CN106446473B - 一种mmc实时仿真建模方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MMC实时仿真建模方法及系统，该系统由电路分割模型和半桥型子模块电磁暂态数值模型组成，采用理想变压器模型法对MMC进行电路模型分割，电路分割模型包含主电路和各桥臂的半桥型MMC子模块群组，主电路各桥臂等效为一个开关与一个受控电压源的串联电路，其电压信号取值为该桥臂子模块群组输出电压之和。本发明可以实现MMC的单核串行或多核并行电磁暂态实时仿真，与原整体模型相比具有极高的仿真精度，在一定步长范围内能够扩大MMC的实时仿真规模，同时具有较好的稳定性，等效的MMC子模块暂态数值模型仍具有闭锁功能。

Description

一种MMC实时仿真建模方法及系统
技术领域
本发明涉及一种MMC实时仿真建模方法及系统，属于电力系统的建模与仿真领域。
背景技术
模块化多电平换流器(MMC)相比传统二/三电平换流器具有开关频率低、器件损耗小和波形质量高等优势，其大容量应用场景越来越多。在涉及MMC主电路及控制系统的开发研究中，硬件在回路(Hardware in Loop，HIL)测试可以用来验证MMC主电路的合理性、控制策略的有效性等，HIL被认为是一种高效研发手段。然而，所有基于HIL的研究都必须以合适的实时仿真建模为前提。实时仿真建模的特点和难点都体现在模型对速度的适应性，也就是在一个仿真步长(如50微秒)内，仿真硬件必须有能力处理完全部计算任务，在硬件平台给定时，实时仿真是否可行几乎由建模技术决定。
MMC中的开关器件通常采用基于Ron/Roff的建模法，这需要在不同开关状态下不断调整电力系统的节点导纳矩阵，且对大量耦合开关组合状态的预计算和高阶导纳矩阵求逆会带来存储量大和计算量大等问题。加拿大曼尼托巴RTDS公司采用L/RC模型(即ADC法)来实现开关器件的建模，可保证开关动作前后节点导纳矩阵不变。然而，这种建模方式需要在数微秒的步长内才能得到较理想的仿真精度，RTDS公司将这类电力电子开关模型做成了“小步长”模块，模块内开关器件数量也有较大限制。至今，对MMC中大量耦合开关器件的实时建模与仿真仍然是一个难题。
为了解决上述MMC的实时仿真问题，到目前为止的文献中MMC的高效仿真模型主要有电路模型分割法和戴维南时域等效法等，然而，这些方法均没有解决等效模型中单位延时可能造成的仿真结果失真或数值失稳问题。
发明内容
针对含大量开关器件的MMC系统难以实时仿真问题，本发明提供了一种MMC实时仿真建模方法及系统，该方法一方面能够实现一定规模的MMC系统电磁暂态实时仿真，另一方面能够根据子模块电气状态实现闭锁功能，大大提高了MMC的仿真速度，利于MMC仿真系统的实时化。
本发明的技术方案：一种MMC实时仿真建模方法，所述MMC由电路分割模型和半桥型子模块电磁暂态数值模型组成，所述电路分割模型之间的电气信号采用插值预测处理，减小了信号延时引起的误差，从而提高了MMC电路分割模型的稳定性和仿真精度；所述半桥型子模块电磁暂态数值模型仅含基本运算，避免了电路模型中节点导纳矩阵的反复重新生成等运算，进一步加快了子模块群组的仿真速度，更利于MMC系统的实时化。
上述方法中，若采用串行实时仿真，为解决实时化中代数环问题，在桥臂电流通道上增加延时环节，且做插值预测处理，若采用多核并行实时仿真，则桥臂电流和子模块输出电压均存在单位步长的固有延时，此时对桥臂电流信号做超前插值预测处理。
上述方法中，所述的插值预测处理采用平波插值法或Hermite插值法。
上述方法中，所述半桥型子模块电磁暂态数值模型包含开关器件的等值电阻与电容元件的时域等值，若为正常运行，所述开关器件的等值电阻由触发脉冲确定；若为闭锁状态，所述开关器件的等值电阻由子模块输出电压、电容电压和桥臂电流共同确定。
上述方法中，所述电容元件时域等值中的积分项可采用梯形积分法或龙阁-库塔法等数值法进行处理。
