CN107942729B - 基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法 - Google Patents

基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力系统运行与控制技术领域，涉及一种基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法。本发明首先对模块化多电平换流器MMC换流器的桥臂建立桥臂混合模型，将桥臂中的L个特殊子模块建立简化等效模型，M个一般子模块建立详细等效模型；然后对详细等效的子模块中所有器件的故障状态进行建模，使得模型能够模拟子模块内部故障；最后在桥臂模型中增设故障节点，使得模型能够模拟桥臂故障。本发明解决了实时数字仿真器在GPC/PB5环境下进行模块化多电平换流器MMC系统仿真的资源受限问题，使得模型可用于高电平MMC系统仿真；并且能够完成多种换流器内部故障仿真，能够有效地用于MMC保护控制策略的研究。

Description

基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法
技术领域
本发明属于电力系统运行与控制技术领域，涉及一种基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于其输出电平高，谐波含量少，可独立控制有功功率、无功功率而得到了广泛应用。对于高压输电系统，MMC需要达到数百电平才能满足实际工程对高电压、大容量的需求，这给MMC的实时仿真带来了极大的挑战。实时数字仿真器(Real-Time Digital simulator,RTDS)是一种专门用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置，在电力系统仿真实时仿真研究中被广泛应用。用户可以在RTDS提供的CBuilder工具中开发MMC换流器模型，用于MMC-HVDC动态特性的仿真研究。基于CBuiler工具开发的模型运行在GPC/PB5板卡中，由于硬件资源的限制，要求模型在保证仿真精度的同时必须具有足够高的计算速度。
为了加快MMC系统的仿真速度，现有的关于MMC建模的方法大多是将MMC的桥臂等效为一个2节点的封装模型，这种方法大大降低了MMC-HVDC系统导纳矩阵的维度，但同时也带来了MMC换流器内部故障仿真困难的问题。现有模型大都不具备换流器故障仿真功能或者只能模拟少数几种故障，也就无法用于换流器保护控制策略的研究。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法，包括：
步骤1：根据研究的子模块的内部电容器和电力电子器件故障，将模块化多电平换流器桥臂中级联的子模块分为特殊子模块和一般子模块；
步骤2：对步骤1所得的每个特殊子模块建立详细等效模型，然后对每个特殊子模块中所有器件的故障状态进行建模，使得特殊子模块具备故障仿真功能；
步骤3：对步骤1所得的一般子模块建立简化等效模型，将级联的所有一般子模块整体等效为一个受控电流源并联一个电容，并用一个受控电压源反映所有子模块端口电压之和；
步骤4：开关SW和D1二极管、D2二极管构成组合开关，开关SW与D1二极管并联再与D2二极管串联，D1二极管的正极连接D2二极管的负极，组合开关控制桥臂的闭锁与非闭锁状态，组合开关与步骤2与步骤3所得的子模块等效模型并联构成桥臂混合模型；
步骤5：根据诺顿定理，对步骤4所得的桥臂混合模型进行等效计算；
步骤6：在步骤4所得到的桥臂混合模型中增设桥臂故障节点，将桥臂等效为一个3节点模型，故障节点的位置可调，在故障节点处外接实时数字仿真器提供的故障模块进行桥臂接地故障仿真和不同桥臂之间的短路故障仿真，桥臂断路故障仿真及同一桥臂两点间短路仿真通过在自定义程序中改变桥臂子模块等效电阻实现；
步骤7：建立适用于桥臂混合模型的模块化多电平换流器的阀级控制器，根据诺顿定理，建立桥臂控制器与桥臂混合模型整体的等效模型。
所述步骤1具体包括：对模块化多电平换流器进行仿真时，选择研究的子模块内部故障及相应控制保护策略的L个子模块建立其详细等效模型，其余M个等效子模块建立简化等效模型。
所述步骤2具体包括：将特殊子模块电容等效为一个电阻RCeq_SM，串联电压源UCeq_SM的戴维南模型，将两组由一个IGBT反并联一个二极管组成的开关组分别等效为可变电阻R1_SM和R2_SM，
