CN112052638A - 一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，该方法包括步骤：构建全桥型模块化多电平换流器的等效电路模型；对等效电路模型的系统参数进行初始化；更新MMC中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态和输入桥臂电流；获取当前仿真时刻下开关支路的电流、桥臂电感等效支路的电流以及模块电容支路的电流；根据各支路的电压电流关系，更新各支路的电压和各支路的电流；获取每个桥臂等效电路的桥臂电流；判断当前的仿真时长是否达到预设阈值，若是，则结束仿真；若否，则将当前的仿真时长增加一个仿真步长，以继续下一个仿真计算。本发明能实现功率模块与桥臂回路的解耦，避免仿真计算中大小步长解耦的方式造成的故障电流误差。

Description

一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法
技术领域
本发明涉及仿真技术领域，尤其涉及一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法。
背景技术
基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流输电具有有功无功独立控制、直流电压稳定、交流电压谐波少、占地面积小等优点，因而近年来在大容量远距离输电、异步联网、可再生能源并网等方面取得了大量应用。模块化多电平换流器一般由结构、功能相似的数千个功率模块构成，每个功率模块又包含若干电力电子开关器件，具有结构复杂、控制难度大的特点。为了保障柔性直流输电系统的可靠性，一般需要在厂内和投产前，利用数字实时仿真系统对柔直控保系统进行充分的半实物仿真测试，以验证相关功能与性能达到设计要求。其中，MMC的数字实时仿真模型是整个仿真系统的关键部分。
现有MMC实时仿真模型一般基于大小步长的仿真计算方式，即通过解耦将MMC模型分成桥臂模型与子模块模型两个部分，并在CPU中采用大步长(20～100μs)完成桥臂模型的仿真计算，在FPGA中采用小步长(0.5～2μs)完成子模块模型的仿真计算。采用这种方式，有效地解决了包含大量电力电子开关系统的实时仿真难题。但大小步长解耦的方式也容易造成一些极端工况下的较大误差，例如发生桥臂短路时，短路电流上升率较大，而桥臂与模块大小步长异步计算的方式造成模块响应被延迟，最终造成故障电流误差较大。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，提出一种能够完全采用FPGA计算的MMC小步长实时仿真的等效电路模型，以实现功率模块与桥臂回路的解耦，避免仿真计算中大小步长解耦的方式造成的故障电流误差。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，包括以下步骤：
构建全桥型模块化多电平换流器的等效电路模型；其中，所述等效电路模型包括六个相同的桥臂等效电路，每个所述桥臂等效电路包括两个开关支路和一个桥臂电感等效支路，每个所述开关支路包括一个第一等效电阻、一个第一受控电流源和一个受控电压源，所述桥臂电感等效支路包括一个第二等效电阻和一个第二受控电流源；
对所述等效电路模型的系统参数进行初始化，以开始所述全桥型模块化多电平换流器的电磁暂态仿真计算；
更新所述全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态和输入桥臂电流，以得到每个所述功率模块的端口电压和电容电流；
获取当前仿真时刻下所述开关支路的电流、所述桥臂电感等效支路的电流以及模块电容支路的电流；其中，所述模块电容支路等效为所述功率模块中的模块电容，包括一个第三等效电阻和一个第三受控电流源，所述第三等效电阻与所述第三受控电流源为并联连接；
根据各支路的电压电流关系，更新各支路的电压和各支路的电流；其中，各支路包括所述开关支路、所述桥臂电感等效支路和所述模块电容支路；
获取每个所述桥臂等效电路的桥臂电流；
判断当前的仿真时长是否达到预设阈值，若是，则输出交流电的三相电流和直流电流，并结束仿真；若否，则将当前的仿真时长增加一个预设的仿真步长，以继续更新所述全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态和输入桥臂电流。
优选地，所述桥臂等效电路的两个所述开关支路为并联连接，每个所述开关支路的一端与所述桥臂电感等效支路的一端连接，每个所述开关支路的另一端与直流正极端口或直流负极端口连接，所述桥臂电感等效支路的另一端与三相交流电的一个端口连接。
