CN107257205B - 一种mmc功率模块非线性特征仿真模型 - Google Patents

一种mmc功率模块非线性特征仿真模型 Download PDF

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Abstract

一种MMC功率模块非线性特征的仿真模型，由一个受控电流源im、一个电容Cm、一个线性电阻Rb和一个非线性电阻Rhp组成；受控电流源im的正极分别与电容Cm的正极、线性电阻Rb的一端及非线性电阻Rhp的一端相连接；受控电流源im的负极与Cm电容的负极、线性电阻Rb的另一端及非线性电阻Rhp另一端连接；所述仿真模型模拟MMC换流器在无均匀主动控制下MMC功率模块电容电压发散过程，实现全桥型功率模块和半桥型功率模块的非线性特征仿真，适用于混合型MMC换流器在无主动均压控制时MMC功率模块电容电压发散过程的电磁暂态仿真。

Description

一种MMC功率模块非线性特征仿真模型
技术领域
本发明涉及一种MMC功率模块的仿真模型。
背景技术
基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的高压柔性直流输电系统(VSC-HVDC)具有四象限运行、滤波器小、可向无源网络供电等诸多优点，其在输电领域获得了广泛关注。工程上MMC功率模块由众多部件构成，例如功率模块控制电路、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)及驱动器、电容、均压电阻、旁路开关、自取能电源等。
MMC功率模块内部控制电路采用自取能电源供电方式，即MMC功率模块的自取能电源从MMC功率模块电容获取高位电能并将其转化为低压电源供控制电路使用。由于功率模块内部控制电路可近似为恒功率消耗，因此在MMC功率模块中其自取能电源相对于电容来说为恒功率负载，自取能电源的恒功率特性使得功率模块电容电压越低自取能电源输入的电流越大。当MMC处于不控充电阶段时，电容电压较低的功率模块电容电压越来越低，而电容电压较高的功率模块电容电压越来越高，随着MMC解锁时间的推迟电容电压会发散，该现象在实际的工程中也得到了实际验证。MMC功率模块电容电压发散过程与MMC控制密切相关，涉及MMC控制器不控充电完成后最迟解锁时间的设定，因此需要建立MMC功率模块非线性特征仿真模型，实现其非线性过程的电磁暂态仿真。
由于MMC功率模块数量较多，且每个MMC功率模块内部含有非线性元件，例如IGBT、二极管和自取能电源等，因此较实现MMC功率模块非线性特征的实时仿真模型。中国专利CN106570226提出了一种MMC平均值模型，该方法可实现MMC的实时仿真，但是无法仿真每个MMC功率模块的电磁暂态过程。中国专利CN103116665A提出一种MMC拓扑换流器高效电磁暂态仿真方法，该发明对IGBT和二极管进行等效处理，减少电路节点路从而提高MMC功率模块仿真速度，然而该方法未实现功率模块的非线性特征仿真。
发明内容
本发明目的是克服现有技术的缺点，提出一种MMC功率模块非线性特征仿真模型，本发明模拟MMC换流器在无均匀主动控制下MMC功率模块电容电压发散过程。
MMC功率模块非线性特征仿真模型由一个受控电流源im、一个电容Cm、一个线性电阻Rb和一个非线性电阻Rhp组成。受控电流源im的正极分别与电容Cm的正极、线性电阻Rb的一端及非线性电阻Rhp一端相连接；受控电流源im的负极与Cm电容的负极、线性电阻Rb的另一端及非线性电阻Rhp的另一端连接。
MMC功率模块非线性特征仿真模型模拟MMC换流器在无均压主动控制下MMC功率模块电容电压发散过程的方法如下：
(1)计算受控电流源电流值im
受控电流源电流值im与MMC功率模块拓扑结构、桥臂电流ia及MMC功率模块开关状态有关。假设桥臂电流ia从上至下流入MMC功率模块为正，桥臂电流ia从下至上流出MMC功率模块为负。
