CN107609283A - 基于桥臂等值电容的模块化多电平换流器高效建模方法 - Google Patents
基于桥臂等值电容的模块化多电平换流器高效建模方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及柔性直流输电技术领域，为解决传统的模块化多电平换流器详细建模方法在仿真速率方面严重受到级联子模块数量的影响问题，能够在保证仿真精度的前提下大幅提高仿真速度且仿真速度不受级联子模块数量制约。本发明采用的技术方案是，基于桥臂等值电容的模块化多电平换流器高效建模方法，首先基于能量守恒定律将各桥臂所有级联子模块等效成一个电容器，然后基于梯形积分法建立各桥臂等效电容的离散化模型，最后基于模块化多电平换流器拓扑结构，对各桥臂等效模型进行电气连接，并根据换流器站级控制系统发出的调制信号对各桥臂等效模型进行控制，实现模块化多电平换流器的高效建模仿真。本发明主要应用于柔性直流输电场合。
Description
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及电压源型换流器建模仿真领域，特别涉及模块化多电平换流器的高效建模仿真领域。
背景技术
模块化多电平换流器是目前高压大容量柔性直流输电系统的首选换流器类型，其采用多电压源型子模块串联的方式实现交直流转换，相比于传统的两、三电平电压源型换流器，具有扩展性好、输出谐波小、开关频率低等诸多技术优势。针对模块化多电平换流器建模方法的研究，是设计和分析柔性直流输电系统的必要手段。
模块化多电平换流器采用全控型功率器件，传统的换流器建模方法通过对每个子模块进行详细建模实现换流器建模，随着级联子模块数量的增加，电磁暂态仿真时间大幅增长，尤其在柔性直流电网的仿真过程中，由于其包含多个换流站，仿真时间更为冗长。因此，如何构建模块化多电平换流器的高效仿真模型，在保证仿真精度的前提下提高仿真速度，具有重要的研究价值。
发明内容
为克服现有技术的不足，解决传统的模块化多电平换流器详细建模方法在仿真速率方面严重受到级联子模块数量的影响问题，本发明旨在提出一种基于桥臂等值电容的模块化多电平换流器高效建模方法，该方法能够在保证仿真精度的前提下大幅提高仿真速度且仿真速度不受级联子模块数量制约。本发明采用的技术方案是，基于桥臂等值电容的模块化多电平换流器高效建模方法，首先基于能量守恒定律将各桥臂所有级联子模块等效成一个电容器，然后基于梯形积分法建立各桥臂等效电容的离散化模型，最后基于模块化多电平换流器拓扑结构，对各桥臂等效模型进行电气连接，并根据换流器站级控制系统发出的调制信号对各桥臂等效模型进行控制，实现模块化多电平换流器的高效建模仿真。
一个实例中，换流器由6个桥臂构成，每个桥臂连接有若干子模块，子模块由绝缘栅型晶体管T1、T2、二极管D1、D2、分布电容C0构成，T1、T2串接后并接C0，D1、D2分别对应接在T1、T2发射极、源极之间，且二极管正极均接发射极；换流器工作时通过控制T1、T2来进行子模块的投切，T1＝1，T2＝0时子模块为投入状态，T1＝0，T2＝1时子模块为切除状态，当子模块轮换投切的频率较高时，各子模块电容电压之间的差值较小，将桥臂中的所有子模块等效成一个集中电容，包括如下步骤：
步骤A：模块化多电平换流器桥臂等效电容值计算，计算方法为：
式中，x为桥臂投入的子模块个数，N为桥臂子模块总数，C0为子模块电容值，Ceq为桥臂子模块等效电容值；
投入子模块数量发生变化时，桥臂等效电容值变化，为保证能量守恒，需对变化后的等效电容赋予初始电压，其计算方法为：
式中，t为投入子模块数量发生变化的前一时刻，Δt为仿真步长，xt为t时刻投入子模块数量，ut为t时刻桥臂等效电容两端电压，xt+Δt为t+Δt时刻投入子模块数量，ut+Δt为t+Δt时刻桥臂等效电容两端电压；
