CN107515968B - 一种mmc柔性直流输电系统软启电阻设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MMC柔性直流输电系统软启电阻设计方法，该方法通过建立MMC柔性直流输电系统的仿真模型，基于该模型进行软启仿真迭代试验，直到得到满足软启时间要求和冲击电流要求的软启电阻。通过该方法得到的软启电阻更为准确，设计效率较高。而且，在实际工程投运之前，通过该方法设计得到软启电阻，使得在设计系统及控制保护策略时更加合理有效，保证了系统的正常启动，对整个系统的正常有效运行具有重要意义。

Description

一种MMC柔性直流输电系统软启电阻设计方法
技术领域
本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种MMC柔性直流输电系统软启电阻设计方法。
背景技术
随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力系统中的应用，基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流输电技术日益受到重视。
实际工程投运之前，首先要对柔性直流输电系统进行仿真，分析系统及控制保护策略的合理性和有效性。其中，主回路参数计算是系统仿真的前提。作为系统主回路的重要元件，软启电阻的作用是保证系统正常启动，因此，软启电阻的合理设计具有重要意义。
在现有的柔性直流输电系统中，在对柔性直流输电系统进行仿真时，对于软启电阻只是按照实际需求设定一个值，并未做调整与改变。若一直以该值来做仿真试验，可能会造成系统仿真并不合理，与实际偏差较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MMC柔性直流输电系统软启电阻设计方法，用以解决现有的软启电阻设计不准确导致的系统仿真试验不合理的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
本发明的一种MMC柔性直流输电系统软启电阻设计方法，包括如下步骤：
建立模型步骤：建立MMC柔性直流输电系统的仿真模型；
计算初值步骤：计算软启电阻的初值；
迭代仿真步骤：将软启电阻的初值代入所述MMC柔性直流输电系统的仿真模型中进行软启仿真试验，判断软启时间和冲击电流是否均满足要求，只要其中一个不满足要求，将软启电阻的阻值进行调整并进行软启仿真试验，直到得到满足软启时间要求和冲击电流要求的软启电阻。
进一步地，计算初值步骤中，根据交流线电压的有效值和冲击功率得到软启电阻的初值：
Figure BDA0001364100540000021
其中，Rs0为软启电阻的初值，Urms为交流线电压的有效值，Ps0为冲击功率。
进一步地，迭代仿真步骤中，将软启电阻的阻值进行调整的手段包括：
若软启时间大于要求的软启时间，则减小软启电阻的阻值；
若冲击电流大于要求的冲击电流，则增大软启电阻的阻值。
进一步地，建立模型步骤中，结合实际子模块的均压电阻损耗和取能电阻损耗来建立MMC柔性直流输电系统的仿真模型。
进一步地，迭代仿真步骤后还包括：计算满足软启时间要求和冲击电流要求的软启电阻的平均功率和绝热能量；所述平均功率为软启仿真试验过程中软启电阻上损耗的能量与软启时间的比值；所述绝热能量为1秒中软启电阻损耗的能量。
进一步地，当MMC为半桥子模块时，建立的仿真模型为：
当半桥子模块为投入状态时，等效电压和等效电阻分别为：
Figure BDA0001364100540000022
Figure BDA0001364100540000023
其中：
Figure BDA0001364100540000024
而且，Vsm_FBSM_投入为半桥子模块为投入状态时的等效电压，Rsm_HBSM_投入为半桥子模块为投入状态时的等效电阻，电容支路等效为电阻RC和电源VcEQ的串联，RP为取能电路的等效电阻，RX为均压电阻，Ron为全控器件及其反并联二极管为整体时、有电流流过的等效开通电阻，Roff为全控器件及其反并联二极管为整体时、无电流流过的等效关断电阻；
当半桥子模块为切除状态时，等效电压和等效电阻分别为：
Figure BDA0001364100540000031
Figure BDA0001364100540000032