MMC功率模块为全桥功率模块，不考虑第一开关器件K1和第二开关器件K2同时导通时功率模块电容发生短路工况，也不考虑第三开关器件K3和第四开关器件K4同时导通时功率模块电容发生短路工况。全桥功率模块非线性特征仿真模型中受控电流源电流值im计算方法如下：
当第一开关器件K1、第二开关器件K2、第三开关器件K3和第四开关器件K4均为关断状态，受控电流源电流值im为桥臂电流ia的绝对值；当第一开关器件K1为开通状态、第二开关器件K2为关断状态、第三开关器件K3为关断状态、第四开关器件K4为开通状态，受控电流源电流值im与桥臂电流ia数值相等，符号相同；当第一开关器件K1为关断状态、第二开关器件K2为开通状态、第三开关器件K3为开通状态和第四开关器件K4为关断状态，受控电流源电流值im与桥臂电流数值相等，符号相反，即-ia；当第一开关器件K1为开通状态、第二开关器件K2为关断状态、第三开关器件K3为开通状态、第四开关器件K4为关断状态，受控电流源电流值im为零；当第一开关器件K1为关断状态、第二开关器件K2为开通状态、第三开关器件K3为关断状态、第四开关器件K4为开通状态，受控电流源电流值im为零。
MMC功率模块为半桥功率模块，不考虑第五开关器件和第六开关器件同时导通时半桥功率模块电容短路工况。半桥功率模块非线性特征仿真模型的受控电流源电流值im计算方法如下：
当第五开关器件K5为关断状态、第六开关器件K6为关断状态，桥臂电流ia为正值时受控电流源电流值im与桥臂电流ia数值相等，符号相同，当桥臂电流ia为负值时，受控电流源电流值im为零；当第五开关器件K5为开通状态、第六开关器件K6为关断状态，受控电流源电流值im与桥臂电流ia数值相等，符号相同；当第五开关器件K5为关断状态、第六开关器件K6为开通状态，受控电流源电流值im为零。
(2)计算非线性电阻Rhp阻值
全桥功率模块或者半桥功率模块的自取能电源具有横功率消耗特性，因此可将自取能电源等效为恒功率电阻，非线性电阻Rhp阻值与MMC功率模块电容电压vc的平方成正比，与自取能电源恒定功率Php成反比。自取能电源恒定功率Php为全桥型功率模块自取能电源消耗功率PF或者半桥功率模块自取能电源消耗功率PH，非线性电阻Rhp阻值的计算公式如式(1)所示。
(3)计算MMC功率模块的电容电压
本发明MMC功率模块非线性特征仿真模型用于全桥功率模块和半桥功率模块的差别在于受控电流源电流值im的计算方法不同。根据MMC功率模块非线性特征仿真模型可计算出全桥功率模块或者半桥功率模块的电容电压，实现MMC功率模块非线性特征的电磁暂态仿真。
其中，Rb为全桥功率模块或者半桥功率模块的均压电阻阻值，C为全桥功率模块或者半桥功率模块的电容容值，vc为全桥功率模块或者半桥功率模块的电容电压，im为受控电流源的电流值。
将式(1)代入式(2)，并采用欧拉法求解式(2)，可得适用于数字仿真的差分方程式(3)：
其中，Ts为计算步长，电容电压初始值为0，vc(0)＝0，k为数字仿真次数。
式(3)经过一次计算可得vc(1)，为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值。以此类推，经过k次计算可得到vc(k)，为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值，vc(k+1)为(k+1)Ts时刻仿真计算得到的电容电压值。kTs代表仿真运行时间，由于数字仿真每次仿真计算步长相等，因此k≥0且为整数。
附图说明
图1为全桥功率模块的内部电路原理图；
图2为半桥功率模块的内部电路原理图；
图3为MMC功率模块非线性特征仿真模型；
图4为混合型MMC换流器拓扑结构；
