CN112001144A - 一种模块化多电平换流器的仿真方法及装置 - Google Patents

一种模块化多电平换流器的仿真方法及装置 Download PDF

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CN112001144A
CN112001144A CN202010873466.8A CN202010873466A CN112001144A CN 112001144 A CN112001144 A CN 112001144A CN 202010873466 A CN202010873466 A CN 202010873466A CN 112001144 A CN112001144 A CN 112001144A
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capacitor
voltage
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value
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游广增
李玲芳
朱欣春
何烨
司大军
陈义宣
陈姝敏
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Yunnan Power Grid Co Ltd
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Abstract

本申请提供一种模块化多电平换流器的仿真方法及装置，该方法的主要步骤包括：根据电容器的电容值和电容器的电压值，通过微分方程，确定电容器的电流值；将电容器的电流值转换为动态相量形式的电流值，并离散化；将电容器的电压值转换为动态相量形式的电压值，并离散化；对离散化后的电流值和离散化后的电压值进行处理，以及采用第一矩阵对处理后的关系式进行变换，得到矩阵变换后的关系式；确定电容器的等效阻抗，以及电容器的等效电压；确定开关单元的等效阻抗以及开关单元的等效电压后，获取模块化多电平换流器的仿真结果。本申请在仿真步长提高的情况下，仍能保证仿真结果的精准性。

Description

一种模块化多电平换流器的仿真方法及装置
技术领域
本申请涉及电力技术领域，特别涉及一种模块化多电平换流器的仿真方法及装置。
背景技术
模块化多电平换流器由于其拓扑结构的优越性，在多端远距离高压直流输电系统中得到了广泛应用。多端远距离高压直流输电系统的结构随着用电量的提升而不断复杂，导致模块化多电平换流器在多端远距离高压直流输电系统中数量逐渐增加。因此，基于模块化多电平换流器的多端远距离高压直流输电系统成为研究人员重点探究的领域。
许多理论研究，需要通过基于模块化多电平换流器的多端远距离高压直流输电系统的仿真实验进行验证。这些仿真实验需要对模块化多电平换流器进行建模，以确保后续与多端远距离高压直流输电系统相关的仿真实验中，模块化多电平换流器的模型最大程度地贴近实际特性。目前，一种常用技术手段是采用牛顿拉夫逊迭代法对模块化多电平换流器中主要的元器件，例如电容，进行模型的建立。但是这种方法，过程复杂，且当仿真步长变大时，所建立的模块化多电平换流器模型的精确度会大大降低，进而使得仿真结果产生偏差。
基于此，目前亟需一种模块化多电平换流器模型的仿真方法，用于解决现有技术中仿真步长增大时，模块化多电平换流器模型的精确度降低的问题。
发明内容
本申请提供了一种模块化多电平换流器的仿真方法及装置，可用于解决在现有技术中现有技术中仿真步长增大时，模块化多电平换流器模型的精确度降低的问题。
第一方面，本申请提供了一种模块化多电平换流器的仿真方法，所述方法应用于多端远距离高压直流输电系统，该系统包括模块化多电平换流器；所述模块化多电平换流器包括电容器和开关单元，所述电容器与所述开关单元并联，所述开关单元由绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)和二极管并联组成；所述方法包括：
获取电容器的电压值，以及电容器的电容值；
根据所述电容器的电容值和电容器的电压值，通过微分方程，确定所述电容器的电流值；
将所述电容器的电流值转换为动态相量形式的电流值，将所述电容器的电压值转换为动态相量形式的电压值；
将所述动态相量形式的电流值离散化，得到离散化后的电流值；
将所述动态相量形式的电压值离散化，得到离散化后的电压值；
采用动态相量形式的关系式，对所述离散化后的电流值和所述离散化后的电压值进行处理，以及采用第一矩阵对处理后的关系式进行变换，得到矩阵变换后的关系式；所述动态相量形式的关系式是对所述微分方程进行转化后得到的；
根据所述矩阵变换后的关系式中的系数矩阵，确定所述电容器的等效阻抗；
根据所述系数矩阵和所述矩阵变换后的关系式的导纳矩阵，确定所述电容器的等效电压；
根据所述二极管的导通电阻、所述IGBT的导通电阻以及预设的开关函数，确定所述开关单元的阻抗；
采用第二矩阵对将所述开关单元的阻抗进行变换，得到所述开关单元的等效阻抗；
根据所述二极管的导通阈值电压、所述IGBT的导通阈值电压以及所述预设的开关函数，确定所述开关单元的电压；
采用第三矩阵对所述开关单元的电压进行变换，得到所述开关单元的等效电压；
根据所述电容器的等效阻抗和所述开关单元的等效阻抗，确定仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗；