优选地，所述第一等效电阻的一端分别与所述直流正极端口、所述第一受控电流源的一端连接，所述第一等效电阻的另一端分别与所述第一受控电流源的另一端、所述受控电压源的一端连接，所述受控电压源的另一端分别与所述第二等效电阻的一端、所述第二受控电流源的一端连接，所述第二等效电阻的另一端与所述三相交流电的一个端口连接，所述第二受控电流源的另一端与所述三相交流电的一个端口连接。
优选地，对所述等效电路模型的系统参数进行初始化，具体包括：
根据预设的所述开关支路的导通电感和所述开关支路的关断电容，确定仿真步长；其中，所述仿真步长为
Figure BDA0002596900300000031
Δt为所述仿真步长，Leq为预设的所述开关支路的导通电感，Ceq为预设的所述开关支路的关断电容；
根据所述仿真步长，确定所述第一等效电阻的电阻值；其中，所述第一等效电阻的电阻值为
Figure BDA0002596900300000032
或
Figure BDA0002596900300000033
RS1为所述第一等效电阻的电阻值；
根据所述全桥型模块化多电平换流器的桥臂电感值、所述模块电容的电容值和所述仿真步长，确定所述第二等效电阻的电阻值和所述第三等效电阻的电阻值；其中，所述第二等效电阻的电阻值为
Figure BDA0002596900300000034
所述第三等效电阻的电阻值为
Figure BDA0002596900300000035
RL为所述第二等效电阻的电阻值，RC为所述第三等效电阻的电阻值，L为所述桥臂电感值，C为所述模块电容的电容值。
优选地，所述更新所述全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态和输入桥臂电流，以得到每个所述功率模块的端口电压和电容电流，具体包括：
根据仿真需要输入开关控制信号，更新所述全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态；
根据每个功率模块中的四个电力电子开关的状态，确定每个所述功率模块的端口电压为所述模块电容的电压或0；
根据输入的所述桥臂电流和每个功率模块中的四个电力电子开关的状态，得到所述模块电容的电容电流。
优选地，所述受控电压源的电压为
Figure BDA0002596900300000041
其中，U1为所述受控电压源的电压，U1_k为所述全桥型模块化多电平换流器中第k个所述功率模块的端口电压，n为所述全桥型模块化多电平换流器中所述功率模块的模块数，1≤k≤n。
优选地，所述获取当前仿真时刻下所述开关支路的电流、所述桥臂电感等效支路的电流以及模块电容支路的电流，具体包括：
根据所述第一等效电阻的电阻值、上一仿真时刻流经所述第一等效电阻的电流值以及所述第一等效电阻两端的电压值，得到当前仿真时刻下所述开关支路中所述第一受控电流源的电流值；其中，当US1(t-Δt)>0时，
Figure BDA0002596900300000042
当US1(t-Δt)≤0时，
Figure BDA0002596900300000043
US1(t-Δt)为上一仿真时刻所述第一等效电阻两端的电压值，IhS1为当前仿真时刻所述第一受控电流源的电流值，Ib1(t-Δt)为上一仿真时刻流经所述第一等效电阻的电流值；
根据所述第二等效电阻的电阻值、上一仿真时刻流经所述第二等效电阻的电流值以及所述第二等效电阻两端的电压值，得到当前仿真时刻下所述桥臂电感等效支路中所述第二受控电流源的电流值；其中，计算公式为
Figure BDA0002596900300000044
UL(t-Δt)为上一仿真时刻所述第二等效电阻两端的电压值，IhL为当前仿真时刻所述第二受控电流源的电流值，IbL(t-Δt)为上一仿真时刻流经所述第二等效电阻的电流值；
根据所述第三等效电阻的电阻值、上一仿真时刻流经所述第三等效电阻的电流值以及所述第三等效电阻两端的电压值，得到当前仿真时刻下所述模块电容支路中所述第三受控电流源的电流值；其中，计算公式为
Figure BDA0002596900300000051
UC(t-Δt)为上一仿真时刻所述第三等效电阻两端的电压值，IhC为当前仿真时刻所述第三受控电流源的电流值，IbC(t-Δt)为上一仿真时刻流经所述第三等效电阻的电流值。
优选地，所述根据各支路的电压电流关系，更新各支路的电压和各支路的电流，具体包括：
