CN108959671B - 半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法 - Google Patents

半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法，该方法具体包括MMC电路模型分割、解耦延时误差补偿和子模块的详细及简化数值模型几个方面。采用理想变压器模型法对MMC进行电路模型分割，分割模型包含桥式主电路模型和各桥臂子模块数值模型，子模块数值模型中的激励电流取主电路中桥臂电流经插值预测处理后的值，子模块数值模型包含了半桥和全桥的电磁暂态详细及简化数值模型，可根据仿真精度和仿真规模等需求进行选择。本发明可以实现大规模MMC的电磁暂态实时仿真，与常见仿真软件中的整体电路模型相比具有较高的仿真精度，同时具有很好的稳定性，可实现电容电压均衡排序和控制策略等诸多方面的硬件在环仿真验证功能。

Description

半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法
技术领域
本发明涉及一种半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法，属于属于电力系统的建模与仿真领域。
背景技术
模块化多电平换流器(MMC)因具有不平衡运行能力、故障穿越能力和开关损耗较小等诸多优势而在柔性直流输电等领域得到越来越多的应用。但在实际工程应用中，通常需要对其硬件设备和控制系统的可行性和有效性进行测试和验证。其中，硬件在回路测试是验证控制保护策略的一种高效测试方式，这就要求包含MMC的主电路电磁暂态仿真能够达到与现实时钟同步。然而，MMC含有数量众多的电力电子开关器件，若采用传统基于理想开关法的建模方式将难以做到实时化。
目前，能够实现MMC电磁暂态实时仿真的商业仿真平台主要为RT-LAB和RTDS。其中，RT-LAB相比RTDS较早推出MMC-HVDC半实物仿真解决方案。二者均是通过FPGA来完成阀体的实时仿真建模，但对于同样子模块数，RTDS相比RT-LAB需要更多的FPGA资源。RT-LAB所采用的SSN算法需要预先计算各个分割网络的戴维南或诺顿等效电路，其等效电路预计算和整体关联电路求解的通用性程序较难实现。而RTDS所采用的TLM接口算法需要根据不同电路参数来调整计算附加电路的参数值，且基于L/RC模型的阀控电路需要很小的仿真步长，因此并不适用于多CPU核并行仿真方式。另一方面，由于RT-LAB和RTDS为商业实时仿真平台，其硬件配置价格均较为昂贵，且后期扩展升级费用也较高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法。该方法中的子模块电磁暂态详细数值模型能够实现一定规模的MMC系统电磁暂态实时仿真，且具有极高的仿真精度，仿真功能也较齐全；另一方面，该方法中的子模块电磁暂态简化数值模型其仿真精度精度相比详细数值模型较低，但能够实现极大规模的MMC系统电磁暂态实时仿真。
本发明的技术方案是，一种半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法，采用理想变压器模型法将MMC换流器分割为主电路模型和子模块群组模型,子模块群组模型包括多个相互独立的子模块模型，子模块模型采用数值建模法建立各子模块数值模型，包括半桥及全桥子模块电磁暂态详细数值模型和电磁暂态简化数值模型；建模方法包括以下步骤：
A、将主电路模型中的各桥臂均用一受控电压源等效，检测当前步长桥臂电流值i(t)；
B、若采用单核串行仿真方式，则对步骤A中桥臂电流值i(t)作插值预测处理为i′(t)，若采用多核并行仿真方式，则对步骤A中桥臂电流值i(t)作超前插值预测处理为i′(t)；
C、采用数值积分法对子模块模型中电容进行离散化处理，根据半桥和全桥子模块模型离散伴随电路分别建立半桥和全桥子模块电磁暂态详细数值模型，根据半桥和全桥子模块模型简化伴随电路分别建立半桥和全桥子模块电磁暂态简化数值模型；
D、将步骤B中经插值预测处理后的桥臂电流值i′(t)作为步骤C中半桥和全桥子模块电磁暂态详细数值模型及子模块电磁暂态简化数值模型的激励电流源，求解各子模块模型中的电容电压uC(t)和输出电压uo(t)；
E、将步骤D中求解出的子模块模型输出电压uo(t)按对应桥臂求和为uarm(t)，将uarm(t)作为步骤A中主电路模型对应桥臂受控电压源值，形成闭环联解仿真。
前述的半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法，步骤A中桥臂受控电压源用于表征该桥臂所有子模块模型输出电压特性。
前述的半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法，步骤B中的插值预测具体可采用平波插值、最小二乘法、Lagrange一次插值或Lagrange二次插值法，根据稳态和暂态预测精度进行选择。
前述的半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法，步骤C中的数值积分方法具体可采用梯形积分法、向后欧拉法或Gear-2法，根据仿真精度和加速效果进行选择，其数学表达式为：
Figure GDA0003194675400000031
