CN106570226A - 模块化多电平换流器中平均值模型及仿真方法 - Google Patents

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Abstract

模块化多电平换流器中平均值模型及仿真方法，属于柔性输电、电力电子领域。为了提高模块化多电平换流器中平均值仿真模型的准确性并加快动态响应。所述模块化多电平换流器中平均值模型包括交流侧等效模型、直流侧等效模型和电容等效模型；本发明通过将子模块的等效电容单独提取出来，并利用受控电压源来控制直流侧的方法来提高系统的动态响应速度。同时控制交流侧等效模型和直流侧等效模型的开关和子模块等效电容电压来控制仿真模型实现MMC稳态运行、故障运行以及启动预充电的模拟。

Description

模块化多电平换流器中平均值模型及仿真方法
技术领域
本发明涉及一种模块化多电平换流器中平均值模型及仿真方法，属于柔性输电、电力电子领域。
背景技术
近年来，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为新兴的高压大功率交直流变换技术受到人们的广泛关注。其拓扑结构是由多个结构相同的子模块堆叠而成，每个子模块由一个半桥拓扑和一组电容器构成，相比传统的两电平、三电平变换器，MMC通过增加子模块数可灵活地扩展到高电压大功率，能工作在较低的开关频率，具备很高的转换效率、很小的电压电流尖峰，以及非常低的输出电压谐波含量等优点，使其十分适用于柔性直流输电等高压大功率电能变换的场合，是构建多端直流输电系统以及未来直流电网的基础。
在进行直流电网的研究中，由于系统中包含的MMC端数众多，且MMC换流器通常需要上百个子模块进行级联，而传统的基于IGBT开关模型的细节仿真模型仿真速度极慢。并且由于MMC不同于传统的两电平换流器结构，其桥臂电压的直流偏移可以直接进行改变而非固定不变，能够通过改变桥臂电压的直流偏移来改变其直流侧动态响应。因此需要建立更快速、准确的仿真模型以对直流电网的稳态、故障及预充电特性进行等效研究。
针对MMC的仿真模型，目前主要分为以下四种类型：基于受控源的MMC加速仿真模型、许建中等人在《一种模块化多电平换流器的戴维南等效整体建模方法》中提到的MMC的戴维南等效电路模型、MMC的桥臂平均值模型以及许建中等人在《一种模块化多电平换流器的平均值模型》中提到的MMC的换流器平均值模型。前两种模型保留了MMC的所有内部电路特性，但不适用于大规模、高功率基于MMC的多端直流输电系统。第三种模型将单个桥臂等效为一个受控电压源，假设同一桥臂上的子模块电容电压相互平衡，忽略子模块的内部结构，保留了换流器内部特性，极大地加快了仿真速度，适用于大规模直流输电系统。最后一种则只保留了换流器的外部特性，仿真速度进一步加快，适用于系统级的基于MMC的大规模直流输电网络的研究，但这种模型是建立在传统两电平换流器控制方法的基础上，没有体现出MMC中子模块电容的储能特性。
发明内容
为了提高模块化多电平换流器中平均值仿真模型的准确性并加快动态响应，本发明提供一种模块化多电平换流器中平均值模型及仿真方法。
本发明的一种模块化多电平换流器中平均值模型，包括交流侧等效模型1、直流侧等效模型2和电容等效模型3；
交流侧等效模型1包括三相电路，每一相电路由桥臂等效电感、桥臂等效电阻、开关S1和受控电压源ux依次串联连接而成；三相交流通过三相电路的桥臂等效电感输入，受控电压源ux的负极与地相连；x分别代表a、b和c三相；
直流侧等效模型2包括三相整流电路、电感L4、电阻R4、开关S2、受控电压源ud、电感L5和电阻R5；
交流侧等效模型1的桥臂等效电阻和开关S1之间输出的三相交流输入至三相整流电路的输入端，三相整流电路输出端的正极与电感L4的一端连接，电感L4的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端同时与电感L5的一端和开关S2的一端连接，开关S2的另一端与受控电压源ud的正极连接，受控电压源ud的负极与三相整流电路输出端的负极连接；电感L5的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与受控电压源ud的负极分别为直流侧正、负输出端；
