CN111682523B - 考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的mmc快速仿真模型和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型和方法，将MMC的每个桥臂等效为相应的桥臂等效电路，桥臂等效电路由一个串联支路和一个耦合的并联支路组成，串联电路和并联电路通过续流电路连接。本发明的有益效果是：在考虑续流二极管续流作用的同时，能够实现MMC快速仿真，且本发明可以正确模拟MMC闭锁后系统参数暂态变化的过程，从而在仿真桥臂闭锁的场景时给出更加精确的结果。

Description

考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型和方法
技术领域
本发明涉及电力系统柔性直流输电领域，尤其涉及一种考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型和方法。
背景技术
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)凭借其波形质量高和功率损耗低的特性受到了广泛关注，是近年来学术界的研究热点。MMC大量的子模块(sub-module，SM)为其电磁暂态仿真带来了巨大的负担。目前，MMC的快速仿真方法有很多种，如基于受控源的MMC通用等效模型、平均值模型、桥臂平均值模型等。基于受控源的MMC通用等效模型通过将各子模块断开连接使导纳矩阵降阶，虽然可以独立仿真各子模块电容的充放电状态，但仿真时仍需要详细搭建各子模块，存在着仿真时间较长的缺点。平均值模型能模拟电容的充放电过程，仿真速度也比详细模型快的多，但是此方法只有在子模块电容值足够大时才有效；桥臂平均值模型会忽略子模块的差异，能够精确地仿真各子模块直流电容的充放电状态，具有极高的仿真精度，仿真效率也比详细模型快得多，此仿真方法有前两种方法的优点，在高压直流输电仿真模型中使用的越来越多。
桥臂闭锁经常发生在MMC启动或者保护动作时，但是现有的桥臂平均值模型在仿真桥臂闭锁时只是简单的将桥臂开路，没有考虑到桥臂中反并联二极管的作用，在这种情况下，现有的桥臂平均值模型仿真波形中桥臂电流会突变到零，系统其他部分电流和电压也会受到电流突变的影响，导致仿真波形与实际有所差异，因此此模型无法正确模拟MMC闭锁后系统参数暂态变化的过程。
综上所述，现有的桥臂平均值模型在一些方面取得了良好的目标效果，但也存在着一些缺点亟待改进。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型和方法，主要解决现有桥臂平均值模型不能正确仿真MMC闭锁的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型，将MMC的每个桥臂等效为相应的桥臂等效电路，桥臂等效电路由一个串联支路和一个耦合的并联支路组成，串联电路和并联电路通过续流电路连接。
在一些实施方式中，上述的串联支路包括一个等效的可控电压源uareq和一个串联桥臂等效电阻Rsm，可控电压源uareq的正极端与桥臂的正极连接，串联桥臂等效电阻Rsm串联到可控电压源uareq的负极端，并联支路包括一个等效的可控电流源iCeq和一个并联桥臂等效电容Ceq，串联支路和并联支路之间的耦合关系符合MMC桥臂平均值模型的要求，续流电路包括三个晶闸管T1、T2以及T3；
串联支路和并联支路通过三个晶闸管T1、T2以及T3连接，晶闸管T1与串联支路并联，且晶闸管T1的阳极与可控电压源uareq的正极端连接，晶闸管T2和晶闸管T3将串联支路和并联支路串联起来，且晶闸管T2的阴极和晶闸管T3的阳极分别与可控电压源uareq的正极端和负极端连接，晶闸管T2的阳极和晶闸管T3的阴极分别与可控电流源iCeq正极端和负极端连接。
在一些实施方式中，上述的MMC桥臂平均值模型的要求为：可控电压源uareq为一个桥臂中所有导通子模块的总电压，
uareq＝Non*uC.tot/N (1)
其中，Non为一个桥臂中导通子模块的数量，uC.tot为桥臂总电压，N为一个桥臂中所有子模块的数量；
桥臂等效电容Ceq为所有电容串联后的的值，
Ceq＝C0/N (2)
其中，C0为一个子模块中电容电压值，可控电流源iCeq为流入等效电容的电流，由桥臂电流iarm值确定，
iCeq＝N*iarm/Non (3)。
基于上述的考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型，本发明还提供了配套测试的一种考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真方法，采用上述的仿真模型进行仿真，适用于以下两种仿真工况：
第一种仿真工况为：
串联桥臂等效电阻Rsm设置为零，三个晶闸管关断，关断电阻值设置为无穷大电阻，用于模拟模块化多电平换流器的稳态运行；
第二种仿真工况为：
串联桥臂等效电阻Rsm设置为无穷大电阻，三个晶闸管均导通，设置晶闸管T1的导通电阻为所有导通的反并联二极管的等效导通电阻，设置晶闸管T2和T3的导通电阻为所有导通的反并联二极管的等效导通电阻的一半，用于模拟模块化多电平换流器故障运行时的闭锁情况。
