CN108829982A - 模块化多电平换流器能量等效建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器能量等效建模方法。建立模块化多电平换流器桥臂与子模块电气独立模型；子模块等效过程中，对子模块开关器件导通压降及子模块电容电压进行分类，简化计算过程，并利用能量守恒原理对子模块电容电压更新计算，保证换流器内部特性；模块化多电平换流器桥臂由受控电压源进行整体等效，保证换流器准确的输出特性。本发明方法能够在电磁暂态仿真中高效、精确的实现MMC建模，其电磁暂态仿真计算复杂度大大降低；对MMC的研究人员有很好借鉴作用，以便后续系统仿真分析工作的顺利开展。

Description

模块化多电平换流器能量等效建模方法

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平换流器能量等效建模方法。

背景技术

模块化多电平换流器(MMC)自提出以来就受到广泛的关注，在高压直流输电(HVDC)工程应 用上展现出巨大优势，成为未来该领域的发展方向。MMC的应用解决了传统直流输电换相易失 败、输出电压低、输出电压电流谐波含量高等缺点，且能够实现可靠有效潮流控制。顺应当前 大电网互联、智能电网环境下，柔性输电的应用需求。

由于MMC技术尚处于应用发展阶段，系统不同工况下运行数据不完备，且难以获取故障情 况的系统特性，开展MMC系统的电磁暂态仿真分析是十分有必要的。在PSCAD/EMTDC平台上 进行MMC系统的研究，MMC中子模块大量级联的设计给经典电磁暂态仿真技术带来挑战。因 为，在每一个仿真周期都需对桥臂进行高阶导纳矩阵求逆，占用大量计算资源，严重影响仿真 分析的工作进度，并制约后续系统仿真分析的开展。

目前常用的MMC精确等效建模方法主要有两种：一种是基于戴维南等效原理的模型，另一 种是受控源通用等效模型。

1、戴维南等效模型

戴维南等效建模过程如图1所示。其步骤为：

①图1(a)中的晶体管开关器件等效为可变电阻R₁、R₂。

②电容的离散化等效。采用梯形积分法(后退欧拉法)计算更新电容电压，这里介绍梯形积分 法。结合①得到伴随电路图1(b)，等效电容计算过程为：

③图1(c)为等效电路，等效参数R_SMEQ、U_SMEQ分别表示输入端口等效电阻与等效电源， 计算表示为：

2、受控源通用等效模型基于节点电压原理，如图2所示，首先，图2将详细模型的子模块 独立表示，子模块正端口连接受控电流源，控制量为桥臂电流I_AEM，负端口接地；换流器的桥臂 等效为图2受控源。这样桥臂与子模块之间实现解耦，实现对其仿真过程中的导纳矩阵进行降 维的效果。

基于戴维南等效原理的模型建模方法比较复杂，且其子模块电容更新采用梯形积分法、后 退欧拉法等传统积分方法，计算过程忽略了各子模块在同一仿真周期内的电容电压变化量的独 立性，影响了MMC内部特性的仿真精度。受控源通用等效模型在大规模MMC仿真中包含大量 非线性元件，使得仿真用时随着电平数增加而大大增长，不适合大规模仿真。

本发明方法实现MMC的一般运行特性，提出一种基于受控源结合能量守恒计算的MMC等 效建模方法，称为MMC快速能量等效模型。能够在电磁暂态仿真中高效、精确的实现MMC建 模，其电磁暂态仿真计算复杂度大大降低。对MMC的研究人员有很好借鉴作用，以便后续系统 仿真分析工作的顺利开展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器能量等效建模方法，能够在电磁暂态仿真 中高效、精确的实现MMC建模，其电磁暂态仿真计算复杂度大大降低；对MMC的研究人员有 很好借鉴作用，以便后续系统仿真分析工作的顺利开展。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种模块化多电平换流器能量等效建模方法，建 立模块化多电平换流器桥臂与子模块电气独立模型；子模块等效过程中，对子模块开关器件导 通压降及子模块电容电压进行分类，简化计算过程，并利用能量守恒原理对子模块电容电压更 新计算，保证换流器内部特性；模块化多电平换流器桥臂由受控电压源进行整体等效，保证换 流器准确的输出特性。