其中，下标C表示子模块电容，SM表示子模块，eq表示该参数为等效模型的参数；R1_SM为子模块中上IGBT和上二极管组成的开关组的电阻；R2_SM为子模块中下IGBT和下二极管组成的开关组的电阻
所述开关组导通状态为阻值很小的RON，关断状态为阻值很大的ROFF，然后对特殊子模块中所有器件的故障状态进行建模，当第i个特殊子模块的电容发生故障时，对第i个特殊子模块的电容的等效电阻RCeq_SM和等效电压源UCeq_SMi进行修正；当第i个特殊子模块中IGBT或反并联二极管发生故障时，对第i个特殊子模块的开关元件等效电阻R1_SMi和R2_SMi进行修正，
其中，RON为开关导通时的电阻；ROFF开关断开时的电阻。
所述步骤2还具体包括：
电容故障包括电容击穿故障和电容值下降故障，
当为电容击穿故障时，电容等效为一个阻值很小的电阻，其戴维南等效电路的等效电阻RCeq_SMi和等效电压源UCeq_SMi分别为：
Figure GDA0002460233300000031
当为电容值下降故障时，其等效电阻RCeq_SMi和等效电压源UCeq_SMi分别为：
Figure GDA0002460233300000032
其中，△t为仿真步长；t为当前时刻；Cfault为故障后的电容值；RCeq_SMi为第i个特殊子模块的等效电阻；UC_SMi(t-△t)为(t-△t)时刻第i个子模块的电容电压；IC_SMi(t-△t)为(t-△t)时刻第i个子模块的电容电流；UCeq_SMi为第i个子模块的等效电压源，
二极管故障包括击穿故障和断路故障，
当二极管为击穿故障时，对应R1_SMi或R2_SMi修正为RON；
当二极管为断路故障时，对应的R1_SMi或R2_SMi由IGBT状态决定，
所述IGBT故障包括击穿、断路和拒动故障，其中拒动故障包括拒绝关断和拒绝导通故障，
当IGBT为击穿故障时，对应的R1_SMi或R2_SMi修正为RON；
当IGBT2为拒绝关断故障时，对应的R1_SMi或R2_SMi修正为RON；
IGBT拒绝导通或断路故障时的等效电阻计算方法为：IGBT1_SMi故障时，IGBT2_SMi关断瞬间，桥臂电流Ibr为正，则R1_SMi＝RON，R2_SMi＝ROFF，桥臂电流Ibr为负，则R1_SMi＝ROFF，R2_SMi＝RON，IGBT2_SMi导通瞬间，R1_SMi＝ROFF，R2_SMi＝RON；IGBT2_SMi故障时，桥臂电流Ibr为正，则R1_SMi＝RON，R2_SMi＝ROFF，桥臂电流Ibr为负，则R1_SMi＝ROFF，R2_SMi＝RON，IGBT1_SMi导通瞬间，R1_SMi＝RON，R2_SMi＝ROFF，该修正判据在同一子模块的另一IGBT发生状态变化时刻使用。
所述步骤3具体包括：对M个一般子模块的整体建立简化等效模型，桥臂主电路为一个受控电压源UeqM表示所有子模块端口电压之和，用一个与桥臂主电路解耦的电路模拟电容的充放电状态，该电路由一个具有集中参数的电容CeqM和一个受控电流源IheqM串联组成，并在电容两侧反并联一个D3二极管。
所述步骤4具体包括：SM1、SM2、…、SML表示步骤2中L个特殊子模块的详细等效模型，根据步骤3得到M个一般子模块的简化等效模型，用一个受控电压源UeqM表示M个一般子模块端口电压之和，并用一个与桥臂主电路解耦的电路模拟电容的充放电状态，该电路由一个具有集中参数的电容CeqM和一个受控电流源IheqM串联组成，并在电容两侧反并联一个D3二极管，组合开关与所得的子模块等效模型并联构成桥臂混合模型
所述步骤5具体包括：并联的SW和D1二极管整体等效为可变电阻RDSeq1，D2二极管等效为可变电阻RDSeq2，L个特殊子模块等效为戴维南等效模型ReqL和UeqL，简化等效模型的参数分别为：
Figure GDA0002460233300000041
IheqM(t)＝SM×I1(t) (4)
UCM(t)＝RCeqM[IheqM(t)+IheqM(t-△t)]+UCM(t-△t) (5)
UCeqM(t)＝RCeqM×IheqM(t-△t)+UCM(t-△t) (6)
UeqM(t)＝SM×UCM(t) (7)
