CN108258925B - 具备死区特征的半桥型mmc换流器仿真装置 - Google Patents

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Abstract

一种具备死区特征的半桥型MMC换流器仿真装置，由具备死区特征的半桥型功率模块快速仿真模型和半桥型MMC换流器桥臂等效电路组成，可模拟IGBT死区特性对半桥型MMC换流器桥臂电流的影响。所述半桥型功率模块快速仿真模型由半桥型功率模块等效电路及死区特征计算单元组成。所述死区特征计算单元依据半桥型MMC换流器桥臂电流ia、功率模块投切控制信号gs、死区时间td及功率模块电容电压vc计算得出受控电流源电流im、受控电压源电压vd和vi；由受控电流源电流im和半桥型功率模块等效电路计算得出功率模块电容电压vc；由半桥型功率模块受控电压源电压vd、vi及半桥型MMC换流器桥臂等效电路计算出半桥型MMC换流器的桥臂电流，实现半桥型MMC换流器电磁暂态仿真。

Description

具备死区特征的半桥型MMC换流器仿真装置
技术领域
本发明涉及一种半桥型MMC换流器的仿真装置。
背景技术
柔性直流输电(voltage sourced converter based high voltage directcurrent，VSC-HVDC)技术在上世纪90年代出现。由于VSC-HVDC技术具有更好的灵活性(flexibility)和可控性，且不存在换相失败风险、可实现有功无功快速解耦控制、输出电压电流谐波含量低等诸多优点，在众多的HVDC工程中获得了实际应用。随着柔性直流输电换流器拓扑的发展，特别是近年来模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的提出，使得柔性高压直流输电系统获得了更加广泛的关注和实际应用。
半桥型MMC换流器各桥臂由数百个半桥模块串联而成，每个半桥模块主要由两只IGBT及反并联二极管、一个电容和一个均压电阻组成。由于MMC换流器电路节点多，导致其仿真电路矩阵规模巨大，且IGBT和反并联二极管为非线性器件进一步增加了MMC换流器快速仿真的难度。以传统商业仿真软件搭建的仿真系统，其仿真时间无法满足要求，因此需要研究MMC换流器的快速仿真模型。中国专利CN106570226提出了一种平均值模型可实现MMC换流器的实时仿真，但无法实现每个功率模块的电磁暂态过程仿真。中国专利CN104866656A和CN104953873A分别提出了全桥结构MMC换流器桥臂等效电路和混合结构MMC换流器仿真模型，该仿真模型可实现MMC换流器在各种工况下的电磁暂态仿真，但仿真模型无法模拟MMC换流器的死区特征。
目前中国已投入运行多个柔直输电工程，单台MMC换流器容量已达到1000MW，大容量MMC换流器中功率模块死区一般设置较大，导致MMC换流器在小功率运行时桥臂电流的谐波较大。目前用于MMC换流器的快速仿真模型并未实现死区特征的仿真，因此MMC换流器在小功率时的仿真结果与工程运行结果差别较大。
发明内容
本发明目的是克服现有技术的缺点，提出一种具备死区特征的半桥型MMC换流器仿真装置，本发明可快速模拟IGBT死区对半桥型MMC换流器桥臂电流的影响。
具备死区特征的半桥型MMC换流器快速仿真装置由具备死区特征的半桥型功率模块快速仿真模型和半桥型MMC换流器桥臂等效电路组成，半桥型功率模块快速仿真模型输出桥臂等效二极管电压值vd传输至半桥型MMC换流器桥臂等效电路电源S1，半桥型功率模块快速仿真模型输出桥臂等效IGBT电压值vi传输至半桥型MMC换流器桥臂等效电路电源S2，半桥型MMC换流器桥臂等效电路桥臂电流ia传输至半桥型功率模块快速仿真模型输入ia。所述的半桥型功率模块快速仿真模型由半桥型功率模块等效电路及半桥型功率模块死区特征计算单元组成，半桥型功率模块等效电路电压传感器V测得的电容电压值vc传输至死区特征计算单元，死区特征计算单元电流值im传输至半桥型功率模块等效电路受控电流源Is。
