CN106055752A - 一种提高mmc高效电磁暂态模型仿真精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统模型仿真技术领域，尤其涉及一种提高MMC高效电磁暂态模型仿真精度的方法。首先基于戴维南等效定理建立MMC桥臂详细等效模型。若仿真过程中出现的故障或开关动作等引起网络结构突变，判断子模块当前时刻上IGBT开关状态是否发生改变，若改变则考虑电容电流突变特性，修正原等效建模过程中电容电流的计算结果；若不变则保持上一时刻等效结果；依据修正后的电容电流，戴维南等效电压源来求解这一时刻的等效桥臂模型。本发明方法在保证电磁暂态仿真提速的情况下，有效消除了因梯形积分引起计算边界条件突变的误差，提高了MMC高效电磁暂态模型仿真精度。

Description

一种提高MMC高效电磁暂态模型仿真精度的方法

技术领域

本发明属于电力系统模型仿真技术领域，尤其涉及一种提高MMC高效电磁暂态模型仿真精度的方法。

背景技术

随着电力电子器件和控制技术的发展，基于电压源换流器的高压直流输电(voltage source converter based on HVDC,VSC-HVDC)技术得到了越来越广泛的应用。其中，模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)比之两电平、三电平换流器，具有制造难度更低、开关损耗更少、阶跃电压更低、波形质量更高、故障处理更强等优势，成为VSC-HVDC的发展趋势。

受限于电力电子开关器件的耐压性能，高压大容量的模块化多电平换流器通常通过增加桥臂的子模块个数来提高电压等级和输电容量，这使得换流站中含有大量的电力电子开关器件。而大规模的MMC多端系统在PSCAD/EMTDC中进行电磁暂态仿真时，会遇到诸多问题。为了解决MMC仿真规模的问题，基于戴维南等效原理的MMC模型的提出，为MMC电磁暂态离线等效模型和实时仿真模型研究奠定了坚实的理论基础。另外，由于梯形积分比较简单而且具有相当的精度和良好的数值稳定性，因此在电磁暂态仿真程序计算中通常都采用这种方法。但当仿真过程中出现故障或者开关动作等引起的网络结构突变时，采用梯形积分法无法获取正确的非状态变量，从而会产生计算误差。

发明内容

为了有效地解决在电磁暂态仿真中采用梯形积分计算MMC仿真模型带来的误差问题，本发明提出了一种提高MMC高效电磁暂态模型仿真精度的方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为

步骤1、基于戴维南等效定理，建立MMC桥臂详细等效模型；

步骤2、根据仿真过程中当前时刻MMC桥臂中子模块的上开关组的IGBT的导通或关断情况判断该子模块的等效电阻值；

步骤3、若步骤2中的子模块当前时刻的上IGBT开关状态发生改变，则根据电容电流突变特性，修正步骤1中MMC桥臂详细等效模型的电容电流；

步骤4、依据修正后的这一时刻电容电流I_c(t)，从而得到修正这一时刻的戴维南等效电压源U_eq(t)，再更新这一时刻的子模块的戴维南电压源，最后基于此将MMC桥臂上N个串联的子模块的戴维南电路进行叠加求解这一时刻的等效桥臂模型的桥臂电压U_arm(t)和桥臂电阻R_arm(t)，建立这一时刻的MMC桥臂详细等效桥臂模型。

所述步骤2的具体过程为

所述子模块由两组开关组串联构成，上开关组由IGBT开关元件T1和二极管D1反并联构成，下开关组由IGBT开关元件T2和二极管D2反并联构成，分别用可变电阻R₁表示上开关组的导通关断状态，可变电阻R₂表示下开关组的导通关断状态；

IN1_N表示上开关组的IGBT开关状态，IN2_N表示下开关组的IGBT开关状态，其中IN1_N＝0表示T1导通，IN2_N＝0表示T2导通，IN1_N＝1表示T1关断，IN2_N＝1表示T2关断；IN表示当前时刻的T1的开断状态；仿真初始状态设为T1、T2均导通；R_OFF表示子模块可变大电阻、R_ON表示子模块可变小电阻；