根据所述电容器对应的等效电压和所述开关单元对应的等效电压，确定仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述电容器的电流值采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000021
其中，
Figure BDA0002651872140000022
为所述电容器的电流值；C为所述电容器的电容值；j为数学符号，表示虚部部分；ωs为基频；
Figure BDA0002651872140000023
为所述电容器的电压值。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗具体采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000024
其中，
Figure BDA0002651872140000025
为所述仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗；Zcxy(t)为所述电容器的等效阻抗；Zhxy(t)为所述开关单元的等效阻抗；Sh(t)为所述预设的开关函数。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压具体采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000026
其中，
Figure BDA0002651872140000027
为所述仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压；vcxy(t)为所述电容器的等效电压；vhxy(t)为所述开关单元的等效电压；Sh(t)为所述预设的开关函数。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述第一矩阵采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000028
其中，R(t)为所述变换矩阵；ωs为基频；t为获取电容器的电压值的时刻。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述第二矩阵采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000029
其中，R2(t)为所述第二矩阵；I2×2为两行两列的单位矩阵；
Figure BDA00026518721400000210
为取
Figure BDA00026518721400000211
时刻的所述第一矩阵。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述第三矩阵为两行两列的单位矩阵。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述模块化多电平换流器包括全桥模块或半桥模块。
第二方面，本申请提供了一种模块化多电平换流器的仿真装置，所述装置应用于多端远距离高压直流输电系统，该系统包括模块化多电平换流器；所述模块化多电平换流器包括电容器和开关单元，所述电容器与所述开关单元并联，所述开关单元由IGBT和二极管并联组成；所述装置包括：
获取模块，用于获取电容器的电压值，以及电容器的电容值；
确定模块，用于根据所述电容器的电容值和电容器的电压值，通过微分方程，确定所述电容器的电流值；
转换模块，用于将所述电容器的电流值转换为动态相量形式的电流值，将所述电容器的电压值转换为动态相量形式的电压值；
离散化模块，用于将所述动态相量形式的电流值离散化，得到离散化后的电流值；
所述离散化模块，还用于将所述动态相量形式的电压值离散化，得到离散化后的电压值；
处理模块，用于采用动态相量形式的关系式，对所述离散化后的电流值和所述离散化后的电压值进行处理，以及采用第一矩阵对处理后的关系式进行变换，得到矩阵变换后的关系式；所述动态相量形式的关系式是对所述微分方程进行转化后得到的；
所述确定模块，还用于根据所述矩阵变换后的关系式中的系数矩阵，确定所述电容器的等效阻抗；以及根据所述系数矩阵和所述矩阵变换后的关系式的导纳矩阵，确定所述电容器的等效电压；以及根据所述二极管的导通电阻、所述IGBT的导通电阻以及预设的开关函数，确定所述开关单元的阻抗；
所述处理模块，还用于采用第二矩阵对将所述开关单元的阻抗进行变换，得到所述开关单元的等效阻抗；
所述确定模块，还用于根据所述二极管的导通阈值电压、所述IGBT的导通阈值电压以及所述预设的开关函数，确定所述开关单元的电压；
所述处理模块，还用于采用第三矩阵对所述开关单元的电压进行变换，得到所述开关单元的等效电压；
所述确定模块，还用于根据所述电容器的等效阻抗和所述开关单元的等效阻抗，确定仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗；以及根据所述电容器对应的等效电压和所述开关单元对应的等效电压，确定仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压。
结合第二方面，在第一方面的二种可实现方式中，所述电容器的电流值采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000031