步骤B：桥臂等效电容离散化建模
根据梯形积分法，将桥臂电容进一步等效为一个可变电阻Req和受控电压源Veq串联，为满足换流器的故障时闭锁功能，在此基础上串联一个可控开关K和二极管D的并联电路，其中上桥臂二极管接法为共阴极，下桥臂二极管接法为共阳极，设t<t1时桥臂等值电容为C1，t1时刻桥臂等值电容为C2，其两端初始电压为U0，初始电流为0，考虑到换流器故障时闭锁情况，该可变电阻、受控电压源、开关K控制方法如下：
换流器正常运行时，K闭合，
子模块闭锁时，K断开，
Req＝N×RD
Veq(t-Δt)＝0
步骤C：模块化多电平换流器整体建模
换流器稳态运行时，根据相应的稳态控制策略，由站级控制系统输出调制波，进一步根据调制波波形计算各桥臂需要投入的子模块数量，并输入到寄存器中，同时桥臂电压、电流测量模块实时采集桥臂等效电容两端电压及电流并输入到寄存器中，根据各桥臂电压及投入子模块数量，计算得到各桥臂等效电容值及其初始电压，并进一步计算得到各桥臂可变电阻及受控电压源，实现对换流器稳态运行的控制；当严重故障导致换流器桥臂电流上升并达到闭锁条件时，由闭锁模块发出闭锁命令，控制各桥臂可变电阻及受控电压源，同时断开开关K，实现换流器故障时闭锁功能。
本发明的特点及有益效果是：
1.该方法将模块化多电平换流器的子模块集中等效，能够实现换流器的高效建模仿真，且仿真速率不受级联子模块个数的影响；
2.该方法支持柔性直流电网的稳态仿真且具有较高精度；
3.该方法支持柔性直流电网的故障暂态仿真且具有较高精度，故障类型包括除模块化多电平换流器子模块故障之外的所有故障；
4.该方法在换流器采用优化电容电压均衡算法时仍具有较高仿真精度。
附图说明：
图1为换流器及其子模块拓扑结构；
图2为换流器桥臂等效电容离散化模型；
图3为换流器桥臂模型建模流程图；
图4为换流器整体模型建模机制。
具体实施方式
鉴于背景技术中提到的传统模块化多电平换流器详细建模方法的不足，本发明提出一种基于桥臂等值电容的模块化多电平换流器高效建模方法。该方法首先基于能量守恒定律将各桥臂所有级联子模块等效成一个电容器，然后基于梯形积分法建立各桥臂等效电容的离散化模型，最后基于模块化多电平换流器拓扑结构，对各桥臂等效模型进行电气连接，并根据换流器站级控制系统发出的调制信号对各桥臂等效模型进行控制，实现模块化多电平换流器的高效建模仿真。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
基于桥臂等值电容的模块化多电平换流器高效建模方法包括以下具体步骤：
步骤A：模块化多电平换流器桥臂等效电容值计算。
模块化多电平换流器及其子模块拓扑结构如图1所示，换流器由6个桥臂构成，每个桥臂连接有若干子模块(SM,Submodule)，子模块中T1、T2为绝缘栅型晶体管，D1、D2为二极管，C0为分布电容。换流器工作时通过控制T1、T2来进行子模块的投切，T1＝1，T2＝0时子模块为投入状态，T1＝0，T2＝1时子模块为切除状态，当子模块轮换投切的频率较高时，各子模块电容电压之间的差值较小，可将桥臂中的所有子模块等效成一个集中电容，计算方法为：
式中，x为桥臂投入的子模块数量，N为桥臂子模块总数，Ceq为等效电容值。
投入子模块数量发生变化时，桥臂等效电容值变化，为保证能量守恒，需对变化后的等效电容赋予初始电压，其计算方法为：
式中，t为投入子模块数量发生变化的前一时刻，Δt为仿真步长，xt为t时刻投入子模块数量，ut为t时刻桥臂等效电容两端电压，xt+Δt为t+Δt时刻投入子模块数量，ut+Δt为t+Δt时刻桥臂等效电容两端电压。