其中，RCeqM为将电容经梯形积分法等效后得到的等效电阻；UCeqM(t)将电容经梯形积分法等效后得到的t时刻的等效电压源；△t为仿真步长；C为子模块电容值；SM为简化模型平均开关信号，解闭锁状态下SM＝m/M，m为当前时刻投入的简化等效的子模块个数；闭锁状态下SM＝1；UCM(t)为简化等效模型的等效电容t时刻的电压；UCM(t-△t)为简化等效模型的等效电容(t-△t)时刻的电压；IheqM(t)为t时刻简化等效模型的桥臂等效电流；IheqM(t-△t)为(t-△t)时刻简化等效模型的桥臂等效电流；I1(t)为流经受控电压源UeqM的电流，
根据诺顿定理，在实时数字仿真器中计算得到桥臂等效电导Geq和等效电流源Iheq分别为：
Figure GDA0002460233300000051
所述步骤6具体包括：在步骤4所得到的桥臂混合模型中增设桥臂故障节点，将桥臂等效为一个3节点模型，故障节点设置在详细等效子模块模型部分，通过改变模型中详细等效子模块和简化等效子模块的数量以及两者的相对位置实现不同位置桥臂故障的仿真，将故障节点上方和下方的级联子模块组分别看作一个整体，故障节点上方和下方的子模块组各由一组的组合开关控制闭锁或非闭锁，上方组合开关由开关SW1和D11二极管、D12二极管组成，下方组合开关由开关SW2和D21二极管、D22二极管组成，故障节点上方和下方的桥臂电流分别为Ibr1和Ibr2，其中，下标br表示桥臂，1表示故障节点上方，2表示故障节点下方在对子模块进行等效时使用子模块所在部分的桥臂电流：对子模块SM1到子模块SMn_fault进行等效时，使用电流Ibr1计算；对子模块SMn_fault+1到子模块SML进行等效时，使用电流Ibr2计算，对故障节点上方和下方部分分别进行等效计算，最终得到诺顿等效模型。
所述步骤7具体包括：在每个仿真步长中，模块化多电平换流器的阀级控制器首先根据节点电压和上一时刻每个子模块运行状态反推出上一时刻的子模块电容电压，然后根据所求的电容电压以及调制波和桥臂电流得到每个子模块IGBT的触发信号，进而得到子模块运行状态并求出子模块戴维南等效电路，再根据故障信号对子模块戴维南等效电路进行修正，最后经叠加计算和诺顿变换获得桥臂等效模型。
有益效果
本发明首先对模块化多电平换流器的桥臂建立桥臂混合模型，桥臂中的L个特殊子模块建立简化等效模型，M个一般子模块建立详细等效模型；然后对详细等效的子模块中每个器件的故障状态进行建模，使得模型能够模拟子模块内部故障；最后在桥臂混合模型中增设故障节点，使得模型能够模拟桥臂故障。本发明解决了实时数字仿真器在GPC/PB5环境下进行MMC系统仿真的资源受限问题，使得模型可用于仿真高电压大规模MMC-HVDC系统；能够完成多种换流器内部故障分析，包括各类子模块内部故障和桥臂故障，能够有效用于换流器保护控制策略的研究。
附图说明
图1为本发明实施例1的半桥型MMC子模块的拓扑结构图；
图2为本发明实施例1的半桥型MMC子模块详细等效模型示意图；
图3为本发明实施例1的简化等效模型示意图；
图4为本发明实施例1的桥臂混合模型示意图；
图5为本发明实施例1的桥臂混合模型的等效计算模型示意图；
图6为本发明实施例1的具备桥臂故障仿真功能的桥臂混合模型示意图；
图7为本发明实施例1的桥臂控制和桥臂混合模型的整体建模流程图；
图8为本发明实施例1的子模块电容短路故障仿真验证结果示意图；
图9为本发明实施例1的子模块电容值下降故障仿真验证结果示意图；
图10为本发明实施例1的子模块IGBT故障仿真验证结果示意图；
图11为本发明实施例1的桥臂接地故障仿真验证结果示意图；
图12为本发明实施例1的桥臂相间短路故障仿真验证结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
半桥型模块化多电平换流器MMC子模块的拓扑结构如图1所示，在对MMC换流器进行仿真时，为了扩大仿真规模，无需对所有子模块建立详细的等效模型，只需选择需要研究内部故障及相应控制保护策略的L个子模块建立其详细等效模型，其余M个子模块建立简化等效模型。
半桥型模块化多电平换流器MMC子模块详细等效模型如图2所示，将子模块电容等效为一个电阻RCeq_SM串联电压源UCeq_SM的戴维南模型，将两组由一个IGBT反并联一个二极管组成的开关组分别等效为可变电阻R1_SM和R2_SM(导通状态为阻值很小的RON，关断状态为阻值很大的ROFF)。
然后对子模块中所有器件的故障状态进行建模，当第i个子模块的电容发生故障时，对第i个子模块的电容的等效电阻RCeq_SMi和等效电压源UCeq_SMi进行修正；当第i个子模块的IGBT或反并联二极管发生故障时，对第i个子模块的开关元件等效电阻R1_SMi和R2_SMi进行修正。
