CN109347135A - Mmc三相并网逆变系统的共模传导emi建模方法及装置 - Google Patents

Mmc三相并网逆变系统的共模传导emi建模方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器MMC三相并网逆变系统的共模传导EMI建模方法及装置，基于共模传导电磁干扰的传播特性，结合MMC三相并网逆变系统中各关键部件的高频等效模型，建立了MMC三相并网逆变系统的共模传导高频EMI模型，将基于叠加原理所得到的共模传导EMI频域预测结果与时域仿真波形进行FFT变换后的EMI频谱对比，发现频域仿真结果与时域仿真结果在10kHz～10MHz内很好地吻合，验证了所提出的MMC三相并网逆变系统的共模传导高频EMI模型的正确性。本发明采用频域预测方法，实现了MMC变换器的共模EMI频谱预测，可以大大缩短MMC变换器的EMI预测时间，有效指导MMC装置的EMI滤波器设计。

Description

MMC三相并网逆变系统的共模传导EMI建模方法及装置
技术领域
本发明属于电力电子装置EMI预测技术领域，更具体地，涉及一种MMC三相并网逆变系统的共模传导EMI建模方法及装置。
背景技术
近年来，采用全控型电力电子器件的绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)的柔性直流输电技术由于具有动态响应速度快、可控性良好和运行方式灵活等优点，在远距离输电系统中得到广泛的应用。由于电力电子器件耐压的限制，必须采用多电平变换才能适用于高压大容量的柔性直流输电系统。采用模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)将高压分为多个电平分配给各个器件和模块，单个IGBT的电压应力得到了有效的降低。但是，由于MMC中存在大量杂散参数，快速变化的电压、电流在杂散参数的作用下会引起严重的电磁干扰问题，这不仅干扰本系统的控制、驱动等弱电设备的工作，使其自身不能正常工作，而且也会干扰周围其他设备的工作。
对电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)进行建模和预测可以有效缩短项目的研发周期，指导系统EMI滤波器的设计，为MMC系统的电磁干扰抑制提供依据。按照预测手段的不同，电磁干扰的建模预测方法可以分为时域建模和频域建模两大类。相较于时域EMI预测方法，频域预测更为简单，同时由于其快速性而在电力电子装置的EMI预测中得到了广泛应用。
现有的MMC建模方法是仿照两电平变换器的建模思路，即采用一个集总干扰源对每一相的干扰源进行等效，且将所有IGBT开关器件的结电容和系统其它元件的对地寄生电容等效为一个集总电容，以研究直流侧的电磁干扰。但是，上述建模方法存在以下不足：
(1)实际MMC系统的干扰源很多且分布特性复杂。现有方法是每一相只采用一个集总的阶梯波作为干扰源进行高频EMI建模，这种等效方法不够精确；
(2)MMC系统中IGBT，子模块电容和限流电抗器的杂散参数分布复杂。现有方法试图用一个集总电容来等效整个系统的杂散参数影响，这种等效方法是不合理的；
(3)现有方法考察的是直流侧的干扰，没有关注因开关器件动作，在交流侧所产生的传导干扰，且给出的建模方法没有得到有效验证。
对于相单元含有n个子模块的MMC，每一相输出是含有n+1电平的阶梯波。相较于以往的两电平或三电平换流器，MMC的传导EMI建模面临如下难题：
(1)MMC包含大量电力电子开关器件，高速通断的电力电子器件是电磁干扰的主要来源。因此，MMC存在着更加复杂的干扰源分布特性。
(2)MMC的子模块数量较多，且每个子模块的散热器做了接地处理，因此存在大量的寄生电容，形成了更为复杂的共模EMI传导路径。
