CN108763835B - 模块化多电平换流器拓扑重构型子模块及其建模方法 - Google Patents

模块化多电平换流器拓扑重构型子模块及其建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器拓扑重构型子模块及其建模方法。若针对每一种模型建立一个独立的物理或数字仿真平台，明显存在着资源浪费、工作量大等问题。为此，本发明提供一种模块化多电平换流器拓扑重构型子模块，包括1个正极端、1个负极端、6个IGBT及其反并联二极管、5个开关和2个电容；每个所述的拓扑重构型子模块通过正极端与负极端级联，形成模块化多电平换流器的一个桥臂。本发明提出的拓扑重构型子模块能够建立集合多种MMC子模块拓扑，实现多种MMC拓扑仅通过一个统一的仿真模型进行研究；本发明能够减少仿真建模周期，节省资源和建设成本。

Description

模块化多电平换流器拓扑重构型子模块及其建模方法
技术领域
本发明属于柔性直流建模仿真领域，具体地说是一种模块化多电平换流器拓扑重构型子模块及其建模方法。
背景技术
相比于交流系统，由于直流系统的阻尼相对较小，系统故障传播速度更快，系统控制响应时间要求更短，继电保护方法设计难度更大；因此直流侧故障控制保护问题是目前模块化多电平换流器(MMC)工程应用所面对的主要问题之一。为此，国内外学者提出了多种具备直流侧故障电流阻断能力的MMC拓扑结构来实现直流侧故障电流的阻断。该方法处理故障电流快速，实现手段灵活，既能节省直流电网的总体设备投资，又能增加换流器及直流电网运行及控制保护的灵活性，被认为是一种行之有效的方法。
现阶段，具备直流侧故障电流阻断能力的MMC子模块拓扑已有多种，如全桥子模块、串联双子模块、交叉连接型子模块、增强自阻型子模块、混合型子模块等，每种子模块及其构成的MMC都具有独特的运行及控制特性，目前，正被高校、研究机构等单位通过建立离线仿真模型、实时仿真模型或动模平台等手段广泛研究着。若针对每一种模型建立一个独立的物理或数字仿真平台，明显存在着资源浪费、工作量大等问题。为此，需要建立一个统一的平台来实现上述任何一种拓扑结构的仿真研究。
发明内容
针对目前多种具备直流侧故障电流阻断能力的MMC子模块，本发明提供一种模块化多电平换流器拓扑重构型子模块，其通过对电力电子器件和开关元件的适当控制，能够重构成多种子模块结构，由此建立的物理或仿真平台能够实现多种MMC拓扑的仿真研究，以节省模型开发周期和建设资本。
为此，本发明采用如下的技术方案：模块化多电平换流器拓扑重构型子模块，其包括1个正极端、1个负极端、6个IGBT及其反并联二极管、5个开关和2个电容；每个所述的拓扑重构型子模块通过正极端与负极端级联，形成模块化多电平换流器的一个桥臂；
所述拓扑重构型子模块的正极端与第一IGBT的发射极和第二IGBT的集电极相连，第一IGBT的集电极与第一电容的正极和第三IGBT的集电极相连，第二IGBT的发射极与第一电容的负极和第四IGBT的发射极相连，第三IGBT的发射极与第一开关、第二开关和第五开关的一端相连，第一开关的另一端与第二电容的正极、第五IGBT的集电极和第三开关的一端相连，第二开关的另一端与第二电容的负极、第六IGBT的发射极和第四开关的一端相连，第五开关的另一端与第三开关的另一端、第四开关的另一端和第四IGBT的集电极相连，第五IGBT的发射极与第六IGBT的集电极相连，并作为拓扑重构型子模块的负极端；
所述6个IGBT的门极以及5个开关用于接收外部设备提供的控制信号。
本发明的第二目的是提供一种利用上述模块化多电平换流器拓扑重构型子模块的建模方法，其对第三IGBT施加关断信号、第四IGBT施加开通信号，第三开关施加闭合信号，第一开关、第二开关、第四开关、第五开关施加断开信号，所述的拓扑重构型子模块即为2个半桥子模块相串联的拓扑形式，由此建立半桥型MMC的仿真模型。
本发明的第三目的是提供一种利用上述模块化多电平换流器拓扑重构型子模块的建模方法，其对第五IGBT或第六IGBT施加开通信号，第一至第五开关施加闭合信号，所述的拓扑重构型子模块即为1个全桥子模块，由此建立全桥型MMC的仿真模型。
本发明的第四目的是提供一种利用上述模块化多电平换流器拓扑重构型子模块的建模方法，其对第一开关和第五开关施加闭合信号，第二至第四开关施加断开信号，所述的拓扑重构型子模块即为半桥子模块和全桥子模块1:1混合级联的混合子模块，由此建立混合型MMC的仿真模型。
