CN105956323B - 钳位双子模块型mmc电磁暂态等效方法 - Google Patents

钳位双子模块型mmc电磁暂态等效方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于电力系统模型仿真与控制领域，尤其涉及一种钳位双子模块型MMC电磁暂态等效方法。首先根据触发信号EN的不同，将CDSM运行状态分为正常运行状态与闭锁状态；在正常运行状态跳入闭锁状态中加入了过渡状态；在EN＝1时，判断CDSM处于正常运行状态下，将CDSM等效为2个HBSM，完全按照HBSM的等效方法来等效。在EN＝0时，首先判断其上一时刻是否为正常运行状态，若是，则其跳入过渡状态，按照过渡状态的判断逻辑确定可变电阻的大小；若否，则其正式进入闭锁状态，按照闭锁状态的判断逻辑确定可变电阻的大小。本发明通过降低系统节点数，在保持仿真精度的基础上，有效提高了CDSM‑MMC的仿真速度。

Description

钳位双子模块型MMC电磁暂态等效方法
技术领域
本发明属于电力系统运行与控制技术领域，涉及一种钳位双子模块型MMC电磁暂态等效方法。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于其输出电平高、谐波含量少以及可独立控制有功功率、无功功率而得到了广泛应用。其子模块有三种：半桥子模块(half bridge sub-module,HBSM)、钳位双子模块(clamp double sub-module,CDSM)、全桥子模块(full bridge sub-module,FBSM)。现今研究较多的为拓扑结果简单的HBSM，但由于其无法隔离直流侧故障，往往需要在交流侧设置断路器，增加了工程成本。而CDSM由于其可通过闭锁隔离直流侧故障，且相较于FBSM，在实现相同电平数所需要增加的IBGT要少得多，从而实现了经济性与功能性的平衡而成为新的研究热点。
但在利用PSCAD/EMTDC进行研究时，当所搭建的三端CDSM-MMC系统电平数达到21电平时，发现仿真1秒所需的时间竟达到了3个小时，严重影响了研究效率。
为了解决CDSM-MMC仿真速度慢的问题，提出了一种钳位双子模块的MMC电磁暂态等效模型。
发明内容
为了解决CDSM-MMC仿真速度慢的问题，提出了一种钳位双子模块型MMC电磁暂态等效方法，其特征在于，该钳位双子模块即CDSM的工作状态根据触发信号EN的不同分为正常运行状态与闭锁状态，闭锁状态又分为四个子状态，分别为串联充电状态、串联大电阻状态、并联充电状态以及并联大电阻状态；
所述方法包括
步骤1、根据触发信号EN的不同，判断此时CDSM所处的状态；规定触发信号EN＝1时，CDSM处于正常运行状态，一个CDSM等效为两个HBSM；EN＝0时，CDSM处于闭锁运行状态；
步骤2、在CDSM由正常运行状态跳入闭锁状态之前先进入过渡状态；过渡状态具体为：设置三个标志位flag，flag_1和flag_2；
当CDSM第一次进入闭锁状态时，flag＝1，此时满足flag>0，CDSM进入过渡状态；
若iarm(t)>0，则判断CDSM是否已经进入过过渡状态的负向充电状态，若flag_1>0，表示CDSM未曾进入过渡状态的负向充电状态，CDSM进入过渡状态的正向充电状态，并且令flag_2＝-1，使CDSM不进入过渡状态的负向充电状态；若flag_1<0，则表示CDSM已经进入过过渡状态的负向充电状态，令flag＝-1，跳出此过渡状态；
若iarm(t)<0，则判断CDSM是否已经进入过过渡状态的正向充电状态，若flag_2>0，表示CDSM未曾进入过渡状态的正向充电状态，CDSM进入过渡状态的负向充电状态，并且令flag_1＝-1，使CDSM不跳入过渡状态的正向充电状态，若flag_2<0，则表示CDSM已经进入过过渡状态的正向充电状态，令flag＝-1，结束过渡状态。