Figure GDA0003194675400000032
前述的半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法，步骤C中子模块电磁暂态详细数值模型包含半桥和全桥子模块电磁暂态详细数值模型电容电流、电容电压和输出电压的差分方程，差分方程中的电阻项为时变电阻，主要由对应开关的触发脉冲确定，其中，半桥子模块电磁暂态详细数值模型为：
Figure GDA0003194675400000033
Figure GDA0003194675400000034
Figure GDA0003194675400000035
全桥子模块电磁暂态详细数值模型为：
Figure GDA0003194675400000036
Figure GDA0003194675400000037
Figure GDA0003194675400000041
式中：
Figure GDA0003194675400000042
前述的半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法，步骤C中子模块电磁暂态简化数值模型包含半桥和全桥电容电压差分方程，激励电流源为桥臂电流的开关函数，输出电压为电容电压的开关函数；其中，
半桥子模块电磁暂态简化数值模型为：
Figure GDA0003194675400000043
Figure GDA0003194675400000044
Figure GDA0003194675400000045
Figure GDA0003194675400000046
全桥子模块电磁暂态简化数值模型为：
Figure GDA0003194675400000047
Figure GDA0003194675400000048
Figure GDA0003194675400000049
Figure GDA00031946754000000410
上列式子中，
Figure GDA00031946754000000411
而
Figure GDA0003194675400000051
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的方法将MMC换流器分割成主电路模型和子模块群组模型，子模块群组模型之间实现了解耦且独立运算，大大简化了原整体电力系统的网络方程，提高了MMC系统的仿真速度，利于实时化。
2、本发明采用插值预测和超前插值预测的处理方法分别对串行和并行解耦延时引起的误差进行了一定程度的补偿，提高了MMC分割模型在串行和并行仿真中的稳定性和仿真精度。
3、本发明建立的半桥和全桥型子模块电磁暂态数值模型主要由若干差分方程构成，其求解过程仅涉及基本运算，十分利于大规模MMC的实时化运行。
综合而言，该方法中的子模块电磁暂态详细数值模型能够实现一定规模的MMC系统电磁暂态实时仿真，且具有极高的仿真精度，仿真功能也较齐全；另一方面，该方法中的子模块电磁暂态简化数值模型其仿真精度精度相比详细数值模型较低，但能够实现极大规模的MMC系统电磁暂态实时仿真。
附图说明
图1半桥型子模块模型离散伴随电路；
图2全桥型子模块模型离散伴随电路；
图3半桥型子模块模型简化伴随电路；
图4全桥型子模块模型简化伴随电路。
具体实施方式
本发明提供一种半桥和全桥MMC实时仿真建模方法，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。本发明采用如下技术方案实现：
A、采用理想变压器模型法将MMC换流器分割为主电路模型和子模块群组模型，子模块群组模型包括多个相互独立的子模块模型，子模块模型采用数值建模法建立各子模块数值模型，包括半桥及全桥子模块电磁暂态详细数值模型和电磁暂态简化数值模型；将MMC主电路模型中的各桥臂均用一受控电压源等效，检测当前步长桥臂电流值i(t)，受控电压源和受控电流源的取值由仿真类型确定；
B、若采用单核串行仿真方式，则对步骤A中桥臂电流i(t)作插值预测处理为i′(t)，若采用多核并行仿真方式，则对步骤B中桥臂电流i(t)作超前插值预测处理为i′(t)；
C、采用数值积分法对子模块模型中电容进行离散化，根据半桥和全桥子模块模型离散伴随电路，如图1和图2所示，分别建立半桥和全桥子模块电磁暂态详细数值模型，根据半桥和全桥子模块模型简化伴随电路，如图3和图4所示，分别建立半桥和全桥子模块电磁暂态简化数值模型；
D、将步骤B中经插值预测处理后的桥臂电流值i′(t)作为步骤C中半桥和全桥子模块电磁暂态详细数值模型及子模块电磁暂态简化数值模型的激励电流源，求解各子模块模型中的电容电压uC(t)和输出电压uo(t)；
E、将步骤D中求解出的子模块模型输出电压uo(t)按对应桥臂求和为uarm(t)，将uarm(t)作为步骤A中主电路模型对应桥臂受控电压源值，形成闭环联解仿真。
步骤A中桥臂受控电压源用于表征该桥臂所有子模块输出电压特性。
步骤B中，若采用单核串行仿真，主电路模型中受控电压源取对应桥臂各子模块模型输出电压当前步长值的总和，子模块模型中受控电流源it*取主电路中桥臂电流经插值预测后的值，如采用平波插值、最小二乘法、Lagrange一次插值和Lagrange二次插值的数学表达式分别为：
Figure GDA0003194675400000061
——平波插值