针对上述问题，因此，需要深入研究MMC的频域EMI建模预测方法，实现MMC的EMI精确预测。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种MMC三相并网逆变系统的共模传导EMI建模方法及装置，由此解决现有EMI建模方法在精确性及有效性上存在一定局限的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种MMC三相并网逆变系统的共模传导EMI建模方法，其中，所述MMC三相并网逆变系统包括模块化多电平变换器MMC，所述MMC中的每个相单元均含有n个子模块，所述方法包括：
(1)获取所述MMC三相并网逆变系统中各器件的寄生参数，以建立各器件的高频模型，其中，用RLC电路来等效无源器件的高频模型，对于有源器件IGBT，建立所述有源器件IGBT的三维模型，以得到所述有源器件IGBT的高频模型；
(2)基于各器件的高频模型搭建所述MMC三相并网逆变系统，以模拟实际的MMC三相并网逆变系统的运行工况，得到各子模块下开关管的集射极电压；
(3)将各所述子模块的下开关管的集射极电压作为所述MMC的共模干扰源，进而对所述MMC的每个相单元使用n个干扰源进行建模；
(4)将所述MMC的共模干扰源注入到所述高频模型中，分析单个干扰源的作用后，将各单个干扰源的作用进行叠加，得到所述高频模型的共模干扰。
优选地，所述MMC的共模干扰源为：VCM-xk＝V1+V2+V3，其中， 其中，x表示a,b,c三相，Sxk(t)为x相第k个子模块的工作状态信息，Lk是第k个子模块的杂散电感，aj和ωj分别代表第j次振荡的阻尼系数和振铃频率，ti0和tj0分别代表第i次电压转换和第j次振铃效应的起始时间，V1表示理想方波的数学模型，V2和V3分别表示了开关器件的动态开关特性和开关振铃信息，UC为子模块的直流电容电压值，VCM-xk表示x相第k个子模块的共模干扰源，n表示一个相单元含有的子模块数，Vce表示子模块的下开关管的集射极电压，ε(t)表示单位阶跃函数，m表示系统中产生振荡的总次数，ic表示集电极电流，表示第j次振荡时具有最大电流变化率。
优选地，步骤(2)包括：
在频域下，分别对每一相的干扰源用单位干扰源代替，研究某一个单位干扰源的作用效果时，其它单位干扰源均做短路处理，进行扫频，得到该单位干扰源在线路阻抗稳定网络LISN上的作用效果，将各单位干扰源进行叠加得到总共模干扰。
优选地，由得到所述总共模干扰，其中，Vxk(s)表示x相第k个子模块的干扰源的频域形式，Zxk(s)表示x相第k个子模块在LISN上的作用效果n表示一个相单元含有的子模块数。
按照本发明的另一方面，提供了一种应用于MMC三相并网逆变系统的共模传导EMI建模装置，其中，所述MMC三相并网逆变系统包括模块化多电平变换器MMC，所述MMC中的每个相单元均含有n个子模块，所述装置包括：
高频模型构建模块，用于获取所述MMC三相并网逆变系统中各器件的寄生参数，以建立各器件的高频模型，其中，用RLC电路来等效无源器件的高频模型，对于有源器件IGBT，建立所述有源器件IGBT的三维模型，以得到所述有源器件IGBT的高频模型；
逆变系统模型模块，用于基于各器件的高频模型搭建所述MMC三相并网逆变系统，以模拟实际的MMC三相并网逆变系统的运行工况，得到各子模块下开关管的集射极电压；
干扰源确定模块，用于将各所述子模块的下开关管的集射极电压作为所述MMC的共模干扰源，进而对所述MMC的每个相单元使用n个干扰源进行建模；
共模干扰确定模块，用于将所述MMC的共模干扰源注入到所述高频模型中，分析单个干扰源的作用后，将各单个干扰源的作用进行叠加，得到所述高频模型的共模干扰。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：采用多个干扰源建模方式，考虑系统中各器件的杂散参数，建立系统频域等效模型，极大地提高了频域EMI预测精度；采用频域预测方法，相较于时域预测，可以极大地提高预测速度，可以分别地研究系统的传导干扰，简化了系统EMI问题的分析，同时也更便于EMI滤波器的设计；有助于更好地理解其它含多开关管电力电子设备EMI建模问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种MMC三相并网逆变系统拓扑示意图；
