CN108667011A - 一种考虑启动环节的mmc快速等值建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种考虑启动环节的MMC快速等值建模方法，主要是对基于MMC的直流输电系统启动时的子模块电压进行等效，并建立了多种工况下子模块电压等效，以此建立MMC的快速等值模型。此方法主要包括：(1)确定MMC子模块等效电路拓扑；(2)确定正常工作状态下子模块等效电路参数；(3)确定启动环节子模块等效受控电压和等效电阻；(4)推导MMC单个桥臂戴维南等效电路，利用桥臂等效电路构建基于MMC的背靠背输电仿真系统。本发明通过将MMC子模块启动环节等效，简化了MMC电路结构，提高了仿真精度，此模型的仿真结果与详细模型的吻合程度较高，在不牺牲仿真精度的前提下，有效减少了仿真计算时间。

Description

一种考虑启动环节的MMC快速等值建模方法
技术领域
本发明涉及电力系统仿真技术领域，具体是一种考虑启动环节的MMC快速等值建模方法。
背景技术
模块化多电平变流器(Modular multilevel converter，MMC)是在高压直流输电(High-voltage direct-current，HVDC)领域中使用广泛的变流器，由于其便于扩容、谐波含量低、开关损耗小以及电压应力低等特点，在电力系统交直流转换的应用上具有显著的优越性。随着越来越多的MMC-HVDC工程在国内电力系统中投运，对MMC-HVDC建立基于工程实际的模型仿真分析其故障特性分析等具有十分重要的意义，为保护整定计算等提供依据。
详细模型仿真运行时间长，计算量大，因此快速电磁暂态模型的建立十分必要。现有的研究有基于平均值建模的方法，对桥臂整体进行等效，忽略子模块特性研究变流器整体的外部特性，此方法提升了电磁暂态模型的仿真速率，然而仍无法考虑子模块充放电等变流器内部特性。采用戴维南方法对子模块进行等值建模的处理是一种可反映变流器内部特性的较为成熟的研究方法。有学者在简化子模块的前提下对整个桥臂进行戴维南等值，此建模方法可以在保证建模精确度的前提下加速仿真的运行，但由于其子模块电压等特性均封装在等效的桥臂模块中了，无法对单个子模块的响应进行分析。
有学者提出了对单个子模块进行戴维南等值的模型，然后将桥臂子模块模型进行叠加从而仿真整个桥臂，然而此模型中并未充分考虑子模块闭锁以及系统启动等过程中子模块处于其他工作方式下的模型变换。之后的研究人员采用戴维南定理进行整体等效建模，但未对MMC-HVDC系统启动环节加以研究，对其闭锁环境下的预充电过程未很好地模拟。考虑到系统平稳启动是保证系统安全运行的关键环节，因此本发明在戴维南等效建模的基础上加入启动环节的等值方式，提出了可用于工程实际研究MMC-HVDC系统正常、故障、闭锁、启动及子模块充放电多种条件下的等值模型。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种考虑启动环节的MMC快速等值建模方法，通过对不同工况下的子模块电压进行统一表达，建立了适用于启动、正常运行、故障状态下的MMC等值模型，在保证仿真精度的前提下，提高了仿真运行的速度。
本发明采用的技术方案如下：
一种考虑启动环节的MMC快速等值建模方法，其特征在于：该方法针对两个通过背靠背方式连接的双端MMC-HVDC系统，建立包含多种多种工况(启动、正常工作、闭锁等)的快速电磁暂态等值模型，其中MMC换流器拓扑为三相六桥臂结构，每个桥臂包含若干个半桥子模块，半桥子模块由两个IGBT和一个电容组成，IGBT1的发射极与IGBT2的集电极相连，电容正极连接IGBT1的集电极，电容负极接IGBT2的发射极，该方法包括以下步骤：
1)正常工作状态下对半桥子模块进行戴维南等效，将其中每个IGBT和二极管的并联结构均看作一个开关电阻R1和R2；
2)确定半桥子模块的运行参数，其中R1为IGBT1的等效电阻，当子模块投入时，IGBT1导通，R1为一个接近于0的小电阻RON；当子模块切除时，IGBT1关断，R1为一个断态电阻ROFF；对于IGBT2的等效电阻R2而言，子模块投切过程中，IGBT2的开关函数与IGBT1相反，其等效电阻R2的阻值变化也相反；
3)将上述等效的结果进行整理，得到正常工作状态下的等效受控电压源和等效电阻的表达式，其中等效电阻的阻值依照上述等效原则确定；
4)与正常工作状态类似，考虑启动环节的等效电路，将启动环节的电容电压等效为可控电压源，电容充电时MMC各桥臂子模块端口电压即为该桥臂子模块电容电压，而在电流反向流过子模块使得子模块处于保持状态下，电流通过D2将电容旁路，此时子模块端口电压即为0，从而得到启动环节下的子模块端口电压的表达；
5)综合上述正常工作状态下及启动环节的子模块端口电压等效，将单个桥臂中若干子模块等效电路串联，得到桥臂等效电路，即MMC桥臂的等值模型。
