CN111628517B - 一种模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法及装置 - Google Patents

一种模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法及装置，该方法包括：获取柔性直流输电系统的运行工况信息；利用运行工况信息及换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型；利用换流器的各控制模块桥臂调制信号的小信号分量，建立控制级小信号模型；利用功率级模型、控制级小信号模型和各控制模块的各电气量，计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗。本发明通过将模块化多电平换流器的交直流侧小信号阻抗模型集成到一起，可直接用于模块化柔直系统的谐振和小信号稳定分析，不需要再通过计算机仿真来测取模块化柔直换流器的外部小信号阻抗，降低了计算的复杂度，极大地节省了模块化柔直系统小信号稳定性分析的时间，提升了设计效率。

Description

一种模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法及装置
技术领域
本发明涉及柔性直流输电领域，具体涉及一种模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法及装置。
背景技术
柔性直流是提升可再生能源接纳能力、支撑能源转型所迫切需要的前沿技术。欧洲基于该技术制订了横跨欧洲和北非的“超级电网”规划，计划建设上百个柔性直流工程。由于高度电力电子化的特性，柔性直流输电工程极易发生谐振，小信号阻抗分析是一种分析柔性直流输电工程谐振的有效工具，其中关键的一步是获取柔直换流器的外部小信号阻抗特性。
目前获取模块化多电平换流器小信号阻抗的主要方式是扫频法，该方法基于电磁暂态仿真软件通过外加不同频率扰动的方式对模块化多电平换流器的外部阻抗特性进行逐点测量，但该方法由于需要大量的电磁暂态仿真导致其十分耗费计算资源和时间。同时，现有的计算方法未能将交流侧阻抗和直流侧阻抗的计算统一起来，因此在计算模块化多电平换流器交直流侧阻抗曲线时需要分两次进行，增加了算法的复杂度。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法及装置，解决现有技术中计算模块化多电平换流器交直流侧阻抗时，计算复杂度高、耗费计算资源和时间的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法，包括如下步骤：获取柔性直流输电系统的运行工况信息；利用所述运行工况信息及换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型；利用所述换流器的各控制模块桥臂调制信号的小信号分量，建立控制级小信号模型；利用所述功率级模型、所述控制级小信号模型和所述各控制模块的各电气量，计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗。
在一实施例中，所述利用所述运行工况信息及换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型，包括如下步骤：利用所述运行工况信息和所述换流器的电路拓扑结构，得到稳态运行时换流器内部各电气量间的关系；对所述各电气量间的关系进行频域变换，得到功率级稳态模型；利用各所述电气量和桥臂调制信号的小信号分量，对所述功率级稳态模型进行小信号处理得到功率级小信号模型，所述功率级稳态模型和所述功率级小信号模型构成所述功率级模型。
在一实施例中，通过以下公式表示稳态运行时换流器内部各电气量间的关系：
Figure BDA0002471503550000021
其中，vsk表示交流系统k相的相电压，isk表示交流系统k相的相电流，vkz表示k相的桥臂子模块输出电压之和，
Figure BDA0002471503550000031
表示桥臂内子模块电容电压之和，ikz表示k相的桥臂电流，k的取值为系统a，b，c三相，z表示系统桥臂，z为u表示上桥臂，z为1表示下桥臂，mkz表示调制系数，vdu表示正极母线对地电压，vdl表示负极母线对地电压，vdc表示正负极母线极间电压，O表示直流侧中性点，Csm表示子模块电容值，Larm表示桥臂电抗器电感值，N表示每个桥臂的子模块个数。
在一实施例中，通过以下公式表示功率级小信号模型：
Figure BDA0002471503550000032
其中，Ycp表示桥臂电容的小信号频域导纳矩阵，Zlp表示桥臂电感的小信号频域阻抗矩阵，
Figure BDA0002471503550000033
表示交流系统a相上桥臂电容电压和的小信号频域矢量，
Figure BDA0002471503550000034
表示交流系统a相上桥臂相电压的小信号频域矢量，T为拓普利兹算子，
Figure BDA0002471503550000035
