CN109428340A - 一种柔性直流输电装置的仿真方法及系统 - Google Patents

一种柔性直流输电装置的仿真方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柔性直流输电装置的仿真方法及系统，包括：获取桥臂电抗电压、子模块电容和桥臂中的子模块数目；基于所述桥臂电抗、子模块电容和桥臂中的子模块数目和预先建立的模块化多电平换流器模型，对柔性直流输电装置进行仿真，获得柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运行特性；预先建立的模块化多电平换流器模型通过主电路参数、交流侧等效电压源控制量和直流侧可控电流源控制量进行构建。

Description

一种柔性直流输电装置的仿真方法及系统
技术领域
本发明属于电力电子领域，具体涉及一种柔性直流输电装置的仿真方法及系统。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)相比两电平换流器具有 模块化设计易于扩展、避免了多个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)串联的难 题、谐波特性好等优点，在电压源换流器型高压直流输电等领域应用得到广泛应用。
MMC模块化设计易于扩展但同时也造成了子模块数目众多、节点规模庞大且开关动作频 繁无法实现快速仿真及实时仿真的新问题。以251电平半桥型MMC为例，一个换流站需要1500 个子模块，每一个子模块中有4个开关元件，而且每一个仿真步长中开关元件的开通、关断 状态都可能发生变化。因此，仿真超大规模MMC会给电磁暂态仿真带来非常大的计算负担， 仿真过程极其缓慢，严重降低了与MMC仿真相关的科学研究的效率。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提出一种柔性直流输电装置的仿真方法及系统，根据大电网 仿真中MMC外部等效电气特性的特点对MMC进行建模仿真，分别采用可控电压源和可控电流 源模拟MMC交直流侧外部特性，提高仿真速度。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种柔性直流输电装置的仿真方法，所述方法包括：
获取桥臂电抗电压、子模块电容和桥臂中的子模块数目；
基于所述桥臂电抗、子模块电容和桥臂中的子模块数目和预先建立的模块化多电平换流 器模型，对柔性直流输电装置进行仿真，获得柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运 行特性；
所述预先建立的模块化多电平换流器模型通过主电路参数、交流侧等效电压源控制量和 直流侧可控电流源控制量进行构建。
优选的，所述预先建立的模块化多电平换流器模型通过主电路参数、交流侧等效电压源 控制量和直流侧可控电流源控制量进行构建包括：
计算主电路参数，所述主电路参数的计算包括：计算直流侧等效电抗和直流侧等效电容；
确定交流侧等效电压源控制量，所述交流侧等效电压源控制量的确定包括：采用交流侧 可控电压源模拟模块化多电平换流器交流侧外部特性，确定所述模块化多电平换流器模型交 流侧等效电压源控制量；
确定直流侧可控电流源控制量，所述直流侧可控电流源控制量的确定包括：采用直流侧 可控电流源模拟模块化多电平换流器直流侧外部特性，确定所述模块化多电平换流器模型直 流侧可控电流源控制量。
进一步地，所述采用交流侧可控电压源模拟模块化多电平换流器交流侧外部特性包括： 针对交流侧等效电路，采用可控电压源等效模块化多电平换流器桥臂。
进一步地，所述模块化多电平换流器模型交流侧等效电压源控制量由下式确定：
其中，VsmN为子模块电压额定值，vjp为j相上桥臂参考电压，vjn为j相下桥臂参考电压， ujp为离散化后的j相上桥臂参考电压，ujn为离散化后的j相下桥臂参考电压，round()为取 整数函数。
进一步地，所述上桥臂参考电压vjp和下桥臂参考电压vjn由下式确定：
其中，vdc为直流电压，v+j为双闭环控制生成的j相参考电压，v-j为负序电流抑制产生的 j相参考电压，vcirj为环流抑制产生的j相参考电压，j＝a,b,c；a,b,c分别表示模块化多电 平换流器三相桥臂的三相。
优选的，所述采用直流侧可控电流源模拟模块化多电平换流器直流侧外部特性，确定所 述模块化多电平换流器模型直流侧可控电流源控制量包括：针对直流侧等效电路，采用等效 电抗和等效电容模拟可控电压源等效模块的桥臂；
当不考虑损耗时，直流侧可控电流源的控制量等于交流侧等效电压源控制量；
当考虑损耗时，直流侧可控电流源的控制量等于交流侧等效电压源控制量加上交流侧等 效电抗串联的电阻阻值。
进一步地，所述模块化多电平换流器模型直流侧可控电流源的控制量由下式确定：
其中，uj为交流侧j相电压，ij为交流侧j相电流，vdc为直流侧电压，ieq为直流侧可控 电流源控制量。
进一步地，其特征在于，所述主电路参数的计算式如下；
其中，Leq为直流侧等效电抗，Larm为桥臂电抗，Ceq为直流侧等效电容，Csm为子模块电容， N为模块化多电平换流器桥臂中的子模块个数。
一种柔性直流输电装置的仿真系统，包括：
获取模块，用于获取桥臂电抗电压、子模块电容和桥臂中的子模块数目；
仿真模块，用于基于预先建立的模块化多电平换流器模型，对柔性直流输电装置进行仿 真，获得柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运行特性。