进一步的，所述步骤2)中的半桥子模块电路由两个开关电阻和一个等效受控源组成，分别用开关电阻代替开关管，用等效受控源代替子模块电容，开关电阻大小的确定原则如下：开关函数Spi＝1，开关电阻R1为一个接近于0的值RON，上桥臂子模块被切除时，开关函数Spi＝0，开关电阻R1为一个兆欧级别的电阻值ROFF，开关电阻R2则相反，开关电阻表达如下：
进一步的，所述半桥子模块等效电路进一步等效为受控电压源和电阻串联的形式，正常运行情况下的等效受控电压vpeqi1和等效电阻Reqi表达为：
其中，vpci1(t)为正常运行时子模块电容电压。
进一步的，所述步骤4)中考虑启动环节的等效电路，得到启动环节半桥子模块端口电压vpi2(t)为：
其中，符号函数
vpci2(t)为启动环节子模块电容电压。
进一步的，考虑启动环节的MMC子模块端口电压统一地表示为：
则桥臂电压可以表示为：
其中，blk表示系统是否闭锁，系统正常运行时blk＝1，系统闭锁时blk＝0；
将桥臂中的若干个子模块串联成一个桥臂等效电路，得到桥臂的等值模型，上桥臂等效电路的电压等效值vp为：
本发明提供了一种考虑多种工况条件的MMC等值建模方法，使用本发明所述的等效电路方法，将子模块表达为等效电压源和等效电阻，将启动、运行、闭锁各种工况下的MMC子模块电压进行统一表达，建立了适用于各种工况的等值电路模型，此模型的仿真结果与详细模型的吻合程度较高，在仿真计算的过程中减少了系统节点数和运算量，在不牺牲仿真精度的前提下，提高了仿真运算的速度和效率，节省了仿真所需要的时间。
附图说明
图1为背靠背双端MMC-HVDC结构；
图2为三相MMC电路拓扑；
图3为MMC正常运行时子模块等效电路；
图4为MMC桥臂的戴维南等效电路；
图5为MMC-HVDC系统直流电压波形；
图6为等值模型和详细模型电流波形对比图；
图7为等值模型与详细模型电容充放电波形对比；
图8为交流侧三相电压故障下系统响应；
图9为交流侧三相电压故障下直流电压响应；
图10为501电平MMC-HVDC仿真波形。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明面向背靠背连接的双端MMC-MTDC系统，着力于搭建可仿真MMC-HVDC正常工作、故障、闭锁及电容充放电等多种工况的快速电磁暂态等值模型。两端MMC内环控制均为电流内环，变流器MMC1外环采用定直流电压控制和定无功功率控制，变流器MMC2外环采用定有功功率控制和定无功功率控制。控制环节中加入了环流抑制策略。
如图2所示，MMC换流器拓扑为三相六桥臂结构，每个桥臂包含若干个半桥子模块，半桥子模块由两个IGBT和一个电容组成，IGBT1的发射极与IGBT2的集电极相连，电容正极连接IGBT1的集电极，电容负极接IGBT2的发射极。
正常工作下的半桥子模块进行戴维南等效，电阻值用运行时的开关函数进行表达，开关管等效为开关电阻R1或R2，电容等效为一个受控电压源，如图3所示。确定子模块运行参数，包括开关函数和开关电阻值。具体来说，开关函数Spi＝1，开关电阻R1为一个接近于0的值RON，上桥臂子模块被切除时，开关函数Spi＝0，开关电阻R1为一个兆欧级别的电阻值ROFF，R2则相反。
子模块等效电路可以进一步等效为受控电压源和电阻串联的形式，正常运行情况下的等效受控电压vpeqi1和等效电阻Reqi可以表达为：
其中，vpci1(t)为正常运行时子模块电容电压。
考虑启动环节的等效电路，得到启动环节下的子模块端口电压的表达：
其中，符号函数
vpci2(t)为启动环节子模块电容电压。
综合系统在正常运行状态及启动环节下的子模块端口电压的表达，考虑启动环节的子模块端口电压表达可以统一地表示为：
其中，blk表示系统是否闭锁，系统正常运行时blk＝1，系统闭锁时blk＝0。
将桥臂中的若干个子模块串联成桥臂等效电路，得到桥臂的等值模型，桥臂等效的结果如图4所示。上桥臂等效电路的电压等效值vp为：
将上述建模方法应用到MMC等值建模中去，本发明在PSCAD中搭建了201电平的MMC电路详细模型，并同时采用本发明所述方法建立了201电平的等值模型，两者在相同工况下进行仿真，仿真结果的对比图如图5-9所示，其中蓝色波形表示详细模型中的波形曲线，而红色波形表示等值模型中的波形曲线。
图5为MMC-HVDC系统直流电压波形，其中图5(a)和5(b)反映了等值模型和详细模型的整流侧及逆变侧直流电压从启动至稳定的过程，0s-0.3s为系统启动过程，其间详细与等值模型的启动波形重合度较高，充分说明了本文所建立的改进模型启动环节设计的有效性。图6(a)和图6(b)分别为等值模型和详细模型的整流侧及逆变侧交流电流波形的对比，系统稳定运行情况下二者幅值与相角均一致，波形误差较小。等值模型可以反映MMC-HVDC柔性直流输电系统的电流响应情况。图7给出了详细模型和等值模型中a相上桥臂第一个子模块的电容电压波形，可较好地反应子模块电容充放电过程，充分验证了此模型静态响应的准确性。图8(a)和8(b)分别为交流侧三相电压故障下系统交流电压和交流电流的响应波形，图9表示交流侧三相电压故障下直流电压响应，验证了此改进模型也可用于MMC-HVDC系统交流故障响应的仿真。
