CN112052597A - 一种多有源桥型变换器的电磁暂态等效建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种多有源桥型变换器的电磁暂态等效建模方法(Electromagnetic transient equivalent modeling method of multi‑active bridge converter(MAB)),包括：1、获取各个开关管的触发信号；2、根据当前时刻的触发信号对各开关管、电容、电感、多绕组变压器进行离散化等效并消去模块内部节点，构建单个功率模块的等效电路；3、根据功率模块之间的串并联关系，将同一位置的端口进行节点消去或合并，得到适用于多种多有源桥型变换器的通用等效电路。4、根据变换器类型进行仿真系统的节点信息求解，并反解和更新当前时刻电容、电感、多绕组变压器支路的等效参数。

Description

一种多有源桥型变换器的电磁暂态等效建模方法

技术领域

本发明属于电力系统建模与仿真技术领域，具体涉及一种多有源桥型变换器的电磁暂态等效建模方法。

背景技术

提供中压直流端口，并在低压侧形成交直流微网为用户供电的模块化多电平换流器型固态变压器(modular multilevel converter based power electronictransformer,MMC based PET)是实现交直流混合配电网柔性互联的关键装置，其DC/DC级的基本单元可采用双有源桥变换器或串联谐振型变换器。与此同时，为了减少高频变压器的数目，也有多种基于多绕组结构的多有源桥型变换器拓扑不断涌现，在已有工程及样机中，既存在功率模块的多个中压侧端口内部串联，且低压侧端口并联的基本连接形式，也存在子模块的多个中压侧端口内部不直接相连，各自构成三相桥臂，且低压侧端口并联的连接形式，给系统建模与仿真带来了挑战。此类拓扑具备“高频”“隔离型”和“多模块”三个典型特征，其中“高频”和“多模块”使其电磁暂态详细模型的仿真效率较低，给系统的整体仿真计算带来很大的负担。为了满足变换器的仿真需求，有必要根据上述拓扑的内在联系，提出一种较为通用的多有源桥型变换器的快速仿真方法。

发明内容

本发明提供一种多有源桥型变换器的电磁暂态等效建模方法，以其中的四有源桥型为例，该建模方法包括以下步骤：

步骤1：获取各个开关管的触发信号，所述的触发信号决定了相桥臂各子模块内IGBT开关管在当前时刻的开关状态。

步骤2：根据当前时刻的触发信号对各开关管、电容、电感、多绕组变压器进行离散化等效并消去模块内部节点，构建单个功率模块的等效电路。其特征在于，所述的多绕组变压器的离散化等效电路为背靠背的四个单端口电路，以及所述的单个功率模块等效电路由四个等效电压源和四个等效电阻构成。

步骤3：根据功率模块之间的串并联关系，将同一位置的端口进行节点消去或合并，得到适用于多种多有源桥型变换器的通用等效电路。所述的通用等效电路为背靠背的四个单端口电路，各个单端口电路均由一个等效电压源并联一个等效电阻构成，其特征在于：所述等效电阻的电阻值和等效电压源的电压值的表达式如下：

其中：U_{all_1_EQ}(t)～U_{all_4_EQ}(t)为t时刻等效电压源的电压值，R_{all_1_EQ}(t)～R_{all_4_EQ}(t)为t时刻等效电阻的电阻值，U_{3k-2_EQ}(t)～U_{3k_EQ}(t)为级联H桥一侧的第3k-2、3k-1和3k个等效电压源的电压值，R_{3k-2_EQ}(t)～R_{3k_EQ}(t)为级联H桥一侧的第3k-2、3k-1和3k个等效电阻的电阻值，J_{k_EQ}(t)为非级联H桥一侧的第k个等效电流源的电流值，G_{k_EQ}(t)为非级联H桥一侧的第k个等效电阻对应的电导值。

步骤4：根据变换器类型进行仿真系统的节点信息求解，并反解和更新当前时刻电容、电感、多绕组变压器支路的等效参数。

附图说明

图1为两种多有源桥型变换器拓扑及其伴随网络。

图2为多有源桥功率模块的戴维南等效电路。

图3为多有源桥型变换器的戴维南等效电路。

具体实施方式

本发明提供一种多有源桥型变换器的电磁暂态等效建模方法。

附图1(a)为采用H桥-MAB拓扑的模块化多电平换流器(Modular multilevelconverter,MMC)型电力电子变压器，其包含的多有源桥模块三个输入端口分别位于三相内部；附图1(b)为单个多有源桥功率模块的详细拓扑,H桥用于交-直变换环节，多有源桥变换器(MAB)用于直-直变换环节；附图1(c)为采用H桥-MAB拓扑的级联H桥型电力电子变压器，其包含的多有源桥模块三个输入端口位于同一相内部。S1～S28表示功率模块内IGBT和反并联的二极管构成的开关组，C1,C2,C3表示H桥和MAB共用的稳压电容，C4表示直流出口处的稳压电容。下面将结合附图对本发明的建模步骤做进一步详细的说明。