若当前时刻T1导通，T2关断，即IN＝0，则子模块可变电阻等效情况为：R₁＝R_ON，R₂＝R_OFF；

若当前时刻T1关断，T2导通，即IN＝1，则子模块可变电阻等效情况为：R₁＝R_OFF,R₂＝R_ON；

所述步骤3中电容电流突变特性为

若IN≠IN1_N，即T1状态发生改变，所述的电容电流突变特性为：

设两个相邻计算时刻为t₁和t₂，且有t₂＝t₁+Δt，采用梯形积分法的子模块电容电压

其中，C为子模块电容值，U_c(t₁)为t₁时刻子模块的电容电压，U_c(t₂)为t₂时刻子模块的电容电压，I_c(t₁)为t₁时刻流经子模块电容的电流，I_c(t₂)为t₂时刻流经子模块电容的电流，Δt为电磁暂态仿真步长；每个仿真步长的电容电压与当前时刻以及前一个时刻的子模块导通情况相关；

在T1、T2发生变化时，电容电流发生突变，如果开关变化发生在t₁时刻，那么I_c(t₁)不等于突变后的t₁′时刻的电容电流I_c(t₁′)；实际的电磁暂态仿真过程中的

突变后t₁时刻的桥臂电流为，I_arm(t₁)＝I_C(t′₁)+I₂(t₁)；

令

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{SM}\left(t_1\right)=R_2\left(t_2\right)I_2\left(t_1\right)\\ U_{SM}\left(t_1\right)=R_1\left(t_2\right)I_C\left(t_1^{\′}\right)+U_C\left(t_1^{\′}\right)\end{array}\right.$

其中，I_arm(t₁)是t₁时刻流经MMC桥臂的桥臂电流；I₂(t₁)是t₁时刻流过子模块可变电阻R₂的电流；U_SM(t₁)是t₁时刻子模块端口电压；R₁(t₂)、R₂(t₂)分别为t₂时刻R₁、R₂的等效可变电阻值；U_c(t′₁)为突变后的t′₁时刻子模块的电容电压；

由于桥臂中有电感存在，在开关变化的t₁时刻，桥臂电流I_arm不会突变，即I_arm(t′₁)＝I_arm(t₁)；对于电容电压，在开关变化瞬间亦不突变，即U_c(t′₁)＝U_c(t₁)；

计算修正后的电容电流

那么t₁时刻等效戴维南电压源U_eq(t₁)的修正表达式为

U_eq(t₁)＝R_CI_C(t′₁)+U_C(t₁)

其中，R_C是电容等效电阻值；

若IN＝IN1_N，即T1状态未发生改变，则保持步骤1所述的建模结果。

本发明的有益效果是提出了一种提高MMC高效电磁暂态模型仿真精度的本方法在基于戴维南等效原理的MMC桥臂详细模型建模过程中，考虑了仿真过程发生故障或开关动作等而引起网络结构变化时，电容电流突变的特性，可以有效消除采用梯形积分计算时引入的计算误差，提高了MMC桥臂详细等效模型的仿真精度。

附图说明

图1为等效桥臂模型修正计算方法流程图；

图2a～c为MMC子模块等效过程图；其中，图2a为电路图，图2b为等效电路图，图2c为桥臂等效结构图。

图3为PSCAD中实现的本发明模块；

图4为等效桥臂测试电路示意图；

图5为不同桥臂模型下流过电容的电流对比图；

图6为开关变化前后电容电压对比图。

具体实施方式

本发明提出了一种提高MMC高效电磁暂态模型仿真精度的方法。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