图5为MMC功率模块非线性特征仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为全桥功率模块的内部电路原理图。如图1所示，全桥功率模块包括储能电容CF、均匀电阻RF、自取能电源PF、四只开关器件K1、K2、K3、K4，以及四只二极管D1、D2、D3、D4。其中，第一开关器件K1、第三开关器件K3的集电极、均压电阻RF一端、自取能电源PF一端和第一储能电容CF的正极相连接；第二开关器件K2、第四开关器件K4的发射极、均压电阻RF另一端、自取能电源PF另一端和第一储能电容CF的负极相连接；第一开关器件K1的集电极与第一D1的阴极相连，第一开关器件K1的发射极与第一二极管D1的阳极相连；第二开关器件K2的集电极与第二二极管D2的阴极相连，第二开关器件K2的发射极与第二二极管D2的阳极相连；第三开关器件K3的集电极与第三二极管D3的阴极相连，第三开关器件K3的发射极与第三二极管D3的阳极相连；第四开关器件K4的集电极与第四二极管D4的阴极相连，第四开关器件K4的发射极第四与二极管D4的阳极相连；第一开关器件K1的发射极与第二开关器件K2的集电极连接在到半桥型功率模块的输出端子E，第三开关器件K3的发射极与第四开关器件K4的集电极连接在到半桥型功率模块的输出端子F；ia为桥臂电流。
图2为半桥功率模块的内部电路原理图，半桥功率模块包括储能电容CH、均匀电阻RH、自取能电源PH、第五开关器件K5、第六开关器件K6、第五二极管D5，以及第六二极管D6。其中，第五开关器件K5的集电极、均匀电阻RH的一端、自取能电源PH的一端和第二储能电容CH的正极相连接；第六开关器件K6的发射极、均匀电阻RH的另一端、自取能电源PH的另一端和第二储能电容CH的负极相连接；第五开关器件K5的集电极与第五二极管D5的阴极相连，第五开关器件K5的发射极与第五二极管D5的阳极相连；第六开关器件K6的集电极与第六二极管D6的阴极相连，第六开关器件K6的发射极与第六二极管D6的阳极相连；第五开关器件K5的发射极连接在到半桥型功率模块的输出端子G，第六开关器件K6的发射极连接在到半桥型功率模块的输出端子H；ia为桥臂电流。
图3为MMC功率模块非线性特征仿真模型。如图3所示，本发明MMC功率模块非线性特征仿真模型由一个受控电流源im、一个电容Cm、一个线性电阻Rb和一个非线性电阻Rhp组成。受控电流源im的正极与电容Cm的正极、线性电阻Rb的一端及非线性电阻Rhp的一端相连接；受控电流源im的负极与Cm电容的负极、线性电阻Rb的另一端及非线性电阻Rhp的另一端连接。
MMC功率模块非线性特征仿真模型模拟MMC换流器在无均压主动控制下MMC功率模块电容电压发散过程的方法如下：
(1)计算受控电流源电流值im
受控电流源电流值im与MMC功率模块拓扑结构、桥臂电流ia及MMC功率模块开关状态有关。假设桥臂电流ia从上至下流入MMC功率模块为正，桥臂电流ia从下至上流出MMC功率模块为负。
MMC功率模块为全桥功率模块，不考虑第一开关器件K1和第二开关器件K2同时导通时功率模块电容发生短路工况，也不考虑第三开关器件K3和第四开关器件K4同时导通时功率模块电容发生短路工况。全桥功率模块非线性特征仿真模型中受控电流源电流值im计算方法如下：
当第一开关器件K1、第二开关器件K2、第三开关器件K3和第四开关器件K4均为关断状态，受控电流源电流值im为桥臂电流ia的绝对值；当第一开关器件K1为开通状态、第二开关器件K2为关断状态、第三开关器件K3为关断状态、第四开关器件K4为开通状态，受控电流源电流值im与桥臂电流ia数值相等，符号相同；当第一开关器件K1为关断状态、第二开关器件K2为开通状态、第三开关器件K3为开通状态和第四开关器件K4为关断状态，受控电流源电流值im与桥臂电流数值相等，符号相反，即-ia；当第一开关器件K1为开通状态、第二开关器件K2为关断状态、第三开关器件K3为开通状态、第四开关器件K4为关断状态，受控电流源电流值im为零；当第一开关器件K1为关断状态、第二开关器件K2为开通状态、第三开关器件K3为关断状态、第四开关器件K4为开通状态，受控电流源电流值im为零。
MMC功率模块为半桥功率模块，不考虑第五开关器件和第六开关器件同时导通时半桥功率模块电容短路工况。半桥功率模块非线性特征仿真模型的受控电流源电流值im计算方法如下：