电容等效模型3包括受控电流源icon_ac、模块化多电平换流器子模块等效电容Ceq和受控电流源icon_dc；
所述受控电流源icon_ac、模块化多电平换流器子模块等效电容Ceq和受控电流源icon_dc并联连接。
优选的是，桥臂等效电感的电感值等于L/2；
桥臂等效电阻的阻抗等于R/2；
电感L4的电感值等于L/3，电阻R4的阻抗等于R/3，电感L5的电感值等于2L/3，电阻R5的阻抗等于2R/3；
L为模块化多电平换流器的桥臂电感取值；R为模块化多电平换流器的桥臂阻抗取值。本发明还提供三种所述模块化多电平换流器中平均值模型的仿真方法，第一种仿真方法为：
控制开关S1与开关S2同时闭合，模拟模块化多电平换流器稳态运行。
第二种仿真方法为：
控制开关S1与开关S2同时断开，模拟模块化多电平换流器故障运行时的闭锁情况。
第三种仿真方法为：
控制开关S1断开，开关S2闭合，同时控制直流侧等效模型2中的受控电压源ud的电压等于电容等效模型3中的模块化多电平换流器子模块等效电容Ceq的电压，模拟模块化多电平换流器启动预充电。
本发明的有益效果在于，本发明将模块化多电平换流器子模块等效电容提取出来，并利用受控电压源直接控制直流侧，从而提高了模型的动态响应。本发明与其他现有仿真方法相比，其动态响应更快，仿真的精度更高，更符合MMC的特点，适用性更强。
附图说明
图1是现有三相模块化多电平变换器的拓扑结构示意图。
图2是图1中子模块SMn的电气结构示意图。
图3为本发明的模块化多电平换流器中平均值模型的电气结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细描述本发明的具体实施方式，但本发明不受所述具体实施例限制。
现有三相的模块化多电平换流器的拓扑结构如图1所示。其中每一相由上下桥臂构成，每个桥臂由一个电阻、一个电感和N个结构相同的子模块级联而成，每个子模块为半桥结构或其他类似的功率子模块。子模块的结构如图2所示。
如图3所示，本实施方式是图1所述的模块化多电平换流器的平均值模型，包括交流侧等效模型1、直流侧等效模型2和电容等效模型3；
交流侧等效模型1包括三相电路，每一相电路由桥臂等效电感、桥臂等效阻抗、开关S1和受控电压源ux依次串联连接而成；
如图3所示，三相电路的桥臂等效电感L1、L2和L3；三相电路的桥臂等效阻抗R1、R2和R3；桥臂等效电感的电感值等于L/2；桥臂等效电阻的阻抗等于R/2；L为模块化多电平换流器的桥臂电感取值；R为模块化多电平换流器的桥臂阻抗取值
三相交流通过三相电路的桥臂等效电感输入，受控电压源ux的负极与地相连；x分别代表a、b和c三相；
直流侧等效模型2包括三相整流电路、电感L4、电阻R4、开关S2、受控电压源ud、电感L5和电阻R5；
交流侧等效模型1的桥臂等效电阻和开关S1之间输出的三相交流输入至三相整流电路的输入端，三相整流电路输出端的正极与电感L4的一端连接，电感L4的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端同时与电感L5的一端和开关S2的一端连接，开关S2的另一端与受控电压源ud的正极连接，受控电压源ud的负极与三相整流电路输出端的负极连接；电感L5的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与受控电压源ud的负极分别为直流侧正、负输出端；
电感L4的电感值等于L/3，电阻R4的阻抗等于R/3，电感L5的电感值等于2L/3，电阻R5的阻抗等于2R/3；
电容等效模型3包括受控电流源icon_ac、模块化多电平换流器子模块等效电容Ceq和受控电流源icon_dc；