其中，
Figure BDA0002651872140000032
为所述电容器的电流值；C为所述电容器的电容值；j为数学符号，表示虚部部分；ωs为基频；
Figure BDA0002651872140000033
为所述电容器的电压值。
结合第二方面，在第一方面的二种可实现方式中，所述仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗具体采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000034
其中，
Figure BDA0002651872140000035
为所述仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗；Zcxy(t)为所述电容器的等效阻抗；Zhxy(t)为所述开关单元的等效阻抗；Sh(t)为所述预设的开关函数。
结合第二方面，在第一方面的二种可实现方式中，所述仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压具体采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000036
其中，
Figure BDA0002651872140000037
为所述仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压；vcxy(t)为所述电容器的等效电压；vhxy(t)为所述开关单元的等效电压；Sh(t)为所述预设的开关函数。
结合第二方面，在第一方面的二种可实现方式中，所述第一矩阵采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000041
其中，R(t)为所述变换矩阵；ωs为基频；t为获取电容器的电压值的时刻。
结合第二方面，在第一方面的二种可实现方式中，所述第二矩阵采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000042
其中，R2(t)为所述第二矩阵；I2×2为两行两列的单位矩阵；
Figure BDA0002651872140000043
为取
Figure BDA0002651872140000044
时刻的所述第一矩阵。
结合第二方面，在第一方面的二种可实现方式中，所述第三矩阵为两行两列的单位矩阵。
结合第二方面，在第一方面的二种可实现方式中，所述模块化多电平换流器包括全桥模块或半桥模块。
本申请重点针对模块化多电平换流器中的电容器进行仿真，在得到电容器的电流和电容器的电压所对应的时域微分方程的基础上，将相关值转换为频移动态相量，并将相关值离散化，从而使得对模块化多电平换流器进行仿真时，只需要获取电容器前一时刻和当前时刻的电压值，避免了获取多个周期内电容器的电压值的繁琐，进而避免了多个电压值迭代造成的仿真结果的偏差。本申请所采取的方法，使得仿真步长提高时，保证模块化多电平换流器仿真的精准性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种全桥模块结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种半桥模块结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种模块化多电平换流器的仿真方法的流程示意图；
图4为本申请实施例提供的一种未采用本申请方法的带通信号示意图；
图5为本申请实施例提供的一种采用本申请方法后的信号示意图；
图6为本申请实施例提供的一种模块化多电平换流器的仿真装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
本申请实施例提供的方法应用于多端远距离高压直流输电系统，该系统包括模块化多电平换流器。
模块化多电平换流器有两种结构，包括全桥模块或半桥模块。全桥模块和半桥模块在结构上都包括电容器和开关单元，电容器与开关单元并联，开关单元由绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)和二极管并联组成。
如图1所示为本申请实施例提供的一种全桥模块结构示意图。全桥模块包括两个开关单元和一个电容，一个开关单位又由两个子部件组成，这两个子部件在结构上完全一致。两个子部件串联连接。每个子部件均由一个IGBT和一个二极管并联构成。
如图2所示为本申请实施例提供的一种半桥模块结构示意图。半桥模块包括一个开关单元和一个电容，半桥模块中开关单元的结构和全桥模块中的开关单元的结构一致，此处不再赘述。
如图3所示为本申请实施例提供的一种模块化多电平换流器的仿真方法的流程示意图。根据图3可以获知，本申请实施例提供的方法主要包括以下步骤：
步骤301，获取电容器的电压值，以及电容器的电容值。
步骤302，根据电容器的电容值和电容器的电压值，通过微分方程，确定电容器的电流值。
步骤303，将电容器的电流值转换为动态相量形式的电流值，将电容器的电压值转换为动态相量形式的电压值。
步骤304，将动态相量形式的电流值离散化，得到离散化后的电流值。
步骤305，将动态相量形式的电压值离散化，得到离散化后的电压值。
步骤306，采用动态相量形式的关系式，对离散化后的电流值和离散化后的电压值进行处理，以及采用第一矩阵对处理后的关系式进行变换，得到矩阵变换后的关系式。