在仿真过程中发生故障或者开关动作等引起网络结构突变时，等效桥臂模型修正计算方法流程图如图1所示。

步骤1：MMC桥臂建模：基于戴维南等效定理，建立MMC桥臂详细等效模型。求解出上一时刻U_eq(t)、R_eq(t)、I_c(t)、U_c(t)，MMC子模块等效过程如图2所示,图2a为电路图，图2b为等效电路图，图2c为桥臂等效结构图。

步骤2：判断开关状态：根据当前时刻T1的开关状态判断R₁、R₂的等效情况。

步骤3：修正计算边界条件：判断当前时刻T1的开关状态是否发生改变，若改变则考虑电容电流突变特性，修正原始等效建模过程中I_c(t)的计算结果；若不改变则保持步骤1的等效结果不变。

步骤4：更新突变时刻的等效桥臂模型：通过修正后的I_c(t)、U_eq(t)求解这一时刻的等效桥臂模型。

实施例：在PSCAD/EMTDC上编写实现上述方法的自定义模块，自定义模块如图3所示，左端口输入1为控制系统给定的IGBT触发信号，左端口输入2为使能信号EN，右端口输出为子模块电容电压Vc，上下端口分别为桥臂接入MMC直流输电系统电气节点N1、N2。

在PSCAD/EMTDC中搭建的MMC等效桥臂测试电路示意图如图4所示，开关组元件用可变电阻R₁、R₂实现，其中R₁＝0.005Ω，R₂＝10⁶Ω，交流侧采用单相电压源，电压源内阻1Ω，串联电感0.1H，子模块电容0.03F。

1.49s时，等效桥臂的开关断开，电容不再充电。分三种情况进行仿真，观测电容电流：1)采用传统方法即未修正梯形积分边界条件的戴维南等效桥臂模型；2)采用本发明方法即修正梯形积分边界条件后的戴维南等效桥臂模型；3)采用器件搭建的详细模型。仿真结果见图5所示。

图5为不同桥臂模型下流过电容的电流对比图，若桥臂开关状态未发生改变，不论是采用本发明方法或是传统方法的桥臂等效模型其电容电流与详细模型的电容电流趋势基本一致，而在1.49s时，开关断开，传统方法的桥臂模型其电容电流与详细模型的电容电流偏差较大，而本发明方法的桥臂模型其电容电流与详细模型的电容电流趋势基本一致。

图6为采用本发明方法与传统桥臂等效方法在开关变化前后电容电压的对比。

从图6中可以发现，采用传统的桥臂模型的电容电压继续升高，一个步长后维持新的定值，由于传统的桥臂模型未考虑开关状态变化瞬间电流的突变，由此得到的电容电压比真实值大；采用本发明方法的桥臂模型，由于电容电压在开关状态改变时刻并不突变，所以其电容电压仍保持当前时刻的值不变。

上述的对比，充分验证了本发明在提高MMC高效电磁暂态模型仿真精度的优越性。本发明提出的MMC桥臂详细等效模型可以消除因梯形积分引起计算边界条件突变的误差，从而提高网络故障或开关动作时MMC仿真模块的精度。其次，相较于PSCAD/EMTDC软件中MMC器件详细模型，每个子模块都包含2个电力电子开关元件IGBT，随着系统模块数的增加，仿真的速度大大降低，而本文提出的MMC模型是根据戴维南等效定理建立的MMC桥臂的等效模型，根据IGBT在MMC中的工作原理，将其等效为不同状态的等效电阻，大大节约了仿真资源，提高了仿真速度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种提高MMC高效电磁暂态模型仿真精度的方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为

步骤1、基于戴维南等效定理，建立MMC桥臂详细等效模型；

步骤2、根据仿真过程中当前时刻MMC桥臂中子模块的上开关组的IGBT的导通或关断情况判断该子模块的等效电阻值；

步骤3、若步骤2中的子模块当前时刻的上IGBT开关状态发生改变，则根据电容电流突变特性，修正步骤1中MMC桥臂详细等效模型的电容电流；

步骤4、依据修正后的这一时刻电容电流I_c(t)，从而得到修正这一时刻的戴维南等效电压源U_eq(t)，再更新这一时刻的子模块的戴维南电压源，最后基于此将MMC桥臂上N个串联的子模块的戴维南电路进行叠加求解这一时刻的等效桥臂模型的桥臂电压U_arm(t)和桥臂电阻R_arm(t)，建立这一时刻的MMC桥臂详细等效桥臂模型。