当第五开关器件K5为关断状态、第六开关器件K6为关断状态，桥臂电流ia为正值时受控电流源电流值im与桥臂电流ia数值相等，符号相同，当桥臂电流ia为负值时，受控电流源电流值im为零；当第五开关器件K5为开通状态、第六开关器件K6为关断状态，受控电流源电流值im与桥臂电流ia数值相等，符号相同；当第五开关器件K5为关断状态、第六开关器件K6为开通状态，受控电流源电流值im为零。
(2)计算非线性电阻Rhp阻值
全桥功率模块或者半桥功率模块的自取能电源具有横功率消耗特性，因此可将自取能电源等效为恒功率电阻，非线性电阻Rhp阻值与MMC功率模块电容电压vc的平方成正比，与自取能电源恒定功率Php成反比。自取能电源恒定功率Php为全桥型功率模块自取能电源消耗功率PF或者半桥功率模块自取能电源消耗功率PH，非线性电阻Rhp阻值的计算公式如式(1)所示。
(3)计算MMC功率模块的电容电压
本发明MMC功率模块非线性特征仿真模型适用于全桥功率模块和半桥功率模块，其差别在于受控电流源电流值im的计算方法不同。根据MMC功率模块非线性特征仿真模型可计算出全桥功率模块或者半桥功率模块的电容电压，实现MMC功率模块非线性特征的电磁暂态仿真。
其中，Rb为全桥功率模块或者半桥功率模块的均压电阻阻值，C为全桥功率模块或者半桥功率模块的电容容值，vc为全桥功率模块或者半桥功率模块的电容电压，im为受控电流源的电流值。
将式(1)代入式(2)，并采用欧拉法求解式(2)，可得适用于数字仿真的差分方程式(3)：
其中，Ts为计算步长，电容电压初始值为0，vc(0)＝0，k为数字仿真次数。
式(3)经过一次计算可得vc(1)，vc(1)为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值。以此类推，经过k次计算可得到vc(k)，vc(k)为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值，vc(k+1)为(k+1)Ts时刻仿真计算得到的电容电压值。kTs代表仿真运行时间，由于数字仿真每次仿真计算步长相等，因此k≥0且为整数。
下面以一实施例介绍本发明MMC功率模块非线性特征仿真模型，模拟MMC功率模块在无主动均压控制时电容电压发散过程。
图4所示为混合型MMC换流器不控充电电路，MMC换流器由六个桥臂组成，每个桥臂由若干个全桥模块、半桥模块及电抗器串联而成。例如CU桥臂包括一个电抗器XCU，K个串联连接的全桥功率模块CU1，...，CUK，K≥1，(N-K)个串联连接的半桥模块CUK+1－CUN，N≥K≥1。MMC换流器网侧接入三相电网输入电压分别为uga、ugb和ugc，三相充电电阻Rc限制MMC功率模块电容充电电流。采用中国专利CN104953873A提出混合型MMC换流器桥臂等效电路仿真MMC换流器每个桥臂电流，采用本发明提出MMC功率模块非线性特征仿真模型实现MMC功率模块非线性特征仿真，系统参数如下：
三相交流电源电压vg及频率：10kV线电压有效值、50Hz；
充电电阻Rc：10Ω；
桥臂电感：30mH；
全桥功率模块个数/半桥功率模块个数：5/5；
MMC功率模块电容C：8mF；
均压Rb电阻：5000Ω；
自取能电源功耗Php及差异：50W/5％；
图5所示为MMC功率模块非线性特征仿真结果，图中包括MMC换流器一个桥臂内5个全桥功率模块和5个半桥功率模块的电容电压，各个MMC功率模块自取能电源功耗差异按最大5％设置。由16秒的仿真结果可知，全桥功率模块与半桥功率模块之间电容并异逐渐增大，5个半桥功率模块之间的电容差异也逐渐增大，10个功率模块电容电压逐渐发散。仿真结果充分证明了本发明提出的MMC功率模块非线性特性仿真模型的有效性。

Claims (1)