步骤307，根据矩阵变换后的关系式中的系数矩阵，确定电容器的等效阻抗。
步骤308，根据系数矩阵和矩阵变换后的关系式的导纳矩阵，确定电容器的等效电压。
步骤309，根据二极管的导通电阻、IGBT的导通电阻以及预设的开关函数，确定开关单元的阻抗。
步骤310，采用第二矩阵对将开关单元的阻抗进行变换，得到开关单元的等效阻抗。
步骤311，根据二极管的导通阈值电压、IGBT的导通阈值电压以及预设的开关函数，确定开关单元的电压。
步骤312，采用第三矩阵对开关单元的电压进行变换，得到开关单元的等效电压。
步骤313，根据电容器的等效阻抗和开关单元的等效阻抗，确定仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗。
步骤314，根据电容器对应的等效电压和开关单元对应的等效电压，确定仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压。
本申请实施例重点针对模块化多电平换流器中的电容器进行仿真，在得到电容器的电流和电容器的电压所对应的时域微分方程的基础上，将相关值转换为频移动态相量，并将相关值离散化，从而使得对模块化多电平换流器进行仿真时，只需要获取电容器前一时刻和当前时刻的电压值，避免了获取多个周期内电容器的电压值的繁琐，进而避免了多个电压值迭代造成的仿真结果的偏差。本申请实施例所采取的方法，可以使得仿真步长提高时，保证模块化多电平换流器仿真的精准性。
下面按照电容器和开关单元的顺序依次介绍本申请实施例提供的方法。
步骤301至步骤308为针对电容器的仿真方法。
步骤301中，电容器的电压值为实时更新的量，根据加载在电容器两侧的电压量而不断变化。
步骤302中，一般情况下，电力系统中信号的时域微分方程可以表示为：
Figure BDA0002651872140000051
公式(1)中，e为输出信号，步骤302中对应为电容器的电流值；u为输入信号，步骤302中对应为电容器的电压值；K为增益，根据具体输出信号与输入信号的关系取不同值。
具体的，电容器的电流值采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000052
公式(2)中，
Figure BDA0002651872140000053
为电容器的电流值；C为电容器的电容值；j为数学符号，表示虚部部分；ωs为基频；
Figure BDA0002651872140000054
为电容器的电压值。
步骤303中，将电容器的电流值转换为动态相量形式的电流值，将电容器的电压值转换为动态相量形式的电压值后，公式(2)可以表示为以下形式：
Figure BDA0002651872140000061
公式(3)中，输出信号e，可以表示为由输出信号的实部eI，以及输出信号的虚部eQ构成的形式，本申请实施例中，eI表示动态相量形式下电流值的实部；eQ表示动态相量形式下电流值的虚部；同理，输入信号u，可以表示为由输入信号的实部uI，以及输出信号的虚部uQ构成的形式，本申请实施例中，uI表示动态相量形式下电压值的实部；uQ表示动态相量形式下电压值的虚部；K为增益；I2×2为两行两列的单位矩阵；
Figure BDA0002651872140000062
其中ωs为基频。
步骤304中，可以对动态相量形式的电流值采用多种离散化方法，本申请实施例可以采取的一种方式为梯形算法。
步骤305中，与步骤304相似的，可以采用梯形算法对动态相量形式的电压值进行离散化。
步骤306中，动态相量形式的关系式是对微分方程进行转化后得到的。
其中，第一矩阵采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000063
公式(4)中，R(t)为变换矩阵；ωs为基频；t为获取电容器的电压值的时刻。
矩阵变换后的关系式可以表示为：
Figure BDA0002651872140000064
公式(5)中，ex(t)为输出信号在时域下t时刻的实部，在本申请实施例中对应为电流在时域下t时刻的实部；ey(t)为输出信号在时域下t时刻的虚部，在本申请实施例中对应为电流在时域下t时刻的虚部；Δt为仿真步长；I2*2为两行两列的单位矩阵；
Figure BDA0002651872140000065
其中ωs为基频；R(-Δt)对应公式(4)，t取值为-Δt；ex(t-Δt)为输出信号在时域下t-Δt时刻的实部，在本申请实施例中对应为电流在时域下t-Δt时刻的实部，其中t-Δt在本申请实施例中定义为前一时刻，电流在时域下初始时刻的值为零；ux(t)为输入信号在时域下t时刻的实部，在本申请实施例中对应为电压在时域下t时刻的实部；uy(t)为输入信号在时域下t时刻的虚部，在本申请实施例中对应为电压在时域下t时刻的虚部；K为增益；ux(t-Δt)为输入信号在时域下t-Δt时刻的实部，在本申请实施例中对应为电压在时域下t-Δt时刻的实部； uy(t-Δt)为输入信号在时域下t-Δt时刻的虚部，在本申请实施例中对应为电压在时域下t- Δt时刻的虚部，本申请实施例中电压可以实时获取。根据公式(5)可以获知，电流在时域下的值，通过前一时刻电流在时域下的值迭代得到。
本申请实施例中，公式(5)具体体现为：
Figure BDA0002651872140000066