步骤B：桥臂等效电容离散化建模。
根据梯形积分法，将桥臂电容进一步等效为一个可变电阻Req和受控电压源Veq串联。为满足换流器的故障时闭锁功能，在此基础上串联一个可控开关K和二极管D的并联电路，其中上桥臂二极管接法为共阴极，下桥臂二极管接法为共阳极，如图2所示。
设t<t1时桥臂等值电容为C1，t1时刻桥臂等值电容为C2，其两端初始电压为U0，初始电流为0。考虑到换流器故障时闭锁情况，该可变电阻、受控电压源、开关K控制方法如下：
换流器正常运行时，K闭合，
子模块闭锁时，K断开，
Req＝N×RD
Veq(t-Δt)＝0
换流器桥臂模型建模流程图如图3所示。
步骤C：模块化多电平换流器整体建模。
根据上述模块化多电平换流器桥臂建模方法及换流器拓扑结构，构建模块化多电平换流器整体模型，其建模机制如图4所示。
换流器稳态运行时，根据相应的稳态控制策略，由站级控制系统输出调制波，进一步根据调制波波形计算各桥臂需要投入的子模块数量，并输入到寄存器中。同时桥臂电压、电流测量模块实时采集桥臂等效电容两端电压及电流并输入到寄存器中。根据各桥臂电压及投入子模块数量，计算得到各桥臂等效电容值及其初始电压，并进一步计算得到各桥臂可变电阻及受控电压源，实现对换流器稳态运行的控制。当严重故障导致换流器桥臂电流上升并达到闭锁条件时，由闭锁模块发出闭锁命令，控制各桥臂可变电阻及受控电压源，同时断开开关K，实现换流器故障时闭锁功能。
为克服现有技术的不足，提出了一种基于桥臂等值电容的模块化多电平换流器高效建模方法，该方法首先基于能量守恒定律将各桥臂所有级联子模块等效成一个电容器，然后基于梯形积分法建立各桥臂等效电容的离散化模型，最后基于模块化多电平换流器拓扑结构，对各桥臂等效模型进行电气连接，并根据换流器站级控制系统发出的调制信号对各桥臂等效模型进行控制，实现模块化多电平换流器的高效建模仿真。
下面通过具体实例，来详细说明本发明的技术方案：
A.模块化多电平换流器桥臂等效电容值计算。
模块化多电平换流器桥臂子模块等效电容计算方法为：
式中，x为桥臂投入的子模块个数，N为桥臂子模块总数，C0为子模块电容值，Ceq为桥臂子模块等效电容值。
投入子模块数量发生变化时，桥臂等效电容值变化，为保证能量守恒，需对变化后的等效电容赋予初始电压，其计算方法为：
式中，t为投入子模块数量发生变化的前一时刻，Δt为仿真步长，xt为t时刻投入子模块数量，ut为t时刻桥臂等效电容两端电压，xt+Δt为t+Δt时刻投入子模块数量，ut+Δt为t+Δt时刻桥臂等效电容两端电压。
B.桥臂等效电容离散化建模。
根据梯形积分法，将桥臂电容进一步等效为一个可变电阻Req和受控电压源Veq串联。为满足换流器的故障时闭锁功能，在此基础上串联一个可控开关K和二极管D的并联电路，其中上桥臂二极管接法为共阴极，下桥臂二极管接法为共阳极，如图2所示。
设t<t1时桥臂等值电容为C1，t1时刻桥臂等值电容为C2，其两端初始电压为U0，初始电流为0。考虑到换流器故障时闭锁情况，该可变电阻、受控电压源、开关K控制方法如下：
换流器正常运行时，K闭合，
子模块闭锁时，K断开，
Req＝N×RD
Veq(t-Δt)＝0
换流器桥臂模型建模流程图如图3所示。
C.模块化多电平换流器整体建模。
根据上述模块化多电平换流器桥臂建模方法及换流器拓扑结构，构建模块化多电平换流器整体模型，其建模机制如图4所示。