表示换流器调制系数的频域稳态矢量，
Figure BDA0002471503550000036
表示换流器调制系数的频域小信号矢量，
Figure BDA0002471503550000037
表示直流侧中性点O的对地电压的频域小信号矢量，
Figure BDA0002471503550000038
表示a相上桥臂的子模块电容电压和的频域小信号矢量，
Figure BDA0002471503550000039
表示上桥臂小信号扰动源的频域矢量，
Figure BDA00024715035500000310
表示交流系统a相的相电压的频域小信号矢量，
Figure BDA00024715035500000311
表示交流系统a相上桥臂相电流的小信号频域矢量，
Figure BDA00024715035500000312
表示a相上桥臂的子模块电容电流和的频域小信号矢量。
在一实施例中，通过以下公式表示控制级小信号模型：
Figure BDA0002471503550000041
其中，
Figure BDA0002471503550000042
表示换流器桥臂调制信号的小信号扰动矢量，
Figure BDA0002471503550000043
表示换流器控制系统的延迟矩阵，
Figure BDA0002471503550000044
表示交流电压控制器输出的调制信号的小信号扰动矢量，
Figure BDA0002471503550000045
表示环流控制器输出的调制信号小扰动矢量的小信号扰动矢量，
Figure BDA0002471503550000046
表示换流器在不同频率的传递函数的对角矩阵。
在一实施例中，所述利用所述功率级模型、所述控制级小信号模型和所述各控制模块的各电气量，计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗，包括如下步骤：利用所述功率级小信号模型、所述控制级小信号模型和各控制模块控制器的各电气量，计算换流器桥臂电压矢量与桥臂电流矢量间的关系；利用所述换流器桥臂电压矢量与桥臂电流矢量间的关系，计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗。
在一实施例中，通过以下公式表示换流器桥臂电压矢量与桥臂电流矢量间的关系：
Figure BDA0002471503550000047
其中，
Figure BDA0002471503550000048
表示上桥臂电流矢量，Yarmp表示上桥臂频域导纳矩阵，
Figure BDA0002471503550000049
表示上桥臂小信号扰动源的频域矢量，
Figure BDA00024715035500000410
表示交流侧中性点O频域传递矩阵，
Figure BDA00024715035500000411
表示交流电压频域传递矩阵，E表示小信号扰动源频域矢量，Zccp表示桥臂环流小信号频域阻抗矩阵，Zlp表示桥臂电感的小信号频域阻抗矩阵；
通过以下公式计算桥臂环流小信号频域阻抗矩阵：
Figure BDA0002471503550000051
其中，Zccp表示桥臂环流阻抗小信号频域矩阵，E表示小信号扰动源频域矢量，T为拓普利兹算子，
Figure BDA0002471503550000052
表示a相上桥臂的子模块电容电压和的频域小信号矢量，
Figure BDA0002471503550000053
表示换流器调制系数的频域稳态矢量，Zcp桥臂荣的小信号频域阻抗矩阵，
Figure BDA0002471503550000054
表示交流系统负极母线对地的调制信号的小信号扰动矢量频域传递矩阵，
Figure BDA0002471503550000055
表示交流电压控制器输出的调制信号的小信号扰动矢量频域传递矩阵。
第二方面，本发明实施例提供一种模块化多电平换流器小信号阻抗的计算装置，包括如下模块：获取模块，用于获取柔性直流输电系统的运行工况信息；第一模型建立模块，用于利用所述运行工况信息及换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型；第二模型建立模块，用于利用所述换流器的各控制模块桥臂调制信号的小信号分量，建立控制级小信号模型；计算模块，用于利用所述功率级模型、所述控制级小信号模型和所述各控制模块的各电气量，计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行本发明实施例第一方面的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行本发明实施例第一方面的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法及装置，通过获取得到的柔性直流输电系统的运行工况信息和换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型；利用各控制模块建立控制级小信号模型；系统运行工况、主电路参数以及控制器参数等由外部导入，可灵活计算模块化柔直换流器在设计情况下的小信号阻抗，将模块化多电平换流器的交直流侧小信号阻抗模型集成到一起，可直接用于模块化柔直系统的谐振和小信号稳定分析，不需要再通过计算机仿真来测取模块化柔直换流器的外部小信号阻抗，降低了计算的复杂度，极大地节省了模块化柔直系统小信号稳定性分析的时间，提升了设计效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法的一个具体示例的流程图；