1)子模块电容故障
子模块电容故障包括电容击穿故障和电容值下降故障。
电容击穿短路时，电容器的导体之间电阻降低，无法蓄积原有的电势量，因而失去作用，基本上等同于一段导体。此时电容等效为一个阻值很小的电阻，其戴维南等效电路的等效电阻RCeq_SMi和等效电压源UCeq_Smi分别为：
Figure GDA0002460233300000071
电容值下降时，其等效电阻RCeq_SMi和等效电压源UCeq_SMi分别为：
Figure GDA0002460233300000072
其中，△t为仿真步长；Cfault为故障后的电容值；RCeq_SMi为第i个子模块的等效电阻；UC_SMi(t-△t)为(t-△t)时刻第i个子模块的电容电压；IC_SMi(t-△t)为(t-△t)时刻第i个子模块的电容电流；UCeq_SMi为第i个子模块的等效电压源。
2)二极管故障
二极管故障包括击穿和断路故障。若二极管击穿，则二极管不再具备单向导通性，对应R1_SMi或R2_SMi修正为RON；若二极管断路，则对应的R1_SMi或R2_SMi由IGBT状态决定。
3)IGBT故障
IGBT故障包括击穿、断路和拒动故障，其中拒动故障包括拒绝关断和拒绝导通故障。
当IGBT击穿时，对应的R1_SMi或R2_SMi修正为RON。
当IGBT拒绝关断时，IGBT将持续为正向电流提供通路，对IGBT和其反并联二极管组成的开关组来说，正向和反向电流都有通路，将对应的R1_SMi或R2_SMi修正为RON。
当IGBT发生断路故障或者拒绝导通故障时，对应的R1_SMi或R2_SMi由其反并联二极管决定，此时需判断二极管的状态。在电磁暂态仿真时，二极管通常以两端电压的正负作为导通或关断的条件。但仿真中所获得电压值实际为t–时刻的值，在电路拓扑发生变化时，需要重新计算拓扑变化后t+时刻的电压值作为二极管导通或关断的判据。实际上，要判断二极管的通断状态并不需要计算出t+时刻端口电压USM(t+)具体的值，对于D1_SM二极管来说，只需要比较附图1中USM(t+)和UC_SM(t+)的大小关系，对于D2_SM二极管来说只需要判断USM(t+)的正负。由于桥臂电抗的存在，桥臂电流在拓扑变化的时刻不会发生突变，根据桥臂电流的方向可以很容易地比较出USM(t+)和UC_SM(t+)的正负以及大小关系。
因此，IGBT拒绝导通或断路故障时的等效电阻计算方法为：IGBT1_SMi故障时，IGBT2_SMi关断瞬间，桥臂电流Ibr为正时，R1_SMi＝RON，R2_SMi＝ROFF，反之则相反；IGBT2_SMi导通瞬间，R1_SMi＝ROFF，R2_SMi＝RON。IGBT2_SMi故障时，桥臂电流Ibr为正时，R1_SMi＝RON，R2_SMi＝ROFF，反之则相反；IGBT1_SMi导通瞬间，R1_SMi＝RON，R2_SMi＝ROFF。需要注意的是，该修正判据仅在同一子模块的另一IGBT发生状态变化时刻使用。
M个一般子模块的简化等效模型如图3所示，将M个一般子模块等效为一个受控电流源IheqM和一个具有集中参数的电容CeqM模拟电容的充放电状态，用一个受控电压源UeqM反应所有子模块端口电压之和，并在简化等效模型中增加反并联D3二极管用于模拟子模块电容电压不小于零这一特性。
桥臂混合模型如图4所示，该模型中开关SW和D1二极管、D2二极管构成的组合开关，控制桥臂处于闭锁与非闭锁状态。SM1、SM2、…、SML表示步骤2中L个特殊子模块的详细等效模型。虚线框内为步骤3中所建立的M个子模块的简化等效模型，桥臂主电路为一个受控电压源UeqM表示所有子模块端口电压之和，用一个与桥臂主电路解耦的电路模拟电容的充放电状态，该电路由一个具有集中参数的电容CeqM和一个受控电流源IheqM串联组成，并在电容两侧反并联一个D3二极管用于模拟子模块电容电压不小于零这一特性，该电路由一个具有集中参数的电容CeqM和一个受控电流源IheqM串联组成，并在电容两侧反并联一个D3二极管，组合开关与所得的子模块等效模型级联构成桥臂混合模型。
桥臂混合模型等效计算方法如图5所示，SW和D1二极管组成的开关组用可变电阻RDSeq1等效，D2二极管由可变电阻RDSeq2等效，L个特殊子模块最终等效为戴维南等效模型ReqL和UeqL，简化等效模型的参数分别为：