图3是本发明实施例提供的一种MMC三相并网逆变系统的调制策略流程图；
图4是本发明实施例提供的一种子模块电容、限流电抗器和线路考虑电流的趋肤效应的高频模型；
图5是本发明实施例提供的一种现有频域建模模型图；
图6是本发明实施例提供的一种考虑系统中寄生参数和杂散参数后的MMC三相并网逆变系统的共模干扰的高频EMI模型；
图7是本发明实施例提供的一种单个子模块的共模干扰源数学模型的示意图；
图8(a)是本发明实施例提供的一种Simplorer界面下的三相并网逆变器的协同仿真模型，图8(b)是其与Matlab互联的接口示意图；
图9是本发明实施例提供的一种MMC三相并网逆变系统的预测及实际的共模传导干扰频谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出了一种MMC三相并网逆变系统的共模传导EMI建模方法及装置，通过三相MMC并网逆变系统的共模传导高频EMI模型来快速准确地预测系统的共模干扰。
如图1所示为本发明实施例提供的一种MMC三相并网逆变系统共模传导EMI建模方法的流程示意图，包括如下步骤：
S1：MMC三相并网逆变系统选用了最广泛应用于MMC控制的最近电平调制方法，子模块电容均压是通过排序算法实现的；
S2：系统中各关键部件的选型由MMC容量、电压调制比、直流电压、电容电压波动百分比以及系统的功率因数、环流允许值等参数确定。基于所设计的参数，选择符合要求的关键部件型号。利用阻抗分析仪或有限元分析工具，实测各关键部件的高频寄生参数，建立各关键部件的高频等效模型；
S3：由于各个子模块的直流电容不存在电压跳变，各个子模块的运行工况可以类似为单相两电平变换器。因此，本发明以子模块为单位进行干扰源建模，即将各子模块的下开关管T2的集射极电压作为MMC的共模干扰源。对于每个相单元含有n个子模块的MMC三相逆变系统，每一相可以用n个干扰源进行建模；
S4：在Ansys Simplorer中搭建器件级的MMC时域仿真系统，以模拟实际的MMC三相并网逆变系统运行工况。将线路阻抗稳定网络(Line Impedance Stabilization Network，LISN)上所测得的三相并网侧的共模干扰的时域波形通过FFT变换，得到实测的共模干扰频谱Ⅰ；
S5：通过将时域仿真中所得到的干扰源波形注入到上述所提出的MMC三相并网逆变系统的共模传导高频EMI模型中，得到所提出的MMC三相并网逆变系统的EMI预测模型的共模干扰频谱Ⅱ。对比实测的共模干扰频谱Ⅰ和预测的共模干扰频谱Ⅱ，验证高频模型建立的正确性。
下面以每个相单元包含8个子模块的MMC三相并网系统为例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细说明。
(1)MMC三相并网逆变系统拓扑如图2所示，其中，系统稳定工作时，子模块的工作状态有2种，如表1所示。其中，UC为子模块直流电容电压值。
表1
项目 SM<sub>k</sub>投入 SM<sub>k</sub>切除
开关状态S<sub>k</sub> T<sub>1</sub>导通，T<sub>2</sub>关断 T<sub>1</sub>关断，T<sub>2</sub>导通
输出电压U<sub>Ck</sub> U<sub>C</sub> 0
考虑死区效应，即在T1和T2都关断时，当桥臂电流的方向是给子模块直流电容充电时，子模块的输出电压为UC；当桥臂电流的方向是使子模块直流电容放电时，子模块的输出电压是0。
