CN106374767A - 一种考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，其包括两个IGBT、两个二极管、储能电容、均压电阻、取能电源和中央控制板。均压电阻、取能电源输入端并联在电容两端，取能电源采用DC/DC开关电源拓扑将电容电压转化为低压直流电为中央控制板供电，取能电源等效电阻根据工作状态、电压值不同动态变化。本发明采用开关函数表达了均压电阻、取能电源效率、中央控制板功率等二次回路参数对子模块电压、电流的影响，使仿真模型更接近柔性直流输电工程实际使用的子模块。本发明旨在通过一种仿真模型体现实际工程中二次回路对子模块的影响，尤其是实现对换流器启动、停运过程的电压、电流波形仿真，使仿真结果更接近工程实际。

Description

一种考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型。
背景技术
国内已投运的柔性直流输电工程均使用模块化多电平换流器，各相桥臂通过具有相同结构的多个子模块串联构成，换流器输出电压就是由工作的多个子模块电压级联形成。子模块作为换流器的核心部件，其电气特性直接影响柔性直流输电工程的性能。在柔性直流输电工程设计阶段，通常采用建模与仿真手段分析与验证各设备的设计参数。子模块的仿真模型是换流器整体建模的基础，但目前已有的子模块仿真模型只简单考虑了IGBT、反并联二极管和储能电容的特性，忽略了二次回路对电压、电流的影响，使仿真结果误差较大，尤其是在启动和停运阶段，仿真结果与实际结果不符。因此，亟需提出一种考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，使仿真模型更接近柔性直流输电工程实际使用的子模块。
现有研究对子模块建模时，只考虑了几个一次器件，例如文献《一种新的柔性直流输电系统远端启动策略》、《一种适用于模块化多电平换流器的新型环流控制器》、《模块化多电平电压源换流器的数学模型》等均只考虑IGBT、储能电容、反并联二极管，此类模型的仿真结果存在如下局限性，
1启动过程中子模块电压波形与实际不符。文献《MMC-MTDC系统协调启动控制策略》、《模块化多电平柔性直流输电系统的启动策略》、《模块化多电平变流器的直流电压控制方法》等均认为启动过程中，各子模块电压基本一致，均压效果较好。但根据柔性直流输电工程实际运行数据发现，子模块在启动过程中电压两极分化、均压效果较差。
2解锁后电压波动范围与实际不符。根据现有仿真模型和文献《新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略》、《降低模块化多电平换流器子模块电容值的控制方法》等提出的电容均压算法，在解锁后电压波动范围较小，尤其是零功率时电压波动基本为零。但根据柔性直流输电工程实际运行数据发现，换流器在零功率时子模块亦存在较大波动范围。
以上局限性均是由于现有仿真模型未考虑二次回路对子模块电气特性的影响所致。在子模块实际运行过程中，并联在储能电容两端的均压电阻、取能电源直接消耗储能电容电量，且取能电源等效电阻是随电容电压变化的变量，最终导致子模块在启动过程中电压两极分化、解锁运行时电压波动范围变大等现象。
当需要仿真启动过程中电压两极分化、换流器零功率时子模块电压波动等现象时，现有子模块仿真模型不适用，因此本发明设计了一种考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，通过引入均压电阻、取能电源效率、中央控制板功率等二次回路参数，使模型一方面可仿真启动过程的电压两极分化现象、另一方面可准确仿真解锁运行时电压波动范围。通过本发明的仿真模型使仿真结果更接近柔性直流输电工程实际，为柔性直流输电工程系统特性研究、主电路参数设计以及控制系统设计提供理论依据和技术支持。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，该仿真模型考虑了均压电阻、取能电源、中央控制板等二次回路对子模块电压、电流的影响，在适用现有子模块仿真范围外，还可仿真启动过程中电压两极分化、换流器零功率时子模块电压波动等现象，使仿真结果更接近柔性直流输电工程实际。