图2为本发明实施例提供的模块化多电平换流器拓扑结构图；
图3为本发明实施例提供的建立功率级模型的一个具体示例的流程图；
图4为本发明实施例提供的模块化多电平换流器小信号阻抗曲线的结果比较图；
图5为本发明实施例提供的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算装置示意图；
图6为本发明实施例提供的电子设备一个具体示例的组成图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S1：获取柔性直流输电系统的运行工况信息。
本发明实施例中，柔性直流输电(VSC-HVDC)系统的主要器件包括电压源换流器(VSC)、换流变压器、换相电抗器、直流电容器和交流滤波器等，通过检测装置获取柔性直流输电系统的运行工况信息。例如变电站的运行工况实质就是变电站运行的工作状况，就变电站某一台设备来说，都有三种工作状况：1、运行状况；2、检修状况；3、备用状况(含热备用和冷备用)，掌握柔直输电系统各器件的运行工况信息，便于对整个系统的实时管理与监测。
步骤S2：利用运行工况信息及换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型。
本发明实施例中，模块化多电平换流器电路拓扑以及控制器结构如附图2所示，模块化多电平换流器的单个桥臂就包含上百个功率子模块，子模块的结构可以分为半H桥型、全H桥型和双箝位型子模块型三种，系统可以通过检测器，对桥臂的各模块的进行检测，其中，模块化多电平换流器每个相单元由上下两个桥臂构成，每个桥臂包括N个子模块和一个桥臂电抗器。在实际应用中，模块化多电平换流器每个子模块有一个电容，这些电容互不干扰。由于换流器的电路拓扑结构已知，在这种情况下，基于基本的电路原理，例如欧姆定律等，可以得到换流器中各电气量(也即是电参数)之间的关系，再结合当前的运行工况信息(不同的工况下，电气量之间的关系会发生变化，但是同样满足基本的电路原理)，建立功率级模型。本发明实施例中，功率级模型主要用于表示换流器系统中各电气量之间的数学关系，该功率级模型可以包括功率级稳态模型和功率级小信号模型。
在一具体实施例中，如图2所示，其中vsk表示交流系统相电压，isk表示交流系统相电流，vkz表示桥臂子模块输出电压之和，ikz表示桥臂电流；其中k＝a,b,c分别表示a,b,c三相，z＝u,l分别表示上桥臂和下桥臂。正负极母线对地电压分别为vdu和vdl，正负极母线极间电压为vdc，直流侧中性点为O。子模块电容值为Csm，桥臂电抗器电感值为Larm。然后利用获取到的柔性直流输电系统的运行工况信息和换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型，需要说明的是，本发明实施例中仅仅以一种换流器的电路拓扑结构为例进行说明，在实际应用中还可以选择其他的换流器的电路拓扑结构，本发明并不以此为限。
步骤S3：利用换流器的各控制模块桥臂调制信号的小信号分量，建立控制级小信号模型。
本发明实施例中，模块化多电平换流器的控制模块包含环流控制器模块、矢量控制器模块、阻尼控制器模块、采样延迟模块、控制延迟模块以及其余控制模块等部分构成。其中，环流控制器模块建立环流电流通过环流控制器产生的桥臂调制信号的小信号分量；矢量控制器模块根据柔直换流器控制模式建立交流电压、交流电流或直流电压通过矢量控制器产生的桥臂调制信号的小信号分量；阻尼控制器模块根据阻尼控制器的模式建立交流电流或直流电流通过阻尼控制器产生的桥臂调制信号的小信号分量；采样延迟模块建立采样滤波环节对桥臂调制信号的影响，得到延迟模块的桥臂调制信号的小信号分量；控制延迟模块建立控制器延迟对桥臂调制信号的影响，得到控制延迟模块的桥臂调制信号的小信号分量，又可分为极控制器延迟和阀控制器延迟模型；其余附加控制模块建立某电气量经过附加控制产生的桥臂调制信号的小信号分量。将上述这些桥臂调制信号的小信号分量整合就能得到模块化多电平换流器完整的桥臂调制信号的小信号分量。然后利用完整的桥臂调制信号的小信号分量，建立控制级小信号模型。
可选地，以交流电压控制器与环流控制器为例来阐述控制级小信号频域模型的建立过程，小信号交流电压经过交流电压控制器反馈后将输出响应的小信号调制信号，因此，交流电压控制器输出调制信号的小信号分量可由交流电压表示，通过以下公式表示交流电压控制器输出调制信号的小信号分量：
Figure BDA0002471503550000111
其中，
Figure BDA0002471503550000112