优选的，所述仿真模块，包括：
构建单元，用于通过主电路参数、交流侧等效电压源控制量和直流侧可控电流源控制量 进行构建模块化多电平换流器模型。
进一步地，所述构建单元，包括：
计算子单元，用于计算直流侧等效电抗和直流侧等效电容；
第一确定子单元，用于采用交流侧可控电压源模拟模块化多电平换流器交流侧外部特性， 确定所述模块化多电平换流器模型交流侧等效电压源控制量；
第二确定子单元，用于采用直流侧可控电流源模拟模块化多电平换流器直流侧外部特性， 确定所述模块化多电平换流器模型直流侧可控电流源控制量。
与最接近的现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明所提出的一种柔性直流输电装置的仿真方法及系统，获取桥臂电抗电压、子模块 电容和桥臂中的子模块数目；
基于所述桥臂电抗、子模块电容和桥臂中的子模块数目和预先建立的模块化多电平换流 器模型，对柔性直流输电装置进行仿真，获得柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运 行特性；其中，预先建立的模块化多电平换流器模型通过主电路参数、交流侧等效电压源控 制量和直流侧可控电流源控制量进行构建。在构建过程中考虑了主控中的双闭环控制、负序 电流抑制和环流抑制，从而减轻了仿真超大规模MMC给电磁暂态仿真带来的计算负担，提高 仿真速度，提高了与柔性直流输电装置仿真相关的科学研究的效率。
且本发明所提出的方案根据MMC交直流侧功率守恒原理，采用交流侧可控电压源模拟模 块化多电平换流器交流侧外部特性，确定所述模块化多电平换流器模型交流侧等效电压源控 制量；采用直流侧可控电流源模拟模块化多电平换流器直流侧外部特性，确定所述模块化多 电平换流器模型直流侧可控电流源控制量；使得仿真过程简单且易于实现。提出的方案可以 采用较大的仿真步长，由于采用了最近电平逼近的阶梯波，可以用于研究外部谐波特性。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的模块化多电平换流器的拓扑图；
图2本发明实施例中提供的MMC控制系统结构示意图。
图3本发明实施例中提供的MMC模型结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
根据电力系统大电网仿真中主要关注MMC的外部电气特性的特点，提出一种柔性直流 输电装置的仿真方法及系统，可对MMC的部分复杂控制算法以及内部电路进行简化，提高 其仿真速度。本发明尤其针对大电网仿真中系统级的仿真研究，根据MMC交直流侧功率守 恒原理，分别用可控电压源和可控电流源进行建模，提高了仿真速度。MMC建模仿真时可 以采用较大的仿真步长，由于使用了最近电平逼近的阶梯波，可以用于研究外部谐波特性。
其方法具体包括以下步骤：
S1获取桥臂电抗电压、子模块电容和桥臂中的子模块数目；
S2基于预先建立的模块化多电平换流器模型，对柔性直流输电装置进行仿真，获得柔性 直流及直流电网不同工况下的机电暂态运行特性；
获得柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运行特性，包括：
主电路单元用于模拟模块化多电平换流器模型主电路参数；
交流侧可控电压源用于模拟模块化多电平换流器交流侧外部特性，确定模块化多电平换 流器模型交流侧等效电压源控制量；
直流侧可控电流源用于模拟模块化多电平换流器直流侧外部特性，确定模块化多电平换 流器模型交流侧等效电压源控制量。
模块化多电平换流器的拓扑结构如图1所示，与两电平换流器采用直流侧集中式电容的 拓扑不同，MMC(模块化多电平换流器)采用分立式电容的结构，将电容分置于三相上、 下桥臂的每一个子模块中。任一时刻，每相上、下桥臂中的子模块数目之和为N：
其中，VdcN为直流侧电压额定值，VsmN为子模块电压额定值，N同时可表示桥臂子模块 数量。
MMC控制系统包括主控、阀控两部分，主控包括外环控制、内环电流控制、环流抑制、 负序电流抑制、桥臂参考电压生成模块，阀控包括最近电平逼近调制算法、电容电压平衡算 法，如图2所示。
S3所述预先建立的模块化多电平换流器模型通过主电路参数、交流侧等效电压源控制量 和直流侧可控电流源控制量进行构建，包括：
计算主电路参数包括：计算直流侧等效电抗和直流侧等效电容；
确定交流侧等效电压源控制量；所述交流侧等效电压源控制量的确定包括：采用交流侧 可控电压源模拟模块化多电平换流器交流侧外部特性，确定所述模块化多电平换流器模型交 流侧等效电压源控制量；
确定直流侧可控电流源控制量，所述直流侧可控电流源控制量的确定包括：采用直流侧 可控电流源模拟模块化多电平换流器直流侧外部特性，确定所述模块化多电平换流器模型直 流侧可控电流源控制量。
采用交流侧可控电压源模拟模块化多电平换流器交流侧外部特性包括：针对交流侧等效 电路，采用可控电压源等效模块化多电平换流器桥臂。
图2中阀控部分的子模块电容电压平衡算法需要对子模块电容电压进行排序，当MMC 子模块数量众多时会占用大量的计算资源，因为子模块电容电压是MMC内部特性，采用最 近电平逼近算法，对MMC的外特性影响不大。
图2中主控部分的计算不会占用太多的仿真计算资源。首先根据主控计算得到考虑双闭 环控制、负序电流抑制、环流抑制的桥臂参考电压，然后对桥臂参考电压进行离散化，得到 MMC交流侧等效电压源控制量。
通过下式确定模块化多电平换流器模型交流侧等效电压源控制量：