本发明的第五目的是提供一种利用上述模块化多电平换流器拓扑重构型子模块的建模方法，其对第三IGBT施加关断信号，第二开关和第三开关施加闭合信号，第一开关、第四开关和第五开关施加关断信号，所述的拓扑重构型子模块即为串联双子模块，由此建立串联双子模块型MMC的仿真模型。
本发明的第六目的是提供一种利用上述模块化多电平换流器拓扑重构型子模块的建模方法，其对第二开关和第三开关施加闭合信号，第一开关、第四开关和第五开关施加关断信号，所述的拓扑重构型子模块即为交叉连接型子模块，由此建立交叉连接型MMC的仿真模型。
本发明的第七目的是提供一种利用上述模块化多电平换流器拓扑重构型子模块的建模方法，其对第五IGBT或第六IGBT施加开通信号，第三IGBT施加关断信号，第一至第五开关施加闭合信号，所述的拓扑重构型子模块即为1个增强自阻型子模块，由此建立增强自阻型MMC的仿真模型。
本发明的第八目的是提供一种利用上述模块化多电平换流器拓扑重构型子模块的建模方法，其对第三IGBT施加关断信号，第一开关和第五开关施加闭合信号，第二开关至第四开关施加断开信号，所述的拓扑重构型子模块即为半桥子模块和增强自阻型子模块1:1混合级联的单向混合型子模块，由此建立单向混合型MMC的仿真模型。
上述建模方法适用于电磁暂态离线仿真、电磁暂态实时仿真和动模仿真等系统。
本发明具有的有益效果如下：
本发明提出的拓扑重构型子模块能够建立集合多种MMC子模块拓扑，尤其是具备直流侧故障电流阻断能力的MMC子模块的MMC仿真平台，实现多种MMC拓扑仅通过一个统一的仿真模型进行研究。本发明能够减少仿真建模周期，节省资源和建设成本，适用于离线电磁暂态仿真、实时电磁暂态仿真、机电-电磁混合仿真、动模仿真等研究需要。
附图说明
图1为本发明实施例中拓扑重构型子模块拓扑结构图；
图2为本发明实施例中半桥子模块拓扑结构图；
图3为本发明实施例中全桥子模块拓扑结构图；
图4为本发明实施例中混合型子模块拓扑结构图；
图5为本发明实施例中串联双子模块拓扑结构图；
图6为本发明实施例中交叉连接型子模块拓扑结构图；
图7为本发明实施例中增强自阻型子模块拓扑结构图；
图8为本发明实施例中单向混合型子模块拓扑结构图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合说明书附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
如图1所示的MMC拓扑重构型子模块，其包括1个正极端、1个负极端、6个IGBT T1-T6及其反并联二极管D1-D6、5个开关S1-S5、两个电容C1和C2。每个拓扑重构型子模块通过正极端与负极端级联，形成模块化多电平换流器MMC的一个桥臂。
拓扑重构型子模块的正极端与T1的发射极和T2的集电极相连，T1的集电极与电容C1的正极和T3的集电极相连，T2的发射极与电容C1的负极和T4的发射极相连，T3的发射极与S1、S2和S5的一端相连，S1的另一端与电容C2的正极、T5的集电极和S3的一端相连，S2的另一端与电容C2的负极、T6的发射极和S4的一端相连，S5的另一端与S3的另一端、S4的另一端和T4的集电极相连，T5的发射极与T6的集电极相连，并作为拓扑重构型子模块的负极端。6个IGBT管T1-T6的门极以及5个开关S1-S5均接收外部设备提供的控制信号。
对T3施加关断信号、T4施加开通信号，S3施加闭合信号，S1、S2、S4、S5施加断开信号，所述的拓扑重构型子模块即为2个如图2所示的半桥子模块相串联的拓扑形式，由此可建立半桥型MMC的仿真模型。
对T5或T6施加开通信号，S1-S5施加闭合信号，所述的拓扑重构型子模块即为1个如图3所示的全桥子模块，由此可建立全桥型MMC的仿真模型。
对S1和S5施加闭合信号，S2-S4施加断开信号，所述的拓扑重构型子模块即为半桥子模块和全桥子模块1:1混合级联的如图4所示的混合子模块，由此可建立混合型MMC的仿真模型。
对T3施加关断信号，S2、S3施加闭合信号，S1、S4、S5施加关断信号，所述的拓扑重构型子模块即为如图5所示的串联双子模块，由此可建立串联双子模块型MMC的仿真模型。
对S2、S3施加闭合信号，S1、S4、S5施加关断信号，所述的拓扑重构型子模块即为如图6所示的交叉连接型子模块，由此可建立交叉连接型MMC的仿真模型。