公式(6)中，icx(t)为电流在时域下t时刻的实部；icy(t)为电流在时域下t时刻的虚部； Gcxy为系数矩阵中的第一系数矩阵，体现电容器的电压和电容器的电流在数值上的关系； vcx(t)为电压在时域下t时刻的实部；vcy(t)为电压在时域下t时刻的虚部；
Figure BDA0002651872140000067
为导纳矩阵；Kv为系数矩阵中的第二系数矩阵；Ki为系数矩阵中的第三系数矩阵；vcx(t-Δt)为电压在时域下t-Δt时刻的实部；vcy(t-Δt)为电压在时域下t-Δt时刻的虚部；icx(t-Δt)为电流在时域下t-Δt时刻的实部；icy(t-Δt)为电流在时域下t-Δt时刻的虚部。
步骤307中，将公式(5)与公式(6)进行换算等效，可以得到公式(7)。
Figure BDA0002651872140000071
公式(7)中，Gcxy为系数矩阵中的第一系数矩阵；Kv为系数矩阵中的第二系数矩阵；Ki为系数矩阵中的第三系数矩阵；C为电容器的电容值；Δt为仿真步长；I2×2为两行两列的单位矩阵；
Figure BDA0002651872140000072
对应公式(4)，t取值为
Figure BDA0002651872140000073
ωs为基频。
电容器的仿真结果，由电容器的等效阻抗以及电容器的等效电压构成。其中电容器的等效阻抗可以表示为：
Zcxy＝|Gcxy|-1 公式(8)
公式(8)中，Zcxy为电容器的等效阻抗；Gcxy为系数矩阵中的第一系数矩阵。
步骤308中，电容器的等效电压通过以下方式确定：
vcxy＝-|Gcxy|-1[Jcx(t-Δt)Jcy(t-Δt)]T 公式(9)
公式(9)中，vcxy为电容器的等效电压；Gcxy为系数矩阵中的第一系数矩阵；
Figure BDA0002651872140000074
为导纳矩阵，具体取值可以参考公式(6)。
步骤309至步骤312为针对开关单元的仿真方法。
步骤309中，模块化多电平换流器分为全桥模块和半桥模块。全桥模块和半桥模块的结构不一样，因此对于两种模块中的开关单元，需要分开讨论。
对于半桥模块，开关单元上的阻抗，通过以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000075
公式(10)中，Zh(t)为开关单元的阻抗；iarm(t)为桥臂电流；Rd为二极管的导通电阻； Ri为IGBT的导通电阻；Sh(t)为预设的开关函数，开关函数在不同情况下取值不同。
对于全桥模块，开关单元上的阻抗，通过以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000076
公式(11)中，Zh(t)为开关单元的阻抗；iarm(t)为桥臂电流；Rd为二极管的导通电阻； Ri为IGBT的导通电阻；Sh(t)为预设的开关函数，开关函数在不同情况下取值不同。
步骤310中，第二矩阵采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000077
公式(12)中，R2(t)为第二矩阵；I2×2为两行两列的单位矩阵；
Figure BDA0002651872140000078
为t取
Figure BDA0002651872140000079
时刻的第一矩阵。
开关单元的等效阻抗采用以下方式确定：
Figure BDA00026518721400000710
公式(13)中，Zhxy(t)为开关单元的等效阻抗；Zh(t)为开关单元的阻抗；
Figure BDA00026518721400000711
为第二矩阵，即R2(t)；I2×2为两行两列的单位矩阵；
Figure BDA0002651872140000081
为取
Figure BDA0002651872140000082
时刻的第一矩阵。
步骤311中，对于半桥模块，开关单元上的电压，通过以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000083
公式(14)中，vh(t)为开关单元的电压；iarm(t)为桥臂电流；Rd为二极管的导通电阻； Ri为IGBT的导通电阻；Sh(t)为预设的开关函数；Vd为二极管的导通阈值电压；Vi为IGBT的导通阈值电压。
对于全桥模块，开关单元上的电压，通过以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000084
公式(15)中，vh(t)为开关单元的电压；iarm(t)为桥臂电流；Rd为二极管的导通电阻； Ri为IGBT的导通电阻；Sh(t)为预设的开关函数；Vd为二极管的导通阈值电压；Vi为IGBT的导通阈值电压。
步骤312中，第三矩阵为两行两列的单位矩阵。
开关单元的等效电压，通过以下方式确定：
[vhx(t)vhy(t)]T＝vh(t)·I2×2 公式(16)
公式(16)中，[vhx(t)vhy(t)]为开关单元的等效电压；vh(t)为开关单元的电压；I2×2为两行两列的单位矩阵。
步骤313中，根据开关函数的不同，模块化多电平换流器对应的等效阻抗在不同情况下取不同的值。
仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗具体采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000085
公式(17)中，
Figure BDA0002651872140000086
为仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗；Zcxy(t)为电容器的等效阻抗；Zhxy(t)为开关单元的等效阻抗；Sh(t)为预设的开关函数。
步骤314中，根据开关函数的不同，模块化多电平换流器对应的等效电压在不同情况下取不同的值。
仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压具体采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000087
公式(18)中，
Figure BDA0002651872140000088
为仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压；vcxy(t)为电容器的等效电压；vhxy(t)为开关单元的等效电压；Sh(t)为预设的开关函数。
仿真后的模块化多电平换流器，为一个电压源和电阻的串联形式。其中电压源的值为步骤314中仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压，电阻的阻值为步骤313中仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗。
如图4所示为本申请实施例提供的一种未采用本申请方法带通信号。
如图5所示为本申请实施例提供的一种采用本申请方法后的信号，对比图4可以获知，信号放生了频移。
在对模块化多电平换流器进行仿真后，可以仿真与模块化多电平换流器相匹配的接口。该接口用于模块化多电平换流器与外界进行参数传递。
具体的，在对模块化多电平换流器进行仿真后，将模块化多电平换流器中涉及的频移相量值转化为瞬时值，再求解回路电流。求解回路电流涉及到的方法如下：
Figure BDA0002651872140000091
公式(19)中，Iu(t)为当前时刻的上桥臂电流；Id(t)为当前时刻的下桥臂电流；Vdc1为当前时刻的上桥臂直流电压；Vdc2为当前时刻的下桥臂直流电压；
Figure BDA0002651872140000092
为上桥臂前一时刻桥臂等效电阻的频移相量形式；
Figure BDA0002651872140000093
为下桥臂前一时刻桥臂等效电阻的频移相量形式；ZL为电感的等效阻值；ZR为电阻的等效阻值；
Figure BDA0002651872140000094
为上桥臂的等效电阻的频移相量形式；
Figure BDA0002651872140000095
为下桥臂的等效电阻的频移相量形式。
具体的，对于公式(19)，满足以下条件：
Figure BDA0002651872140000096
公式(20)中，
Figure BDA0002651872140000097
为上桥臂或者下桥臂的等效电阻的频移相量形式；
Figure BDA0002651872140000098
为仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗；
Figure BDA0002651872140000099
为前一时刻上桥臂或者下桥臂的等效电压的频移相量形式；
Figure BDA00026518721400000910
为仿真后前一时刻的模块化多电平换流器对应的等效电压； Sk为。
最后，通过下述方法，将桥臂电流的瞬时值转换为频移相量形式：
Figure BDA00026518721400000911
公式(21)中，
Figure BDA00026518721400000912
为桥臂电流的频移相量形式；Iu(t)为当前时刻的上桥臂电流；H为希尔伯特矩阵；R(-t)参考公式(4)。
下述为本申请装置实施例，可以用于执行本申请方法实施例。对于本申请装置实施例中未披露的细节，请参照本申请方法实施例。
图6示例性示出了本申请实施例提供的一种模块化多电平换流器的仿真装置的结构示意图。如图6所示，该装置具有实现上述模块化多电平换流器的仿真方法的功能，功能可以由硬件实现，也可以由硬件执行相应的软件实现。该装置应用于多端远距离高压直流输电系统，该系统包括模块化多电平换流器；模块化多电平换流器包括电容器和开关单元，电容器与开关单元并联，开关单元由IGBT和二极管并联组成；装置包括：获取模块，用于获取电容器的电压值，以及电容器的电容值。该装置具体包括确定模块601、转换模块602、离散化模块603 以及处理模块604。
确定模块601，用于根据电容器的电容值和电容器的电压值，通过微分方程，确定电容器的电流值；
转换模块602，用于将电容器的电流值转换为动态相量形式的电流值，将电容器的电压值转换为动态相量形式的电压值；
离散化模块603，用于将动态相量形式的电流值离散化，得到离散化后的电流值；
离散化模块603，还用于将动态相量形式的电压值离散化，得到离散化后的电压值；
处理模块604，用于采用动态相量形式的关系式，对离散化后的电流值和离散化后的电压值进行处理，以及采用第一矩阵对处理后的关系式进行变换，得到矩阵变换后的关系式；动态相量形式的关系式是对微分方程进行转化后得到的；
确定模块601，还用于根据矩阵变换后的关系式中的系数矩阵，确定电容器的等效阻抗；以及根据系数矩阵和矩阵变换后的关系式的导纳矩阵，确定电容器的等效电压；以及根据二极管的导通电阻、IGBT的导通电阻以及预设的开关函数，确定开关单元的阻抗；
处理模块604，还用于采用第二矩阵对将开关单元的阻抗进行变换，得到开关单元的等效阻抗；
