CN110620394B - 一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法，该方法包括步骤：获取初始化后的仿真系统；获取当前子模块电压和当前投入子模块；当控制元件解锁时，获取预设的仿真步长内的桥臂电流，计算得到子模块电压增量；根据计算得到子模块新电压，对子模块进行排序，得到排序结果；计算得到桥臂参考电压；确定要投入的子模块数；根据排序结果和子模块数，确定新投入子模块；将子模块新电压和新投入子模块分别作为下一个仿真步长中的当前子模块电压和当前投入子模块；当运行稳定后，获取每一桥臂投入的最终子模块电压之和，得到控制元件的输入电压。本发明大大简化了仿真系统的电气连接，并降低物理连接的数量级和计算复杂度。

Description

一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法

技术领域

本发明涉及输配电技术领域，尤其涉及一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法。

背景技术

柔性直流输电技术的成熟，催生了越来越多的柔性直流工程落地建设，不管是远距离、大容量跨区输电，还是远海岸风电并网，电网都越来越多的选择柔性直流输电方式。而模块化多电平换流器(Modular Multilevel MMC)作为柔性直流输电的核心设备，在工程设计中必须进行全面的仿真研究与验证，因此模块化多电平换流器的仿真具有不可取代和无法忽视的作用。

在MMC换流器的仿真建模时总体思路基本上都是根据单个子模块内部和外部电气特性，将每个换流器桥臂级联的大量子模块进行聚合，从而构造出十分复杂的子模块聚合模型。子模块聚合模型虽然能够比较精确的实现换流器的仿真，却大大增加了编程设计和数学建模的难度。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法，以一个控制元件等效桥臂级联的子模块，大大简化了仿真系统的电气连接，并降低物理连接的数量级和计算复杂度。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法，包括以下步骤：

获取初始化后的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统；其中，所述仿真系统中每一相的桥臂为一个控制元件，所述控制元件由一个第一绝缘栅双极型晶体管反向并联一个第二绝缘栅双极型晶体管和一个受控电压源构成；其中，所述第二绝缘栅双极型晶体管与所述受控电压源串联，每一个所述控制元件内虚拟设置若干个子模块；

获取所述控制元件中当前子模块电压和当前投入子模块；

判断所述控制元件是否闭锁，当所述控制元件处于非闭锁状态时，获取所述仿真系统中在预设的仿真步长内的桥臂电流，计算得到所述仿真步长内的子模块电压增量；

根据所述当前子模块电压和所述子模块电压增量，得到子模块新电压，并按照预设的排序原则对所述子模块进行排序，得到所述子模块新电压与所述子模块一一对应的排序结果；

获取所述仿真系统中的直流电压和三相交流电压，计算得到每一相的桥臂参考电压；

根据额定子模块数量、所述直流电压、所述桥臂参考电压，得到对应的桥臂要投入的子模块数；

根据所述排序结果和所述子模块数，确定新投入子模块；

将所述子模块新电压和所述新投入子模块分别作为下一个仿真步长中的所述当前子模块电压和所述当前投入子模块；

当所述仿真系统运行稳定后，获取最终投入子模块和最终子模块电压；

根据每一相的所述桥臂的所述最终子模块电压之和，得到该桥臂对应的所述控制元件的输入电压。

优选地，所述控制元件的约束条件为预设一个关断的闭锁信号和一个导通的解锁信号，控制所述第一绝缘栅双极型晶体管的输入信号为所述闭锁信号，控制所述第二绝缘栅双极型晶体管的输入信号为所述闭锁信号或者所述解锁信号，所述受控电压源的输出电压等于所述控制元件的输入电压。

优选地，在判断所述控制元件是否闭锁之前，所述方法还包括：

判断所述当前子模块电压之和是否满足正常运行条件，若否，则执行子模块的电压幅值限制；若是，则在桥臂电流的方向为正时，更新子模块的电压，执行子模块的电压幅值限制。

优选地，所述方法还包括：

当所述控制元件处于闭锁状态时，判断所述桥臂电流的方向是否为正，在所述桥臂电流的方向为正的情况下，更新子模块的电压，并执行子模块电压幅值限制。

优选地，所述当所述控制元件处于非闭锁状态时，获取所述仿真系统中在预设的仿真步长内的桥臂电流，计算得到所述仿真步长内的子模块电压增量，具体包括：

当所述控制元件处于非闭锁状态时，通过电流互感器测量所述仿真系统中的每一相的桥臂在预设的仿真步长内的桥臂电流；

通过

计算得到所述仿真步长内的子模块电压增量；其中，T_s为预设的仿真步长，Δu_cap((n+1)T_s)为t＝(n+1)T_s时刻的子模块电压增量，i_arm为桥臂电流，C₀为子模块初始电容。