其中：
Figure BDA0001364100540000033
而且，Vsm_FBSM_切除为半桥子模块为切除状态时的等效电压，Rsm_HBSM_切除为半桥子模块为切除状态时的等效电阻，电容支路等效为电阻RC和电源VcEQ的串联，RP为取能电路的等效电阻，RX为均压电阻，Ron为全控器件及其反并联二极管为整体时、有电流流过的等效开通电阻，Roff为全控器件及其反并联二极管为整体时、无电流流过的等效关断电阻。
本发明的有益效果：
本发明首先建立MMC柔性直流输电系统的仿真模型，基于该模型进行软启仿真迭代试验，直到得到满足软启时间要求和冲击电流要求的软启电阻。通过该方法得到的软启电阻更为准确，设计效率较高。而且，在实际工程投运之前，通过该方法设计得到软启电阻，使得在设计系统及控制保护策略时更加合理有效，保证了系统的正常启动，对整个系统的正常有效运行具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的软启电阻参数设计流程图；
图2-1是半桥模块高速模型建立中第一步等效模型图；
图2-2是半桥模块高速模型建立中第二步等效模型图；
图2-3是半桥模块高速模型建立中第三步等效模型图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式并不局限于此。
下面以柔性直流系统中半桥级联的模块化多电平换流器为例来进行说明。
本发明的MMC柔性直流输电系统软启电阻设计方法实施例：
该方法的流程图如图1所示。
首先，建立MMC的高速等效模型，整个过程如图2-1、图2-2和图2-3所示。该模型的建立参照实际系统计算、并考虑了半桥子模块的均压电阻损耗和取能电路损耗。
将图2-1中的全控器件及其反并联二极管作为整体进行考虑，当其有电流流过时，等效为开通电阻Ron；当其无电流流过时，等效为关断电阻Roff；将子模块电容进行离散化，由于电容电压可以计算为：
Figure BDA0001364100540000041
将式(1)整理可得：
Figure BDA0001364100540000042
令
Figure BDA0001364100540000043
则电容支路可等效为电阻Rc与电源VcEQ的串联，如图2-2所示。
为了使仿真效率更高，模型更准确，考虑了实际子模块的均压电阻损耗和取能电阻损耗。其中，均压电阻为RX，同时，将取能电路等效为恒功率损耗，则：
Figure BDA0001364100540000044
其中，P为取能电阻功率损耗，UC为子模块电容电压。
半桥子模块在所有工况下仅表现出两种状态，即切除状态和投入状态。
当半桥子模块处于投入状态时，图2-3中的等效电压Vsm_HBSM和等效电阻Rsm_HBSM可以计算为：
Figure BDA0001364100540000045
Figure BDA0001364100540000046
其中：
Figure BDA0001364100540000051
当半桥子模块处于切除状态时，图2-3中的等效电压Vsm_HBSM和等效电阻Rsm_HBSM可以计算为：
Figure BDA0001364100540000052
Figure BDA0001364100540000053
其中：
Figure BDA0001364100540000054
然后，计算软启电阻的初值。通过交流线电压有限制Urms和冲击功率Ps0计算得到软启电阻的初值：
Figure BDA0001364100540000055
接着，将计算的软启电阻的初值代入建立的高速等效模型进行仿真试验，依据软启时间、冲击电流指标进行多次校核，得到满足要求的软启电阻值。具体的校核方法如下：
1)当仿真结果显示软启时间大于要求的软启时间时，减小软启电阻的阻值；当仿真结果显示软启时间小于要求的软启时间时，则保持软启电阻的阻值不变；
2)当仿真结果显示冲击电流大于要求的冲击电流时，增大软启电阻的阻值；当仿真结果显示冲击电流小于要求的冲击电流时，则保持软启电阻值不变；
3)只有当上述两个条件均满足时，结束迭代仿真，此时的电阻值作为软启电阻的设计结果。
最后，计算软启电阻在软启过程的平均功率指标和绝热能量指标。
1)平均功率指标计算：带入得到的软启电阻值进行仿真计算，得到软启过程中软启电阻上损耗的能量，再除以软启时间即可得到软启电阻的平均功率指标；