Figure GDA0002460233300000091
IheqM(t)＝SM×I1(t) (4)
UCM(t)＝RCeqM[IheqM(t)+IheqM(t-△t)]+UCM(t-△t) (5)
UCeqM(t)＝RCeqM×IheqM(t-△t)+UCM(t-△t) (6)
UeqM(t)＝SM×UCM(t) (7)
其中，RCeqM为将电容经梯形积分法等效后得到的等效电阻；UCeqM(t)将电容经梯形积分法等效后得到的t时刻的等效电压源；△t为仿真步长；C为子模块电容值；SM为简化模型平均开关信号，解闭锁状态下SM＝m/M，m为当前时刻投入的简化等效的子模块个数；闭锁状态下SM＝1；UCM(t)为简化等效模型的等效电容t时刻的电压；UCM(t-△t)为简化等效模型的等效电容(t-△t)时刻的电压；IheqM(t)为t时刻简化等效模型的桥臂等效电流；IheqM(t-△t)为(t-△t)时刻简化等效模型的桥臂等效电流；I1(t)为流经受控电压源UeqM的电流。
根据诺顿定理，在CBuilder中计算得到桥臂等效电导Geq和等效电流源Iheq分别为：
Figure GDA0002460233300000101
附图6为具备故障仿真功能的桥臂混合模型。由于简化等效模型的假设条件是子模块电容电压近似相等，所以当故障发生在简化等效模型部分时，其子模块电容电压将不再保持一致，因此故障节点需设置在详细子模块模型部分。通过改变模型中详细等效子模块和简化等效子模块的数量以及两者的相对位置可以实现不同位置桥臂故障的仿真。
在增设节点后需要对模型结构做出调整，将故障节点上方和下方的级联子模块组分别看作一个整体，故障节点上方和下方的子模块组各由一组的组合开关控制闭锁或非闭锁，上方组合开关由开关SW1和D11二极管、D12二极管组成，下方组合开关由开关SW2和D21二极管、D22二极管组成，如图6a所示。故障节点上方和下方的桥臂电流分别为Ibr1和Ibr2，在对子模块进行等效时要使用子模块所在部分的桥臂电流：对子模块SM1到子模块SMn_fault进行等效时，使用电流Ibr1计算；对子模块SMn_fault+1到子模块SML进行等效时，使用电流Ibr2计算。对故障节点上方和下方部分分别进行等效计算，如图6b所示，最终得到诺顿等效模型。
附图7所示为桥臂控制与桥臂混合模型的整体建模流程。在每个仿真步长中，首先根据节点电压和上一时刻每个子模块运行状态反推出上一时刻的子模块电容电压，然后根据所求的电容电压以及调制波和桥臂电流得到每个子模块IGBT的触发信号，进而得到子模块运行状态并求出子模块戴维南等效电路，再根据故障信号对子模块戴维南等效电路进行修正，最后经叠加计算和诺顿变换获得桥臂等效模型。
实施例1
首先在RTDS/CBuilder中编写了实现上述桥臂混合模型的自定义模块：
步骤1：根据研究的子模块的内部电容器和电力电子器件故障，将模块化多电平换流器MMC桥臂中级联的子模块分为特殊子模块和一般子模块；
步骤2：对步骤1所得的每个特殊子模块建立详细等效模型，然后对每个特殊子模块中所有器件的故障状态进行建模，使得特殊子模块具备故障仿真功能；
步骤3：对步骤1所得的一般子模块建立简化等效模型，将级联的所有一般子模块整体等效为一个受控电流源并联一个电容，并用一个受控电压源反映所有子模块端口电压之和；
步骤4：开关SW和D1二极管、D2二极管构成组合开关，开关SW与D1二极管并联再与D2二极管串联，D1二极管的正极连接D2二极管的负极，组合开关控制桥臂的闭锁与非闭锁状态，组合开关与步骤2与步骤3所得的子模块等效模型并联构成桥臂混合模型；
步骤5：根据诺顿定理，对步骤4所得的桥臂混合模型进行等效计算；
步骤6：在步骤4所得到的桥臂混合模型中增设桥臂故障节点，将桥臂等效为一个3节点模型，故障节点的位置可调，在故障节点处外接RTDS提供的故障模块进行桥臂接地故障仿真和不同桥臂之间的短路故障仿真，桥臂断路故障仿真及同一桥臂两点间短路仿真通过在自定义程序中改变桥臂子模块等效电阻实现；
步骤7：建立适用于桥臂混合模型的模块化多电平换流器MMC阀级控制器，根据诺顿定理，建立桥臂控制器与桥臂混合模型整体的等效模型。