确定模块601，还用于根据二极管的导通阈值电压、IGBT的导通阈值电压以及预设的开关函数，确定开关单元的电压；
处理模块604，还用于采用第三矩阵对开关单元的电压进行变换，得到开关单元的等效电压；
确定模块601，还用于根据电容器的等效阻抗和开关单元的等效阻抗，确定仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗；以及根据电容器对应的等效电压和开关单元对应的等效电压，确定仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压。
可选的，电容器的电流值采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000101
其中，
Figure BDA0002651872140000102
为电容器的电流值；C为电容器的电容值；j为数学符号，表示虚部部分；ωs为基频；
Figure BDA0002651872140000103
为电容器的电压值。
可选的，仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗具体采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000104
其中，
Figure BDA0002651872140000105
为仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗；Zcxy(t)为电容器的等效阻抗；Zhxy(t)为开关单元的等效阻抗；Sh(t)为预设的开关函数。
可选的，仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压具体采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000106
其中，
Figure BDA0002651872140000107
为仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压；vcxy(t)为电容器的等效电压；vhxy(t)为开关单元的等效电压；Sh(t)为预设的开关函数。
可选的，第一矩阵采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000108
其中，R(t)为变换矩阵；ωs为基频；t为获取电容器的电压值的时刻。
可选的，第二矩阵采用以下方式确定：
Figure BDA0002651872140000109
其中，R2(t)为第二矩阵；I2×2为两行两列的单位矩阵；
Figure BDA00026518721400001010
为取
Figure BDA00026518721400001011
时刻的第一矩阵。
可选的，第三矩阵为两行两列的单位矩阵。
可选的，模块化多电平换流器包括全桥模块或半桥模块。
本申请实施例针对模块化多电平换流器中的电容器进行仿真，在得到电容器的电流和电容器的电压所对应的时域微分方程的基础上，将相关值转换为频移动态相量，并将相关值离散化，从而使得对模块化多电平换流器进行仿真时，只需要获取电容器前一时刻和当前时刻的电压值，避免了获取多个周期内电容器的电压值的繁琐，进而避免了多个电压值迭代造成的仿真结果的偏差。本申请实施例所采取的方法，可以使得仿真步长提高时，保证模块化多电平换流器仿真的精准性。
本发明可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。
本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种模块化多电平换流器的仿真方法，其特征在于，所述方法应用于多端远距离高压直流输电系统，该系统包括模块化多电平换流器；所述模块化多电平换流器包括电容器和开关单元，所述电容器与所述开关单元并联，所述开关单元由绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管并联组成；所述方法包括：
获取电容器的电压值，以及电容器的电容值；
根据所述电容器的电容值和电容器的电压值，通过微分方程，确定所述电容器的电流值；
将所述电容器的电流值转换为动态相量形式的电流值，将所述电容器的电压值转换为动态相量形式的电压值；
将所述动态相量形式的电流值离散化，得到离散化后的电流值；
将所述动态相量形式的电压值离散化，得到离散化后的电压值；
采用动态相量形式的关系式，对所述离散化后的电流值和所述离散化后的电压值进行处理，以及采用第一矩阵对处理后的关系式进行变换，得到矩阵变换后的关系式；所述动态相量形式的关系式是对所述微分方程进行转化后得到的；
根据所述矩阵变换后的关系式中的系数矩阵，确定所述电容器的等效阻抗；
根据所述系数矩阵和所述矩阵变换后的关系式的导纳矩阵，确定所述电容器的等效电压；
根据所述二极管的导通电阻、所述IGBT的导通电阻以及预设的开关函数，确定所述开关单元的阻抗；
采用第二矩阵对将所述开关单元的阻抗进行变换，得到所述开关单元的等效阻抗；
根据所述二极管的导通阈值电压、所述IGBT的导通阈值电压以及所述预设的开关函数，确定所述开关单元的电压；
采用第三矩阵对所述开关单元的电压进行变换，得到所述开关单元的等效电压；
根据所述电容器的等效阻抗和所述开关单元的等效阻抗，确定仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗；