1.一种MMC功率模块非线性特征仿真方法，其特征在于：所述的仿真模型由一个受控电流源im、一个电容Cm、一个线性电阻Rb和一个非线性电阻Rhp组成；受控电流源im的正极分别与电容Cm的正极、线性电阻Rb的一端及非线性电阻Rhp的一端相连接；受控电流源im的负极与Cm电容的负极、线性电阻Rb的另一端及非线性电阻Rhp另一端连接；所述仿真模型模拟MMC换流器在无主动均压控制下MMC功率模块之间电容电压发散过程，实现全桥型功率模块和半桥型功率模块的非线性特征仿真；所述仿真模型的受控制电流源、非线性电阻和功率模块电容电压计算方法及过程如下：
(1)计算受控电流源电流值im
受控电流源电流值im与MMC功率模块拓扑结构、桥臂电流ia及MMC功率模块开关状态有关；假设桥臂电流ia从上至下流入MMC功率模块为正，桥臂电流ia从下至上流出MMC功率模块为负；
MMC功率模块为全桥功率模块，不考虑第一开关器件K1和第二开关器件K2同时导通时功率模块电容发生短路工况，也不考虑第三开关器件K3和第四开关器件K4同时导通时功率模块电容发生短路工况；全桥功率模块非线性特征仿真模型中受控电流源电流值im计算方法如下：
当第一开关器件K1、第二开关器件K2、第三开关器件K3和第四开关器件K4均为关断状态，受控电流源电流值im为桥臂电流ia的绝对值；当第一开关器件K1为开通状态、第二开关器件K2为关断状态、第三开关器件K3为关断状态、第四开关器件K4为开通状态，受控电流源电流值im与桥臂电流ia数值相等，符号相同；当第一开关器件K1为关断状态、第二开关器件K2为开通状态、第三开关器件K3为开通状态和第四开关器件K4为关断状态，受控电流源电流值im与桥臂电流数值相等，符号相反，即-ia；当第一开关器件K1为开通状态、第二开关器件K2为关断状态、第三开关器件K3为开通状态、第四开关器件K4为关断状态，受控电流源电流值im为零；当第一开关器件K1为关断状态、第二开关器件K2为开通状态、第三开关器件K3为关断状态、第四开关器件K4为开通状态，受控电流源电流值im为零；
MMC功率模块为半桥功率模块，不考虑第五开关器件和第六开关器件同时导通时半桥功率模块电容短路工况；半桥功率模块非线性特征仿真模型的受控电流源电流值im计算方法如下：
当第五开关器件K5为关断状态、第六开关器件K6为关断状态，桥臂电流ia为正值时受控电流源电流值im与桥臂电流ia数值相等，符号相同，当桥臂电流ia为负值时，受控电流源电流值im为零；当第五开关器件K5为开通状态、第六开关器件K6为关断状态，受控电流源电流值im与桥臂电流ia数值相等，符号相同；当第五开关器件K5为关断状态、第六开关器件K6为开通状态，受控电流源电流值im为零；
(2)计算非线性电阻Rhp阻值
全桥功率模块或者半桥功率模块的自取能电源具有恒功率消耗特性，因此可将自取能电源等效为恒功率电阻，非线性电阻Rhp阻值与MMC功率模块电容电压vc的平方成正比，与自取能电源恒定功率Php成反比；自取能电源恒定功率Php为全桥型功率模块自取能电源消耗功率PF或者半桥功率模块自取能电源消耗功率PH，非线性电阻Rhp阻值的计算公式如式(1)所示：
(3)计算MMC功率模块的电容电压
所述的MMC功率模块非线性特征仿真模型用于全桥功率模块和半桥功率模块的差别在于受控电流源电流值im的计算方法不同；根据MMC功率模块非线性特征仿真模型计算出全桥功率模块或者半桥功率模块的电容电压，实现MMC功率模块非线性特征的电磁暂态仿真；
其中，Rb为全桥功率模块或者半桥功率模块的均压电阻阻值，C为全桥功率模块或者半桥功率模块的电容容值，vc为全桥功率模块或者半桥功率模块的电容电压，im为受控电流源的电流值；
将式(1)代入式(2)，并采用欧拉法求解式(2)，可得适用于数字仿真的差分方程式(3)：
其中，Ts为计算步长，电容电压初始值为0，vc(0)＝0，k为数字仿真次数；式(3)经过一次计算可得Ts时刻仿真计算得到的电容电压值vc(1)；以此类推，经过k次计算可得到kTs时刻仿真计算得到的电容电压值vc(k)，vc(k+1)为(k+1)Ts时刻仿真计算得到的电容电压值；kTs代表仿真运行时间，由于数字仿真每次仿真计算步长相等，因此k≥0且为整数。
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