步骤1：获取各个开关管的触发信号。获取相桥臂所有功率模块的28位开关信号，分别对应模块内部的28个开关管S1～S28接收的触发信号。

步骤2：根据当前时刻的触发信号对各开关管、电容、电感、多绕组变压器进行离散化等效并消去模块内部节点，构建单个功率模块的等效电路。

构建多有源桥型变换器功率模块的伴随网络，如附图1(d)所示。

IGBT及其反并联二极管元件用一个在高、低阻值间切换的二值开关电阻等效，触发信号为1时，IGBT及其反并联二极管在每个时刻有且仅有一个处于导通状态，可用通态电阻(低阻值)等效，触发信号为0时，IGBT及其反并联二极管均处于关断状态，可用并联等效后的关断等效电阻(高阻值)表示。

附加电感L1～L3和电容C1～C4分别用时域诺顿等效支路代替，即表示为一个等效历史电流源与一个等效电阻并联的形式，其中历史电压源的数值由上一仿真步长下的电感或电容上的电压和电流决定，计算公式如下所示：

J_LEQ(t)＝G_LV_L(t-ΔT)+I_L(t-ΔT)

其中：G_L为附加电感的等效阻值，ΔT为仿真步长，L为电感值；J_LEQ(t)为t时刻的等效历史电压源，V_L(t-ΔT)为上一个仿真步长的电感电压值，I_L(t-ΔT)为上一个仿真步长的电感电流值。

J_CEQ＝V_C(t-ΔT)*G_C+I_C(t-ΔT)

其中：G_C为电容的等效阻值，ΔT为仿真步长，C为电容的容值；J_CEQ(t)为t时刻的等效历史电压源，V_C(t-ΔT)为上一个仿真步长的电容电压值，I_C(t-ΔT)为上一个仿真步长的电容电流值。

四绕组高频变压器T用背靠背的诺顿电路等效。高频变压器中的频率范围通常在1kHz～20kHz，忽略参数的频变特性及寄生电感的影响后，可用矩阵方程来表示各个端口的耦合关系。已知任意两个绕组之间的等效漏抗的标幺值为XL12,XL13,XL14,XL23,XL24,XL34，励磁电流标幺值为

变压器容量为S_base,各绕组的额定电压分别为TV1,TV2,TV3,TV4,节点导纳矩阵L_MAT的各元素的计算式可表示为[参见文献：H.W.Dommel,TransformerModels in the Simulation of Electromagnetic Transients,Proc.5th Power SystemsComputing Conference,Cambridge,England,September 1-5,1975,Paper 3.1/4.]：

其中：

Y^reduced＝[Z^reduced]^-1

将电流I₁，I₂，I₃和I₄进行梯形离散化积分，则端口特性方程可表示为下式：

式中：V＝[V₁ V₂ V₃ V₄]^T,I＝[I₁ I₂ I₃ I₄]^T,Y_MAT为梯形离散化积分得到的等效电导阵，ΔT为仿真步长。

将上式改写为：

式中：λ为Y_MAT生成的对角矩阵。

可构造如附图1所示的多绕组背靠背解耦伴随电路。该解耦积分算法在梯形积分法基础上，采用V(t-ΔT)对V(t)进行部分代替，使得

为只与上一时刻的状态量有关的已知量，且I(1,1)仅与V(1,1)有关，与V(2,1)无关，实现了变压器多个绕组电气量的解耦。

根据伴随电路列写从四绕组变压器分割开的四部分各自的节点导纳方程，区分基本单元内部和外部电流源的节点导纳方程为：

消去内部节点电压V_IN，得到关于外部节点(1’和2’)的等效电压方程式为：

G_EXV_EX＝J_SI_EX

其中：

为端口对外等效导纳阵，

为端口等效历史电流源。

由此形成了只包含外部端口待求量的节点导纳矩阵，进而完成了一个功率模块的等效化简，相应的等效电路为四个单端口电路。如附图2所示，其中各支路的戴维南等效参数如下式所示：

U_{1_EQ}(t)＝J_{S_1}(1,1)/G_{EX_1}(1,1)

R_{all_1_EQ}(t)＝1/G_{EX_1}(1,1)

U_{2_EQ}(t)＝J_{S_2}(1,1)/G_{EX_2}(1,1)

R_{all_2_EQ}(t)＝1/G_{EX_2}(1,1)

U_{3_EQ}(t)＝J_{S_3}(1,1)/G_{EX_3}(1,1)