式中，VsmN为子模块电压额定值，vjp为j相上桥臂参考电压，vjn为j相下桥臂参考电压， ujp为离散化后的j相上桥臂参考电压，ujn为离散化后的j相下桥臂参考电压，round()为取 整数函数。
其中，通过下式确定模块化多电平换流器桥臂参考电压：
式中，vjp为j相上桥臂参考电压，vjn为j相下桥臂参考电压，vdc为直流电压，v+j为双闭 环控制生成的j相参考电压，v-j为负序电流抑制产生的j相参考电压，vcirj为环流抑制产生 的j相参考电压，j＝a,b,c。
采用直流侧可控电流源模拟模块化多电平换流器直流侧外部特性，确定所述模块化多电 平换流器模型直流侧可控电流源控制量包括：针对直流侧等效电路，采用等效电抗和等效电 容模拟可控电压源等效模块的桥臂；
当不考虑损耗时，直流侧可控电流源的控制量等于交流侧等效电压源控制量；
当考虑损耗时，直流侧可控电流源的控制量等于交流侧等效电压源控制量加上交流侧等 效电抗串联的电阻阻值。
具体来说，即不考虑模块化多电平换流器损耗时，根据功率守恒原理，根据模块化多电 平换流器交直流侧的功率一致性MMC交流侧输入功率等于直流侧输出功率，因此可以根据 整体等效模型中MMC交直流侧功率相等来计算直流侧可控电流源的控制量。反之考虑MMC 损耗时，则通过增加与交流侧等效电抗串联的电阻模拟模块化多电平换流器损耗。
通过下式确定直流侧可控电流源的控制量：
其中，uj为交流侧j相电压，ij为交流侧j相电流，vdc为直流侧电压，ieq为直流侧可控 电流源控制量。
同时，预先建立的模块化多电平换流器模型还包括模块化多电平换流器模型主电路参数 的计算；
MMC模型主电路如图3所示，对交流侧等效电路而言，正常工作的MMC每个桥臂由 N个子模块构成，每个子模块包括投入状态单元、切除状态单或闭锁状态单元；
所述状态单元、切除状态单和闭锁状态单元分别用于表示子模块处于投入、切除和闭锁 状态；
每个桥臂投入或者切除的子模块个数由控制系统决定，不同的桥臂子模块状态对应不同 的桥臂输出电压；
每个MMC桥臂通过可控电压源等效，等效电流源idc模拟了直流电流流经桥臂的运行状 态。
对直流侧等效电路而言，直流电流从直流侧流入MMC后流经桥臂子模块电容以及桥臂 电抗，因此可以用图3的等效电抗Leq和等效电容Ceq模拟上述过程，交流侧电压电流的影响 则用等效电流源ieq模拟。
设MMC三个相单元完全对称，直流电流流过的电抗可以用三个相单元的电抗并联等效， 而每个相单元的电抗为2Larm，则等效电抗为2Larm/3。
直流电流流过的电容可以用三个相单元的电容并联等效，而每个相单元的电容为2Csm/N，因此等效电容为6Csm/N。
其中，通过下式确定模块化多电平换流器模型主电路参数：
式中，Leq为直流侧等效电抗，Larm为桥臂电抗，Ceq为直流侧等效电容，Csm为子模块电容，N为模块化多电平换流器桥臂中的子模块个数。
基于上述发明构思，本实施例中还提供了一种柔性直流输电装置的仿真系统，包括：
获取模块，用于获取桥臂电抗电压、子模块电容和桥臂中的子模块数目；
仿真模块，用于基于预先建立的模块化多电平换流器模型，对柔性直流输电装置进行仿 真，获得柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运行特性。
仿真模块，包括：
构建单元，用于通过主电路参数、交流侧等效电压源控制量和直流侧可控电流源控制量 进行构建模块化多电平换流器模型。
构建单元，包括：
计算子单元，用于计算直流侧等效电抗和直流侧等效电容；
第一确定子单元，用于采用交流侧可控电压源模拟模块化多电平换流器交流侧外部特性， 确定所述模块化多电平换流器模型交流侧等效电压源控制量；
第二确定子单元，用于采用直流侧可控电流源模拟模块化多电平换流器直流侧外部特性， 确定所述模块化多电平换流器模型直流侧可控电流源控制量。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。 因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的 形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储 介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/ 或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/ 或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令 到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个 机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程 图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工 作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制 造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指 定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或 其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编 程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多 个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制， 尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领 域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换， 这些变更、修改或者等同替换，其均在其申请待批的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种柔性直流输电装置的仿真方法，其特征在于，所述方法包括：