所述受控电流源icon_ac、模块化多电平换流器子模块等效电容Ceq和受控电流源icon_dc并联连接。子模块等效电容Ceq＝6*C/N，C为图2中子模块的电容，N表示子模块的数量；受控电流源icon_ac＝PAC/uce，其中PAC为受控电压源ux的有功功率，uce为等效电容Ceq的电压；受控电流源icon_dc＝ud*id/uce，ud为受控电压源ud的电压，id为受控电压源ud输出的电流。
本实施方式的模块化多电平换流器中平均值模型的仿真方法，包括：
(1)当利用本实施方式的模型模拟MMC稳态运行时，开关S1与开关S2同时闭合；
(2)当利用本实施方式的模型模拟MMC故障运行时的闭锁情况，开关S1与开关S2同时断开；
(3)当利用本实施方式的模型模拟MMC启动预充电时，开关S1断开，开关S2闭合，同时控制直流侧等效模型2中的受控电压源ud的电压等于电容等效模型3中的MMC子模块等效电容Ceq的电压。
本发明通过将子模块等效电容单独提取出来，并利用受控电压源来控制直流侧的方法来提高系统的动态响应速度。同时控制开关和子模块等效电容电压来控制仿真模型实现MMC稳态运行、故障运行以及启动预充电的模拟。本发明提出的建模方法可以通过直接改变直流侧受控电压源来改变直流侧的动态响应，提高了仿真模型的动态响应以及准确性。
以上列举的仅是本发明的一个具体实施例，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种模块化多电平换流器中平均值模型，其特征在于，包括交流侧等效模型(1)、直流侧等效模型(2)和电容等效模型(3)；
交流侧等效模型(1)包括三相电路，每一相电路由桥臂等效电感、桥臂等效电阻、开关S1和受控电压源ux依次串联连接而成；三相交流通过三相电路的桥臂等效电感输入，受控电压源ux的负极与地相连；x分别代表a、b和c三相；
直流侧等效模型(2)包括三相整流电路、电感L4、电阻R4、开关S2、受控电压源ud、电感L5和电阻R5；
交流侧等效模型(1)的桥臂等效电阻和开关S1之间输出的三相交流输入至三相整流电路的输入端，三相整流电路输出端的正极与电感L4的一端连接，电感L4的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端同时与电感L5的一端和开关S2的一端连接，开关S2的另一端与受控电压源ud的正极连接，受控电压源ud的负极与三相整流电路输出端的负极连接；电感L5的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与受控电压源ud的负极分别为直流侧正、负输出端；
电容等效模型(3)包括受控电流源icon_ac、模块化多电平换流器子模块等效电容Ceq和受控电流源icon_dc；
所述受控电流源icon_ac、模块化多电平换流器子模块等效电容Ceq和受控电流源icon_dc并联连接。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器中平均值模型，其特征在于，桥臂等效电感的电感值等于L/2；
桥臂等效电阻的阻抗等于R/2；
电感L4的电感值等于L/3，电阻R4的阻抗等于R/3，电感L5的电感值等于2L/3，电阻R5的阻抗等于2R/3；
L为模块化多电平换流器的桥臂电感取值；R为模块化多电平换流器的桥臂阻抗取值。
3.权利要求1所述的模块化多电平换流器中平均值模型的仿真方法，其特征在于，所述方法为：
控制开关S1与开关S2同时闭合，模拟模块化多电平换流器稳态运行。
4.权利要求1所述的模块化多电平换流器中平均值模型的仿真方法，其特征在于，所述方法为：
控制开关S1与开关S2同时断开，模拟模块化多电平换流器故障运行时的闭锁情况。
5.权利要求1所述的模块化多电平换流器中平均值模型的仿真方法，其特征在于，所述方法为：
控制开关S1断开，开关S2闭合，同时控制直流侧等效模型(2)中的受控电压源ud的电压等于电容等效模型(3)中的模块化多电平换流器子模块等效电容Ceq的电压，模拟模块化多电平换流器启动预充电。
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