对T5或T6施加开通信号，T3施加关断信号，S1-S5施加闭合信号，所述的拓扑重构型子模块即为1个如图7所示的增强自阻型子模块，由此可建立增强自阻型MMC的仿真模型。
对T3施加关断信号，S1和S5施加闭合信号，S2-S4施加断开信号，所述的拓扑重构型子模块即为半桥子模块和增强自阻型子模块1:1混合级联的如图8所示的单向混合型子模块，由此可建立单向混合型MMC的仿真模型。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (8)

1.模块化多电平换流器拓扑重构型子模块，其特征在于，包括1个正极端、1个负极端、6个IGBT及其反并联二极管、5个开关和2个电容；每个所述的拓扑重构型子模块通过正极端与负极端级联，形成模块化多电平换流器的一个桥臂；
所述拓扑重构型子模块的正极端与第一IGBT(T1)的发射极和第二IGBT(T2)的集电极相连，第一IGBT(T1)的集电极与第一电容(C1)的正极和第三IGBT(T3)的集电极相连，第二IGBT(T2)的发射极与第一电容(C1)的负极和第四IGBT(T4)的发射极相连，第三IGBT(T3)的发射极与第一开关(S1)、第二开关(S2)和第五开关(S5)的一端相连，第一开关(S1)的另一端与第二电容(C2)的正极、第五IGBT(T5)的集电极和第三开关(S3)的一端相连，第二开关(S2)的另一端与第二电容(C2)的负极、第六IGBT(T6)的发射极和第四开关(S4)的一端相连，第五开关(S5)的另一端与第三开关(S3)的另一端、第四开关(S4)的另一端和第四IGBT(T4)的集电极相连，第五IGBT(T5)的发射极与第六IGBT(T6)的集电极相连，并作为拓扑重构型子模块的负极端；
所述6个IGBT的门极以及5个开关用于接收外部设备提供的控制信号。
2.利用权利要求1所述拓扑重构型子模块的建模方法，其特征在于，对第三IGBT(T3)施加关断信号、第四IGBT(T4)施加开通信号，第三开关(S3)施加闭合信号，第一开关(S1)、第二开关(S2)、第四开关(S4)、第五开关(S5)施加断开信号，所述的拓扑重构型子模块即为2个半桥子模块相串联的拓扑形式，由此建立半桥型MMC的仿真模型。
3.利用权利要求1所述拓扑重构型子模块的建模方法，其特征在于，对第五IGBT(T5)或第六IGBT(T6)施加开通信号，第一至第五开关(S1-S5)施加闭合信号，所述的拓扑重构型子模块即为1个全桥子模块，由此建立全桥型MMC的仿真模型。
4.利用权利要求1所述拓扑重构型子模块的建模方法，其特征在于，对第一开关(S1)和第五开关(S5)施加闭合信号，第二至第四开关(S2-S4)施加断开信号，所述的拓扑重构型子模块即为半桥子模块和全桥子模块1:1混合级联的混合子模块，由此建立混合型MMC的仿真模型。
5.利用权利要求1所述拓扑重构型子模块的建模方法，其特征在于，对第三IGBT(T3)施加关断信号，第二开关(S2)和第三开关(S3)施加闭合信号，第一开关(S1)、第四开关(S4)和第五开关(S5)施加关断信号，所述的拓扑重构型子模块即为串联双子模块，由此建立串联双子模块型MMC的仿真模型。
6.利用权利要求1所述拓扑重构型子模块的建模方法，其特征在于，对第二开关(S2)和第三开关(S3)施加闭合信号，第一开关(S1)、第四开关(S4)和第五开关(S5)施加关断信号，所述的拓扑重构型子模块即为交叉连接型子模块，由此建立交叉连接型MMC的仿真模型。
7.利用权利要求1所述拓扑重构型子模块的建模方法，其特征在于，对第五IGBT(T5)或第六IGBT(T6)施加开通信号，第三IGBT(T3)施加关断信号，第一至第五开关(S1-S5)施加闭合信号，所述的拓扑重构型子模块即为1个增强自阻型子模块，由此建立增强自阻型MMC的仿真模型。
8.利用权利要求1所述拓扑重构型子模块的建模方法，其特征在于，对第三IGBT(T3)施加关断信号，第一开关(S1)和第五开关(S5)施加闭合信号，第二开关至第四开关(S2-S4)施加断开信号，所述的拓扑重构型子模块即为半桥子模块和增强自阻型子模块1:1混合级联的单向混合型子模块，由此建立单向混合型MMC的仿真模型。
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