步骤3、在闭锁运行状态时，根据流经CDSM的电流iarm(t)的正负、CDSM端电压与电容电压的大小关系判断CDSM处于闭锁状态的哪一个子状态。
所述步骤3中判断CDSM处于闭锁状态的哪一个子状态的具体过程为
a)、当iarm(t)>0时，当CDSM端电压ui>uceq时，整个CDSM等效为两个HBSM串联充电状态；当ui<uceq时，整个CDSM等效为两个HBSM串联大电阻状态；
其中，uc1为电容C1的电压，uc2为电容C2的电压，中间变量uceq＝uc1+uc2；
b)、当iarm(t)<0时，|ui|>u′ceq时，CDSM等效为两个HBSM并联充电状态；当|ui|<u′ceq时，CDSM等效为两个HBSM并联大电阻状态；其中，中间变量u′ceq＝(uc1+uc2)/2。
有益效果
本发明提出了一种钳位双子模块的MMC电磁暂态等效方法，先将CDSM的运行状态分为正常运行状态与闭锁状态。在正常状态下按照HBSM的等效原理，在闭锁状态下根据桥臂电流、CDSM外部电压与电容电压的大小比较来确定其精确处于的状态，从而进行等效。本发明在不降低精度的条件下，加快PSCAD/EMTDC中CDSM-MMC的仿真速度。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为CDSM结构图；
图3为CDSM等效成两个HBSM的示意图；
图4为HBSM等效示意图；
图5为正常状态下HBSM可变电阻R1、R2判断逻辑流程图；
图6a～b为CDSM闭锁等效示意图，图6a为iarm(t)>0时的闭锁等效示意图，图6b为iarm(t)<0时的闭锁等效示意图；
图7为等效HBSM计算流程图；
图8为过渡状态可变电阻R1、R′1、R2、R′2判断逻辑流程图；
图9为CDSM闭锁状态下可变电阻R1、R′1、R2、R′2判断逻辑流程图；
图10a～b为PSCAD/EMTDC中等效CDSM模型及其输入界面；图10a为PSCAD/EMTDC中等效CDSM模型,图10b为PSCAD/EMTDC中等效CDSM模型的输入界面；
图11a～d为等效CDSM与器件模型仿真精度对比图,图11a为电容电压对比图，图11b为有功功率对比图，图11c为无功功率对比图，图11d为控制信号对比图。
具体实施方式
本发明提出了一种钳位双子模块的MMC电磁暂态等效方法，其具体步骤包括：
步骤1、根据触发信号EN的不同，判断此时CDSM所处的状态；规定触发信号EN＝1时，CDSM处于正常运行状态，一个CDSM等效为两个HBSM；EN＝0时，CDSM处于闭锁运行状态；
步骤2、在CDSM由正常运行状态跳入闭锁状态之前先进入过渡状态；
步骤3、在闭锁运行状态时，根据流经CDSM的电流iarm(t)的正负、CDSM端电压与电容电压的大小关系判断CDSM处于闭锁状态的哪一个子状态。
CDSM结构如图2所示，在正常运行状态下，T5恒保持导通，T1与T2，T3与T4触发信号互补。当T1导通，T2关断时，电容C1处于投入状态；反之，电容C1处于切除状态。当T3关断，T4导通时，电容C2处于投入状态；反之，电容C2处于切除状态。规定触发信号EN＝1时，CDSM处于正常运行状态；EN＝0时，CDSM处于闭锁运行状态。
由以上分析可以看出，在正常运行状态，一个CDSM根据IGBT触发信号的不同，可以输出0/1/2电平，其效果与两个HBSM级联完全相同。T1、T2、D1、D2和C1构成第一个HBSM，T3、T4、D3、D4和C2构成第二个HBSM，如图3所示，对于CDSM，当T4导通，T3闭锁时，电容C2投入；而对于第二个HBSM，当T3导通，T4闭锁时，电容C2导通。所以，正常情况下的等效，要将第二个HBSM的触发信号取反才能够与CDSM完全契合。