表示交流电压控制器输出的调制信号的小信号扰动矢量，
Figure BDA0002471503550000113
表示交流电压控制器的延迟矩阵，
Figure BDA0002471503550000114
表示交流系统a相的相电压的频域小信号矢量，
Figure BDA0002471503550000115
表示交流电压控制器在不同频率的传递函数的对角矩阵。
在实际应用中，相应的柔直输电系统内部的小信号环流电流将通过环流控制器输出相应的小信号调制分量，其频域矢量表达式如下：
Figure BDA0002471503550000116
其中，
Figure BDA0002471503550000117
表示环流控制器输出的调制信号的小信号扰动矢量，
Figure BDA0002471503550000118
表示环流控制器的延迟矩阵，
Figure BDA0002471503550000119
交流系统a相上桥臂相电流的小信号频域矢量，
Figure BDA00024715035500001110
表示环流控制器在不同频率的传递函数的对角矩阵。
本发明实施例中，考虑控制延迟后，换流器桥臂调制信号的小信号矢量，即控制级小信号模型可通过以下公式表示：
Figure BDA00024715035500001111
其中，
Figure BDA00024715035500001112
表示换流器桥臂调制信号的小信号扰动矢量，
Figure BDA00024715035500001113
表示换流器控制系统的延迟矩阵，
Figure BDA00024715035500001114
表示交流电压控制器输出的调制信号的小信号扰动矢量，
Figure BDA00024715035500001115
表示环流控制器输出的调制信号小扰动矢量的小信号扰动矢量，
Figure BDA00024715035500001116
表示换流器在不同频率的传递函数的对角矩阵。
需要说明的是，在控制级小信号模型建立的过程中，可以根据实际控制模块的重要性及系统需求，在建模的过程进行加权处理或者增加一个基数，以保证满足系统需求，并且实际的控制模块也是根据实际系统进行选择并计算的，本发明并不以此为限。
步骤S4：利用功率级模型、控制级小信号模型和各控制模块的各电气量，计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗。
本发明实施例中，利用功率级模型、控制级小信号模型和各控制模块的各电气量，通过控制级小信号模型得到完整的桥臂调制信号的小信号分量，并将其带入功率级模型中，即可计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗。
本发明提供的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法，通过获取得到的柔性直流输电系统的运行工况信息和换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型；利用各控制模块建立控制级小信号模型；系统运行工况、主电路参数以及控制器参数等由外部导入，可灵活计算模块化柔直换流器在设计情况下的小信号阻抗，将模块化多电平换流器的交直流侧小信号阻抗模型集成到一起，可直接用于模块化柔直系统的谐振和小信号稳定分析，不需要再通过计算机仿真来测取模块化柔直换流器的外部小信号阻抗，降低了计算的复杂度，极大地节省了模块化柔直系统小信号稳定性分析的时间，提升了设计效率。
在一具体实施例中，如图3所示，利用运行工况信息及换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型，包括如下步骤：
步骤S21：利用运行工况信息和换流器的电路拓扑结构，得到稳态运行时换流器内部各电气量间的关系。
本发明实施例中，换流器可以分为两类：整流器(Rectifier)和逆变器(Inverter)。整流器是将交流电转换为直流电，而逆变器是将直流电转换为交流电。假设本发明实施例的换流器为整流器，则输入端为交流电压，那么此时交流端电压是已知的输入电压，输出端直流端电压就根据换流器的内部结构及系统系统需求决定，利用柔直输电系统的运行工况信息和换流器的电路拓扑结构，得到稳态运行时换流器内部各电气量间的关系，其中换流器内部各电气量是指在电力系统中的各种与电有直接专关系的参数，常见类如比如电压值，电流值、频率、阻抗、电容等等。以电动机为例：电机的输出功率、额定电压、额定电流、阻抗属于电气参数(电气量)，转速则不属于。
需要说明的是，本发明实施例中，仅仅举例说明换流器为整流器，在实际应用中还可以是其他类型换流器，并且输出端电压也是可以根据系统实际需要进行调整的，本发明并不以此为限。
在实际应用中，根据实际系统的换流器电路拓扑结构不同，得到不同的换流器内部各电气量间的关系，本发明实施例通过如图2所示的换流器电路拓扑结构，得到稳态运行时换流器内部各电气量间的关系。通过以下公式表示稳态运行时换流器内部各电气量间的关系：