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：一种考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，其特征在于：包括第一IGBT、第二IGBT、第一二极管、第二二极管、均压电阻、取能电源、中央控制板、储能电容；所述子模块正极与第一IGBT发射极连接，所述子模块负极与第二IGBT发射极连接；所述第一IGBT集电极与第一二极管阴极连接，所述第一IGBT发射极与第一二极管阳极连接；所述第一IGBT发射级与第二IGBT集电极连接；所述第二IGBT集电极与第二二极管阴极连接，所述第二IGBT发射极与第二二极管阳极连接；所述储能电容正极与第一IGBT集电极连接，所述储能电容负极与第二IGBT发射极连接；所述均压电阻与储能电容并联；所述取能电源输入端与储能电容并联，所述取能电源输出端与中央控制板连接。
进一步的，所述中央控制板包括第一IGBT开关器件及第二IGBT开关器件的驱动电路、通讯电路、CPU电路及二次电路。
进一步的，所述中央控制板块的功率保持恒定，不随储能电容电压变化。
进一步的，所述均压电阻阻值和储能电容容值为固定值。
进一步的，所述取能电源采用DC/DC开关电源电路拓扑，将储能电容电压转化为低压直流电。
进一步的，所述取能电源具有开通和关断两种工作状态。
所述取能电源关断时的等效电阻无限大，认为开路。
在本发明一实施例中，所述取能电源工作时的等效电阻为随储能电容电压U c 变化的变量，等于储能电容电压U c 的平方乘以取能电源效率η再除以中央控制板卡功率P, 公式为：。
在本发明一实施例中，所述取能电源等效电阻与均压电阻并联后的阻值通过开关函数表达，开关函数如下：
其中S0为设取能电源状态；
取能电源等效电阻r与均压电阻r 0 并联后的阻值R用开关函数表达为：
。
在本发明一实施例中，子模块根据IGBT导通/关断和电流方向不同可分为六种工作状态，通过一开关函数表达子模块电压电流关系，开关函数如下：
，
其中S1为换流器状态，S2为IGBT状态，S3为电流方向；
根据S1、S2、S3得到开关状态S，表达式为：
子模块电压U、电流i、电容电压U c 、电容电流i c 的关系用开关函数表达为，
。
本发明提出的一种考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，通过引入均压电阻、取能电源效率、中央控制板功率等二次回路参数，使仿真结果更接近柔性直流输电工程实际，为柔性直流输电工程系统特性研究、主电路参数设计以及控制系统设计提供理论依据和技术支持。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1 考虑二次回路参数；
与传统方法相比，仿真模型增加了均压电阻、取能电源和中央控制板。其中均压电阻阻值采用固定值；取能电源等效电阻是一个变量，随工作状态、电容电压、取能电源效率、中央控制板功率变化。本发明采用开关函数表达了均压电阻和取能电源等效电阻并联后的阻值，使仿真模型与柔性直流输电工程实际应用的子模块一致，提高了模型的仿真度。
2 可仿真分析启动过程中电压两极分化现象。
在子模块实际运行过程中，并联在储能电容两端的均压电阻、取能电源直接消耗储能电容电量，且取能电源等效电阻是随电容电压变化的变量，最终导致子模块在启动过程中电压两极分化。传统方法忽略了二次回路的影响从而无法仿真此现象，而本发明考虑了二次回路对电容均压的影响，可仿真子模块启动过程中电压两极分化现象。
3 可提高子模块解锁后电压波动仿真准确度。
均压电阻、取能电源直接消耗储能电容电量，会加大子模块解锁后电压波动范围。现有方法仿真电压波动时存在误差，尤其是零功率时电压波动仿真结果为零，与实际不符。而本发明考虑了二次回路中均压电阻、取能电源对储能电容的放电作用，可提高子模块解锁后电压波动仿真准确度。
附图说明
图1是本发明考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型。
图2是子模块二次回路连接示意图。
图3是均压电阻、取能电源等效电阻与储能电容电压的关系。
图4是子模块六种工作状态。
图5是换流器启动过程子模块电压两极分化波形图。