同时，本发明还提供一种MMC实时仿真建模系统，该系统由电路分割模型和半桥型子模块电磁暂态数值模型组成，采用理想变压器模型法对MMC进行电路模型分割，电路分割模型包含主电路和各桥臂的半桥型MMC子模块群组，主电路各桥臂等效为一个开关与一个受控电压源的串联电路，其电压信号取值为该桥臂子模块群组输出电压之和；半桥型MMC子模块群组中各子模块网络由一个受控电流源与MMC子模块串联组成，其电流信号取值由主电路相应桥臂电流确定。
上述系统中，将半桥型MMC子模块群组的电路模型替换为半桥型子模块电磁暂态数值模型，所述半桥型子模块电磁暂态数值模型主要计算子模块输出电压和电容电压，所述子模块输出电压用于电气系统中与主电路的联解；所述子模块电容电压用于控制系统中触发脉冲的调制计算。
由于采用上述技术方案，本发明的优点在于：
1、本发明将MMC各桥臂中子模块级联电路分割解耦成独立电路，大大降低了原电力系统的状态空间阶数，提高了MMC系统的仿真速度，利于实时化。
2、本发明采用插值预测的处理方法对MMC电路分割模型延时引起的误差进行了一定程度的补偿，提高了MMC电路分割模型的稳定性和仿真精度。
3、本发明建立的半桥型子模块电磁暂态数值模型，能够避免开关电路模型中节点导纳矩阵的反复重新生成，进一步提升了子模块群组的计算速度，利于更大规模的MMC实时仿真，且仍具极高的仿真精度和子模块闭锁功能。
附图说明
图1为本发明建模系统的总体框架图；
图2为基于理想变压器模型法的MMC模型分割原理图；
图3为MMC电路分割模型的串行仿真时序示意图；
图4为MMC电路分割模型的多核并行仿真时序示意图；
图5为基于梯形积分法的MMC子模块的电磁暂态计算电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的实施例：参见图1，本发明的MMC实时仿真建模系统是由电路分割模型和半桥型子模块电磁暂态数值模型组成，采用理想变压器模型法对MMC进行电路模型分割，电路分割模型包含主电路和各桥臂的半桥型MMC子模块群组，主电路各桥臂等效为一个开关与一个受控电压源的串联电路，其电压信号取值为该桥臂子模块群组输出电压之和；半桥型MMC子模块群组中各子模块网络由一个受控电流源与MMC子模块串联组成，其电流信号取值由主电路相应桥臂电流确定。将半桥型MMC子模块群组的电路模型替换为半桥型子模块电磁暂态数值模型，所述半桥型子模块电磁暂态数值模型主要计算子模块输出电压和电容电压，所述子模块输出电压用于电气系统中与主电路的联解；所述子模块电容电压用于控制系统中触发脉冲的调制计算。
本发明的工作原理：所述电路分割模型之间的电气信号采用插值预测处理，减小了信号延时引起的误差，从而提高了MMC电路分割模型的稳定性和仿真精度；所述子模块电磁暂态数值模型仅含基本运算，避免了电路模型中节点导纳矩阵的反复重新生成等运算，进一步加快了子模块群组的仿真速度，更利于MMC系统的实时化。
基于理想变压器模型法的MMC电路分割模型如图2所示，图中的桥臂电压为该桥臂所有子模块输出电压之和，注入子模块的桥臂电流
Figure GDA0004203299080000041
由仿真类型确定：
(1)若采用串行实时仿真，为解决实时化中代数环问题，在桥臂电流通道上增加延时环节，且做插值预测处理，其计算时序如图3所示，
Figure GDA0004203299080000051
可采用一次预测插值进行处理，如采用平波插值预测的数学表达式为：
Figure GDA0004203299080000052
(2)若采用多核并行实时仿真，则桥臂电流和子模块输出电压均存在单位步长的固有延时，此时对桥臂电流信号做超前插值预测处理，其计算时序如图4所示，桥臂电压直接取值为子模块上一步长的输出电压之和，而桥臂电流
Figure GDA0004203299080000053
则采用超前预测插值进行处理，其数学表达式为：