Figure BDA0002471503550000141
其中，vsk表示交流系统k相的相电压，isk表示交流系统k相的相电流，vkz表示k相的桥臂子模块输出电压之和，
Figure BDA0002471503550000142
表示桥臂内子模块电容电压之和，ikz表示k相的桥臂电流，k的取值为系统a，b，c三相，z表示系统桥臂，z为u表示上桥臂，z为1表示下桥臂，mkz表示调制系数，vdu表示正极母线对地电压，vdl表示负极母线对地电压，vdc表示正负极母线极间电压，O表示直流侧中性点，Csm表示子模块电容值，Larm表示桥臂电抗器电感值，N表示每个桥臂的子模块个数。
步骤S22：对各电气量间的关系进行频域变换，得到功率级稳态模型。
本发明实施例中，对各电气量间的关系进行频域变换，得到相应的功率级稳态模型，通过以下公式表示功率级稳态模型：
Figure BDA0002471503550000143
其中，T表示拓普利兹算子，Yc0表示桥臂电容的稳态频域导纳矩阵，Zl0表示桥臂电感的稳态频域阻抗矩阵，其余量为上述公式(4)中的各时域量所对应的频域稳态矢量。
步骤S23：利用各电气量和桥臂调制信号的小信号分量，对功率级稳态模型进行小信号处理得到功率级小信号模型，功率级稳态模型和功率级小信号模型构成功率级模型。
本发明实施例中，利用各电气量和桥臂调制信号的小信号分量，对功率级稳态模型进行小信号处理得到功率级小信号模型，功率级稳态模型和功率级小信号模型构成功率级模型。其中，通过以下公式表示功率级小信号模型：
Figure BDA0002471503550000151
其中，Ycp表示桥臂电容的小信号频域导纳矩阵，Zlp表示桥臂电感的小信号频域阻抗矩阵，
Figure BDA0002471503550000152
表示交流系统a相上桥臂电容电压和的小信号频域矢量，
Figure BDA0002471503550000153
表示交流系统a相上桥臂相电压的小信号频域矢量，T为拓普利兹算子，
Figure BDA0002471503550000154
表示换流器调制系数的频域稳态矢量，
Figure BDA0002471503550000155
表示换流器调制系数的频域小信号矢量，
Figure BDA0002471503550000156
表示直流侧中性点O的对地电压的频域小信号矢量，
Figure BDA0002471503550000157
表示a相上桥臂的子模块电容电压和的频域小信号矢量，
Figure BDA0002471503550000158
表示上桥臂小信号扰动源的频域矢量，
Figure BDA0002471503550000159
表示交流系统a相的相电压的频域小信号矢量，
Figure BDA00024715035500001510
表示交流系统a相上桥臂相电流的小信号频域矢量，
Figure BDA00024715035500001511
表示a相上桥臂的子模块电容电流和的频域小信号矢量。
在一具体实施例中，利用功率级模型、控制级小信号模型和各控制模块的各电气量，计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗，包括如下步骤：
步骤S41：利用功率级小信号模型、控制级小信号模型和各控制模块控制器的各电气量，计算换流器桥臂电压矢量与桥臂电流矢量间的关系。
本发明实施例中，利用功率级小信号模型、控制级小信号模型和各控制模块控制器的各电气量，通过联立功率级小信号模型、控制级小信号模型，可以得到换流器桥臂电压矢量与桥臂电流矢量间的关系，可选地，通过以下公式表示换流器桥臂电压矢量与桥臂电流矢量间的关系：
Figure BDA0002471503550000161
其中，
Figure BDA0002471503550000162
表示上桥臂电流矢量，Yarmp表示上桥臂频域导纳矩阵，
Figure BDA0002471503550000163
表示上桥臂小信号扰动源的频域矢量，
Figure BDA0002471503550000164
表示交流侧中性点O频域传递矩阵，
Figure BDA0002471503550000165
表示交流电压频域传递矩阵，E表示小信号扰动源频域矢量，Zccp表示桥臂环流小信号频域阻抗矩阵，Zlp表示桥臂电感的小信号频域阻抗矩阵。
其中，通过以下公式计算桥臂环流小信号频域阻抗矩阵：
Figure BDA0002471503550000166
其中，Zccp表示桥臂环流阻抗小信号频域矩阵，E表示小信号扰动源频域矢量，T为拓普利兹算子，
Figure BDA0002471503550000167
表示a相上桥臂的子模块电容电压和的频域小信号矢量，
Figure BDA0002471503550000168
表示换流器调制系数的频域稳态矢量，Zcp桥臂荣的小信号频域阻抗矩阵，
Figure BDA0002471503550000169
表示交流系统负极母线对地的调制信号的小信号扰动矢量频域传递矩阵，
Figure BDA00024715035500001610
表示交流电压控制器输出的调制信号的小信号扰动矢量频域传递矩阵。
