CN106407616B - 一种全桥子模块等效仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全桥子模块等效仿真方法，通过获取全桥子模块运行参数，建立全桥子模块的仿真电路，实现对该仿真电路的仿真。该方法将开关器件视为受控电阻，对全桥子模块进行戴维南等效，利用受控电压源与可控电阻实现对全桥子模块仿真模型的建立，该仿真模型仅用到了三个可控电压源、一个受控电阻以及两个二极管，设计的元器件较少，仿真模型简单，有利于提高仿真模型的仿真效率。

Description

一种全桥子模块等效仿真方法

技术领域

本发明属于电力系统仿真技术领域，具体涉及一种全桥子模块等效仿真方法。

背景技术

2003年德国学者首先提出了模块化多电平换流器(modular multilevelconverter，MMC)拓扑，该类型拓扑的桥臂采用基本运行单元级联的形式，避免大量开关器件直接串联，不存在一致触发问题，因此近年来得到了学界与工业界的广泛关注，并被迅速应用到工程实际当中。

MMC拓扑的桥臂由多个子模块串联而成，子模块的结构根据使用场合的需要可分为不同的类型，目前比较常用的有半桥子模块、全桥子模块和箝位双子模块三类。其中全桥子模块因为可靠性高、处理直流故障能力优秀而更具有应用前景。

系统仿真建模是对MMC拓扑研究的基础。MMC拓扑包含大量的电力电子器件，在正常运行时，这些电力电子器件将频繁的断开，这会对系统的仿真计算产生很大的负担，特别是在实际工程中，随着MMC电压等级以及容量的增大，单个桥臂所需要串联的子模块数量将随之增大。如果每个子模块都采用传统方法用真实模型搭建，不仅搭建难度大，而且模型后续的仿真计算也将花费很长时间。

为提高模型的仿真计算效率，公布号为105117543的中国专利提出了一种考虑多种闭锁模态的基于全桥子模块MMC的等效仿真方法，通过二极管的单向导电性保证了全桥模块正常运行及闭锁状态时的仿真精度，该方法能在一定程度上提高仿真系统的仿真效率，但全桥子模块的仿真模型复杂，构建模型所需要的元器件较多，不利于全桥子模块仿真模型的简化。

发明内容

本发明的目的是提供一种全桥子模块等效仿真方法，用于解决目前全桥子模块仿真模型元器件复杂的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种全桥子模块等效仿真方法，包括以下步骤：

获取全桥子模块运行参数，建立全桥子模块的仿真电路，根据所述运行参数对该仿真电路进行仿真；

所述全桥子模块仿真电路包括三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和一个受控电阻R_eq，以及两个二极管D₁和D₂，其中，可控电压源U_eq1的正极对应为全桥子模块仿真电路的正极，可控电压源U_eq1的负极通过受控电阻R_eq连接可控电压源U_eq2的正极和可控电压源U_eq3的正极，可控电压源U_eq2的负极连接二极管D₁的负极，可控电压源U_eq3的负极连接二极管D₂的正极，二极管D₁的正极和二极管D₂的负极相连并构成全桥子模块仿真电路的负极。

根据全桥子模块的运行工况和投切状态确定全桥子模块的运行参数，所述运行参数包括三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq，所述运行工况分为正常运行状态、系统闭锁状态和软起动状态，所述投切状态分为正投入、负投入及切除状态；

(1)当运行工况为正常运行状态时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为：

当全桥子模块处于正投入状态时，

当全桥子模块处于负投入状态时，

当全桥子模块处于切除状态时，

(2)当运行工况为系统闭锁状态时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为：

当全桥子模块处于正投入状态时，

当全桥子模块处于负投入状态时，

(3)当运行工况为软起动状态时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为：

当全桥子模块处于正投入状态时，

当全桥子模块处于负投入状态时，

当全桥子模块处于切除状态时，

其中，V_sm+和R_sm+分别为全桥子模块处于正投入状态时子模块等效成戴维南电路的等效电压源和等效电阻，V_sm-和R_sm-分别为全桥子模块处于负投入状态时子模块等效成戴维南电路的等效电压源和等效电阻，R_smq为全桥子模块处于切除状态时的等效电阻。

当全桥子模块为正投入状态时，所述子模块等效成戴维南电路的等效电压源和等效电阻的计算公式为：

式中，R_on为开关器件的通态电阻，R_off为开关器件的断态电阻，V_cEQ为子模块中电容的等效历史电压源，R_c为子模块中与电容大小、仿真步长有关的等效电阻；其中，V_cEQ及R_c通过下式计算得到：