2)绝热能量指标计算：带入得到的软启电阻值进行仿真计算，得到软启过程中软启电阻上损耗的能量曲线，读取1s时刻软启电阻上损耗的能量值，即为软启电阻的绝热能量指标。
需说明的是，对软启电阻的参数设计主要指电阻值，平均功率和绝热能量是根据电阻值计算得到的、用于软启电阻选型的参考量，在实际工程中使用的电阻器，其平均功率和绝热能量必须大于这里计算得到的数值。
至此，完成软启电阻的参数设计。
另外，现有的MMC系统仿真模型包括等效模型和详细模型，均可用于实现本发明的迭代仿真。只是已有的等效模型未考虑实际子模块中的均压电阻损耗和取能电路的恒功率损耗，相对于上述实施例所建立的仿真模型来说精确度较差；而详细模型考虑了均压电阻和恒功率损耗，但是由于实际系统子模块数较多，详细模型的建立过程过于复杂，且模型节点数较多，仿真效率较低；因此，上述实施例中的高速等效模型更适合用于本发明所述的软启电阻参数设计，设计效率更高、设计结果更准确。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种MMC柔性直流输电系统软启电阻设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立模型步骤：建立MMC柔性直流输电系统的仿真模型；
计算初值步骤：计算软启电阻的初值；
迭代仿真步骤：将软启电阻的初值代入所述MMC柔性直流输电系统的仿真模型中进行软启仿真试验，判断软启时间和冲击电流是否均满足要求，只要其中一个不满足要求，将软启电阻的阻值进行调整并进行软启仿真试验，直到得到满足软启时间要求和冲击电流要求的软启电阻；
当MMC为半桥子模块时，建立的仿真模型为：
当半桥子模块为投入状态时，等效电压和等效电阻分别为：
Figure FDA0002441267990000011
Figure FDA0002441267990000012
其中：
Figure FDA0002441267990000013
而且，Vsm_FBSM_投入为半桥子模块为投入状态时的等效电压，Rsm_HBSM_投入为半桥子模块为投入状态时的等效电阻，电容支路等效为电阻RC和电源VcEQ的串联，RP为取能电路的等效电阻，RX为均压电阻，Ron为全控器件及其反并联二极管为整体时、有电流流过的等效开通电阻，Roff为全控器件及其反并联二极管为整体时、无电流流过的等效关断电阻；
当半桥子模块为切除状态时，等效电压和等效电阻分别为：
Figure FDA0002441267990000014
Figure FDA0002441267990000021
其中：
Figure FDA0002441267990000022
而且，Vsm_FBSM_切除为半桥子模块为切除状态时的等效电压，Rsm_HBSM_切除为半桥子模块为切除状态时的等效电阻，电容支路等效为电阻RC和电源VcEQ的串联，RP为取能电路的等效电阻，RX为均压电阻，Ron为全控器件及其反并联二极管为整体时、有电流流过的等效开通电阻，Roff为全控器件及其反并联二极管为整体时、无电流流过的等效关断电阻。
2.根据权利要求1所述的MMC柔性直流输电系统软启电阻设计方法，其特征在于，计算初值步骤中，根据交流线电压的有效值和冲击功率得到软启电阻的初值：
Figure FDA0002441267990000023
其中，Rs0为软启电阻的初值，Urms为交流线电压的有效值，Ps0为冲击功率。
3.根据权利要求1所述的MMC柔性直流输电系统软启电阻设计方法，其特征在于，迭代仿真步骤中，将软启电阻的阻值进行调整的手段包括：
若软启时间大于要求的软启时间，则减小软启电阻的阻值；
若冲击电流大于要求的冲击电流，则增大软启电阻的阻值。
4.根据权利要求1所述的MMC柔性直流输电系统软启电阻设计方法，其特征在于，建立模型步骤中，结合实际子模块的均压电阻损耗和取能电阻损耗来建立MMC柔性直流输电系统的仿真模型。
5.根据权利要求1所述的MMC柔性直流输电系统软启电阻设计方法，其特征在于，迭代仿真步骤后还包括：计算满足软启时间要求和冲击电流要求的软启电阻的平均功率和绝热能量；所述平均功率为软启仿真试验过程中软启电阻上损耗的能量与软启时间的比值；所述绝热能量为1秒中软启电阻损耗的能量。
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