HBSM等效过程如图4所示，此等效方法将IGBT与反并联二极管等效为可变电阻，其中
当R1为小电阻，R2为大电阻时，电容处于投入状态；当R1为大电阻，R2为小电阻时，电容处于切除状态。可变电阻R1、R2的判断如图5所示。其中，F(i)为IGBT触发信号，F(i)＝1时，表示电容投入运行；F(i)＝0时，表示电容切除。之所以在iarm(t)<0与F(i)＝0的情况下，当uc<0时，R1为大电阻，R2为小电阻，是为了防止在电容电压uc<0的情况下，电容仍处于负向充电，从而出现uc持续为负的情形。
CDSM闭锁状态下，CDSM的所有IGBT的触发信号都为0，其等效电路如图6a～b所示，设电容C1的电压为uc1，电容C2的电压为uc2。
a)当电流iarm(t)>0时，如图6a所示，判断CDSM端电压ui与uceq＝uc1+uc2的大小。当ui>uceq时，此时CDSM等效为两个HBSM串联充电状态；当ui<uceq时，整个C等效为两个HBSM串联大电阻状态。
b)当电流iarm(t)<0时，如图6b所示，此时CDSM端电压一定为负值，取ui＝-ui，取uceq＝(uc1+uc2)/2。比较ui与uceq的大小，当ui>uceq时，两个电容处于并联充电状态；当ui<uceq时，CDSM处于并联大电阻状态。
其中等效CDSM的第一个HBSM的可变电阻假设为R1，R2，等效CDSM的第二个HBSM的可变电阻假设为R′1，R′2。充电状态表示R1、R′1为小电阻，R2、R′2为大电阻；大电阻状态表示R1、R′1、R2、R′2均为大电阻。
过渡状态是指CDSM由正常运行状态跳入闭锁状态时为了提高仿真精度而加入。
其中，flag，flag_1和flag_2是三个标志位。当电路第一次进入闭锁状态时，flag＝1，此时满足flag>0，电路进入过渡状态。
若iarm(t)>0，则进一步判断CDSM是否已经进入过过渡状态的负向充电状态，若flag_1>0，表示CDSM未曾进入过渡状态的负向充电状态，CDSM进入过渡状态的正向充电状态，并且令flag_2＝-1，使CDSM不进入过渡状态的负向充电状态，若flag_1<0，则表示CDSM已经进入过过渡状态的负向充电状态，令flag＝-1，跳出此过渡状态；
若iarm(t)<0，则进一步判断CDSM是否已经进入过过渡状态的正向充电状态，若flag_2>0，表示CDSM未曾进入过渡状态的正向充电状态，CDSM进入过渡状态的负向充电状态，并且令flag_1＝-1，使CDSM不跳入过渡状态的正向充电状态,若flag_2<0，则表示CDSM已经进入过过渡状态的正向充电状态，令flag＝-1，结束过渡状态。
实施例
在PSCAD中搭建了CDSM-MMC 21电平三端模型后，初始时刻触发信号EN＝1，当t＝2.986s时，EN＝0。
当EN＝1时，判断CDSM处于正常运行状态，其等效与HBSM等效相同。首先按照附图1判断可变电阻R1、R2的大小，然后按照图7所示计算流程开始计算。
当EN＝0时，判断CDSM处于闭锁状态，由于刚从正常运行状态进入闭锁状态，此时CDSM应进入过渡状态。此时可变电阻R1、R2、R′1、R′2的判断逻辑如图8所示。
当根据图8所示的判断逻辑跳出过渡状态时，此时CDSM正式进入闭锁状态。此时其可变电阻R1、R2、R′1、R′2的判断逻辑如图9所示。
实例：在PSCAD/EMTDC中编写了实现上述等效CDSM的自定义模块。自定义模块如图10a～b所示，图10a为PSCAD/EMTDC中等效CDSM模型,图10b为PSCAD/EMTDC中等效CDSM模型的输入界面；所示。左端输入为IGBT触发信号与EN，右端输出为子模块电容电压。双击可以进入CDSM的设置界面，可以设置CDSM模块数与子模块电容的大小。在本例中，设置CDSM子模块数为10，子模块电容的大小设置为3000uF。在PSCAD/EMTDC中，将等效模型的精确度与器件模型相对比，在相同参数的情况下，其对比结果如图11a～d所示，图11a为电容电压对比图，图11b为有功功率对比图，图11c为无功功率对比图，图11d为控制信号对比图。