优选地，所述根据所述当前子模块电压和所述子模块电压增量，得到子模块新电压，并按照预设的排序原则对所述子模块进行排序，得到所述子模块新电压与所述子模块一一对应的排序结果，具体包括：

根据所述当前子模块电压与所述子模块电压增量之和，得到子模块新电压；

当所述桥臂电流的方向为正时，根据每一个子模块的子模块新电压的升序对所述子模块进行排序，得到所述子模块新电压与所述子模块一一对应的排序结果；

当所述桥臂电流的方向为负时，根据每一个子模块的子模块新电压的降序对所述子模块进行排序，得到所述子模块新电压与所述子模块一一对应的排序结果。

优选地，所述获取所述仿真系统中的直流电压和三相交流电压，计算得到每一相的桥臂参考电压，具体包括：

根据测量获取所述仿真系统中的直流电压和三相交流电压；

根据公式

对所述三相交流电压进行派克变换，得到变换后的d轴电压分量和q轴电压分量；其中，u_d、u_q为派克变换后的d轴电压分量和q轴电压分量，T_3s/2r为派克变换，u_a、u_b、u_c为经过测量得到的所述换流器与交流电网公共连接点的三相交流电压，θ为锁相环输出电网相角。

根据

得到d轴参考电流和q轴参考电流；其中，i_d*、i_q*分别为d轴参考电流和q轴参考电流，P*、Q*分别为初始化时的有功功率指令值和无功功率指令值；

根据

得到d轴参考电压和q轴参考电压；其中，i_d、i_q为所述换流器与所述交流电网公共连接点的三相电流经过派克变换后得到的d轴电流分量和q轴电流分量，e_d、e_q为所述换流器的桥臂中点三相输出电压e_a、e_b、e_c经过派克变换后得到的d轴电压分量和q轴电压分量，ω为电网角频率，L为桥臂电抗，k_dp、k_di、k_qp、k_qi分别为d轴比例参数、d轴积分参数、q轴比例参数、q轴积分参数；

根据

得到所述换流器每一相的桥臂参考电压；其中，u_{k_arm_i}为所述换流器中某一相某一桥臂的桥臂参考电压，k＝a,b,c；i＝p,n，p表示上桥臂，n表示下桥臂，u_dc为测量的所述直流电压。

优选地，所述根据额定子模块数量、所述直流电压、所述桥臂参考电压，得到对应的桥臂要投入的子模块数，具体包括：

根据得到的额定子模块数量、所述直流电压和所述桥臂参考电压，结合公式

得到对应的桥臂要投入的子模块数；其中，n_{k_i}为所述换流器某一相的某一桥臂需要投入的子模块数，round()为就近取整函数，N为初始化时设定的每个桥臂的额定子模块数。

优选地，所述根据所述排序结果和所述子模块数，确定新投入子模块，具体包括：

获取所述仿真系统的所述闭锁信号和所述解锁信号，根据所述排序结果和所述子模块数，确定所述仿真系统的触发信号；

根据所述触发信号，确定新投入子模块。

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法，通过用一个控制元件等效为半桥子模块型MMC换流器每个桥臂级联的N个子模块，大大简化了仿真系统的电气连接，并降低物理连接的数量级和计算复杂度，在保证仿真研究正确性的前提下，有效地提高仿真效率和可操作性。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法的流程示意图。

图2是是本发明一实施例提供的一种半桥型子模块级联的MMC换流器的拓扑结构示意图。

图3是本发明一实施例提供的一种等效于半桥子模块型MMC换流器中每一个桥臂级联的N个子模块的控制元件的示意图。

图4是本发明一实施例提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合本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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法的流程示意图，所述方法包括步骤S1至步骤S10：