在本发明一实施例中，该方法具体实现步骤如下，

步骤S1、模块化多电平换流器桥臂子模块的输出信息包括子模块输出电压与子模块电容电 压，其中子模块输出电压包括子模块电容电压分量和子模块开关器件导通压降；由于开关器件 特性相同，将每个子模块开关器件导通压降看作不变量，子模块电容电压看作变量，而后，分 别进行各子模块开关器件导通压降与子模块电容电压的计算；

步骤S2、根据子模块输出电压与桥臂电压的关系，计算更新当前时刻桥臂等效受控电压源 的输出电压。

在本发明一实施例中，所述步骤S1的具体计算过程如下：

(1)由于各子模块开关器件导通压降为不变量，因此直接进行各子模块开关器件导通压降 总和即子模块开关器件桥臂U_TEQ整体导通压降的计算，公式如下：

其中，N表示单桥臂在工作状态子模块个数，m为当前时刻该桥臂子模块投入个数；i_pj为 子模块电流方向，以电容充电方向为正，j表示第j相；U_Don表示子模块中二极管导通压降，U_Ton表示子模块中IGBT的导通压降；

(2)通过能量等效计算子模块电容电压更新，S_k表示第k个子模块的运行投入情况

采用子模块电容输入、输出能量守恒的方法计算子模块电容电压更新；仿真计算过程结合 仿真步长T_D，由式(3)可得当前时刻的子模块能量变化量ΔE_SM，ΔE_SM与上一时刻子模块电容 电压U_c，以及电容支路电流I_c相关；等效计算过程如下：

子模块电容的能量存储变化量为ΔE_C；ΔE_C由式(4)可得

进一步，将式(4)改写成式(5)

当前时刻子模块能量变化将转化为子模块电容的能量变化，即可得式(6)

ΔE_C(t)＝ΔE_SM(t) (6)

结合式(5)、(6)可得式(7)

通过以上计算过程，可得当前时刻子模块电容电压U_C(t)；结合式(2)、(3)、(7)可得式(8)， 以计算当前时刻子模块电容电压分量U_SMC(t)；

U_SMC(t)＝S_k(t)U_c(t) (8)。

在本发明一实施例中，所述步骤S2的具体计算过程如下：

根据子模块输出电压与桥臂电压的关系，计算更新当前时刻桥臂等效受控电压源的输出电 压值U_Pj(t)；计算关系式如下：

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法可以实现MMC系统高效，精确的 仿真建模，避免了对换流器桥臂进行高阶导纳矩阵的求解计算过程；该能量等效建模方法运用 能量等效原理更新计算电容电压，能够实现各个子模块电容电压的更新独立性，避免传统积分 计算方法在同一仿真周期内增量相同的问题，保证等效模型换流器内部特性的高精度。由于实 现等效模型的输出特性、内部特性的仿真，使之能够满足MMC系统控制策略的研究，环流抑制， 电容均压、系统参数设置等方面的研究。

附图说明

图1为戴维南等效模型。

图2为受控源通用等效模型。

图3为本发明MMC能量等效模型。

图4为MMC模型对比效果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种模块化多电平换流器能量等效建模方法，建立模块化多电平换流器桥臂 与子模块电气独立模型；子模块等效过程中，对子模块开关器件导通压降及子模块电容电压进 行分类，简化计算过程，并利用能量守恒原理对子模块电容电压更新计算，保证换流器内部特 性；模块化多电平换流器桥臂由受控电压源进行整体等效，保证换流器准确的输出特性。该方 法具体实现步骤如下，

步骤S1、模块化多电平换流器桥臂子模块的输出信息包括子模块输出电压与子模块电容电 压，其中子模块输出电压包括子模块电容电压分量和子模块开关器件导通压降；由于开关器件 特性相同，将每个子模块开关器件导通压降看作不变量，子模块电容电压看作变量，而后，分 别进行各子模块开关器件导通压降与子模块电容电压的计算；具体计算过程如下：