式中，ΔT为仿真步长，C为子模块电容，i_c(t-ΔT)为t时刻子模块中流经电容C的电流，u_c(t-ΔT)为t时刻子模块中电容C历史电压源的电压值；

当全桥子模块为负投入状态时，所述子模块等效成戴维南电路的等效电压源和等效电阻的计算公式为：

当全桥子模块为切除状态时，所述子模块的戴维南等效电路的等效电压源为零，等效电阻的计算公式为：

其中，R_on为所述子模块开关器件中有电流流过时等效的通态电阻，R_off为所述子模块开关器件中没有电流流过时的等效断态电阻。

本发明的有益效果是：本发明提出一种全桥子模块等效仿真方法，该方法将开关器件视为受控电阻，对全桥子模块进行戴维南等效，利用受控电压源与可控电阻实现对全桥子模块的模拟，并通过引入不同的赋值方案实现全桥子模块在不同工况下的所有子模块状态的等效仿真。通过该方法建立的仿真模型仅用到了三个可控电压源、一个受控电阻以及两个二极管，设计的元器件较少，仿真模型更简单，有利于提高仿真模型的仿真效率。

附图说明

图1是全桥子模块等效仿真模型示意图；

图2-a是全桥子模块示意图；

图2-b是全桥子模块开关器件等效示意图；

图2-c是全桥子模块戴维南等效示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种全桥子模块等效仿真方法的实施例，包括以下步骤：

全桥子模块仿真电路的建立如图1所示，包括三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3、一个受控电阻R_eq以及两个二极管D₁和D₂，其中，可控电压源U_eq1的正极对应为全桥子模块仿真电路的正极，可控电压源U_eq1的负极通过受控电阻R_eq连接可控电压源U_eq2的正极和可控电压源U_eq3的正极，可控电压源U_eq2的负极连接二极管D₁的负极，可控电压源U_eq3的负极连接二极管D₂的正极，二极管D₁的正极和二极管D₂的负极相连并构成全桥子模块仿真电路的负极。

图1中，全桥子模块运行参数U_eq1、U_eq2、U_eq3及R_eq是根据子模块处于不同运行工况及投切状态的戴维南等效模型获取的，全桥子模块的运行工况分为正常运行状态、系统闭锁状态和软起动状态，全桥子模块的投切状态分为正投入、负投入和切除状态。

当运行工况为正常运行状态时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为：

当全桥子模块处于正投入状态时，

当全桥子模块处于负投入状态时，

当全桥子模块处于切除状态时，

当运行工况为系统闭锁状态时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为：

当全桥子模块处于正投入状态时，

当全桥子模块处于负投入状态时，

当运行工况为软起动状态时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为：

当全桥子模块处于正投入状态时，

当全桥子模块处于负投入状态时，

当全桥子模块处于切除状态时，

式中，V_sm+和R_sm+分别为全桥子模块处于正投入状态时子模块等效成戴维南电路的等效电压源和等效电阻，V_sm-和R_sm-分别为全桥子模块处于负投入状态时子模块等效成戴维南电路的等效电压源和等效电阻，R_smq为全桥子模块处于切除状态时的等效电阻。

全桥子模块的戴维南等效过程如图2-a所示，将子模块中的开关器件等效为电阻r₁～r₄，将子模块中的电容等效成电阻R_c和电压V_cEQ：

式中，ΔT为仿真步长，C为子模块电容，i_c(t-ΔT)为t时刻子模块中流经电容C的电流，u_c(t-ΔT)为t时刻子模块中电容C历史电压源的电压值，如图2-b所示。最后根据戴维南定理，进一步将图2-b的电路等效为戴维南模型，即一个等效电压源V_{sm_FBSM}和一个等效电阻R_{sm_FBSM}，如图2-c所示。

当全桥子模块的投切状态不同时，等效电压源V_{sm_FBSM}和等效电阻R_{sm_FBSM}的取值是不同的：

当全桥子模块为正投入状态时，即电容接入系统且子模块端口电压为正时，等效电压源V_{sm_FBSM}和等效电阻R_{sm_FBSM}的计算公式为：

V_{sm_FBSM}＝V_sm+

R_{sm_FBSM}＝R_sm+

式中，电阻R_on为图2-b中等效电阻r₁、r₄，电阻R_off为等效电阻r₂、r₃，R_on和R_off与模块的开关器件的开关状态有关，子模块的开关器件如图2-a所示，为全控性器件及其反并联的二极管，子模块内开关器件的开关状态分为开关器件通过电流和不通过电流两种情况，当开关器件中有电流流过时，开关器件可等效为通态电阻R_on，当开关器件中没有电流流过时，处于高阻状态，此时开关器件等效为断态电阻R_off。