S1、获取初始化后的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统；其中，所述仿真系统中每一相的桥臂为一个控制元件，所述控制元件由一个第一绝缘栅双极型晶体管反向并联一个第二绝缘栅双极型晶体管和一个受控电压源构成；其中，所述第二绝缘栅双极型晶体管与所述受控电压源串联，每一个所述控制元件内虚拟设置若干个子模块；

S2、获取所述仿真系统中当前子模块电压和当前投入子模块；

S3、判断所述控制元件是否闭锁，当所述控制元件处于非闭锁状态时，获取所述仿真系统中在预设的仿真步长内的桥臂电流，计算得到所述仿真步长内的子模块电压增量；

S4、根据所述当前子模块电压和所述子模块电压增量，得到子模块新电压，并按照预设的排序原则对所述子模块进行排序，得到所述子模块新电压与所述子模块一一对应的排序结果；

S5、获取所述控制元件中的直流电压和三相交流电压，计算得到每一相的桥臂参考电压；

S6、根据额定子模块数量、所述直流电压、所述桥臂参考电压，得到对应的桥臂要投入的子模块数；

S7、根据所述排序结果和所述子模块数，确定新投入子模块；

S8、将所述子模块新电压和所述新投入子模块分别作为下一个仿真步长中的所述当前子模块电压和所述当前投入子模块；

S9、当所述仿真系统运行稳定后，获取最终投入子模块和最终子模块电压；

S10、根据每一相的所述桥臂的所述最终子模块电压之和，得到该桥臂对应的所述控制元件的输入电压。

需要说明的是，参见图2，是本发明实施例提供的一种半桥型子模块级联的MMC换流器的拓扑结构示意图。由图2可知，在不考虑冗余的前提下，MMC换流器的每一相的上桥臂、下桥臂均由N个子模块单元级联构成，每一个半桥子模块如图2中虚线框所示。一般情况下，每个半桥子模块的输出电压只有几千伏特，为了提高电压等级，在超高压和特高压柔性直流输电中，MMC换流器每一相的桥臂需要成百上千个子模块的电压叠加才能维持直流电压的稳定，所以N的取值一般很大。在仿真实验时，如果按照MMC换流器中子模块的实际电气连接逐个级联搭建模型，将由于数量巨大和仿真设备的性能限制而难以实现。

为了解决上述问题，降低仿真时的物理连接的数量级和计算复杂度，参见图3，是本发明实施例提供的一种等效于半桥子模块型MMC换流器中每一个桥臂级联的N个子模块的控制元件的示意图。参见图4，是本发明实施例提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，该仿真系统能实现控制元件对N个子模块功能和动态性能的模拟，并输出N+1电平阶梯波逼近正弦波。

本发明实施例提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法的具体步骤如下：

获取初始化后的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，具体参见图4。初始化主要为仿真系统的主电路参数和控制参数设置，包含系统仿真步长、控制周期、子模块电容初始值、额定直流电压，额定交流电压，系统频率、功率指令初始值、桥臂电抗器取值、解闭锁信号、额定子模块数量、内环控制器的比例积分控制参数等等。其中，仿真系统中每一相的桥臂为一个控制元件，控制元件由一个第一绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor,IGBT)反向并联一个第二绝缘栅双极型晶体管和一个受控电压源构成。其中，第二绝缘栅双极型晶体管与受控电压源串联，每一个控制元件内虚拟设置若干个子模块，具体参见图3，这是为了简化真实的MMC换流器中每一桥臂的N个子模块的电气连接，但控制逻辑上，相当于每一个控制元件内设置N个子模块，但子模块是虚拟的，由下面的控制步骤实现其功能。

获取控制元件中当前子模块电压和当前投入子模块。仿真系统的仿真目的之一是为了得到控制元件的输入电压，而输入电压又与当前子模块电压、当前投入子模块相关，所以要不断获取这两个数据，以尽快达到稳定，获得控制元件的输入电压。一般地，仿真系统的初始子模块电压为0和初始投入子模块为随机选择。

判断控制元件是否闭锁，当控制元件处于非闭锁状态时，获取仿真系统中在预设的仿真步长内的桥臂电流，计算得到仿真步长内的子模块电压增量。判断控制元件是否闭锁是因为不同的状态会对应不同的控制步骤，当控制元件处于非闭锁状态时，意味着控制元件投入使用，需要根据其使用状态进行调整。