图6是换流器解锁后零功率时子模块电压波动波形图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的仿真模型和数学公式进行具体说明。
如图1所示，本发明提供一种考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，包括第一IGBT、第二IGBT、第一二极管、第二二极管、均压电阻、取能电源、中央控制板、储能电容；所述子模块正极与第一IGBT发射极连接，所述子模块负极与第二IGBT发射极连接，所述第一IGBT集电极与第一二极管阴极连接，所述第一IGBT发射极与第一二极管阳极连接，所述第一IGBT发射级与第二IGBT集电极连接，所述第二IGBT集电极与第二二极管阴极连接，所述第二IGBT发射极与第二二极管阳极连接，所述储能电容正极与第一IGBT集电极连接，所述储能电容负极与第二IGBT发射极连接，所述均压电阻与储能电容并联，所述取能电源输入端与储能电容并联，所述取能电源输出端与中央控制板连接。
如图2所示，取能电源工作时将储能电容电压转化为低压直流电为中央控制板供电。中央控制板集成了IGBT、晶闸管、旁路开关等所有开关器件的驱动电路、通讯电路、CPU电路等所有二次回路功能。中央控制板块的功率P保持恒定。对于某些工程子模块二次回路采用多个电路板的设计方法，应当采用多个电路板功率换算同一电压等级后求和的方法计算。
如图3所示，均压电阻阻值为一固定值，而取能电源等效电阻是变量。取能电源采用DC/DC开关电源电路拓扑，具有开通和关断两种工作状态。当取能电源关断时，其等效电阻无限大，可认为开路。取能电源工作时，其等效电阻是一个随储能电容电压变化的变量，等于储能电容电压U c 的平方乘以取能电源效率η再除以中央控制板卡功率P, 公式为：
设取能电源关断/工作状态为S0，状态定义为，
取能电源等效电阻r与均压电阻r 0 并联后的阻值R可以用开关函数表达，开关函数如下，
如图4所示，子模块根据IGBT导通/关断和电流方向不同可分为六种工作状态，图中箭头表示电流流动实际方向，但以下公式中电流的数值根据图1箭头定义的参考方向来计算。
1：IGBT1关断、IGBT2关断、电流流入子模块正极。
此工作状态时，电流流入子模块正极后通过第一个二极管对电容充电，同时取能电源和均压电阻消耗能量。子模块电压U、电流i、电容电压U c 、电容电流i c 的关系为：
2：IGBT1关断、IGBT2关断、电流流出子模块正极。
此工作状态时，电流通过第二个二极管流出子模块正极，不经过电容。同时电容通过取能电源和均压电阻放电。子模块电压U、电流i、电容电压U c 、电容电流i c 的关系为，
。
3：IGBT1导通、IGBT2关断、电流流入子模块正极。
此工作状态时，电流流入子模块正极后通过第一个二极管对电容充电，同时取能电源和均压电阻消耗能量。子模块电压U、电流i、电容电压U c 、电容电流i c 的关系为，
。
4： IGBT1导通、IGBT2关断、电流流出子模块正极。
此工作状态时，电容通过第一个IGBT放电，电流流出子模块正极。同时取能电源和均压电阻消耗能量。子模块电压U、电流i、电容电压U c 、电容电流i c 的关系为，
。
5：IGBT1关断、IGBT2导通、电流流入子模块正极。
此工作状态时，电流直接通过第二个IGBT流出，不通过电容。同时取能电源和均压电阻消耗能量。子模块电压U、电流i、电容电压U c 、电容电流i c 的关系为：
。
6：IGBT1关断、IGBT2导通、电流流出子模块正极。
此工作状态时，电流直接通过第二个二极管流出，不通过电容。同时取能电源和均压电阻消耗能量。子模块电压U、电流i、电容电压U c 、电容电流i c 的关系为，
。
本发明使用一种统一的开关函数表达子模块六种工作状态下的电压电流关系，设换流器闭锁/解锁状态为S1，IGBT导通/关断状态为S2，电流方向为S3，状态定义为，
；
；
；
根据S1、S2、S3得到开关状态S的表达式为：
。
子模块电压U、电流i、电容电压U c 、电容电流i c 的关系用开关函数表达为，
。
根据本发明提出仿真模型开关函数进行仿真和试验。换流器启动试验中，子模块初始电压为500V，仿真得到子模块电压两极分化波形如图5所示。换流器解锁后带零功率负载试验中，子模块初始电压为1600V，仿真得到子模块解锁后零功率时电压波动波形如图6所示，仿真得到的电压波动范围为120V，与试验数据135V基本一致。