根据所述开关支路的电压电流关系、所述桥臂电感等效支路的电压电流关系、所述模块电容支路的电压电流关系及桥臂回路中存在的电压电流关系，得到当前仿真时刻各支路的电压和所述桥臂电流；其中，所述开关支路的电压电流关系包括US1＝RS1(IhS1+i1)，所述桥臂电感等效支路的电压电流关系包括UL＝RL(IhL+i)，所述模块电容支路的电压电流关系包括UC＝RC(IC+IhC)，所述桥臂回路中存在的电压电流关系包括i＝i1+i2和va+UL+U1+US1＝Vp，US1为当前仿真时刻所述第一等效电阻两端的电压值，i1为流经所述第一等效电阻所在的所述开关支路的电流，i2为流经该桥臂等效电路另一个所述开关支路的电流，i为当前仿真时刻所述桥臂电流，UL为当前仿真时刻所述第二等效电阻两端的电压值，UC为当前仿真时刻所述第三等效电阻两端的电压值，IC为所述模块电容的电容电流，va为交流电a相的相电压，Vp为正极对地电压；
根据当前仿真时刻各支路的电压，更新当前仿真时刻各支路的电流；其中，所述开关支路中流经的所述第一等效电阻的电流值为
Figure BDA0002596900300000052
Ib1为当前仿真时刻流经所述第一等效电阻的电流值，所述桥臂电感等效支路中的流经的所述第一等效电阻的电流值为
Figure BDA0002596900300000061
IbL为当前仿真时刻流经所述第二等效电阻的电流值，所述模块电容支路中的流经的所述第三等效电阻的电流值为
Figure BDA0002596900300000062
IbC为当前仿真时刻流经所述第三等效电阻的电流值。
优选地，所述输出交流电的三相电流和直流电流，具体包括：
根据每个所述桥臂等效电路的桥臂电流，计算交流电的三相的相电流；
根据交流电的三相的相电流，计算得到直流正极电流和直流负极电流；
将交流电的三相的相电流、直流正极电流和直流负极电流进行输出。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，提出一种能够完全采用FPGA计算的MMC小步长实时仿真的等效电路模型，以实现功率模块与桥臂回路的解耦，避免仿真计算中大小步长解耦的方式造成的故障电流误差。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法的流程示意图；
图2是是本发明一实施例提供的一种全桥型模块化多电平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全桥型模块化多电平换流器的等效电路模型的示意图；
图4是本发明一实施例提供的一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法的简化流程示意图。
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全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法的流程示意图，所述方法包括步骤S1至步骤S7：
S1、构建全桥型模块化多电平换流器的等效电路模型；其中，所述等效电路模型包括六个相同的桥臂等效电路，每个所述桥臂等效电路包括两个开关支路和一个桥臂电感等效支路，每个所述开关支路包括一个第一等效电阻、一个第一受控电流源和一个受控电压源，所述桥臂电感等效支路包括一个第二等效电阻和一个第二受控电流源；
S2、对所述等效电路模型的系统参数进行初始化，以开始所述全桥型模块化多电平换流器的电磁暂态仿真计算；
S3、更新所述全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态和输入桥臂电流，以得到每个所述功率模块的端口电压和电容电流；
S4、获取当前仿真时刻下所述开关支路的电流、所述桥臂电感等效支路的电流以及模块电容支路的电流；其中，所述模块电容支路等效为所述功率模块中的模块电容，包括一个第三等效电阻和一个第三受控电流源，所述第三等效电阻与所述第三受控电流源为并联连接；
S5、根据各支路的电压电流关系，更新各支路的电压和各支路的电流；其中，各支路包括所述开关支路、所述桥臂电感等效支路和所述模块电容支路；
S6、获取每个所述桥臂等效电路的桥臂电流；
S7、判断当前的仿真时长是否达到预设阈值，若是，则输出交流电的三相电流和直流电流，并结束仿真；若否，则将当前的仿真时长增加一个预设的仿真步长，以继续更新所述全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态和输入桥臂电流。