(2)本发明实施例所述的MMC三相并网逆变系统采用最近电平调制来得到期望的输出电压，MMC三相并网逆变系统采用冒泡法排序来实现子模块直流电容电压的均衡控制，即根据各桥臂电流方向和各桥臂的当前时刻应投入的子模块个数，以给子模块相应的驱动信号来控制子模块的投切。MMC三相并网逆变系统的调制策略的整体流程如图3所示。
(3)MMC三相并网逆变系统中无源器件的高频模型一般可以用RLC网络来等效，通过阻抗分析仪测量来得到其等效的寄生参数，图4是子模块的直流电容、限流电抗器和线路考虑趋肤效应的高频等效模型。对于有源部件IGBT模块，通过建立该有源部件的三维模型，利用有限元分析工具，建立其高频等效模型；
(4)相比现有的建模方式(如图5所示，针对每一相，用输出电压作为一个干扰源)，在本发明实施例中，以每个子模块的下开关管T2的集射极电压作为MMC的一个共模干扰源，对于每个相单元含有8个子模块的MMC三相并网逆变系统，则每一相可以用8个干扰源来建模；
图6是考虑系统中寄生参数和杂散参数后的MMC三相并网逆变系统的共模干扰的高频EMI模型。其中，每一相的单个共模干扰源的数学模型可以表示为：
VCM-xk＝V1+V2+V3
V1＝Sxk(t)·Uc
其中，x＝a,b,c。Sxk(t)为包含x相第k个子模块的工作状态信息，具体如下：
Lk是第k个子模块的杂散电感，aj和ωj分别代表第j次振荡的阻尼系数和振铃频率，ti0和tj0分别代表第i次电压转换和第j次的振铃效应的起始时间，V1表示理想方波的数学模型，V2和V3分别表示了开关器件的动态开关特性和开关振铃信息，VCM-xk表示x相第k个子模块的共模干扰源，n表示一个相单元含有的子模块数，Vce表示子模块的下开关管的集射极电压，ε(t)表示单位阶跃函数，m表示系统中产生振荡的总次数，ic表示集电极电流，表示第j次振荡时具有最大电流变化率，UC为子模块的直流电容电压值，单个子模块的共模干扰源数学模型的示意图如图7所示。
(5)在Ansys Simplorer软件中搭建本发明实施例所介绍的MMC三相并网系统的主电路模型，同时在Matlab/Simulink中搭建开环控制环路模型。仿真过程中两个软件需要以相同的定步长来交换数据，从而进行联合仿真。图8(a)为Simplorer界面下的三相并网逆变器的协同仿真模型，图8(b)是其与Matlab/Simulink互联的接口示意图，在图8(b)中，A，B，C表示MMC的三相，PWM1～PWM16则表示经由Matlab/Simulink控制模块给16个开关管的驱动脉冲。
其中IGBT采用了特征化模型以模拟真实的IGBT动态开关过程。系统仿真参数如表2所示。
表2
参数 数值
直流侧电压V<sub>dc</sub>/V 720
子模块电容C<sub>sub</sub>/mF 2.84
桥臂电抗L/mH 10
控制器控制频率f<sub>c</sub>/kHz 2
三相电网电压有效值V<sub>rns</sub>/V 220
三相电网电压频率f/Hz 50
一个相单元的子模块数n 8
死区t<sub>d</sub>/us 2
将LISN上所测得的三相交流侧的共模干扰的时域波形通过FFT变换，得到实测的共模干扰频谱Ⅰ，如图9中的“时域波形经FFT变换”代表的曲线所示。
在Ansys Simplorer中搭建如图6所示的MMC三相并网逆变系统高频EMI仿真模型。一般地，系统中共模干扰是由于系统内某点的电压变化率突变引起的，通常用该点和地之间的电压作为干扰源进行建模。对于每一相含有8个子模块的逆变系统，则每一相单元用8个子模块的下开关管T2集射极电压Vxk(t)作为干扰源，其频域形式为Vxk(s)。传导路径上，无源器件用其高频模型代替。频域下，分别对每一相的干扰源用单位干扰源代替，研究单个单位干扰源的作用效果时，其他单位干扰源均做短路处理，进行扫频，得到该单位干扰源在LISN上的作用效果Zxk(s)。根据叠加原理，则系统中总的共模传导干扰得到其频谱图Ⅱ，如图9中“频域预测”代表的曲线所示。