2.根据权利要求1所述一种提高MMC高效电磁暂态模型仿真精度的方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为

所述子模块由两组开关组串联构成，上开关组由IGBT开关元件T1和二极管D1反并联构成，下开关组由IGBT开关元件T2和二极管D2反并联构成，分别用可变电阻R₁表示上开关组的导通关断状态，可变电阻R₂表示下开关组的导通关断状态；

IN1_N表示上开关组的IGBT开关状态，IN2_N表示下开关组的IGBT开关状态，其中IN1_N＝0表示T1导通，IN2_N＝0表示T2导通，IN1_N＝1表示T1关断，IN2_N＝1表示T2关断；IN表示当前时刻的T1的开断状态；仿真初始状态设为T1、T2均导通；R_OFF表示子模块可变大电阻、R_ON表示子模块可变小电阻；

若当前时刻T1导通，T2关断，即IN＝0，则子模块可变电阻等效情况为：R₁＝R_ON，R₂＝R_OFF；

若当前时刻T1关断，T2导通，即IN＝1，则子模块可变电阻等效情况为：R₁＝R_OFF,R₂＝R_ON。

3.根据权利要求2所述一种提高MMC高效电磁暂态模型仿真精度的方法，其特征在于，所述步骤3中电容电流突变特性为

若IN≠IN1_N，即T1状态发生改变，所述的电容电流突变特性为：

设两个相邻计算时刻为t₁和t₂，且有t₂＝t₁+Δt，采用梯形积分法的子模块电容电压

其中，C为子模块电容值，U_c(t₁)为t₁时刻子模块的电容电压，U_c(t₂)为t₂时刻子模块的电容电压，I_c(t₁)为t₁时刻流经子模块电容的电流，I_c(t₂)为t₂时刻流经子模块电容的电流，Δt为电磁暂态仿真步长；每个仿真步长的电容电压与当前时刻以及前一个时刻的子模块导通情况相关；

在T1、T2发生变化时，电容电流发生突变，如果开关变化发生在t₁时刻，那么I_c(t₁)不等于突变后的t₁′时刻的电容电流I_c(t′₁)；实际的电磁暂态仿真过程中的

突变后t₁时刻的桥臂电流为，I_arm(t₁)＝I_C(t′₁)+I₂(t₁)；

令

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{SM}\left(t_1\right)=R_2\left(t_2\right)I_2\left(t_1\right)\\ U_{SM}\left(t_1\right)=R_1\left(t_2\right)I_C\left(t_1^{\′}\right)+U_C\left(t_1^{\′}\right)\end{array}\right.$

其中，I_arm(t₁)是t₁时刻流经MMC桥臂的桥臂电流；I₂(t₁)是t₁时刻流过子模块可变电阻R₂的电流；U_SM(t₁)是t₁时刻子模块端口电压；R₁(t₂)、R₂(t₂)分别为t₂时刻R₁、R₂的等效可变电阻值；U_c(t₁′)为突变后的t′₁时刻子模块的电容电压；

由于桥臂中有电感存在，在开关变化的t₁时刻，桥臂电流I_arm不会突变，即I_arm(t′₁)＝I_arm(t₁)；对于电容电压，在开关变化瞬间亦不突变，即U_c(t′₁)＝U_c(t₁)；

计算修正后的电容电流

那么t₁时刻等效戴维南电压源U_eq(t₁)的修正表达式为

U_eq(t₁)＝R_CI_C(t′₁)+U_C(t₁)

其中，R_C是电容等效电阻值；

若IN＝IN1_N，即T1状态未发生改变，则保持步骤1所述的建模结果。