当全桥子模块为负投入状态时，即电容接入系统且子模块端口电压为负时，图2-b中等效电阻r₁、r₄为电阻R_off，等效电阻r₂、r₃为电阻R_on，等效电压源V_{sm_FBSM}和等效电阻R_{sm_FBSM}的计算公式为：

V_{sm_FBSM}＝V_sm-

R_{sm_FBSM}＝R_sm-

当全桥子模块为切除状态，即电容旁路时，图2-b中的等效电阻可能出现两种情况，即r₁、r₃电阻为R_on，r₂、r₄电阻为R_off，或者r₁、r₃电阻为R_off，r₂、r₄电阻为R_on，但端口等效电压及等效电阻的计算公式相同，等效电压源为零，即V_{sm_FBSM}＝0，等效电阻的计算公式为：

R_{sm_FBSM}＝R_smq

全桥子模块运行参数和仿真电路确定后，根据这些运行参数，建立全桥子模块的仿真电路，并对该仿真电路进行仿真。

本实施例中将开关器件视为受控电阻，然后对全桥子模块进行戴维南等效，实现利用受控电压源与可控电阻对全桥模块的模拟，并通过引入不同的赋值方案，实现全桥子模块在不同工况下的所有子模块状态的等效仿真。

Claims (3)

1.一种全桥子模块等效仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取全桥子模块运行参数，建立全桥子模块的仿真电路，根据所述运行参数对该仿真电路进行仿真；

所述全桥子模块仿真电路包括三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和一个受控电阻R_eq，以及两个二极管D₁和D₂，其中，可控电压源U_eq1的正极对应为全桥子模块仿真电路的正极，可控电压源U_eq1的负极通过受控电阻R_eq连接可控电压源U_eq2的正极和可控电压源U_eq3的正极，可控电压源U_eq2的负极连接二极管D₁的负极，可控电压源U_eq3的负极连接二极管D₂的正极，二极管D₁的正极和二极管D₂的负极相连并构成全桥子模块仿真电路的负极。

2.根据权利要求1所述的全桥子模块等效仿真方法，其特征在于，根据全桥子模块的运行工况和投切状态确定全桥子模块的运行参数，所述运行参数包括三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq，所述运行工况分为正常运行状态、系统闭锁状态和软起动状态，所述投切状态分为正投入、负投入及切除状态；

(1)当运行工况为正常运行状态时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为：

当全桥子模块处于正投入状态时，

当全桥子模块处于负投入状态时，

当全桥子模块处于切除状态时，

(2)当运行工况为系统闭锁状态时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为：

当全桥子模块处于正投入状态时，

当全桥子模块处于负投入状态时，

(3)当运行工况为软起动状态时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为：

当全桥子模块处于正投入状态时，

当全桥子模块处于负投入状态时，

当全桥子模块处于切除状态时，

其中，V_sm+和R_sm+分别为全桥子模块处于正投入状态时子模块等效成戴维南电路的等效电压源和等效电阻，V_sm-和R_sm-分别为全桥子模块处于负投入状态时子模块等效成戴维南电路的等效电压源和等效电阻，R_smq为全桥子模块处于切除状态时的等效电阻。

3.根据权利要求2所述的全桥子模块等效仿真方法，其特征在于，当全桥子模块为正投入状态时，所述子模块等效成戴维南电路的等效电压源和等效电阻的计算公式为：

式中，R_on为开关器件的通态电阻，R_off为开关器件的断态电阻，V_cEQ为子模块中电容的等效历史电压源，R_c为子模块中与电容大小、仿真步长有关的等效电阻；其中，V_cEQ及R_c通过下式计算得到：

式中，ΔT为仿真步长，C为子模块电容，i_c(t-ΔT)为t时刻子模块中流经电容C的电流，u_c(t-ΔT)为t时刻子模块中电容C历史电压源的电压值；

当全桥子模块为负投入状态时，所述子模块等效成戴维南电路的等效电压源和等效电阻的计算公式为：

当全桥子模块为切除状态时，所述子模块的戴维南等效电路的等效电压源为零，等效电阻的计算公式为：

其中，R_on为所述子模块开关器件中有电流流过时等效的通态电阻，R_off为所述子模块开关器件中没有电流流过时的等效断态电阻。