半桥型功率模块等效电路由一个受控电流源Is、一个电容Cm和一个线性电阻Rb组成；受控电流源Is的正极分别与电容Cm的正极和线性电阻Rb的一端相连接；受控电流源Is的负极分别与Cm电容的负极、线性电阻Rb的另一端连接。由半桥型功率模块等效电路及受控电流源Is的电流值可实现具备死区特征半桥型功率模块的电磁暂态仿真，半桥型功率模块的电容电压计算方法如下：
Figure GDA0002266167360000021
其中，Rb为半桥型功率模块的均压电阻阻值，Cm为半桥型功率模块的电容值，vc为半桥型功率模块的电容电压，im为受控电流源Is的电流值。
采用欧拉法计算式(1)，可得到适用于数字仿真的差分方程式：
Figure GDA0002266167360000031
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。
由式(2)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。
半桥型功率模块死区特征计算单元根据半桥型MMC换流器桥臂电流ia、半桥型功率模块投切控制信号gs、半桥型功率模块死区时间td和半桥型功率模块电容电压vc计算得出半桥型功率模块快速仿真模型中受控电流源电流im、桥臂等效二极管电压vd和桥臂等效IGBT电压vi；其死区特征计算流程如下：
(1)采集半桥型功率模块投切控制信号gs，对半桥型功率模块投切控制信号gs缓存一拍数据，对缓存数据和当前数据判断半桥型功率模块投切控制信号gs是否为上升沿或下降沿；
(2)当半桥型功率模块投切控制信号gs为上升沿或下降沿时，死区时间计数器Cd清零；当半桥型功率模块投切控制信号gs不是上升沿或下降沿时，死区时间计数器Cd累加1；
(3)td为死区设置时间，ts为仿真步长时间，对td/ts取整数操作为记为[td/ts]；判断死区时间计数器Cd与[td/ts]数值的大小，从而判断半桥型功率模块是否运行于死区过程；
(4)当死区时间计数器Cd>[td/ts]时，半桥型功率模型运行于死区过程，由桥臂电流ia判断输出受控电压源和输出受控电流源值；当ia>0时，输出桥臂等效二极管电压vd为电容电压vc，输出桥臂等效IGBT电压vi＝0，输出受控电流源im＝ia；当ia<0时，输出桥臂等效二极管电压vd＝-vc，输出桥臂等效IGBT电压vi＝0，输出受控电流源im＝0；
(5)当死区时间计数器Cd<[td/ts]时，半桥型功率模块运行于非死区过程，由半桥功率模块投切信号gs判断输出受控电压源和输出受控电流源值，gs>0表示投入半桥型功率模块，gs＝0时表示切除半桥型功率模块；当gs>0时，输出桥臂等效二极管电压vd为0，输出桥臂等效IGBT电压vi为电容电压vc，输出受控电流源im＝ia；当gs＝0时，输出桥臂等效二极管电压vd＝0，输出桥臂等效IGBT电压vi＝0，输出受控电流源im＝0；
半桥型MMC换流器桥臂等效电路包括两只二极管D1，D2，两个电压源S1，S2，一个电抗器X1，以及桥臂上下端接线端子A+，A-；可实现半桥型MMC换流器桥臂的快速仿真。其中，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极连接，连接点为桥臂上端接线端子A+；第二二极管D2的阴极与第一电压源S1的一端相连接；第一二极管D1的阳极、第一电压源S1的另一端及第二电压源S2的一端相连接；桥臂第一电抗X1的一端与第二电压源S2的另一端相连接；桥臂第一电抗X1的另一端为桥臂下端接线端子A-；
所述桥臂等效电路中第一电压源S1为桥臂中所有半桥型功率模块快速仿真模型输出桥臂等效二极管电压vd之和，第二电压源S2为所有半桥型功率模块快速仿真模型输出桥臂等效IGBT电压vi之和；
由6个所述桥臂等效电路可组成三相半桥型MMC换流器快速仿真模型，采用改进节点电压法可计算出三相半桥型MMC换流器各个桥臂的桥臂电流；将所计算得出的桥臂电流送入半桥型功率模块快速仿真模型，结合所有半桥型功率模块的投切状态及死区时间可计算出各个半桥型功率模块的电容电压，从而实现具备死区特征的三相半桥型MMC换流器的快速仿真，模拟IGBT死区特性对半桥型MMC换流器桥臂电流的影响。
附图说明
图1为半桥型MMC换流器结构图；
图2为半桥型功率模块电路原理图；