通过对比实测的共模干扰频谱Ⅰ和预测的共模干扰频谱Ⅱ，可以看到在10k～10M内的预测频谱与经由时域仿真波形通过FFT变换得到的频谱吻合地很好。证明本发明所提出的建模方法能有效预测MMC三相并网逆变系统的共模传导干扰。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种MMC三相并网逆变系统的共模传导EMI建模方法，其中，所述MMC三相并网逆变系统包括模块化多电平变换器MMC，所述MMC中的每个相单元均含有n个子模块，其特征在于，所述方法包括：
(1)获取所述MMC三相并网逆变系统中各器件的寄生参数，以建立各器件的高频模型，其中，用RLC电路来等效无源器件的高频模型，对于有源器件IGBT，建立所述有源器件IGBT的三维模型，以得到所述有源器件IGBT的高频模型；
(2)基于各器件的高频模型搭建所述MMC三相并网逆变系统，以模拟实际的MMC三相并网逆变系统的运行工况，得到各子模块下开关管的集射极电压；
(3)将各所述子模块的下开关管的集射极电压作为所述MMC的共模干扰源，进而对所述MMC的每个相单元使用n个干扰源进行建模；
(4)将所述MMC的共模干扰源注入到所述高频模型中，分析单个干扰源的作用后，将各单个干扰源的作用进行叠加，得到所述高频模型的共模干扰。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MMC的共模干扰源为：VCM-xk＝V1+V2+V3，其中， 其中，x表示a，b，c三相，Sxk(t)为x相第k个子模块的工作状态信息，Lk是第k个子模块的杂散电感，aj和ωj分别代表第j次振荡的阻尼系数和振铃频率，ti0和tj0分别代表第i次电压转换和第j次振铃效应的起始时间，V1表示理想方波的数学模型，V2和V3分别表示了开关器件的动态开关特性和开关振铃信息，UC为子模块的直流电容电压值，VCM-xk表示x相第k个子模块的共模干扰源，n表示一个相单元含有的子模块数，Vce表示子模块的下开关管的集射极电压，ε(t)表示单位阶跃函数，m表示系统中产生振荡的总次数，ic表示集电极电流，表示第j次振荡时具有最大电流变化率。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：
在频域下，分别对每一相的干扰源用单位干扰源代替，研究某一个单位干扰源的作用效果时，其它单位干扰源均做短路处理，进行扫频，得到该单位干扰源在线路阻抗稳定网络LISN上的作用效果，将各单位干扰源的作用效果进行叠加得到总共模干扰。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由 得到所述总共模干扰，其中，Vxk(s)表示x相第k个子模块的干扰源的频域形式，Zxk(s)表示x相第k个子模块在LISN上的作用效果，n表示一个相单元含有的子模块数。
5.一种应用于MMC三相并网逆变系统的共模传导EMI建模装置，其中，所述MMC三相并网逆变系统包括模块化多电平变换器MMC，所述MMC中的每个相单元均含有n个子模块，其特征在于，所述装置包括：
高频模型构建模块，用于获取所述MMC三相并网逆变系统中各器件的寄生参数，以建立各器件的高频模型，其中，用RLC电路来等效无源器件的高频模型，对于有源器件IGBT，建立所述有源器件IGBT的三维模型，以得到所述有源器件IGBT的高频模型；
逆变系统模型模块，用于基于各器件的高频模型搭建所述MMC三相并网逆变系统，以模拟实际的MMC三相并网逆变系统的运行工况，得到各子模块下开关管的集射极电压；
干扰源确定模块，用于将各所述子模块的下开关管的集射极电压作为所述MMC的共模干扰源，进而对所述MMC的每个相单元使用n个干扰源进行建模；
共模干扰确定模块，用于将所述MMC的共模干扰源注入到所述高频模型中，分析单个干扰源的作用后，将各单个干扰源的作用进行叠加，得到所述高频EMI模型的共模干扰。
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