CN108959798B - 一种高压链式静止同步补偿器的仿真提速建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压链式静止同步补偿器的仿真提速建模方法，涉及电力电子技术领域。本发明首先对功率模块进行简化建模和化简，将四个电力电子开关等效为四个可变电阻，把直流电容电压分解为一个历史电压源和一个等效电阻，采用控制系统产生调制波信号，调制波信号与载波信号比较以生成每一个功率模块的4路PWM脉冲，4路脉冲电平的高低决定了电力电子开关所等效的可变电阻的阻值，高电平时对应导通电阻，低电平时对应关断电阻，通过编程并仿真，计算得到功率模块和换流链的主要电气量。本发明在实现较低误差的前提下，使仿真执行时间缩短了80％左右，大大提升了软件仿真的速度，有效提高了高压静止同步补偿器的仿真效率。

Description

一种高压链式静止同步补偿器的仿真提速建模方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种高压链式静止同步补偿器的仿真提速建模方法。

背景技术

高压静止同步补偿器一般采用首尾相连的三条换流链连接，电路图如图1所示,换流链是由功率模块组成，电路图如图2所示。高压链式静止同步补偿器是控制每一个功率模块的逆变电压以便调节换流链电压，并利用换流链电压和电力系统电压之间的差值，来调节无功电流的大小和方向。换流链的模块数会随着电压和容量的提高而增加，10kV高压静止同步补偿器每条链10-12个功率模块，而35kV等级下每条换流链的功率模块数都不少于40个，未来随着电压等级的提高功率模块数会进一步增加。

高压静止同步补偿器在投运前必须进行离线仿真以验证算法和设计的正确性。模块数的增多伴随着建模与分析难度的增大，离线仿真软件如Simulink或者PSCAD，一般是对连续模型进行离散化并迭代，该过程需要进行大量的求逆和递推运算，在仿真大规模系统时，速度会非常缓慢。速度缓慢的原因之一是高压链式静止同步补偿器是一种级联多电平变流器并含有数百个功率模块，仿真中网络导纳矩阵节点数与求解复杂度成正比；速度缓慢的原因之二是高压链式静止同步补偿器的控制方式复杂，并且控制信号必须经过调制，才能输出电力电子器件驱动需要的PWM脉冲信号，所以就需要一种高压链式静止同步补偿器的仿真提速建模方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种高压链式静止同步补偿器的仿真提速建模方法，用以解决现有技术中存在的问题。

一种高压链式静止同步补偿器的仿真提速建模方法，高压链式静止同步补偿器采用三条换流链分别连接在电源的三相，每条换流链是由功率模块组成，对高压链式静止同步补偿器的仿真提速建模方法具体包括如下步骤：

(1)、对功率模块进行简化建模

每个功率模块包括四个IGBT和二极管的并联结构以及一个电容，四个并联结构中第一和第三并联机构串联、第二和第四并联结构串联，形成两个串联线路，两个串联线路并联，电容两端分别连接在两个串联线路中并联结构的连接点，其中电容的电压表示为

其中，i_c为电容电流，C₀为功率模块容值，ΔT为仿真步长，R_c为电容的等效电阻值，且u_ceq(t-ΔT)为电容的历史电压源，且

(2)、对功率模块进行化简

将四个并联结构分别等效为四个可变电阻R₁、R₂、R₃和R₄，将电容电压u_c等效为一个历史电压源u_ceq(t-Δt)和一个等效电阻R_c的串联；

根据节点电压法得功率模块的电压

u_sm(t)＝R_{sm_eq}i_sm(t)+R_Ku_ceq(t-ΔT)                     (2)

其中，

电容的电流为：

(3)、对高压链式静止同步补偿器的主电路进行控制，生成调制波信号

预先设置的换流链电流指令为换流链直流电压指令为对所有换流链上功率模块的电压进行计算得到三相换流链各个功率模块的的电压平均值为u_cab、u_cbc、u_cca，对换流链电流指令为换流链直流电压指令为各个功率模块的的电压平均值为u_cab、u_cbc、u_cca和电容电流i_c(t)经过控制器计算得到的每个功率模块的调制波为m_i，i＝1,2,…,3N；