获取桥臂电抗电压、子模块电容和桥臂中的子模块数目；
基于所述桥臂电抗、子模块电容和桥臂中的子模块数目和预先建立的模块化多电平换流器模型，对柔性直流输电装置进行仿真，获得柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运行特性；
所述预先建立的模块化多电平换流器模型通过主电路参数、交流侧等效电压源控制量和直流侧可控电流源控制量进行构建。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预先建立的模块化多电平换流器模型通过主电路参数、交流侧等效电压源控制量和直流侧可控电流源控制量进行构建包括：
计算主电路参数，所述主电路参数的计算包括：计算直流侧等效电抗和直流侧等效电容；
确定交流侧等效电压源控制量，所述交流侧等效电压源控制量的确定包括：采用交流侧可控电压源模拟模块化多电平换流器交流侧外部特性，确定所述模块化多电平换流器模型交流侧等效电压源控制量；
确定直流侧可控电流源控制量，所述直流侧可控电流源控制量的确定包括：采用直流侧可控电流源模拟模块化多电平换流器直流侧外部特性，确定所述模块化多电平换流器模型直流侧可控电流源控制量。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用交流侧可控电压源模拟模块化多电平换流器交流侧外部特性包括：针对交流侧等效电路，采用可控电压源等效模块化多电平换流器桥臂。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述模块化多电平换流器模型交流侧等效电压源控制量由下式确定：
其中，VsmN为子模块电压额定值，vjp为j相上桥臂参考电压，vjn为j相下桥臂参考电压，ujp为离散化后的j相上桥臂参考电压，ujn为离散化后的j相下桥臂参考电压，round() 为取整数函数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述上桥臂参考电压vjp和下桥臂参考电压vjn由下式确定：
其中，vdc为直流电压，v+j为双闭环控制生成的j相参考电压，v-j为负序电流抑制产生的j相参考电压，vcirj为环流抑制产生的j相参考电压，j＝a,b,c；a,b,c分别表示模块化多电平换流器三相桥臂的三相。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用直流侧可控电流源模拟模块化多电平换流器直流侧外部特性，确定所述模块化多电平换流器模型直流侧可控电流源控制量包括：针对直流侧等效电路，采用等效电抗和等效电容模拟可控电压源等效模块的桥臂；
当不考虑损耗时，直流侧可控电流源的控制量等于交流侧等效电压源控制量；
当考虑损耗时，直流侧可控电流源的控制量等于交流侧等效电压源控制量加上交流侧等效电抗串联的电阻阻值。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述模块化多电平换流器模型直流侧可控电流源的控制量由下式确定：
其中，uj为交流侧j相电压，ij为交流侧j相电流，vdc为直流侧电压，ieq为直流侧可控电流源控制量。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述主电路参数的计算式如下；
其中，Leq为直流侧等效电抗，Larm为桥臂电抗，Ceq为直流侧等效电容，Csm为子模块电容，N为模块化多电平换流器桥臂中的子模块个数。
9.一种柔性直流输电装置的仿真系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取桥臂电抗电压、子模块电容和桥臂中的子模块数目；
仿真模块，用于基于预先建立的模块化多电平换流器模型，对柔性直流输电装置进行仿真，获得柔性直流及直流电网不同工况下的机电暂态运行特性。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述仿真模块，包括：
构建单元，用于通过主电路参数、交流侧等效电压源控制量和直流侧可控电流源控制量进行构建模块化多电平换流器模型。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述构建单元，包括：
计算子单元，用于计算直流侧等效电抗和直流侧等效电容；
第一确定子单元，用于采用交流侧可控电压源模拟模块化多电平换流器交流侧外部特性，确定所述模块化多电平换流器模型交流侧等效电压源控制量；
第二确定子单元，用于采用直流侧可控电流源模拟模块化多电平换流器直流侧外部特性，确定所述模块化多电平换流器模型直流侧可控电流源控制量。
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