本发明的有益效果为：本发明通过将一个串联支路和一个并联支路耦合组成桥臂等效电路，再将串联电路和并联电路通过续流电路连接，在考虑续流二极管续流作用的同时，能够实现MMC快速仿真，且本发明可以正确模拟MMC闭锁后系统参数暂态变化的过程，从而在仿真桥臂闭锁的场景时给出更加精确的结果。相对于现有的桥臂平均值模型，本发明中的仿真模型更加接近于工程实际，可用于实际工程投运前的系统测试。
附图说明
图1为本发明提出的考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型的拓扑结构示意图；
图2为MMC桥臂平均值模型图；
图3为单端MMC-HVDC测试系统的结构示意图；
图4为本发明考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型和详细模型的A相电压和电流仿真对比波形图；
图5为本发明考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型和详细模型的桥臂总电容电压仿真对比波形图；
图6为本发明考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型和详细模型的三相桥臂电流仿真对比波形图；
图7为本发明考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型和详细模型的直流电压仿真对比波形图；
图8为本发明考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型和详细模型的直流电流仿真对比波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
如图1所示，本实施例提出了一种考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型，将MMC的每个桥臂等效为相应的桥臂等效电路，桥臂等效电路由一个串联支路和一个耦合的并联支路组成，串联电路和并联电路通过续流电路连接。
本发明通过将一个串联支路和一个并联支路耦合组成桥臂等效电路，再将串联电路和并联电路通过续流电路连接，在考虑续流二极管续流作用的同时，能够实现MMC快速仿真，且本发明可以正确模拟MMC闭锁后系统参数暂态变化的过程，从而在仿真桥臂闭锁的场景时给出更加精确的结果。相对于现有的桥臂平均值模型，本发明中的仿真模型更加接近于工程实际，可用于实际工程投运前的系统测试。
作为本发明的一个优选实施方案，串联支路包括一个等效的可控电压源uareq和一个串联桥臂等效电阻Rsm，可控电压源uareq的正极端与桥臂的正极连接，串联桥臂等效电阻Rsm串联到可控电压源uareq的负极端，并联支路包括一个等效的可控电流源iCeq和一个并联桥臂等效电容Ceq，串联支路和并联支路之间的耦合关系符合MMC桥臂平均值模型的要求，续流电路包括三个晶闸管T1、T2以及T3；
串联支路和并联支路通过三个晶闸管T1、T2以及T3连接，晶闸管T1与串联支路并联，且晶闸管T1的阳极与可控电压源uareq的正极端连接，晶闸管T2和晶闸管T3将串联支路和并联支路串联起来，且晶闸管T2的阴极和晶闸管T3的阳极分别与可控电压源uareq的正极端和负极端连接，晶闸管T2的阳极和晶闸管T3的阴极分别与可控电流源iCeq正极端和负极端连接。
图2为桥臂平均值模型的拓扑结构图，此模型虽然忽略了子模块的差异，但能够精确地仿真各子模块直流电容的充放电状态，具有极高的仿真精度，仿真效率也比详细模型快得多。桥臂平均值模型包括串联支路和并联支路两部分，串联支路由一个等效的可控电压源uareq和一个串联桥臂等效电阻Rsm构成，并联支路由一个等效的可控电流源iCeq和一个并联桥臂等效电容Ceq构成。MMC桥臂平均值模型的要求为：可控电压源uareq为一个桥臂中所有导通子模块的总电压，
uareq＝Non*uC.tot/N (1)
其中，Non为一个桥臂中导通子模块的数量，uC.tot为桥臂总电压，N为一个桥臂中所有子模块的数量；
桥臂等效电容Ceq为所有电容串联后的的值，
Ceq＝C0/N (2)
其中，C0为一个子模块中电容电压值，可控电流源iCeq为流入等效电容的电流，由桥臂电流iarm值确定，
iCeq＝N*iarm/Non (3)。
实施例二
一种考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真方法，采用上述的仿真模型进行仿真，适用于以下两种仿真工况：
第一种仿真工况为：
串联桥臂等效电阻Rsm设置为零(Rsm＝0)，三个晶闸管关断，关断电阻值设置为无穷大电阻(RToff＝∞)，用于模拟模块化多电平换流器的稳态运行；
第二种仿真工况为：
串联桥臂等效电阻Rsm设置为无穷大电阻(Rsm＝∞)，三个晶闸管均导通，设置晶闸管T1的导通电阻为所有导通的反并联二极管的等效导通电阻，设置晶闸管T2和T3的导通电阻为所有导通的反并联二极管的等效导通电阻的一半，用于模拟模块化多电平换流器故障运行时的闭锁情况。
验证步骤：
