的占空比分量，即输入的控制分量；当该子模块被移除时，d_j＝0；当该子模块正常工作时，0＜d_j＜1，j为自然数。