从这些对比图中可以看出，等值模型与详细模型的吻合程度较高，等值建模方法可以体现MMC电路稳态以及动态特性，较好地等效了MMC电路的运行特性。而且，相比于详细模型，等值模型运行的时间大大缩短，对于硬件设备计算能力的要求也降低了。由于计算机内存的限制，详细模型无法仿真501电平的工作情况，我们可以利用等值模型进行模拟。501电平等值模型的稳态仿真以步长50μs时长2s的模型，实际用时3min19s，而其详细模型耗时则会长达数天甚至难以进行。图10展示了501电平MMC-HVDC仿真模型的波形，其中图10(a)为MMC1直流侧电压，图10(b)为MMC2直流侧电压，图10(c)为MMC1交流电流，图10(d)为MMC2交流电流。
本发明提供了一种考虑多种工况条件的MMC等值建模方法，将启动、运行、闭锁各种工况下的MMC子模块电压进行统一表达，建立了适用于各种工况的等值电路模型，用于对MMC进行快速准确的电磁暂态仿真，提高了仿真运行的效率，节省了仿真所需要的时间。仿真波形的结果体现了建模方法的有效性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于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。

Claims (5)

1.一种考虑启动环节的MMC快速等值建模方法，其特征在于：该方法针对两个通过背靠背方式连接的双端MMC-HVDC系统，建立包含多种工况的快速电磁暂态等值模型，其中MMC换流器拓扑为三相六桥臂结构，每个桥臂包含若干个半桥子模块，半桥子模块由两个IGBT和一个电容组成，IGBT1的发射极与IGBT2的集电极相连，电容正极连接IGBT1的集电极，电容负极接IGBT2的发射极，该方法包括以下步骤：
1)正常工作状态下对半桥子模块进行戴维南等效，将其中每个IGBT和二极管的并联结构均看作一个开关电阻R1和R2；
2)确定半桥子模块的运行参数，其中R1为IGBT1的等效电阻，当子模块投入时，IGBT1导通，R1为一个接近于0的小电阻RON；当子模块切除时，IGBT1关断，R1为一个断态电阻ROFF；对于IGBT2的等效电阻R2而言，子模块投切过程中，IGBT2的开关函数与IGBT1相反，其等效电阻R2的阻值变化也相反；
3)将上述等效的结果进行整理，得到正常工作状态下的等效受控电压源和等效电阻的表达式，其中等效电阻的阻值依照上述等效原则确定；
4)与正常工作状态类似，考虑启动环节的等效电路，将启动环节的电容电压等效为可控电压源，电容充电时MMC各桥臂子模块端口电压即为该桥臂子模块电容电压，而在电流反向流过子模块使得子模块处于保持状态下，电流通过D2将电容旁路，此时子模块端口电压即为0，从而得到启动环节下的子模块端口电压的表达；
5)综合上述正常工作状态下及启动环节的子模块端口电压等效，将单个桥臂中若干子模块等效电路串联，得到桥臂等效电路，即MMC桥臂的等值模型。
2.如权利要求1所述的考虑启动环节的MMC快速等值建模方法，其特征在于：所述步骤2)中的半桥子模块电路由两个开关电阻和一个等效受控源组成，分别用开关电阻代替开关管，用等效受控源代替子模块电容，开关电阻大小的确定原则如下：开关函数Spi＝1，开关电阻R1为一个接近于0的值RON，上桥臂子模块被切除时，开关函数Spi＝0，开关电阻R1为一个兆欧级别的电阻值ROFF，开关电阻R2则相反，开关电阻表达如下：
3.如权利要求2所述的考虑启动环节的MMC快速等值建模方法，其特征在于：所述半桥子模块等效电路进一步等效为受控电压源和电阻串联的形式，正常运行情况下的等效受控电压vpeqi1和等效电阻Reqi表达为：
其中，vpci1(t)为正常运行时子模块电容电压。
4.如权利要求1所述的考虑启动环节的MMC快速等值建模方法，其特征在于：所述步骤4)中考虑启动环节的等效电路，得到启动环节半桥子模块端口电压vpi2(t)为：
其中，符号函数vpci2(t)为启动环节子模块电容电压。
5.如权利要求1所述的考虑启动环节的MMC快速等值建模方法，其特征在于：考虑启动环节的MMC子模块端口电压统一地表示为：
其中，blk表示系统是否闭锁，系统正常运行时blk＝1，系统闭锁时blk＝0；
将桥臂中的若干个子模块串联成一个桥臂等效电路，得到桥臂的等值模型，上桥臂等效电路的电压等效值vp为：
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