需要说明的是，参见图2，是本发明实施例提供的一种全桥型模块化多电平换流器的拓扑结构示意图。由图2可知，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)一边连接三相交流端口，一边连接直流正负极端口。每个MMC包含六个桥臂，每个桥臂包含一个桥臂电感以及n个串联的全桥型功率模块。每个全桥型功率模块包含四个电力电子开关以及一个模块电容。每个电力电子开关都由一个绝缘栅双极型功率管(Insulatedgate bipolar power tube，IGBT)和一个二极管反并联构成。通过控制四个开关的导通/关断，可以控制模块电容的投入或退出，从而控制桥臂电压以及桥臂电流，并实现交直流功率变换。
现有的MMC实时仿真模型一般基于大小步长的仿真计算方式，即通过解耦将MMC模型分成桥臂模型与子模块模型两个部分，并在CPU中采用大步长完成桥臂模型的仿真计算，在FPGA中采用小步长完成子模块模型的仿真计算，但大小步长解耦的方式容易造成一些极端工况下的较大误差，例如发生桥臂短路时，短路电流上升率较大，而桥臂与模块大小步长异步计算的方式造成模块响应被延迟，最终造成故障电流误差较大。
为了解决上述问题，本发明提出一种能够完全采用FPGA计算的MMC小步长实时仿真模型。参见图3，是本发明实施例提供的一种全桥型模块化多电平换流器的等效电路模型的示意图，其中，每个桥臂电感等效为一个等效电阻与一个伴随历史电流源，n个串联的全桥型功率模块等效为两个并联开关支路，每个开关支路由一个等效电压源、一个等效电阻以及一个伴随历史电流源构成。在仿真计算中，因为需要用到全桥型功率模块中的模块电容的相关数据，所以也将每个模块电容作了等效处理，其等效为一个等效电阻与一个伴随历史电流源，参见图3中右侧虚线框的电路结构。值得注意的是，模块电容的等效电路只在计算中需要用到，在MMC的等效电路模型中不用画出，已体现在开关支路的等效电压源中。
本发明实施例提供的一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法的具体步骤如下：
构建全桥型模块化多电平换流器的等效电路模型；其中，等效电路模型包括六个相同的桥臂等效电路，每个桥臂等效电路包括两个开关支路和一个桥臂电感等效支路，每个开关支路包括一个第一等效电阻、一个第一受控电流源和一个受控电压源，桥臂电感等效支路包括一个第二等效电阻和一个第二受控电流源，具体可参见图3左侧的电路结构。
对等效电路模型的系统参数进行初始化，以开始全桥型模块化多电平换流器的电磁暂态仿真计算。对等效电路模型的系统参数进行初始化，是为了使等效电路模型与MMC具有相同的外部特性，同时设定仿真时长和仿真步长。
更新全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态和输入桥臂电流，以得到每个功率模块的端口电压和电容电流。因为MMC的每个功率模块的四个电力电子开关的状态和桥臂电流直接影响等效电路模型中各支路的电压和电流，所以需要将MMC的原有特性数据作为仿真计算的原始数据。
获取当前仿真时刻下开关支路的电流、桥臂电感等效支路的电流以及模块电容支路的电流；其中，模块电容支路等效为功率模块中的模块电容，包括一个第三等效电阻和一个第三受控电流源，第三等效电阻与第三受控电流源为并联连接；
根据各支路的电压电流关系，更新下一仿真时刻各支路的电压和各支路的电流；其中，各支路包括开关支路、桥臂电感等效支路和模块电容支路。
根据各支路的电压和各支路的电流，可以计算得到每个桥臂等效电路的桥臂电流，从而可以获取每个桥臂等效电路的桥臂电流。
判断当前的仿真时长是否达到预设阈值，若是，则输出交流电的三相电流和直流电流，并结束仿真；若否，则将当前的仿真时长增加一个预设的仿真步长，以继续更新全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态和输入桥臂电流，也就是说，返回步骤S3。
为了更直观地了解本发明的仿真步骤，本发明该实施例还提供一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法的简化流程示意图，具体参见图4。
本发明实施例提供的一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，提出一种能够完全采用FPGA计算的MMC小步长实时仿真的等效电路模型，以实现功率模块与桥臂回路的解耦，避免仿真计算中大小步长解耦的方式造成的故障电流误差。