图3为具备死区特征的半桥型功率模块快速仿真模型；
图4为半桥型功率模块死区特征计算方法；
图5为半桥型MMC换流器桥臂等效电路；
图6为两种仿真模型仿真结果对比图。
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为半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)结构图。半桥型MMC换流器由六个桥臂组成，每个桥臂由若干个半桥功率模块及电抗器串联而成。例如CU桥臂包括一个电抗器XCU，K个串联连接的半桥型功率模块CU1，...，CUK，K≥1。
图2为半桥型功率模块电路原理图。如图2所示，半桥型功率模块包括储能电容Cm、均压电阻Rb、第一开关器件K1、第二开关器件K2，以及第一二极管D1、第二二极管D2；其中，第一开关器件K1的集电极、均压电阻Rb一端连接到储能电容Cm的正极，第二开关器件K2的发射极、均压电阻Rb另一端连接到储能电容Cm的负极；第一开关器件K1的集电极与第一二极管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；第一开关器件K1的发射极连接到半桥型功率模块的输出端子G，第二开关器件K2的发射极连接到半桥型功率模块的输出端子H；gs为半桥型功率模块投切控制信号、td为半桥型功率模块死区时间，gs和td信号输入IGBT驱动，IGBT驱动产生带死区时间的两路IGBT驱动信号分别连接第一开关器件K1的门极与和第二开关器件K2的门极；UHO为半桥功率模块输出电压，ia为半桥型MMC换流器的桥臂电流。
图1和图2详细描述了半桥型MMC换流器的电路拓扑图，对于每个桥臂有数百个半桥型功率模块的MMC换流器，其IGBT和二极管等非线性器件多、电路节点数大，采用现有商业仿真软件直接搭建电路仿真其速度太慢，而目前快速仿真方法又无法体现MMC换流器的死区特征，因此本发明针对半桥型MMC换流器提出一种具备死区特征的半桥型MMC换流器快速仿真装置。
图3为具备死区特征的半桥型功率模块快速仿真模型，所述快速仿真模型由半桥型功率模块等效电路及死区特征计算单元组成。
半桥型功率模块等效电路由一个受控电流源Is、一个电容Cm和一个线性电阻Rb组成；受控电流源Is的正极分别与电容Cm的正极和线性电阻Rb的一端相连接；受控电流源Is的负极分别与Cm电容的负极、线性电阻Rb的另一端连接。由半桥型功率模块等效电路及受控电流源Is的电流值可实现具备死区特征半桥型功率模块的电磁暂态仿真，半桥型功率模块的电容电压计算方法如下：
Figure GDA0002266167360000061
其中，Rb为半桥型功率模块的均压电阻阻值，Cm为半桥型功率模块的电容值，vc为半桥型功率模块的电容电压，im为受控电流源Is的电流值。
采用欧拉法计算式(1)，可得到适用于数字仿真的差分方程式：
Figure GDA0002266167360000062
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。
由式(2)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。
图4为半桥型功率模块死区特征计算单元，该单元根据半桥型MMC换流器桥臂电流ia、半桥型功率模块投切控制信号gs、半桥型功率模块死区时间td和半桥型功率模块电容电压vc计算得出半桥型功率模块快速仿真模型中受控电流源电流im、桥臂等效二极管电压vd和桥臂等效IGBT电压vi；其死区特征计算流程如下：
(1)采集半桥型功率模块投切控制信号gs，对半桥型功率模块投切控制信号gs缓存一拍数据，对缓存数据和当前数据判断半桥型功率模块投切控制信号gs是否为上升沿或下降沿；
(2)当半桥型功率模块投切控制信号gs为上升沿或下降沿时，死区时间计数器Cd清零；当半桥型功率模块投切控制信号gs不是上升沿或下降沿时，死区时间计数器Cd累加1；
(3)td为死区设置时间，ts为仿真步长时间，对td/ts取整数操作为记为[td/ts]；判断死区时间计数器Cd与[td/ts]数值的大小，从而判断半桥型功率模块是否运行于死区过程；