换流器稳态运行时，根据相应的稳态控制策略，由站级控制系统输出调制波，进一步根据调制波波形计算各桥臂需要投入的子模块数量，并输入到寄存器中。同时桥臂电压、电流测量模块实时采集桥臂等效电容两端电压及电流并输入到寄存器中。根据各桥臂电压及投入子模块数量，计算得到各桥臂等效电容值及其初始电压，并进一步计算得到各桥臂可变电阻及受控电压源，实现对换流器稳态运行的控制。当严重故障导致换流器桥臂电流上升并达到闭锁条件时，由闭锁模块发出闭锁命令，控制各桥臂可变电阻及受控电压源，同时断开开关K，实现换流器故障时闭锁功能。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种基于桥臂等值电容的模块化多电平换流器高效建模方法，其特征是，首先基于能量守恒定律将各桥臂所有级联子模块等效成一个电容器，然后基于梯形积分法建立各桥臂等效电容的离散化模型，最后基于模块化多电平换流器拓扑结构，对各桥臂等效模型进行电气连接，并根据换流器站级控制系统发出的调制信号对各桥臂等效模型进行控制，实现模块化多电平换流器的高效建模仿真。
2.如权利要求1所述的基于桥臂等值电容的模块化多电平换流器高效建模方法，其特征是，一个实例中，换流器由6个桥臂构成，每个桥臂连接有若干子模块，子模块由绝缘栅型晶体管T1、T2、二极管D1、D2、分布电容C0构成，T1、T2串接后并接C0，D1、D2分别对应接在T1、T2发射极、源极之间，且二极管正极均接发射极；换流器工作时通过控制T1、T2来进行子模块的投切，T1＝1，T2＝0时子模块为投入状态，T1＝0，T2＝1时子模块为切除状态，当子模块轮换投切的频率较高时，各子模块电容电压之间的差值较小，将桥臂中的所有子模块等效成一个集中电容，包括如下步骤：
步骤A：模块化多电平换流器桥臂等效电容值计算，计算方法为：
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式中，x为桥臂投入的子模块个数，N为桥臂子模块总数，C0为子模块电容值，Ceq为桥臂子模块等效电容值；
投入子模块数量发生变化时，桥臂等效电容值变化，为保证能量守恒，需对变化后的等效电容赋予初始电压，其计算方法为：
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式中，t为投入子模块数量发生变化的前一时刻，Δt为仿真步长，xt为t时刻投入子模块数量，ut为t时刻桥臂等效电容两端电压，xt+Δt为t+Δt时刻投入子模块数量，ut+Δt为t+Δt时刻桥臂等效电容两端电压；
步骤B：桥臂等效电容离散化建模
根据梯形积分法，将桥臂电容进一步等效为一个可变电阻Req和受控电压源Veq串联，为满足换流器的故障时闭锁功能，在此基础上串联一个可控开关K和二极管D的并联电路，其中上桥臂二极管接法为共阴极，下桥臂二极管接法为共阳极，设t<t1时桥臂等值电容为C1，t1时刻桥臂等值电容为C2，其两端初始电压为U0，初始电流为0，考虑到换流器故障时闭锁情况，该可变电阻、受控电压源、开关K控制方法如下：
换流器正常运行时，K闭合，
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子模块闭锁时，K断开，
Req＝N×RD
Veq(t-Δt)＝0
步骤C：模块化多电平换流器整体建模
换流器稳态运行时，根据相应的稳态控制策略，由站级控制系统输出调制波，进一步根据调制波波形计算各桥臂需要投入的子模块数量，并输入到寄存器中，同时桥臂电压、电流测量模块实时采集桥臂等效电容两端电压及电流并输入到寄存器中，根据各桥臂电压及投入子模块数量，计算得到各桥臂等效电容值及其初始电压，并进一步计算得到各桥臂可变电阻及受控电压源，实现对换流器稳态运行的控制；当严重故障导致换流器桥臂电流上升并达到闭锁条件时，由闭锁模块发出闭锁命令，控制各桥臂可变电阻及受控电压源，同时断开开关K，实现换流器故障时闭锁功能。
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