根据当前子模块电压和子模块电压增量，得到子模块新电压，并按照预设的排序原则对子模块进行排序，得到子模块新电压与子模块一一对应的排序结果，排序的目的是为了确定下一次仿真步长投入的子模块。

获取仿真系统中的直流电压和三相交流电压，计算得到每一相的桥臂参考电压，这是为了确定每一相的桥臂投入的子模块数，计算依据主要为派克变换。

根据额定子模块数量、直流电压、桥臂参考电压，得到对应的桥臂要投入的子模块数。额定子模块数量由仿真系统初始化时预设，直流电压由测量得到，桥臂参考电压由上一步计算得到。

根据排序结果和子模块数，确定新投入子模块。假设子模块数为m，根据子模块数选取排序结果中前m个子模块在下一次仿真步长投入，从而确定投入的子模块。

将子模块新电压和新投入子模块分别作为下一个仿真步长中的当前子模块电压和当前投入子模块，这是为了形成闭环控制过程，也就是说，上面除了第一步，其他步骤都是一直循环更新的。

当仿真系统运行稳定后，获取最终投入子模块和最终子模块电压。一般地，仿真系统运行稳定的指标是，仿真系统输出的有功功率等于预设的有功功率，无功功率等于预设的无功功率。如果出现初始数值设置不合理的情况，则仿真系统会运行到预设的仿真时间结束为止。

根据每一相的桥臂的最终投入子模块，获取对应的最终子模块电压，再将这些最终子模块电压进行相加，得到的和为该桥臂对应的控制元件的输入电压。

本发明实施例提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法，通过用一个控制元件等效为半桥子模块型MMC换流器每个桥臂级联的N个子模块，大大简化了仿真系统的电气连接，并降低物理连接的数量级和计算复杂度，在保证仿真研究正确性的前提下，有效地提高仿真效率和可操作性。

作为上述方案的改进，所述控制元件的约束条件为预设一个关断的闭锁信号和一个导通的解锁信号，控制所述第一绝缘栅双极型晶体管的输入信号为所述闭锁信号，控制所述第二绝缘栅双极型晶体管的输入信号为所述闭锁信号或者所述解锁信号，所述受控电压源的输出电压等于所述控制元件的输入电压

具体地，控制元件的约束条件为预设一个关断的闭锁信号和一个导通的解锁信号，一般地，闭锁信号为0，解锁信号为1。控制第一绝缘栅双极型晶体管T₁的输入信号S₁为闭锁信号，也就是说第一绝缘栅双极型晶体管T₁被永久关断，在特殊工况需要旁路桥臂时才能触发其导通，此时，控制元件的输出电压被旁路。控制第二绝缘栅双极型晶体管T₂的输入信号S₂为闭锁信号或者解锁信号，即第二绝缘栅双极型晶体管T₂按照不同工况关断或导通。当第二绝缘栅双极型晶体管T₂导通时，受控电压源的输出电压等于控制元件的输入电压，参见图3，即u_out＝u_in，其中，u_out为受控电压源的输出电压，u_in为控制元件的输入电压。当T₂导通时，整个桥臂处于解锁状态，当T₂关断时，整个桥臂处于闭锁状态。因此，当桥臂解锁后，桥臂输出电压取决于控制元件的输入电压u_in。

作为上述方案的改进，在判断所述控制元件是否闭锁之前，所述方法还包括：

判断所述当前子模块电压是否满足正常运行条件，若否，则执行子模块的电压幅值限制；若是，则在桥臂电流的方向为正时，更新子模块的电压，执行子模块的电压幅值限制。

具体地，判断当前子模块电压之和是否满足正常运行条件，一般地，判断当前子模块电压之和是否正常，主要看当前子模块电压总和是否在额定直流电压的预设范围内，预设范围可为75％～125％或者80％～120％，如果判断当前子模块电压总和在这个范围内，则是正常运行，否则为不正常运行。若当前子模块电压之和不满足正常运行条件，则执行子模块的电压幅值限制。若当前子模块电压之和满足正常运行条件，则在桥臂电流的方向为正时，更新子模块的电压，执行子模块的电压幅值限制。需要说明的是，桥臂电流的正方向是人为规定的，在图4中指的是向下。更新子模块的电压同样要求得子模块电压增量，再叠加当前子模块电压得到，而且针对的是每一个子模块。子模块的电压幅值限制指的是要求子模块电压处于一定范围内，一般不能高于额定值的150％，如果超出规定的这个极值，就限制子模块电压值在极值处，不能再增加。