当MMC-HVDC系统发生换流站闭锁故障时，一般情况下是直接分析故障换流站所对应的某一端系统，因此采用如图3所示的单端MMC-HVDC测试系统进行仿真验证，此测试系统的结果也可以应用在不同的MMC-HVDC系统中；图3中子模块使用的是MMC详细模型的拓扑结构，测试系统的参数如表1所示；系统仿真时间1.5s，仿真步长10μs，MMC在1s时闭锁；根据测试系统，将本发明所提仿真方法与MMC详细模型仿真结果进行验证，可得图4-8仿真对比波形图。
表1测试系统参数
参数 变量名 数值
交流系统额定电压 U<sub>sa</sub> 230kV
MMC桥臂电感 L<sub>0</sub> 0.04H
MMC桥臂电阻 R<sub>0</sub> 2Ω
MMC桥臂子模块数量 N 10
MMC子模块电容 C<sub>0</sub> 4mF
MMC子模块电容电压 U<sub>SM</sub> 50kV
直流电压 U<sub>dc</sub> 500kV
直流电感 L<sub>dc</sub> 0.15H
直流电阻 R<sub>dc</sub> 2.5Ω
图4是本发明模型和详细模型A相电压和电流仿真对比波形图，t＝0.98-1.00s时，系统稳态运行，即第一种仿真工况的结果，交流侧电压和电流均为相近的正弦波，结果证明本发明模型能正确模拟第一种仿真工况下的交流侧电压和电流变化；t＝1.00-1.02s时，MMC故障闭锁运行，即第二种仿真工况的结果，交流电压均保持不变，交流电流在0.01s内下降为零，结果证明本发明模型能正确模拟第二种仿真工况下的交流侧电压和电流变化。
图5和图6分别是本发明模型和详细模型桥臂总电容电压和三相桥臂电流仿真对比波形图，系统稳态运行和MMC闭锁运行下仿真结果一致，结果证明本发明模型在第一种和第二种仿真工况下均能正确模拟桥臂总电容电压和三相桥臂电流变化。
图7和图8分别是本发明模型和详细模型直流电压和直流电流仿真对比波形图，系统稳态运行和MMC闭锁运行下仿真结果相近，结果证明本发明模型在第一种和第二种仿真工况下均能正确模拟直流电压和直流电流变化。
显然，在使用实施例一的考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC快速仿真模型的基础上，通过正确设置电阻和晶闸管状态可以精确模拟MMC桥臂的导通和闭锁状态。
下表2为不同子模块数时本发明仿真时间和详细模型仿真时间对比，随着子模块数的增加，本发明仿真时间基本保持不变，而详细模型仿真时间明显上升，结果证明本发明仿真方法能明显提升系统仿真速度。
表2仿真时间对比
Figure BDA0002502557850000061
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC仿真模型，其特征在于，将所述MMC的每个桥臂等效为相应的桥臂等效电路，所述桥臂等效电路由一个串联支路和一个耦合的并联支路组成，所述串联支路和所述并联支路通过续流电路连接；
所述串联支路包括一个等效的可控电压源uareq和一个串联桥臂等效电阻Rsm，所述可控电压源uareq的正极端与桥臂的正极连接，所述串联桥臂等效电阻Rsm串联到所述可控电压源uareq的负极端，所述并联支路包括一个等效的可控电流源iCeq和一个并联桥臂等效电容Ceq，所述串联支路和所述并联支路之间的耦合关系符合MMC桥臂平均值模型的要求，所述续流电路包括三个晶闸管T1、T2以及T3；
所述串联支路和所述并联支路通过三个所述晶闸管T1、T2以及T3连接，所述晶闸管T1与所述串联支路并联，且所述晶闸管T1的阳极与所述可控电压源uareq的正极端连接，所述晶闸管T2和晶闸管T3将所述串联支路和所述并联支路串联起来，且所述晶闸管T2的阴极和晶闸管T3的阳极分别与所述可控电压源uareq的正极端和负极端连接，所述晶闸管T2的阳极和晶闸管T3的阴极分别与所述可控电流源iCeq正极端和负极端连接。
2.如权利要求1所述的考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC仿真模型，其特征在于，所述MMC桥臂平均值模型的要求为：所述可控电压源uareq为一个桥臂中所有导通子模块的总电压，
uareq＝Non*uC.tot/N (1)
其中，Non为一个桥臂中导通子模块的数量，uC.tot为桥臂总电压，N为一个桥臂中所有子模块的数量；
所述桥臂等效电容Ceq为所有电容串联后的值，
Ceq＝C0/N (2)
其中，C0为一个子模块中电容电压值，所述可控电流源iCeq为流入等效电容的电流，由桥臂电流iarm值确定，
iCeq＝N*iarm/Non (3)。
3.一种考虑桥臂闭锁时二极管续流作用的MMC仿真方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的仿真模型进行仿真，适用于以下两种仿真工况：
第一种仿真工况为：
所述串联桥臂等效电阻Rsm设置为零，三个所述晶闸管关断，关断电阻值设置为无穷大电阻，用于模拟模块化多电平换流器的稳态运行；
第二种仿真工况为：
所述串联桥臂等效电阻Rsm设置为无穷大电阻，三个所述晶闸管均导通，设置所述晶闸管T1的导通电阻为所有导通的反并联二极管的等效导通电阻，设置所述晶闸管T2和T3的导通电阻为所有导通的反并联二极管的等效导通电阻的一半，用于模拟模块化多电平换流器故障运行时的闭锁情况。
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