Figure GDA0004203299080000054
基于梯形积分法的子模块电磁暂态计算电路如图5所示，根据基尔霍夫电流定律及各元件伏安特性可求出子模块电容电压uc(t)、电容电流ic(t)和输出电压uo(t)的差分方程为：
Figure GDA0004203299080000055
Figure GDA0004203299080000056
uo(t)＝R2(i*(t)-ic(t)) (5)
式中，Rc＝Vt/2C为子模块电容的等值电阻；R1和R2为半桥型子模块开关器件的等值电阻；Ich＝-ic(t-Vt)-uc(t-Vt)2C/Vt为差分方程历史项。
其中，R1和R2的取值由子模块的工作状态确定：
①子模块正常运行时，R1和R2的取值由开关器件各自的触发信号确定，即
Figure GDA0004203299080000061
②子模块闭锁时，R1和R2的取值由电容电压、子模块输出电压和桥臂电流共同确定，即
Figure GDA0004203299080000062
式中，Ron和Roff分别为开关器件的导通电阻和关断电阻；S1和S2为MMC子模块的开关函数。
根据式(3)～(7)建立单个子模块网络的电磁暂态数值模型，为便于修改参数和接线，可对上述数值模型进行封装和参数定义。对于电容伏安特性中的积分项也可以采用其他数值方法，如龙阁-库塔法，可根据需求进行更换。
经实践证明，本发明可以实现MMC的单核串行或多核并行电磁暂态实时仿真，与原整体模型相比具有极高的仿真精度，在一定步长范围内能够扩大MMC的实时仿真规模，同时具有较好的稳定性，等效的MMC子模块暂态数值模型仍具有闭锁功能。

Claims (3)

1.一种MMC实时仿真建模方法，其特征在于：所述MMC由电路分割模型和半桥型子模块电磁暂态数值模型组成，所述电路分割模型之间的电气信号采用插值预测处理，减小了信号延时引起的误差，从而提高了MMC电路分割模型的稳定性和仿真精度；所述半桥型子模块电磁暂态数值模型仅含基本运算，避免了电路模型中节点导纳矩阵的反复重新生成运算，进一步加快了子模块群组的仿真速度，更利于MMC系统的实时化；所述插值预测处理为：
若采用串行实时仿真，为解决实时化中代数环问题，在桥臂电流通道上增加延时环节，且做插值预测处理，桥臂电流i*(t)采用一次预测插值进行处理，采用平波插值预测的数学表达式为：
Figure QLYQS_1
若采用多核并行实时仿真，则桥臂电流和子模块输出电压均存在单位步长的固有延时，此时对桥臂电流信号做超前插值预测处理，桥臂电压直接取值为子模块上一步长的输出电压之和，而桥臂电流i*(t)则采用超前预测插值进行处理，其数学表达式为：
Figure QLYQS_2
采用理想变压器模型法对MMC进行电路模型分割，电路分割模型包含主电路和各桥臂的半桥型MMC子模块群组，主电路各桥臂等效为一个开关与一个受控电压源的串联电路，其电压信号取值为该桥臂子模块群组输出电压之和；半桥型MMC子模块群组中各子模块网络由一个受控电流源与MMC子模块串联组成，其电流信号取值由主电路相应桥臂电流确定；
将半桥型MMC子模块群组的电路模型替换为半桥型子模块电磁暂态数值模型，所述半桥型子模块电磁暂态数值模型主要计算子模块输出电压和电容电压，所述子模块输出电压用于电气系统中与主电路的联解；所述子模块电容电压用于控制系统中触发脉冲的调制计算。
2.根据权利要求1所述的MMC实时仿真建模方法，其特征在于：所述半桥型子模块电磁暂态数值模型包含开关器件的等值电阻与电容元件的时域等值，若为正常运行，所述开关器件的等值电阻由触发脉冲确定；若为闭锁状态，所述开关器件的等值电阻由子模块输出电压、电容电压和桥臂电流共同确定。
3.根据权利要求2所述的MMC实时仿真建模方法，其特征在于：所述电容元件时域等值中的积分项采用梯形积分法或龙阁-库塔法进行处理。
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