用该自定义模块在RTDS中搭建了21电平单端MMC仿真系统，在资源占用方面，自定义模块占用约8％的PB5板卡资源或10％的GPC板卡资源，且与简化等效子模块数M和详细等效子模块数L的值无关。对于单端MMC仿真系统需要占用1个Rack的4个PB5/GPC板卡，每个PB5/GPC板卡包括A、B两个处理器，其中3个板卡的6个处理器分别分配给6个自定义模块和系统其他元件的计算，1个板卡的2个处理器分配给网络求解和控制器计算。在本实施例中，设置子模块数为20，子模块电容的大小设置为3000μF。
在PSCAD/EMTDC中，用软件提供的元件模型搭建了与RTDS相同的单端21电平MMC系统的详细模型，作为所提模型仿真精度的对比验证系统。两个系统参数相同，仿真步长均为50μs。附图8至附图11为本实施例中的仿真验证结果。
1)换流器外特性仿真验证
测试桥臂混合模型中详细等效子模块数L分别为0、5、10、15、20时的精度，表1为稳态运行情况下仿真误差，表2所示为直流双极短路情况下仿真误差，其中电容电压、直流电压、直流电流误差为桥臂混合模型与PSCAD/EMTDC模型结果差值的绝对值与PSCAD/EMTDC模型结果的比值；由于桥臂电流存在过零点，其误差的计算方法为桥臂混合模型与PSCAD/EMTDC模型结果(标幺值)差值的绝对值。仿真结果表明，本发明所建立的桥臂混合模型的平均电容电压、桥臂电流误差很小，详细等效子模块数L对换流器外特性精度几乎没有影响。直流电压波形会有高频不规则的“毛刺”，RTDS实时仿真的特性使其无法取到与PSCAD/EMTDC模型完全相同的时刻，导致毛刺波形错开，造成稳态时电容电压有超过2％误差。
表1稳态运行情况下仿真误差
Figure GDA0002460233300000121
Figure GDA0002460233300000131
表2直流双极短路情况下仿真误差
Figure GDA0002460233300000132
2)子模块故障特性仿真验证
为了使桥臂混合模型的控制信号尽可能与PSCAD/EMTDC详细模型一致，对桥臂混合模型进行子模块故障特性对比测试仿真时，简化等效子模块数M均设为0。
i.电容故障
电容故障仿真验证结果如附图8和附图9所示。图8为A相上桥臂第1个子模块发生电容短路故障0.05s后故障清除过程中A相上桥臂第1、2个子模块电容电压的仿真结果，图9为A相上桥臂第1个子模块发生电容值下降1/2故障0.05s后故障清除过程中A相上桥臂第1、2个子模块电容电压的仿真结果，桥臂混合模型仿真曲线与PSCAD/EMTDC模型吻合。
ii.IGBT故障
A相上桥臂第1个子模块IGBT1发生拒绝导通故障时，A相上桥臂第1个子模块电容电压和A相上桥臂电流的仿真结果如附图10所示。实线为PSCAD/EMTDC中详细模型的仿真曲线，虚线为不采用本专利所提修正判据时的仿真曲线，实线为采用本专利所提修正判据时的仿真曲线。对比不采用修正判据的仿真曲线与PSCAD详细模型的仿真曲线，没有采用修正判据时，当IGBT2_SM关断瞬间，D1判断为关断状态，导致桥臂电流发生突变；当IGBT2_SM导通瞬间，D1判断为导通状态，导致电容被短路，会出现计算错误。对比采用修正判据的仿真曲线的仿真曲线与PSCAD详细模型的仿真曲线，两种仿真曲线吻合，证明本专利所提修正判据正确且必要。
3)桥臂故障特性仿真验证
分别测试桥臂混合模型中有、无简化等效模型两种情况，简化等效子模块数M分别设置为10和0。
i.桥臂接地故障
桥臂接地故障仿真验证结果如附图11所示。故障节点设置发生在A相上桥臂第5-6个子模块之间，故障持续0.05s，该仿真电路变压器接线没有提供零序通路，因此发生桥臂接地故障后，由于参考零电位的改变，节点电压会发生偏置，子模块电容电压特性与正常运行状态相同。图中所示为换流器直流正、负极电压和交流阀侧A相电压的仿真结果，两种情况下桥臂混合模型与PSCAD/EMTDC模型的换流器外特性均保持一致。
ii.桥臂相间短路故障
桥臂相间短路故障仿真验证结果如附图12所示。桥臂相间短路故障设置在A相上桥臂和B相上桥臂之间，A相故障点为第5-6个子模块之间，B相故障点为第10-11个子模块之间，故障持续0.05s。图中所示为直流电压和A相上桥臂故障节点下方桥臂电流的仿真结果，两种情况下桥臂混合模型与PSCAD/EMTDC模型仿真结果基本吻合，直流电压相对误差分别为2.31％和2.40％，桥臂电流的误差为0.093p.u.和0.099p.u.。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法，其特征在于，包括：
步骤1：根据研究的子模块的内部电容器和电力电子器件故障，将模块化多电平换流器桥臂中级联的子模块分为特殊子模块和一般子模块；