Figure GDA0003194675400000071
——最小二乘法
i′(t)＝2i(t-Δt)-i(t-2Δt) (3)——Lagrange一次插值
i′(t)＝3i(t-Δt)-3i(t-2Δt)+i(t-3Δt) (4)——Lagrange二次插值
若采用多核并行仿真，主电路模型中受控电压源取对应桥臂各子模块模型输出电压上一步长值的总和，子模块模型中受控电流源
Figure GDA0003194675400000076
取主电路中桥臂电流经超前插值预测后的值，如在平波插值和最小二乘法基础上的超前预测公式为：
Figure GDA0003194675400000072
——平波插值
Figure GDA0003194675400000073
——最小二乘法
步骤C中的数值积分方法具体可采用梯形积分法、向后欧拉法或Gear-2法，根据仿真精度和加速效果进行选择，其数学表达式为：
Figure GDA0003194675400000074
Figure GDA0003194675400000075
根据上述离散化方法和子模块电路拓扑结构可建立半桥和全桥型子模块的电磁暂态详细数值模型。
步骤C中子模块电磁暂态详细数值模型包含半桥和全桥子模块电磁暂态详细数值模型电容电流、电容电压和输出电压的差分方程。计算电路如图1所示，由KCL方程和各元件VCR方程可推导出半桥型子模块电磁暂态详细数值模型电容电压
Figure GDA0003194675400000081
电容电流
Figure GDA0003194675400000082
和子模块输出电压
Figure GDA0003194675400000083
的差分方程分别为：
Figure GDA0003194675400000084
Figure GDA0003194675400000085
Figure GDA0003194675400000086
式中，上标B表示半桥型子模块模型，电容等值电阻RC和电流历史项ICh由所采用的离散化方法确定，即式(7)和式(8)。R1和R2的取值由各自的触发脉冲状态S1、S2确定，即
Figure GDA0003194675400000087
根据式(7)—(12)建立各个半桥型子模块电磁暂态详细数值模型，为便于修改参数和接线，可对上述数值模型进行封装和参数定义。
其中，全桥型子模块电磁暂态详细数值模型计算电路如图2所示，由节点电压法和各元件VCR方程可推导出半桥型子模块电容电压
Figure GDA0003194675400000088
电容电流
Figure GDA0003194675400000089
和子模块输出电压
Figure GDA00031946754000000810
的差分方程分别为：
Figure GDA00031946754000000811
Figure GDA00031946754000000812
Figure GDA00031946754000000813
式中：
Figure GDA0003194675400000091
其中，上标F表示全桥型子模块模型。电容等值电阻RC和电流历史项ICh由所采用的离散化方法确定，同样，也即式(7)和式(8)，而R1、R2、R3和R4的取值由各自的触发脉冲状态确定，即
Figure GDA0003194675400000092
值得注意的是：与梯形积分法不同，在采用向后欧拉法和Gear-2法进行离散化后，其差分方程中的历史项并不包含电容电流项，即电容电压和子模块模型输出电压的差分方程并不依赖于电容电流项。因此，当不注重观测子模块模型电容电流时，采用向后欧拉法或Gear-2法的电容电流差分方程可以省略，以减小一定的计算量。
为进一步减小计算量，以利于更大规模MMC系统的实时化，本发明还提供了半桥和全桥型子模块的电磁暂态简化数值模型：
步骤C中子模块电磁暂态简化数值模型包含半桥和全桥电容电压差分方程，其中，激励电流源为桥臂电流的开关函数，输出电压为电容电压的开关函数，具体为，半桥型子模块电磁暂态简化模型计算电路如图3所示，其中注入电容的电流源由桥臂电流和半桥型子模块开关函数确定，即半桥型子模块电磁暂态简化数值模型为：
Figure GDA0003194675400000093
Figure GDA0003194675400000094
将基于梯形积分法、向后欧拉法或Gear-2法的半桥子模块电磁暂态简化数值模型中的电容电压差分方程统一为如下形式
Figure GDA0003194675400000095
式中，RC的取值与式(7)相同，而
Figure GDA0003194675400000101
取值为
Figure GDA0003194675400000102
而半桥子模块模型输出电压由其开关函数和电容电压确定，即
Figure GDA0003194675400000103
上述简化的半桥子模块模型数值法的基本原理是将子模块模型中的开关电阻时变特性转换为注入电容的电流源时变特性。
其中，全桥型子模块电磁暂态简化数值模型计算电路如图4所示，其中注入电容的电流源由桥臂电流和全桥型子模块开关函数确定，即
Figure GDA0003194675400000104
Figure GDA0003194675400000105