作为上述方案的改进，所述方法还包括：

当所述控制元件处于闭锁状态时，判断所述桥臂电流的方向是否为正，在所述桥臂电流的方向为正的情况下，更新子模块的电压，并执行子模块电压幅值限制。

具体地，当所述控制元件处于闭锁状态时，判断桥臂电流的方向是否为正，在桥臂电流的方向为正的情况下，更新子模块的电压，并执行子模块电压幅值限制。所以，当所述控制元件处于闭锁状态时，执行步骤跟当前子模块电压之和满足正常运行条件时的执行步骤是一样的。

作为上述方案的改进，所述当所述控制元件处于非闭锁状态时，获取所述仿真系统中在预设的仿真步长内的桥臂电流，计算得到所述仿真步长内的子模块电压增量，具体包括：

当所述控制元件处于非闭锁状态时，通过电流互感器测量所述仿真系统中的每一相的桥臂在预设的仿真步长内的桥臂电流；

通过

计算得到所述仿真步长内的子模块电压增量；其中，T_s为预设的仿真步长，Δu_cap((n+1)T_s)为t＝(n+1)T_s时刻的子模块电压增量，i_arm为桥臂电流，C₀为子模块初始电容。

具体地，当控制元件处于非闭锁状态时，即控制元件投入使用，也就是说有电流通过，就能通过电流互感器测量通过的电流，同样的方法得到其他控制元件的电流，也就可以得到仿真系统中的每一相的桥臂在预设的仿真步长内的桥臂电流。

通过

计算得到仿真步长内的子模块电压增量，即根据前一个仿真步长积分累积的电荷变化量求解子模块电压的变化量后，将其作为下一个仿真步长初始时刻的子模块电压增量，以反映子模块电压的之前的变化情况。其中，T_s为预设的仿真步长，Δu_cap((n+1)T_s)为t＝(n+1)T_s时刻的子模块电压增量，i_arm为桥臂电流，C₀为子模块初始电容，该值是在仿真系统初始化时预设的。

作为上述方案的改进，所述根据所述当前子模块电压和所述子模块电压增量，得到子模块新电压，并按照预设的排序原则对所述子模块进行排序，得到所述子模块新电压与所述子模块一一对应的排序结果，具体包括：

根据所述当前子模块电压与所述子模块电压增量之和，得到子模块新电压；

当所述桥臂电流的方向为正时，根据每一个子模块的子模块新电压的升序对所述子模块进行排序，得到所述子模块新电压与所述子模块一一对应的排序结果；

当所述桥臂电流的方向为负时，根据每一个子模块的子模块新电压的降序对所述子模块进行排序，得到所述子模块新电压与所述子模块一一对应的排序结果。

具体地，根据当前子模块电压与子模块电压增量之和，得到子模块新电压，也就是下一个仿真步长初始时刻的子模块电压。

当桥臂电流的方向为正时，根据每一个子模块的子模块新电压的升序对子模块进行排序，得到子模块新电压与子模块一一对应的排序结果。当桥臂电流的方向为负时，根据每一个子模块的子模块新电压的降序对子模块进行排序，得到子模块新电压与子模块一一对应的排序结果。这两种排序结果是一致的，只不过桥臂电流方向不同时，要选择不同的排序逻辑，都是为了得到子模块电压值从低到高的子模块排序结果。

作为上述方案的改进，所述获取所述仿真系统中的直流电压和三相交流电压，计算得到每一相的桥臂参考电压，具体包括：

根据测量获取所述仿真系统中的直流电压和三相交流电压；

根据公式

对所述三相交流电压进行派克变换，得到变换后的d轴电压分量和q轴电压分量；其中，u_d、u_q为派克变换后的d轴电压分量和q轴电压分量，T_3s/2r为派克变换，u_a、u_b、u_c为经过测量得到的所述换流器与交流电网公共连接点的三相交流电压，θ为锁相环输出电网相角。