(4)、将调制波与三角载波进行比较

将调制波信号的正弦波与载波信号的三角波相比较，从而生成第一和第三并联结构的指令，而第一和第二并联结构的指令互反，第三和第四并联结构的指令互反，因此得到4路PWM信号，当第一个并联结构输出高电平，则R₁相当于通态电阻R_on，低电平则相当于开路电阻R_off，其他并联结构相同。

较佳地，所述IGBT为绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

本发明有益效果：本发明在实现较低误差的前提下，使仿真执行时间缩短了80％左右，大大提升了软件仿真的速度，有效提高了高压静止同步补偿器的仿真效率。

附图说明

图1为高压链式静止同步补偿器的换流链电路图；

图2为功率模块的电路图；

图3为对功率模块进行化简的等效电路图；

图4为对高压链式静止同步补偿器进行控制的控制框图；

图5为对调制波信号进行调制的框图；

图6为原始模型与提速模型的结果对比图；

图7为原始模型与提速模型的仿真执行时间对比图；

图8为整个仿真提速建模与运行的流程图。

具体实施方式

下面结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

参照图1，为高压链式静止同步补偿器的换流链电路图，每条换流链首位各串联一个平波电抗器，感值均为L，电网线电压分别为u_sab、u_sbc、u_sca，换流链逆变电压为u_cab、u_cbc、u_cca，三条换流链电流分别是i_ab、i_bc、i_ca。

参照图2，为功率模块的电路图，IGBT为绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，其中IGBT依次编号为T₁、T₂、T₃和T₄，二极管依次编号为D₁、D₂、D₃和D₄。以AB换流链为例，对于第j个模块电容电压定义为u_cj，电容电流定义为i_cj，逆变电压定义为u_{sm_j}，j＝1,2,3,…N。

参照图3，为对功率模块进行化简的等效电路图，首先对功率模块进行简化建模；

因为计算机仿真过程是一个离散化计算过程，所以模型化简主要考虑到电容的电压可以由一个历史电压源(上一个周期的电压)和一个与电容大小、仿真步长有关的离散化等效电阻来代替。

高压链式静止同步补偿器采用三条换流链分别连接在电源的三相，每条换流链是由功率模块组成，对高压链式静止同步补偿器的仿真提速建模方法具体包括如下步骤：

(1)、对功率模块进行简化建模

每个功率模块包括四个IGBT和二极管的并联结构以及一个电容，四个并联结构中第一和第三并联结构串联、第二和第四并联结构串联，形成两个串联线路，两个串联线路并联，电容两端分别连接在两个串联线路中并联结构的连接点，其中电容的电压表示为

其中，i_c为电容电流，C₀为功率模块容值，ΔT为仿真步长，R_c为电容的等效电阻值，且它由功率模块的电容值C₀以及仿真步长ΔT确定，在实际工程中仿真步长可取控制硬件的中断周期；u_ceq(t-ΔT)为电容的历史电压源，且

(2)、对功率模块进行化简

将四个并联结构(IGBT和二极管)分别等效为四个可变电阻R₁、R₂、R₃和R₄，将电容电压u_c等效为一个历史电压源u_ceq(t-Δt)和一个等效电阻R_c的串联，因为等效电路已经将开关器件等效为电阻，从而可以采用统一的数学形式来表达，避免了开关函数带来的复杂计算方案。

根据节点电压法可得功率模块的电压

u_sm(t)＝R_{sm_eq}i_sm(t)+R_Ku_ceq(t-ΔT)                   (2)

其中，

电容的电流为：

可变电阻R₁、R₂、R₃和R₄导通时相当于通态电阻R_on，关断时相当于开路电阻R_off，其值取决于控制电路中PWM调制的输出，这样就把功率模块化简为一个代数方程，从而解决了模块数多的难点。

(3)、对高压链式静止同步补偿器的主电路进行控制，生成调制波信号

参照图4，为对高压链式静止同步补偿器进行控制的控制框图，高压链式静止同步补偿器的主电路需要适当的控制来能完成整体的离线仿真，对高压链式静止同步补偿器的主电路进行控制，生成调制波信号，预先设置的换流链电流指令为换流链直流电压指令为对所有换流链上功率模块的电压进行计算得到三相换流链各个功率模块的平均值为ucab、ucbc、ucca，对换流链电流指令换流链直流电压指令各个功率模块的电压平均值u_cab、u_cbc、u_cca和电容电流i_c(t)经过控制器计算得到的每个功率模块的调制波为m_i(i＝1,2,…,3N)。