而全桥子模块的电容电压差分方程与半桥型的组成形式类似。为便于与子模块电磁暂态详细数值模型的对比，这里将基于梯形积分法、向后欧拉法或Gear-2法的子模块电磁暂态简化数值模型电容电压差分方程统一为如下形式：
Figure GDA0003194675400000106
式中，RC的取值与式(7)相同，而
Figure GDA0003194675400000107
取值同式(20)。
全桥子模块模型输出电压由其开关函数和电容电压确定，即
Figure GDA0003194675400000108
经实践证明，本发明可实现MMC的串行和多核并行电磁暂态实时仿真，其中，子模块电磁暂态详细数值模型具有很高的仿真精度，但加速效果较低；子模块电磁暂态简化数值模型具有很好的加速效果，但仿真精度较低。但无论子模块详细还是简化数值模型，其仿真结果与原整体电路模型仿真结果基本一致，可实现电容电压均衡排序和控制策略等诸多方面的硬件在环仿真验证功能。

Claims (5)

1.一种半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法，其特征在于：采用理想变压器模型法将MMC换流器分割为主电路模型和子模块群组模型,子模块群组模型包括多个相互独立的子模块模型，子模块模型采用数值建模法建立各子模块数值模型，包括半桥及全桥子模块电磁暂态详细数值模型和电磁暂态简化数值模型；建模方法包括以下步骤：
A、将主电路模型中的各桥臂均用一受控电压源等效，检测当前步长桥臂电流值i(t)；
B、若采用单核串行仿真方式，则对步骤A中桥臂电流值i(t)作插值预测处理为i′(t)，若采用多核并行仿真方式，则对步骤A中桥臂电流值i(t)作超前插值预测处理为i′(t)；
C、采用数值积分法对子模块模型中电容进行离散化处理，根据半桥和全桥子模块模型离散伴随电路分别建立半桥和全桥子模块电磁暂态详细数值模型，根据半桥和全桥子模块模型简化伴随电路分别建立半桥和全桥子模块电磁暂态简化数值模型；
D、将步骤B中经插值预测处理后的桥臂电流值i′(t)作为步骤C中半桥和全桥子模块电磁暂态详细数值模型及子模块电磁暂态简化数值模型的激励电流源，求解各子模块模型中的电容电压uC(t)和输出电压uo(t)；
E、将步骤D中求解出的子模块模型输出电压uo(t)按对应桥臂求和为uarm(t)，将uarm(t)作为步骤A中主电路模型对应桥臂受控电压源值，形成闭环联解仿真；
步骤C中子模块电磁暂态详细数值模型包含半桥和全桥子模块电磁暂态详细数值模型电容电流、电容电压和输出电压的差分方程，差分方程中的电阻项为时变电阻，主要由对应开关的触发脉冲确定，其中，
半桥子模块电磁暂态详细数值模型为：
Figure FDA0003194675390000021
Figure FDA0003194675390000022
Figure FDA0003194675390000023
全桥子模块电磁暂态详细数值模型为：
Figure FDA0003194675390000024
Figure FDA0003194675390000025
Figure FDA0003194675390000026
式中：
Figure FDA0003194675390000031
2.根据权利要求1所述的半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法，其特征在于：步骤A中桥臂受控电压源用于表征该桥臂所有子模块模型输出电压特性。
3.根据权利要求1所述的半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法，其特征在于：步骤B中的插值预测具体采用平波插值、最小二乘法、Lagrange一次插值或Lagrange二次插值法，根据稳态和暂态预测精度进行选择。
4.根据权利要求1所述的半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法，其特征在于：步骤C中的数值积分方法具体采用梯形积分法、向后欧拉法或Gear-2法，根据仿真精度和加速效果进行选择，其数学表达式为：
Figure FDA0003194675390000032
Figure FDA0003194675390000033
5.权利要求1所述的半桥和全桥型模块化多电平换流器的实时仿真建模方法，其特征在于：步骤C中子模块电磁暂态简化数值模型包含半桥和全桥电容电压差分方程，激励电流源为桥臂电流的开关函数，输出电压为电容电压的开关函数；其中，
半桥子模块电磁暂态简化数值模型为：
Figure FDA0003194675390000041
Figure FDA0003194675390000042
Figure FDA0003194675390000043
Figure FDA0003194675390000044
全桥子模块电磁暂态简化数值模型为：
Figure FDA0003194675390000045
Figure FDA0003194675390000046
Figure FDA0003194675390000047
Figure FDA0003194675390000048
上列式子中，
Figure FDA0003194675390000049
而
Figure FDA0003194675390000051
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