(1)由于各子模块开关器件导通压降为不变量，因此直接进行各子模块开关器件导通压降 总和即子模块开关器件桥臂U_TEQ整体导通压降的计算，公式如下：

其中，N表示单桥臂在工作状态子模块个数，m为当前时刻该桥臂子模块投入个数；i_pj为 子模块电流方向，以电容充电方向为正，j表示第j相；U_Don表示子模块中二极管导通压降，U_Ton表示子模块中IGBT的导通压降；

(2)通过能量等效计算子模块电容电压更新，S_k表示第k个子模块的运行投入情况

采用子模块电容输入、输出能量守恒的方法计算子模块电容电压更新；仿真计算过程结合 仿真步长T_D，由式(3)可得当前时刻的子模块能量变化量ΔE_SM，ΔE_SM与上一时刻子模块电容 电压U_c，以及电容支路电流I_c相关；等效计算过程如下：

子模块电容的能量存储变化量为ΔE_C；ΔE_C由式(4)可得

进一步，将式(4)改写成式(5)

当前时刻子模块能量变化将转化为子模块电容的能量变化，即可得式(6)

ΔE_C(t)＝ΔE_SM(t) (6)

结合式(5)、(6)可得式(7)

通过以上计算过程，可得当前时刻子模块电容电压U_C(t)；结合式(2)、(3)、(7)可得式(8)， 以计算当前时刻子模块电容电压分量U_SMC(t)；

U_SMC(t)＝S_k(t)U_c(t) (8)。

步骤S2、根据子模块输出电压与桥臂电压的关系，计算更新当前时刻桥臂等效受控电压源 的输出电压值U_Pj(t)；计算关系式如下：

以下为本发明的具体实现过程。

本发明的模块化多电平换流器等效建模方法，可以实现MMC系统高效，精确的仿真建模， 避免了对换流器桥臂进行高阶导纳矩阵的求解计算过程。该能量等效建模方法运用能量等效原 理更新计算电容电压，能够实现各个子模块电容电压的更新独立性，避免传统积分计算方法在 同一仿真周期内增量相同的问题，保证等效模型换流器内部特性的高精度。由于实现等效模型 的输出特性、内部特性的仿真，使之能够满足MMC系统控制策略的研究，环流抑制，电容均压、 系统参数设置等方面的研究。具体实现如下：

MMC桥臂子模块的输出信息包含子模块输出电压与子模块电容电压。子模块输出电压的组 成包括子模块电容电压分量和子模块开关器件导通电压两个部分。由于开关器件特性相同，每 个子模块开关器件导通压降看作不变量，而子模块电容电压量是一个变化的过程，将这两个部 分分别进行讨论，简化计算过程。

首先讨论计算子模块开关器件桥臂整体导通压降U_TEQ。以j相上桥臂为例，正常工作情况下 其数学描述表达式为：

其中，N表示单桥臂在工作状态子模块个数，m为当前时刻该桥臂子模块投入个数。i_pj为 子模块电流方向，(以电容充电方向为正)。U_Don表示二极管导通压降，U_Ton表示IGBT的导通压降。

其次，通过能量等效计算子模块电容电压更新。S_k表示第k个子模块的运行投入情况。

本发明提出采用子模块电容输入、输出能量守恒的方法对电容电压进行更新计算。仿真计 算过程结合仿真步长T_D，能够精确仿真子模块的电容特性。如式(3)可得当前时刻的子模块能 量变化量ΔE_SM，ΔE_SM与上一时刻子模块电容电压U_c，以及电容支路电流I_c相关。等效计算过程 如下：

子模块电容的能量存储变化量为ΔE_C。ΔE_C由式(4)可得

进一步，将式(4)改写成式(5)

当前时刻子模块能量变化将转化为子模块电容的能量变化，即可得式(6)

ΔE_C(t)＝ΔE_SM(t) (6)

结合式(5)、(6)可得式(7)