(4)当死区时间计数器Cd>[td/ts]时，半桥型功率模型运行于死区过程，由桥臂电流ia判断输出受控电压源和输出受控电流源值；当ia>0时，输出桥臂等效二极管电压vd为电容电压vc，输出桥臂等效IGBT电压vi＝0，输出受控电流源im＝ia；当ia<0时，输出桥臂等效二极管电压vd＝-vc，输出桥臂等效IGBT电压vi＝0，输出受控电流源im＝0；
(5)当死区时间计数器Cd<[td/ts]时，半桥型功率模块运行于非死区过程，由半桥功率模块投切信号gs判断输出受控电压源和输出受控电流源值，gs>0表示投入半桥型功率模块，gs＝0时表示切除半桥型功率模块；当gs>0时，输出桥臂等效二极管电压vd为0，输出桥臂等效IGBT电压vi为电容电压vc，输出受控电流源im＝ia；当gs＝0时，输出桥臂等效二极管电压vd＝0，输出桥臂等效IGBT电压vi＝0，输出受控电流源im＝0；
图5为半桥型MMC换流器桥臂等效电路，等效电路包括两只二极管D1，D2，两个电压源S1，S2，一个电抗器X1，以及桥臂上下端接线端子A+，A-；可实现半桥型MMC换流器桥臂的快速仿真。其中，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极连接，连接点为桥臂上端接线端子A+；第二二极管D2的阴极与第一电压源S1的一端相连接；第一二极管D1的阳极、第一电压源S1的另一端及第二电压源S2的一端相连接；桥臂第一电抗X1的一端与第二电压源S2的另一端相连接；桥臂第一电抗X1的另一端为桥臂下端接线端子A-；
所述桥臂等效电路中第一电压源S1为桥臂中所有半桥型功率模块快速仿真模型输出桥臂等效二极管电压vd之和，第二电压源S2为所有半桥型功率模块快速仿真模型输出桥臂等效IGBT电压vi之和；
由6个所述桥臂等效电路可组成三相半桥型MMC换流器快速仿真模型，采用改进节点电压法可计算出三相半桥型MMC换流器各个桥臂的桥臂电流；将所计算得出的桥臂电流送入半桥型功率模块快速仿真模型，结合所有半桥型功率模块的投切状态及死区时间可计算出各个半桥型功率模块的电容电压，从而实现具备死区特征的三相半桥型MMC换流器的快速仿真，模拟IGBT死区特性对半桥型MMC换流器桥臂电流的影响。下面以一实施例介绍本发明，仿真系统参数如下：
三相交流电源电压及频率：380V线电压有效值、50Hz；
桥臂电感：4mH；
功率模块个数：6；
功率模块电容Cm：6.4mF；
均压Rb电阻：5000Ω；
死区时间：3μs；
仿真步长：1μs；
将本发明提出的快速仿真装置及参考模型进行仿真对比，参考模型为MATLAB/Simulink中Simscape元件库搭建的仿真模型。图6为两种仿真模型仿真结果对比图，图6中两种仿真模型的桥臂电流形态体现了半桥型MMC换流器的死区特征，本发明提出的快速仿真装置与参考模型仿真结果基本一致，验证了本发明提出的仿真装置的准确性。将两种仿真模型在同一台电脑上进行0.2秒仿真时间运算，本发明提出的快速仿真装置用时约为19秒，参考模型用时约为240秒，也充分体了现本发明提出快速仿真装置的快速性。

Claims (2)

1.一种具备死区特征的半桥型MMC换流器仿真装置，其特征在于：所述的仿真装置由具备死区特征的半桥型功率模块快速仿真模型和半桥型MMC换流器桥臂等效电路组成；半桥型功率模块快速仿真模型输出桥臂等效二极管电压值vd传输至半桥型MMC换流器桥臂等效电路电源S1，半桥型功率模块快速仿真模型输出桥臂等效IGBT电压值vi传输至半桥型MMC换流器桥臂等效电路电源S2，半桥型MMC换流器桥臂等效电路桥臂电流ia传输至半桥型功率模块快速仿真模型输入ia；
所述的半桥型功率模块快速仿真模型由半桥型功率模块等效电路及死区特征计算单元组成；半桥型功率模块等效电路电压传感器V测得的电容电压值vc传输至死区特征计算单元，死区特征计算单元电流值im传输至半桥型功率模块等效电路受控电流源Is；
所述的半桥型功率模块等效电路由一个受控电流源Is、一个电容Cm和一个线性电阻Rb组成；受控电流源Is的正极分别与电容Cm的正极和线性电阻Rb的一端相连接；受控电流源Is的负极分别与Cm电容的负极、线性电阻Rb的另一端连接，