步骤2：对步骤1所得的每个特殊子模块建立详细等效模型，然后对每个特殊子模块中所有器件的故障状态进行建模，使得特殊子模块具备故障仿真功能,具体包括：将特殊子模块电容等效为一个电阻RCeq_SM，串联电压源UCeq_SM的戴维南模型，将两组由一个IGBT反并联一个二极管组成的开关组分别等效为可变电阻R1_SM和R2_SM，
其中，下标C表示子模块电容，SM表示子模块，eq表示该参数为等效模型的参数；R1_SM为子模块中上IGBT和上二极管组成的开关组的电阻；R2_SM为子模块中下IGBT和下二极管组成的开关组的电阻
所述开关组导通状态为阻值很小的RON，关断状态为阻值很大的ROFF，然后对特殊子模块中所有器件的故障状态进行建模，当第i个特殊子模块的电容发生故障时，对第i个特殊子模块的电容的等效电阻RCeq_SM和等效电压源UCeq_SMi进行修正；当第i个特殊子模块中IGBT或反并联二极管发生故障时，对第i个特殊子模块的开关元件等效电阻R1_SMi和R2_SMi进行修正，
其中，RON为开关导通时的电阻；ROFF开关断开时的电阻；
电容故障包括电容击穿故障和电容值下降故障，当为电容击穿故障时，电容等效为一个阻值很小的电阻，其戴维南等效电路的等效电阻RCeq_SMi和等效电压源UCeq_SMi分别为：
Figure FDA0002485836500000011
当为电容值下降故障时，其等效电阻RCeq_SMi和等效电压源UCeq_SMi分别为：
Figure FDA0002485836500000021
其中，Δt为仿真步长；t为当前时刻；Cfault为故障后的电容值；RCeq_SMi为第i个特殊子模块的等效电阻；UC_SMi(t-Δt)为(t-Δt)时刻第i个子模块的电容电压；IC_SMi(t-Δt)为(t-Δt)时刻第i个子模块的电容电流；UCeq_SMi为第i个子模块的等效电压源，
二极管故障包括击穿故障和断路故障，
当二极管为击穿故障时，对应R1_SMi或R2_SMi修正为RON；
当二极管为断路故障时，对应的R1_SMi或R2_SMi由IGBT状态决定，
所述IGBT故障包括击穿、断路和拒动故障，其中拒动故障包括拒绝关断和拒绝导通故障，
当IGBT为击穿故障时，对应的R1_SMi或R2_SMi修正为RON；
当IGBT2为拒绝关断故障时，对应的R1_SMi或R2_SMi修正为RON；
IGBT拒绝导通或断路故障时的等效电阻计算方法为：IGBT1_SMi故障时，IGBT2_SMi关断瞬间，桥臂电流Ibr为正，则R1_SMi＝RON，R2_SMi＝ROFF，桥臂电流Ibr为负，则R1_SMi＝ROFF，R2_SMi＝RON，IGBT2_SMi导通瞬间，R1_SMi＝ROFF，R2_SMi＝RON；IGBT2_SMi故障时，桥臂电流Ibr为正，则R1_SMi＝RON，R2_SMi＝ROFF，桥臂电流Ibr为负，则R1_SMi＝ROFF，R2_SMi＝RON，IGBT1_SMi导通瞬间，R1_SMi＝RON，R2_SMi＝ROFF，该修正判据在同一子模块的另一IGBT发生状态变化时刻使用
步骤3：对步骤1所得的一般子模块建立简化等效模型，将级联的所有一般子模块整体等效为一个受控电流源并联一个电容，并用一个受控电压源反映所有子模块端口电压之和；
步骤4：开关SW和D1二极管、D2二极管构成组合开关，开关SW与D1二极管并联再与D2二极管串联，D1二极管的正极连接D2二极管的负极，组合开关控制桥臂的闭锁与非闭锁状态，组合开关与步骤2与步骤3所得的子模块等效模型并联构成桥臂混合模型；
步骤5：根据诺顿定理，对步骤4所得的桥臂混合模型进行等效计算,具体包括：并联的开关SW和D1二极管整体等效为可变电阻RDSeq1，D2二极管等效为可变电阻RDSeq2，L个特殊子模块等效为戴维南等效模型ReqL和UeqL，简化等效模型的参数分别为：
Figure FDA0002485836500000031
IheqM(t)＝SM×I1(t) (4)
UCM(t)＝RCeqM[IheqM(t)+IheqM(t-Δt)]+UCM(t-Δt) (5)
UCeqM(t)＝RCeqM×IheqM(t-Δt)+UCM(t-Δt) (6)
UeqM(t)＝SM×UCM(t) (7)