本发明提出的一种考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，通过引入均压电阻、取能电源效率、中央控制板功率等二次回路参数，一方面可使仿真分析启动过程中电压两极分化现象，另一方面可提高子模块解锁后电压波动仿真准确度。本发明可为柔性直流输电工程系统特性研究、主电路参数设计以及控制系统设计提供理论依据和技术支持。
以上对本发明的目的、技术方案和优点进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，其特征在于：包括第一IGBT、第二IGBT、第一二极管、第二二极管、均压电阻、取能电源、中央控制板、储能电容；所述子模块正极与第一IGBT发射极连接，所述子模块负极与第二IGBT发射极连接；所述第一IGBT集电极与第一二极管阴极连接，所述第一IGBT发射极与第一二极管阳极连接；所述第一IGBT发射级与第二IGBT集电极连接；所述第二IGBT集电极与第二二极管阴极连接，所述第二IGBT发射极与第二二极管阳极连接；所述储能电容正极与第一IGBT集电极连接，所述储能电容负极与第二IGBT发射极连接；所述均压电阻与储能电容并联；所述取能电源输入端与储能电容并联，所述取能电源输出端与中央控制板连接。
2.根据权利要求1所述的考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，其特征在于：所述中央控制板包括第一IGBT开关器件及第二IGBT开关器件的驱动电路、通讯电路、CPU电路及二次电路。
3.根据权利要求1所述的考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，其特征在于：所述中央控制板块的功率保持恒定，不随储能电容电压变化。
4.根据权利要求1所述的考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，其特征在于：所述均压电阻阻值和储能电容容值为固定值。
5.根据权利要求1所述的考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，其特征在于：所述取能电源采用DC/DC开关电源电路拓扑，将储能电容电压转化为低压直流电。
6.根据权利要求1所述的考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，其特征在于：所述取能电源具有开通和关断两种工作状态。
7.根据权利要求6所述的考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，其特征在于：所述取能电源关断时的等效电阻无限大，认为开路。
8.根据权利要求6所述的考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，其特征在于：所述取能电源工作时的等效电阻为随储能电容电压变化的变量，等于储能电容电压的平方乘以取能电源效率η再除以中央控制板卡功率P, 公式为：。
9.根据权利要求1所述的考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，其特征在于：所述取能电源等效电阻与均压电阻并联后的阻值通过开关函数表达，开关函数如下：
其中S0为设取能电源状态；
取能电源等效电阻r与均压电阻r 0 并联后的阻值R用开关函数表达为：
。
10.根据权利要求1至9任一所述的考虑二次回路的模块化多电平换流器子模块仿真模型，其特征在于：子模块根据IGBT导通/关断和电流方向不同可分为六种工作状态，通过一开关函数表达子模块电压电流关系，开关函数如下：
，
其中S1为换流器状态，S2为IGBT状态，S3为电流方向；
根据S1、S2、S3得到开关状态S，表达式为：
子模块电压U、电流i、电容电压U c 、电容电流i c 的关系用开关函数表达为，
。
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