(4)、将调制波与三角载波进行比较

参照图5，为对调制波信号进行调制的框图，将调制波信号的正弦波与载波信号的三角波相比较，从而生成第一和第三并联结构(T₁、T₃)的指令，而第一和第二并联结构的指令(T₁和T₂)互反，第三和第四并联结构的指令(T₃和T₄)互反，因此得到4路PWM信号，当第一个并联结构(T₁)输出高电平，则R₁相当于通态电阻R_on，低电平则相当于开路电阻R_off，其他并联结构相同。

参照图6，为原始模型与提速模型的结果对比图，两者之间误差非常小，效果相近。

参照图7，为原始模型与提速模型的仿真执行时间对比图，观测主要电气量如直流电压、换流链电流、功率等的执行结果，提速模型的仿真时间减少了80％左右。

实施例，参照图8，为整个仿真提速建模与运行的流程图，首先代入初始值，一般而言，电气量的初始值可以选择0或者额定值；

然后采集所有模块的直流电压、电流等模拟量；

再利用控制系统进行计算，得到每个功率模块的调制波信号；

然后将调制波信号与载波信号比较，生成每一个模块的4路PWM脉冲，从而确定R₁、R₂、R₃和R₄的取值；

然后利用仿真软件计算得到功率模块和换流链的主要电气量；

然后判断是否计算完成，若仿真未执行完，则进入下一次迭代，直到仿真执行完成则停止；

最后观测主要电气量如直流电压、换流链电流、功率等的执行结果。

综上所述，本发明在实现较低误差的前提下，使仿真执行时间缩短了80％左右，大大提升了软件仿真的速度，有效提高了高压静止同步补偿器的仿真效率。

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高压链式静止同步补偿器的仿真提速建模方法，其特征在于，

高压链式静止同步补偿器采用三条换流链分别连接在电源的三相，每条换流链是由功率模块组成，对高压链式静止同步补偿器的仿真提速建模方法具体包括如下步骤：

(1)、对功率模块进行简化建模

每个功率模块包括四个IGBT和二极管的并联结构以及一个电容，四个并联结构中第一和第三并联结构串联、第二和第四并联结构串联，形成两个串联线路，两个串联线路并联，电容两端分别连接在两个串联线路中并联结构的连接点，其中电容的电压表示为

其中，i_c为电容电流，C₀为功率模块容值，ΔT为仿真步长，R_c为电容的等效电阻值，且

u_ceq(t-ΔT)为电容的历史电压源，且

(2)、对功率模块进行化简

将四个并联结构分别等效为四个可变电阻R₁、R₂、R₃和R₄，将电容电压u_c等效为一个历史电压源u_ceq(t-Δt)和一个等效电阻R_c的串联；

根据节点电压法得功率模块的电压

u_sm(t)＝R_{sm_eq}i_sm(t)+R_Ku_ceq(t-ΔT)    (2)

其中，

电容电流为：

(3)、对高压链式静止同步补偿器的主电路进行控制，生成调制波信号

预先设置的换流链电流指令为

换流链直流电压指令为

对所有换流链上功率模块的电压进行计算得到三相换流链各个功率模块的电压平均值为u_cab、u_cbc、u_cca，对换流链电流指令

换流链直流电压指令

各个功率模块的电压平均值u_cab、u_cbc、u_cca和电容电流i_c(t)经过控制器计算得到的每个功率模块的调制波为m_i，i＝1,2,...,3N；

(4)、将调制波与三角载波进行比较

将调制波信号的正弦波与载波信号的三角波相比较，从而生成第一和第三并联结构的指令，而第一和第二并联结构的指令互反，第三和第四并联结构的指令互反，因此得到4路PWM信号，当第一个并联结构输出高电平，则R₁相当于通态电阻R_on，低电平则相当于开路电阻R_off，其他并联结构相同。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述IGBT为绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

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