由图11中对比结果可发现，CDSM等效模型与器件模型在电容电压控制效果、正常状态与闭锁状态之间切换的模拟精度已符合正常MMC模型的应用精度。且在等效模型与器件搭建模型功率变化趋势完全一致，说明了等效模型对于系统直流侧故障的隔离作用满足精度要求。同时，等效模型在控制器运行效果方面与器件搭建模型保持高度一致，说明了等效模型对于控制系统具有良好的兼容性。
为了验证本发明对于仿真提速的有效性，在PSCAD中分别搭建了21电平单端模型，双端模型，三端模型。其与器件模型仿真1秒所需时间如下表所示。
表1等效CDSM与器件模型仿真速度对比
由表1可看出，等效模型在仿真速度方面具有极大的优越性。且随着系统规模的增大，等效模型的提速作用越明显。因等效模型不论电平数的多寡，反应在系统中只有两个节点。且随着系统规模的增大，其增加的节点数大大小于器件模型，所以其仿真速度大大提高，且随着系统规模的增大，这种作用越是明显。

Claims (2)

1.钳位双子模块型MMC电磁暂态等效方法，其特征在于，该钳位双子模块即CDSM的工作状态根据触发信号EN的不同分为正常运行状态与闭锁状态，闭锁状态又分为四个子状态，分别为串联充电状态、串联大电阻状态、并联充电状态以及并联大电阻状态；
所述方法包括
步骤1、根据触发信号EN的不同，判断此时CDSM所处的状态；规定触发信号EN＝1时，CDSM处于正常运行状态，一个CDSM等效为两个HBSM；EN＝0时，CDSM处于闭锁运行状态；
步骤2、在CDSM由正常运行状态跳入闭锁状态之前先进入过渡状态；
过渡状态具体为：设置三个标志位flag，flag_1和flag_2；
当CDSM第一次进入闭锁状态时，flag＝1，此时满足flag>0，CDSM进入过渡状态；
若iarm(t)>0，则判断CDSM是否已经进入过过渡状态的负向充电状态，若flag_1>0，表示CDSM未曾进入过渡状态的负向充电状态，CDSM进入过渡状态的正向充电状态，并且令flag_2＝-1，使CDSM不进入过渡状态的负向充电状态；若flag_1<0，则表示CDSM已经进入过过渡状态的负向充电状态，令flag＝-1，跳出此过渡状态；
若iarm(t)<0，则判断CDSM是否已经进入过过渡状态的正向充电状态，若flag_2>0，表示CDSM未曾进入过渡状态的正向充电状态，CDSM进入过渡状态的负向充电状态，并且令flag_1＝-1，使CDSM不跳入过渡状态的正向充电状态，若flag_2<0，则表示CDSM已经进入过过渡状态的正向充电状态，令flag＝-1，结束过渡状态；
步骤3、在闭锁运行状态时，根据流经CDSM的电流iarm(t)的正负、CDSM端电压与电容电压的大小关系判断CDSM处于闭锁状态的哪一个子状态。
2.根据权利要求1所述的钳位双子模块型MMC电磁暂态等效方法，其特征在于，所述步骤3中判断CDSM处于闭锁状态的哪一个子状态的具体过程为：
a)、当iarm(t)>0时，当CDSM端电压ui>uceq时，整个CDSM等效为两个HBSM串联充电状态；当ui<uceq时，整个CDSM等效为两个HBSM串联大电阻状态；
其中，uc1为电容C1的电压，uc2为电容C2的电压，中间变量uceq＝uc1+uc2；
b)、当iarm(t)<0时，|ui|>u′ceq时，CDSM等效为两个HBSM并联充电状态；
当|ui|<uc′eq时，CDSM等效为两个HBSM并联大电阻状态；
其中，中间变量u′ceq＝(uc1+uc2)/2。
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