根据

得到d轴参考电流和q轴参考电流；其中，i_d*、i_q*分别为d轴参考电流和q轴参考电流，P*、Q*分别为初始化时的有功功率指令值和无功功率指令值；

根据

得到d轴参考电压和q轴参考电压；其中，i_d、i_q为所述换流器与所述交流电网公共连接点的三相电流经过派克变换后得到的d轴电流分量和q轴电流分量，e_d、e_q为所述换流器的桥臂中点三相输出电压e_a、e_b、e_c经过派克变换后得到的d轴电压分量和q轴电压分量，ω为电网角频率，L为桥臂电抗，k_dp、k_di、k_qp、k_qi分别为d轴比例参数、d轴积分参数、q轴比例参数、q轴积分参数；

根据

得到所述换流器每一相的桥臂参考电压；其中，u_{k_arm_i}为所述换流器中某一相某一桥臂的桥臂参考电压，k＝a,b,c；i＝p,n，p表示上桥臂，n表示下桥臂，u_dc为测量的所述直流电压。

需要说明的是，如图4所示，i_dcp和i_dcn分别表示仿真系统的直流母线正极电流和负极电流，u_dc为直流侧的直流电压，e_a、e_b、e_c表示仿真系统在桥臂中点三相输出的电压，R_s、L_s为电网等效阻抗,u_sabc为电网电压。此外，图中还有一个共同连接点，此处也能输出三相交流电压u_a、u_b、u_c，但不同于e_a、e_b、e_c。

具体地，根据测量获取仿真系统中的直流电压u_dc和三相交流电压u_a、u_b、u_c。

根据公式

对三相交流电压进行派克变换，得到变换后的d轴电压分量和q轴电压分量；其中，u_d、u_q为派克变换后的d轴电压分量和q轴电压分量，T_3s/2r为派克变换，u_a、u_b、u_c为经过测量得到的换流器与交流电网公共连接点的三相交流电压，θ为锁相环输出电网相角。同样地，获取换流器与交流电网公共连接点的三相交流电流i_a、i_b、i_c，根据

得到派克变换后的d轴电流分量和q轴电流分量。获取换流器的桥臂中点三相输出电压e_a、e_b、e_c，根据

得到其派克变换后的d轴电压分量和q轴电压分量。

根据

得到d轴参考电流和q轴参考电流；其中，i_d*、i_q*分别为d轴参考电流和q轴参考电流，i_d*、i_q*为外环控制器的输出，同时也是电流内环控制器的输入。P*、Q*分别为初始化时的有功功率指令值和无功功率指令值。内环控制器和外环控制器一般均采用比例积分控制环节，而双比例积分控制一定程度上增加了仿真系统的参数设计难度。为了减少参数的数量，并降低参数调节带来的难度，此处直接利用功率指令求取运行时的d轴参考电流和q轴参考电流作为内环电流控制器的输入。

根据

得到d轴参考电压和q轴参考电压；其中，i_d、i_q为换流器与交流电网公共连接点的三相电流经过派克变换后得到的d轴电流分量和q轴电流分量，e_d、e_q为换流器的桥臂中点三相输出电压e_a、e_b、e_c经过派克变换后得到的d轴电压分量和q轴电压分量，ω为电网角频率，L为桥臂电抗，k_dp、k_di、k_qp、k_qi分别为d轴比例参数、d轴积分参数、q轴比例参数、q轴积分参数，这几个数均由仿真系统初始化时进行预设。在实际运行工况中，当交流电网发生不对称故障时，虽然换流变压器阀侧采用三角形联结能够阻断零序分量通路，但电流仍然有负序分量存在，这会在一定程度影响系统的安全稳定运行，此时可以将正、负序分量进行分离控制，控制模式与这一分步骤的公式一致，但是电网角频率ω要取负值。

根据

得到换流器每一相的桥臂参考电压；其中，u_{k_arm_i}为换流器中某一相某一桥臂的桥臂参考电压，k＝a,b,c；i＝p,n，p表示上桥臂，n表示下桥臂，u_dc为测量的直流电压。

作为上述方案的改进，所述根据额定子模块数量、所述直流电压、所述桥臂参考电压，得到对应的桥臂要投入的子模块数，具体包括：

根据得到的额定子模块数量、所述直流电压和所述桥臂参考电压，结合公式

得到对应的桥臂要投入的子模块数；其中，n_{k_i}为所述换流器某一相的某一桥臂需要投入的子模块数，round()为就近取整函数，N为初始化时设定的每个桥臂的额定子模块数。