步骤S42：利用换流器桥臂电压矢量与桥臂电流矢量间的关系，计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗。
在实际应用中，利用本发明实施例提供的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法，计算如图2所示的模块化多电平换流器电路拓扑以及控制器结构，计算柔直输电系统的模块化多电平换流器小信号阻抗，然后可以利用阻抗与导纳的关系计算得到模块化多电平换流器小信号导纳，绘制其模块化多电平换流器小信号阻抗曲线如图4所示，其中实线为本发明实施例提供的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法得到的计算结果，图4中的点表示通过电磁暂态仿真测量得到的结果，其中Magnitude为模块化多电平换流器小信号阻抗的幅度，Phase为模块化多电平换流器小信号阻抗的相位。通过图4中的结果，可以显而易见的得到本发明实施例提出的方法具有相当高的精度，因此可以用本算法来替代仿真测量以大大节省工程设计阶段的工作量。
本发明提供的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法，通过获取得到的柔性直流输电系统的运行工况信息和换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型；利用各控制模块建立控制级小信号模型；系统运行工况、主电路参数以及控制器参数等由外部导入，可灵活计算模块化柔直换流器在设计情况下的小信号阻抗，将模块化多电平换流器的交直流侧小信号阻抗模型集成到一起，可直接用于模块化柔直系统的谐振和小信号稳定分析，不需要再通过计算机仿真来测取模块化柔直换流器的外部小信号阻抗，降低了计算的复杂度，极大地节省了模块化柔直系统小信号稳定性分析的时间，提升了设计效率。
实施例2
本发明实施例提供一种模块化多电平换流器小信号阻抗的计算装置，如图5所示，包括：
获取模块1，用于获取柔性直流输电系统的运行工况信息；此模块执行实施例1中的步骤S1所描述的方法，在此不再赘述。
第一模型建立模块2，用于利用运行工况信息及换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型；此模块执行实施例1中的步骤S2所描述的方法，在此不再赘述。
第二模型建立模块3，用于利用换流器的各控制模块桥臂调制信号的小信号分量，建立控制级小信号模型；此模块执行实施例1中的步骤S3所描述的方法，在此不再赘述。
计算模块4，用于利用功率级模型、控制级小信号模型和各控制模块的各电气量，计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗；此模块执行实施例1中的步骤S4所描述的方法，在此不再赘述。
本发明提供的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算装置，通过获取得到的柔性直流输电系统的运行工况信息和换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型；利用各控制模块建立控制级小信号模型；系统运行工况、主电路参数以及控制器参数等由外部导入，可灵活计算模块化柔直换流器在设计情况下的小信号阻抗，将模块化多电平换流器的交直流侧小信号阻抗模型集成到一起，可直接用于模块化柔直系统的谐振和小信号稳定分析，不需要再通过计算机仿真来测取模块化柔直换流器的外部小信号阻抗，极大地节省了模块化柔直系统小信号稳定性分析的时间，提升了设计效率。
实施例3
本发明实施例提供一种电子设备，如图6所示，包括：至少一个处理器401，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，至少一个通信接口403，存储器404，至少一个通信总线402。其中，通信总线402用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口403可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口403还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器404可以是高速RAM存储器(Ramdom Access Memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器404可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。其中处理器401可以执行实施例1的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法。存储器404中存储一组程序代码，且处理器401调用存储器404中存储的程序代码，以用于执行实施例1的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法。