通过所述的半桥型功率模块等效电路及受控电流源Is的电流值能够实现具备死区特征半桥型功率模块的电磁暂态仿真，半桥型功率模块的电容电压计算方法如下：
Figure FDA0002266167350000011
其中，Rb为半桥型功率模块的均压电阻阻值，Cm为半桥型功率模块的电容值，vc为半桥型功率模块的电容电压，im为受控电流源Is的电流值；
采用欧拉法计算式(1)得到适用于数字仿真的差分方程式：
Figure FDA0002266167350000021
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；
由式(2)经过一次计算得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；
半桥型功率模块死区特征计算单元根据半桥型MMC换流器桥臂电流ia、半桥型功率模块投切控制信号gs、半桥型功率模块死区时间td和半桥型功率模块电容电压vc计算得出半桥型功率模块快速仿真模型中受控电流源电流im、桥臂等效二极管电压vd和桥臂等效IGBT电压vi；其死区特征计算流程如下：
(1)采集半桥型功率模块投切控制信号gs，对半桥型功率模块投切控制信号gs缓存一拍数据，对缓存数据和当前数据判断半桥型功率模块投切控制信号gs是否为上升沿或下降沿；
(2)当半桥型功率模块投切控制信号gs为上升沿或下降沿时，死区时间计数器Cd清零；当半桥型功率模块投切控制信号gs不是上升沿或下降沿时，死区时间计数器Cd累加1；
(3)td为死区设置时间，ts为仿真步长时间，对td/ts取整数操作为记为[td/ts]；判断死区时间计数器Cd与[td/ts]数值的大小，从而判断半桥型功率模块是否运行于死区过程；
(4)当死区时间计数器Cd>[td/ts]时，半桥型功率模型运行于死区过程，由桥臂电流ia判断输出受控电压源和输出受控电流源值；当ia>0时，输出桥臂等效二极管电压vd为电容电压vc，输出桥臂等效IGBT电压vi＝0，输出受控电流源im＝ia；当ia<0时，输出桥臂等效二极管电压vd＝-vc，输出桥臂等效IGBT电压vi＝0，输出受控电流源im＝0；
(5)当死区时间计数器Cd<[td/ts]时，半桥型功率模块运行于非死区过程，由半桥功率模块投切信号gs判断输出受控电压源和输出受控电流源值，gs>0表示投入半桥型功率模块，gs＝0时表示切除半桥型功率模块；当gs>0时，输出桥臂等效二极管电压vd为0，输出桥臂等效IGBT电压vi为电容电压vc，输出受控电流源im＝ia；当gs＝0时，输出桥臂等效二极管电压vd＝0，输出桥臂等效IGBT电压vi＝0，输出受控电流源im＝0。
2.如权利要求1所述的具备死区特征的半桥型MMC换流器仿真装置，其特征在于：所述的半桥型MMC换流器桥臂等效电路包括两只二极管D1，D2，两个电压源S1，S2，一个电抗器X1，以及桥臂上下端接线端子A+，A-；其中，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极连接，连接点为桥臂上端接线端子A+；第二二极管D2的阴极与第一电压源S1的一端相连接；第一二极管D1的阳极、第一电压源S1的另一端及第二电压源S2的一端相连接；桥臂第一电抗X1的一端与第二电压源S2的另一端相连接；桥臂第一电抗X1的另一端为桥臂下端接线端子A-；
所述桥臂等效电路中第一电压源S1为桥臂中所有半桥型功率模块快速仿真模型输出桥臂等效二极管电压vd之和，第二电压源S2为所有半桥型功率模块快速仿真模型输出桥臂等效IGBT电压vi之和；
由6个所述桥臂等效电路组成三相半桥型MMC换流器仿真模型，采用改进节点电压法计算出三相半桥型MMC换流器各个桥臂的桥臂电流；将所计算得出的桥臂电流送入半桥型功率模块快速仿真模型，结合所有半桥型功率模块的投切状态及死区时间计算出各个半桥型功率模块的电容电压，从而实现具备死区特征的三相半桥型MMC换流器的快速仿真，模拟IGBT死区特性对半桥型MMC换流器桥臂电流的影响。
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