R_{all_3_EQ}(t)＝1/G_{EX_3}(1,1)

U_{4_EQ}(t)＝J_{S_4}(1,1)/G_{EX_4}(1,1)

R_{all_4_EQ}(t)＝1/G_{EX_4}(1,1)

同时，内部节点电压的反解表达式如下式所示：

步骤3：根据功率模块之间的串并联关系，将同一位置的端口进行节点消去或合并，得到适用于多种多有源桥型变换器的通用等效电路。

根据多有源桥型变换器的各个有源桥所处的位置进行编号，第k个模块的等效电路(如附图2)中左侧的三个端口分别编号为3k-2,3k-1,3k，右侧的一个端口编号为k。如附图3所示，多有源桥型变换器的通用等效电路包含4个端口，其中各支路的诺顿等效参数如下式所示：

其中：U_{all_1_EQ}(t)～U_{all_4_EQ}(t)为t时刻等效电压源的电压值，R_{all_1_EQ}(t)～R_{all_4_EQ}(t)为t时刻等效电阻的电阻值，U_{3k-2_EQ}(t)～U_{3k_EQ}(t)为级联H桥一侧的第3k-2、3k-1和3k个等效电压源的电压值，R_{3k-2_EQ}(t)～R_{3k_EQ}(t)为级联H桥一侧的第3k-2、3k-1和3k个等效电阻的电阻值，J_{k_EQ}(t)为非级联H桥一侧的第k个等效电流源的电流值，G_{k_EQ}(t)为非级联H桥一侧的第k个等效电阻对应的电导值。

当进行附图1(a)所示的相间四有源桥仿真时，可将等效电路左侧的三个端口分别连接在A、B和C相的上桥臂和下桥臂，即需要连接两个等效电路；当进行附图1(b)所示的相内四有源桥仿真时，可将等效电路左侧的三个端口串联，连接在一相的交流端口处，即构成单个相桥臂的等效电路，共需要连接三个等效电路。两类拓扑均把右侧的一个端口作为低压直流端口。相比传统方法而言，其搭建难度明显降低，且仿真计算的速度得到显著提升。

步骤4、根据变换器类型进行仿真系统的节点导纳矩阵求解，根据得到的端口信息反解和更新当前时刻电容、电感、多绕组变压器支路的等效参数。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

Claims (2)

1.一种多有源桥型变换器的电磁暂态等效建模方法。其特征在于，本发明基于时域戴维南等效获得多有源桥型变换器的等效电路，用于变换器外部系统的整体求解，再基于嵌套快速同时求解法反解得到变换器内部的电气量信息。该方法包括以下步骤：

步骤1：获取各个开关管的触发信号，所述的触发信号决定了相桥臂各子模块内IGBT开关管在当前时刻的开关状态。

步骤2：根据当前时刻的触发信号对各开关管、电容、电感、多绕组变压器进行离散化等效并消去模块内部节点，构建单个功率模块的等效电路。其特征在于，所述的多绕组变压器的离散化等效电路为背靠背的四个单端口电路，以及所述的单个功率模块等效电路由四个等效电压源和四个等效电阻构成。

步骤3：根据功率模块之间的串并联关系，将同一位置的端口进行节点消去或合并，得到适用于多种多有源桥型变换器的通用等效电路。所述的通用等效电路为背靠背的四个单端口电路，各个单端口电路均由一个等效电压源串联一个等效电阻构成，其特征在于：所述等效电阻的电阻值和等效电压源的电压值的表达式如下：

其中：U_{all_1_EQ}(t)～U_{all_4_EQ}(t)为t时刻等效电压源的电压值，R_{all_1_EQ}(t)～R_{all_4_EQ}(t)为t时刻等效电阻的电阻值，U_{3k-2_EQ}(t)～U_{3k_EQ}(t)为级联H桥一侧的第3k-2、3k-1和3k个等效电压源的电压值，R_{3k-2_EQ}(t)～R_{3k_EQ}(t)为级联H桥一侧的第3k-2、3k-1和3k个等效电阻的电阻值，J_{k_EQ}(t)为非级联H桥一侧的第k个等效电流源的电流值，G_{k_EQ}(t)为非级联H桥一侧的第k个等效电阻对应的电导值。

步骤4：根据变换器类型进行仿真系统的节点信息求解，并反解和更新当前时刻电容、电感、多绕组变压器支路的等效参数。

2.根据权利要求1所述的一种多有源桥型变换器的电磁暂态等效建模方法，其特征在于，步骤1到步骤4，前一个步骤是后一个步骤执行的基础，这4个建模步骤彼此之间环环相扣、顺序执行，为一个有机的、不可分割的整体。

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