其中，通信总线402可以是外设部件互连标准(peripheral componentinterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，简称EISA)总线等。通信总线402可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图6中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard diskdrive，缩写：HDD)或固降硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。
其中，处理器401可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。
其中，处理器401还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。
可选地，存储器404还用于存储程序指令。处理器401可以调用程序指令，实现如本申请执行实施例1中的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例1的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(HardDisk Drive，缩写：HDD)或固降硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法，其特征在于，包括：
获取柔性直流输电系统的运行工况信息；
利用所述运行工况信息及换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型；
利用所述换流器的各控制模块桥臂调制信号的小信号分量，建立控制级小信号模型；
利用所述功率级模型、所述控制级小信号模型和所述各控制模块的各电气量，计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗；通过以下公式表示控制级小信号模型：
Figure FDA0003300286800000011
其中，
Figure FDA0003300286800000012
表示换流器桥臂调制信号的小信号扰动矢量，
Figure FDA0003300286800000013
表示换流器控制系统的延迟矩阵，
Figure FDA0003300286800000014
表示交流电压控制器输出的调制信号的小信号扰动矢量，
Figure FDA0003300286800000015
表示环流控制器输出的调制信号小扰动矢量的小信号扰动矢量，
Figure FDA0003300286800000016
表示换流器在不同频率的传递函数的对角矩阵。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法，其特征在于，所述利用所述运行工况信息及换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型，包括：
利用所述运行工况信息和所述换流器的电路拓扑结构，得到稳态运行时换流器内部各电气量间的关系；
对所述换流器内部各电气量间的关系进行频域变换，得到功率级稳态模型；
利用所述换流器内部各所述电气量和桥臂调制信号的小信号分量，对所述功率级稳态模型进行小信号处理得到功率级小信号模型，所述功率级稳态模型和所述功率级小信号模型构成所述功率级模型。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法，其特征在于，通过以下公式表示稳态运行时换流器内部各电气量间的关系：
Figure FDA0003300286800000021
其中，vsk表示交流系统k相的相电压，vkz表示k相的桥臂子模块输出电压之和，
Figure FDA0003300286800000022
表示桥臂内子模块电容电压之和，ikz表示k相的桥臂电流，k的取值为系统a，b，c三相，z表示系统桥臂，z为u表示上桥臂，z为1表示下桥臂，mkz表示调制系数，vdc表示正负极母线极间电压，vo表示直流侧中性点O的对地电压，Csm表示子模块电容值，Larm表示桥臂电抗器电感值，N表示每个桥臂的子模块个数。
4.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法，其特征在于，通过以下公式表示功率级小信号模型：
Figure FDA0003300286800000031
其中，Ycp表示桥臂电容的小信号频域导纳矩阵，Zlp表示桥臂电感的小信号频域阻抗矩阵，
Figure FDA0003300286800000032
表示交流系统a相上桥臂电容电压和的小信号频域矢量，
Figure FDA0003300286800000033
表示交流系统a相上桥臂相电压的小信号频域矢量，T为拓普利兹算子，