具体地，根据得到的额定子模块数量、直流电压和桥臂参考电压，结合公式

得到对应的桥臂要投入的子模块数。其中，n_{k_i}为换流器某一相的某一桥臂需要投入的子模块数，round()为就近取整函数，N为初始化时设定的每个桥臂的额定子模块数，对应每一相有2N个子模块，但任何时刻每一相触发的子模块数量都是N，每个桥臂选多少个子模块公式计算得到。额定子模块数量由仿真系统初始化时预设，直流电压由测量得到，桥臂参考电压由上一实施例计算得到。

作为上述方案的改进，所述根据所述排序结果和所述子模块数，确定新投入子模块，具体包括：

获取所述仿真系统的所述闭锁信号和所述解锁信号，根据所述排序结果和所述子模块数，确定所述仿真系统的触发信号；

根据所述触发信号，确定新投入子模块。

具体地，获取仿真系统的闭锁信号和解锁信号，根据排序结果和子模块数，确定仿真系统的触发信号，也就是说，根据排序结果和子模块数确定每一个子模块对应的触发信号是闭锁信号还是解锁信号，从而得到一个对应控制元件的完整的触发信号，实质是闭锁信号和解锁信号组成的序列。

根据触发信号，该触发信号指的是对应控制元件的完整的触发信号，从而确定控制元件对应的新投入子模块。

综上，本发明实施例所提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法，通过用一个由2个IGBT和1个受控电压源组成的控制元件等效为半桥子模块型MMC换流器每个桥臂级联的N个子模块，大大简化了仿真系统的电气连接，并降低物理连接的数量级和计算复杂度，在保证仿真研究正确性的前提下，有效地提高仿真效率和可操作性。因为大部分仿真研究不需要关心子模块内部情况，所以本发明没有进行内部建模，只关注其输入输出特性，并设计了相应的控制流程和控制方法，达到了同样能够满足模拟数量庞大的子模块的仿真运行的目的，且较大程度降低了编程设计和数学建模的难度与要求。在控制流程的实现过程中，不同于其他内外环控制方法，本发明的外环控制采用直接功率计算方法，内环控制采用比例积分控制，减少了设计参数数量，避免了常规双比例积分控制带来的参数设计难度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取初始化后的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统；其中，所述仿真系统中每一相的桥臂为一个控制元件，所述控制元件由一个第一绝缘栅双极型晶体管反向并联一个第二绝缘栅双极型晶体管和一个受控电压源构成；其中，所述第二绝缘栅双极型晶体管与所述受控电压源串联，每一个所述控制元件内虚拟设置若干个子模块；

获取所述控制元件中当前子模块电压和当前投入子模块；

判断所述控制元件是否闭锁，当所述控制元件处于非闭锁状态时，获取所述仿真系统中在预设的仿真步长内的桥臂电流，计算得到所述仿真步长内的子模块电压增量；

根据所述当前子模块电压和所述子模块电压增量，得到子模块新电压，并按照预设的排序原则对所述子模块进行排序，得到所述子模块新电压与所述子模块一一对应的排序结果；

获取所述仿真系统中的直流电压和三相交流电压，计算得到每一相的桥臂参考电压；

根据额定子模块数量、所述直流电压、所述桥臂参考电压，得到对应的桥臂要投入的子模块数；

根据所述排序结果和所述子模块数，确定新投入子模块；

将所述子模块新电压和所述新投入子模块分别作为下一个仿真步长中的所述当前子模块电压和所述当前投入子模块；

当所述仿真系统运行稳定后，获取最终投入子模块和最终子模块电压；

根据每一相的所述桥臂的所述最终子模块电压之和，得到该桥臂对应的所述控制元件的输入电压；

其中，所述当所述控制元件处于非闭锁状态时，获取所述仿真系统中在预设的仿真步长内的桥臂电流，计算得到所述仿真步长内的子模块电压增量，具体包括：

当所述控制元件处于非闭锁状态时，通过电流互感器测量所述仿真系统中的每一相的桥臂在预设的仿真步长内的桥臂电流；

通过

计算得到所述仿真步长内的子模块电压增量；其中，T_s为预设的仿真步长，Δu_cap((n+1)T_s)为t＝(n+1)T_s时刻的子模块电压增量，i_arm为桥臂电流，C₀为子模块初始电容；