其中，RCeqM为将电容经梯形积分法等效后得到的等效电阻；UCeqM(t)将电容经梯形积分法等效后得到的t时刻的等效电压源；Δt为仿真步长；C为子模块电容值；SM为简化模型平均开关信号，解闭锁状态下SM＝m/M，m为当前时刻投入的简化等效的子模块个数；闭锁状态下SM＝1；UCM(t)为简化等效模型的等效电容t时刻的电压；UCM(t-Δt)为简化等效模型的等效电容在(t-Δt)时刻的电压；IheqM(t)为t时刻简化等效模型的桥臂等效电流；IheqM(t-Δt)为(t-Δt)时刻简化等效模型的桥臂等效电流；I1(t)为流经受控电压源UeqM的电流，
根据诺顿定理，在实时数字仿真器中计算得到桥臂等效电导Geq和等效电流源Iheq分别为：
Figure FDA0002485836500000041
步骤6：在步骤4所得到的桥臂混合模型中增设桥臂故障节点，将桥臂等效为一个3节点模型，故障节点的位置可调，在故障节点处外接实时数字仿真器提供的故障模块进行桥臂接地故障仿真和不同桥臂之间的短路故障仿真，桥臂断路故障仿真及同一桥臂两点间短路仿真通过在自定义程序中改变桥臂子模块等效电阻实现；
步骤7：建立适用于桥臂混合模型的模块化多电平换流器的阀级控制器，根据诺顿定理，建立桥臂控制器与桥臂混合模型整体的等效模型。
2.根据权利要求1所述的基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：对模块化多电平换流器进行仿真时，选择研究的子模块内部故障及相应控制保护策略的L个子模块建立其详细等效模型，其余M个等效子模块建立简化等效模型。
3.根据权利要求1所述的基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：对M个一般子模块的整体建立简化等效模型，桥臂主电路为一个受控电压源UeqM表示所有子模块端口电压之和，用一个与桥臂主电路解耦的电路模拟电容的充放电状态，该电路由一个具有集中参数的电容CeqM和一个受控电流源IheqM串联组成，并在电容两侧反并联一个D3二极管。
4.根据权利要求1所述的基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：SM1、SM2、…、SML表示步骤2中L个特殊子模块的详细等效模型，根据步骤3得到M个一般子模块的简化等效模型，用一个受控电压源UeqM，表示M个一般子模块端口电压之和，并用一个与桥臂主电路解耦的电路模拟电容的充放电状态，该电路由一个具有集中参数的电容CeqM和一个受控电流源IheqM串联组成，并在电容两侧反并联一个D3二极管，组合开关与所得的子模块等效模型并联构成桥臂混合模型。
5.根据权利要求1所述的基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：在步骤4所得到的桥臂混合模型中增设桥臂故障节点，将桥臂等效为一个3节点模型，故障节点设置在详细等效子模块模型部分，通过改变模型中详细等效子模块和简化等效子模块的数量以及两者的相对位置实现不同位置桥臂故障的仿真，将故障节点上方和下方的级联子模块组分别看作一个整体，故障节点上方和下方的子模块组各由一组的组合开关控制闭锁或非闭锁，上方组合开关由开关SW1和D11二极管、D12二极管组成，下方组合开关由开关SW2和D21二极管、D22二极管组成，故障节点上方和下方的桥臂电流分别为Ibr1和Ibr2，其中，下标br表示桥臂，1表示故障节点上方，2表示故障节点下方，在对子模块进行等效时使用子模块所在部分的桥臂电流：对子模块SM1到子模块SMn_fault进行等效时，使用电流Ibr1计算；对子模块SMn_fault+1到子模块SML进行等效时，使用电流Ibr2计算，对故障节点上方和下方部分分别进行等效计算，最终得到诺顿等效模型。
6.根据权利要求1所述的基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法，其特征在于，所述步骤7具体包括：在每个仿真步长中，模块化多电平换流器的阀级控制器首先根据节点电压和上一时刻每个子模块运行状态反推出上一时刻的子模块电容电压，然后根据所求的电容电压以及调制波和桥臂电流得到每个子模块IGBT的触发信号，进而得到子模块运行状态并求出子模块戴维南等效电路，再根据故障信号对子模块戴维南等效电路进行修正，最后经叠加计算和诺顿变换获得桥臂等效模型。
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