根据所述电容器对应的等效电压和所述开关单元对应的等效电压，确定仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电容器的电流2值采用以下方式确定：
Figure FDA0002651872130000011
其中，
Figure FDA0002651872130000012
为所述电容器的电流值；C为所述电容器的电容值；j为数学符号，表示虚部部分；ωs为基频；
Figure FDA0002651872130000013
为所述电容器的电压值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗具体采用以下方式确定：
Figure FDA0002651872130000014
其中，
Figure FDA0002651872130000015
为所述仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗；Zcxy(t)为所述电容器的等效阻抗；Zhxy(t)为所述开关单元的等效阻抗；Sh(t)为所述预设的开关函数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压具体采用以下方式确定：
Figure FDA0002651872130000021
其中，
Figure FDA0002651872130000022
为所述仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压；vcxy(t)为所述电容器的等效电压；vhxy(t)为所述开关单元的等效电压；Sh(t)为所述预设的开关函数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一矩阵采用以下方式确定：
Figure FDA0002651872130000023
其中，R(t)为所述变换矩阵；ωs为基频；t为获取电容器的电压值的时刻。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二矩阵采用以下方式确定：
Figure FDA0002651872130000024
其中，R2(t)为所述第二矩阵；I2×2为两行两列的单位矩阵；
Figure FDA0002651872130000025
为取
Figure FDA0002651872130000026
时刻的所述第一矩阵。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三矩阵为两行两列的单位矩阵。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模块化多电平换流器包括全桥模块或半桥模块。
9.一种模块化多电平换流器的仿真装置，其特征在于，所述装置应用于多端远距离高压直流输电系统，该系统包括模块化多电平换流器；所述模块化多电平换流器包括电容器和开关单元，所述电容器与所述开关单元并联，所述开关单元由IGBT和二极管并联组成；所述装置包括：
获取模块，用于获取电容器的电压值，以及电容器的电容值；
确定模块，用于根据所述电容器的电容值和电容器的电压值，通过微分方程，确定所述电容器的电流值；
转换模块，用于将所述电容器的电流值转换为动态相量形式的电流值，将所述电容器的电压值转换为动态相量形式的电压值；
离散化模块，用于将所述动态相量形式的电流值离散化，得到离散化后的电流值；
所述离散化模块，还用于将所述动态相量形式的电压值离散化，得到离散化后的电压值；
处理模块，用于采用动态相量形式的关系式，对所述离散化后的电流值和所述离散化后的电压值进行处理，以及采用第一矩阵对处理后的关系式进行变换，得到矩阵变换后的关系式；所述动态相量形式的关系式是对所述微分方程进行转化后得到的；
所述确定模块，还用于根据所述矩阵变换后的关系式中的系数矩阵，确定所述电容器的等效阻抗；以及根据所述系数矩阵和所述矩阵变换后的关系式的导纳矩阵，确定所述电容器的等效电压；以及根据所述二极管的导通电阻、所述IGBT的导通电阻以及预设的开关函数，确定所述开关单元的阻抗；
所述处理模块，还用于采用第二矩阵对将所述开关单元的阻抗进行变换，得到所述开关单元的等效阻抗；
所述确定模块，还用于根据所述二极管的导通阈值电压、所述IGBT的导通阈值电压以及所述预设的开关函数，确定所述开关单元的电压；
所述处理模块，还用于采用第三矩阵对所述开关单元的电压进行变换，得到所述开关单元的等效电压；
所述确定模块，还用于根据所述电容器的等效阻抗和所述开关单元的等效阻抗，确定仿真后的模块化多电平换流器对应的等效阻抗；以及根据所述电容器对应的等效电压和所述开关单元对应的等效电压，确定仿真后的模块化多电平换流器对应的等效电压。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述电容器的电流值采用以下方式确定：
Figure FDA0002651872130000031
其中，
Figure FDA0002651872130000032
为所述电容器的电流值；C为所述电容器的电容值；j为数学符号，表示虚部部分；ωs为基频；
Figure FDA0002651872130000033
为所述电容器的电压值。
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