通过以上计算过程，可得当前时刻子模块电容电压U_C(t)。子模块输出电压与当前时刻的导 通情况相关，结合式(2)、(3)、(7)可得式(8)，计算当前时刻子模块电容电压分量U_SMC(t)。

U_SMC(t)＝S_k(t)U_c(t) (8)

最后，根据子模块输出电压与桥臂电压的关系式(9)，计算更新当前时刻桥臂等效受控电 压源的输出电压值U_Pj(t)。

将MMC桥臂等效为图3(b)中受控电压源，并保留桥臂电抗L，子模块等效为图3(a)中能量 等效子模块(EESM)，桥臂电流信号I_pj传输给EESM。桥臂等效受控电压源电压U_pj为EESM输出 电压U_SMCk(1≤k≤N)与桥臂整体导通压降U_TEQ的和值。

图4所示为20电平MMC系统在电磁暂态软件中仿真MMC详细模型与本发明新技术模型 对比效果图。MMC新技术模型对比详细模型在保证高仿真精度的前提下极大的提升仿真效率。 高电平MMC系统仿真效率提速比可达到5900倍以上，能够满足MMC系统仿真研究的需求。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出 本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种模块化多电平换流器能量等效建模方法，其特征在于，建立模块化多电平换流器桥臂与子模块电气独立模型；子模块等效过程中，对子模块开关器件导通压降及子模块电容电压进行分类，简化计算过程，并利用能量守恒原理对子模块电容电压更新计算，保证换流器内部特性；模块化多电平换流器桥臂由受控电压源进行整体等效，保证换流器准确的输出特性。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器能量等效建模方法，其特征在于，该方法具体实现步骤如下，

步骤S1、模块化多电平换流器桥臂子模块的输出信息包括子模块输出电压与子模块电容电压，其中子模块输出电压包括子模块电容电压分量和子模块开关器件导通压降；由于开关器件特性相同，将每个子模块开关器件导通压降看作不变量，子模块电容电压看作变量，而后，分别进行各子模块开关器件导通压降与子模块电容电压的计算；

步骤S2、根据子模块输出电压与桥臂电压的关系，计算更新当前时刻桥臂等效受控电压源的输出电压。

3.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器能量等效建模方法，其特征在于，所述步骤S1的具体计算过程如下：

(1)由于各子模块开关器件导通压降为不变量，因此直接进行各子模块开关器件导通压降总和即子模块开关器件桥臂U_TEQ整体导通压降的计算，公式如下：

其中，N表示单桥臂在工作状态子模块个数，m为当前时刻该桥臂子模块投入个数；i_pj为子模块电流方向，以电容充电方向为正，j表示第j相；U_Don表示子模块中二极管导通压降，U_Ton表示子模块中IGBT的导通压降；

(2)通过能量等效计算子模块电容电压更新，S_k表示第k个子模块的运行投入情况

采用子模块电容输入、输出能量守恒的方法计算子模块电容电压更新；仿真计算过程结合仿真步长T_D，由式(3)可得当前时刻的子模块能量变化量ΔE_SM，ΔE_SM与上一时刻子模块电容电压U_c，以及电容支路电流I_c相关；等效计算过程如下：

子模块电容的能量存储变化量为ΔE_C；ΔE_C由式(4)可得

进一步，将式(4)改写成式(5)

当前时刻子模块能量变化将转化为子模块电容的能量变化，即可得式(6)

ΔE_C(t)＝ΔE_SM(t) (6)

结合式(5)、(6)可得式(7)

通过以上计算过程，可得当前时刻子模块电容电压U_C(t)；结合式(2)、(3)、(7)可得式(8)，以计算当前时刻子模块电容电压分量U_SMC(t)；

U_SMC(t)＝S_k(t)U_c(t) (8)。

4.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器能量等效建模方法，其特征在于，所述步骤S2的具体计算过程如下：

根据子模块输出电压与桥臂电压的关系，计算更新当前时刻桥臂等效受控电压源的输出电压值U_Pj(t)；计算关系式如下：