所述获取所述仿真系统中的直流电压和三相交流电压，计算得到每一相的桥臂参考电压，具体包括：

根据测量获取所述仿真系统中的直流电压和三相交流电压；

根据公式

对所述三相交流电压进行派克变换，得到变换后的d轴电压分量和q轴电压分量；其中，u_d、u_q为派克变换后的d轴电压分量和q轴电压分量，T_3s/2r为派克变换，u_a、u_b、u_c为经过测量得到的所述换流器与交流电网公共连接点的三相交流电压，θ为锁相环输出电网相角；

根据

得到d轴参考电流和q轴参考电流；其中，i_d ^*、i_q ^*分别为d轴参考电流和q轴参考电流，P^*、Q^*分别为初始化时的有功功率指令值和无功功率指令值；

根据

得到d轴参考电压和q轴参考电压；其中，i_d、i_q为所述换流器与所述交流电网公共连接点的三相电流经过派克变换后得到的d轴电流分量和q轴电流分量，e_d、e_q为所述换流器的桥臂中点三相输出电压e_a、e_b、e_c经过派克变换后得到的d轴电压分量和q轴电压分量，ω为电网角频率，L为桥臂电抗，k_dp、k_di、k_qp、k_qi分别为d轴比例参数、d轴积分参数、q轴比例参数、q轴积分参数；

根据

得到所述换流器每一相的桥臂参考电压；其中，u_{k_arm_i}为所述换流器中某一相某一桥臂的桥臂参考电压，k＝a,b,c；i＝p,n，p表示上桥臂，n表示下桥臂，u_dc为测量的所述直流电压；

所述根据额定子模块数量、所述直流电压、所述桥臂参考电压，得到对应的桥臂要投入的子模块数，具体包括：

根据得到的额定子模块数量、所述直流电压和所述桥臂参考电压，结合公式

得到对应的桥臂要投入的子模块数；其中，n_{k_i}为所述换流器某一相的某一桥臂需要投入的子模块数，round()为就近取整函数，N为初始化时设定的每个桥臂的额定子模块数。

2.如权利要求1所述的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法，其特征在于，所述控制元件的约束条件为预设一个关断的闭锁信号和一个导通的解锁信号，控制所述第一绝缘栅双极型晶体管的输入信号为所述闭锁信号，控制所述第二绝缘栅双极型晶体管的输入信号为所述闭锁信号或者所述解锁信号，所述受控电压源的输出电压等于所述控制元件的输入电压。

3.如权利要求1所述的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法，其特征在于，在判断所述控制元件是否闭锁之前，所述方法还包括：

判断所述当前子模块电压之和是否满足正常运行条件，若否，则执行子模块的电压幅值限制；若是，则在桥臂电流的方向为正时，更新子模块的电压，执行子模块的电压幅值限制。

4.如权利要求3所述的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述控制元件处于闭锁状态时，判断所述桥臂电流的方向是否为正，在所述桥臂电流的方向为正的情况下，更新子模块的电压，并执行子模块电压幅值限制。

5.如权利要求1所述的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法，其特征在于，所述根据所述当前子模块电压和所述子模块电压增量，得到子模块新电压，并按照预设的排序原则对所述子模块进行排序，得到所述子模块新电压与所述子模块一一对应的排序结果，具体包括：

根据所述当前子模块电压与所述子模块电压增量之和，得到子模块新电压；

当所述桥臂电流的方向为正时，根据每一个子模块的子模块新电压的升序对所述子模块进行排序，得到所述子模块新电压与所述子模块一一对应的排序结果；

当所述桥臂电流的方向为负时，根据每一个子模块的子模块新电压的降序对所述子模块进行排序，得到所述子模块新电压与所述子模块一一对应的排序结果。

6.如权利要求2所述的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真控制方法，其特征在于，所述根据所述排序结果和所述子模块数，确定新投入子模块，具体包括：

获取所述仿真系统的所述闭锁信号和所述解锁信号，根据所述排序结果和所述子模块数，确定所述仿真系统的触发信号；

根据所述触发信号，确定新投入子模块。

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