Figure FDA0003300286800000034
表示换流器调制系数的频域稳态矢量，
Figure FDA0003300286800000035
表示换流器桥臂调制信号的小信号扰动矢量，
Figure FDA0003300286800000036
表示直流侧中性点O的对地电压的频域小信号矢量，
Figure FDA0003300286800000037
表示a相上桥臂的子模块电容电压和的频域小信号矢量，
Figure FDA0003300286800000038
表示上桥臂小信号扰动源的频域矢量，
Figure FDA0003300286800000039
表示交流系统a相的相电压的频域小信号矢量，
Figure FDA00033002868000000310
表示交流系统a相上桥臂相电流的小信号频域矢量，
Figure FDA00033002868000000311
表示a相上桥臂的子模块电容电流和的频域小信号矢量。
5.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法，其特征在于，所述利用所述功率级模型、所述控制级小信号模型和所述各控制模块的各电气量，计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗，包括：
利用所述功率级小信号模型、所述控制级小信号模型和各控制模块控制器的各电气量，计算换流器桥臂电压矢量与桥臂电流矢量间的关系；
利用所述换流器桥臂电压矢量与桥臂电流矢量间的关系，计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗。
6.根据权利要求5所述的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法，其特征在于，通过以下公式表示换流器桥臂电压矢量与桥臂电流矢量间的关系：
Figure FDA0003300286800000041
其中，
Figure FDA0003300286800000042
表示上桥臂电流矢量，Yarmp表示上桥臂频域导纳矩阵，
Figure FDA0003300286800000043
表示上桥臂小信号扰动源的频域矢量，
Figure FDA0003300286800000044
表示交流侧中性点O频域传递矩阵，
Figure FDA0003300286800000045
表示交流电压频域传递矩阵，E表示小信号扰动源频域矢量，Zccp表示桥臂环流小信号频域阻抗矩阵，Zlp表示桥臂电感的小信号频域阻抗矩阵；
通过以下公式计算桥臂环流小信号频域阻抗矩阵：
Figure FDA0003300286800000046
其中，Zccp表示桥臂环流阻抗小信号频域矩阵，E表示小信号扰动源频域矢量，T为拓普利兹算子，
Figure FDA0003300286800000047
表示a相上桥臂的子模块电容电压和的频域小信号矢量，
Figure FDA0003300286800000048
表示换流器调制系数的频域稳态矢量，Zcp桥臂荣的小信号频域阻抗矩阵，
Figure FDA0003300286800000049
表示交流系统负极母线对地的调制信号的小信号扰动矢量频域传递矩阵，
Figure FDA00033002868000000410
表示交流电压控制器输出的调制信号的小信号扰动矢量频域传递矩阵,所述
Figure FDA0003300286800000051
表示a相上桥臂的子模块电容电流。
7.一种模块化多电平换流器小信号阻抗的计算装置，其特征在于，包括，
获取模块，用于获取柔性直流输电系统的运行工况信息；
第一模型建立模块，用于利用所述运行工况信息及换流器的电路拓扑结构，建立功率级模型；
第二模型建立模块，用于利用所述换流器的各控制模块桥臂调制信号的小信号分量，建立控制级小信号模型；
计算模块，用于利用所述功率级模型、所述控制级小信号模型和所述各控制模块的各电气量，计算得到模块化多电平换流器小信号阻抗；
通过以下公式表示控制级小信号模型：
Figure FDA0003300286800000052
其中，
Figure FDA0003300286800000053
表示换流器桥臂调制信号的小信号扰动矢量，
Figure FDA0003300286800000054
表示换流器控制系统的延迟矩阵，
Figure FDA0003300286800000055
表示交流电压控制器输出的调制信号的小信号扰动矢量，
Figure FDA0003300286800000056
表示环流控制器输出的调制信号小扰动矢量的小信号扰动矢量，
Figure FDA0003300286800000057
表示换流器在不同频率的传递函数的对角矩阵。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求1-6中任一项所述的模块化多电平换流器小信号阻抗的计算方法。
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