作为上述方案的改进，所述桥臂等效电路的两个所述开关支路为并联连接，每个所述开关支路的一端与所述桥臂电感等效支路的一端连接，每个所述开关支路的另一端与直流正极端口或直流负极端口连接，所述桥臂电感等效支路的另一端与三相交流电的一个端口连接。
具体地，参见图3，桥臂等效电路的两个开关支路为并联连接，每个开关支路的一端与桥臂电感等效支路的一端连接，每个开关支路的另一端与直流正极端口或直流负极端口连接，桥臂电感等效支路的另一端与三相交流电的一个端口连接。等效为上桥臂的桥臂等效电路的开关支路的另一端与直流正极端口连接，等效为下桥臂的桥臂等效电路的开关支路的另一端与直流负极端口连接。
作为上述方案的改进，所述第一等效电阻的一端分别与所述直流正极端口、所述第一受控电流源的一端连接，所述第一等效电阻的另一端分别与所述第一受控电流源的另一端、所述受控电压源的一端连接，所述受控电压源的另一端分别与所述第二等效电阻的一端、所述第二受控电流源的一端连接，所述第二等效电阻的另一端与所述三相交流电的一个端口连接，所述第二受控电流源的另一端与所述三相交流电的一个端口连接。
具体地，参见图3，每个开关支路包括一个第一等效电阻、一个第一受控电流源和一个受控电压源，桥臂电感等效支路包括一个第二等效电阻和一个第二受控电流源。这里以等效为上桥臂的桥臂等效电路为例进行说明开关支路和桥臂电感等效支路的具体连接关系，第一等效电阻的一端分别与直流正极端口、第一受控电流源的一端连接，第一等效电阻的另一端分别与第一受控电流源的另一端、受控电压源的一端连接，受控电压源的另一端分别与第二等效电阻的一端、第二受控电流源的一端连接，第二等效电阻的另一端与三相交流电的一个端口连接，第二受控电流源的另一端与三相交流电的一个端口连接。也就是说，即第一等效电阻与第一受控电流源并联成一个整体后，该整体的一端与直流正极端口连接，该整体的另一端与受控电压源的一端连接，受控电压源的另一端与桥臂电感等效支路连接。
作为上述方案的改进，对所述等效电路模型的系统参数进行初始化，具体包括：
根据预设的所述开关支路的导通电感和所述开关支路的关断电容，确定仿真步长；其中，所述仿真步长为
Figure BDA0002596900300000111
Δt为所述仿真步长，Leq为预设的所述开关支路的导通电感，Ceq为预设的所述开关支路的关断电容；
根据所述仿真步长，确定所述第一等效电阻的电阻值；其中，所述第一等效电阻的电阻值为
Figure BDA0002596900300000112
或
Figure BDA0002596900300000113
RS1为所述第一等效电阻的电阻值；
根据所述全桥型模块化多电平换流器的桥臂电感值、所述模块电容的电容值和所述仿真步长，确定所述第二等效电阻的电阻值和所述第三等效电阻的电阻值；其中，所述第二等效电阻的电阻值为
Figure BDA0002596900300000114
所述第三等效电阻的电阻值为
Figure BDA0002596900300000115
RL为所述第二等效电阻的电阻值，RC为所述第三等效电阻的电阻值，L为所述桥臂电感值，C为所述模块电容的电容值。
具体地，根据预设的开关支路的导通电感和开关支路的关断电容，确定仿真步长；其中，仿真步长为
Figure BDA0002596900300000116
Δt为仿真步长，Leq为预设的开关支路的导通电感，Ceq为预设的开关支路的关断电容。MMC的全桥型功率模块包括四个电力电子开关，将导通的开关等效为开关支路的导通电感Leq，一般Leq越小越好，关断的开关等效为开关支路的关断电容Ceq，一般Ceq越大越好。但两者要满足
Figure BDA0002596900300000121
根据仿真步长，确定第一等效电阻的电阻值；其中，第一等效电阻的电阻值为
Figure BDA0002596900300000122
或
Figure BDA0002596900300000123
RS1为第一等效电阻的电阻值。同理地，该桥臂等效电路的另一个第一等效电阻的电阻值为
Figure BDA0002596900300000124
或
Figure BDA0002596900300000125
根据全桥型模块化多电平换流器的桥臂电感值、模块电容的电容值和仿真步长，确定第二等效电阻的电阻值和第三等效电阻的电阻值；其中，第二等效电阻的电阻值为
Figure BDA0002596900300000126
第三等效电阻的电阻值为
Figure BDA0002596900300000127
RL为第二等效电阻的电阻值，RC为第三等效电阻的电阻值，L为桥臂电感值，即图2中桥臂电感的电感值，C为模块电容的电容值，即图2中虚线框内的模块电容的电容值。
作为上述方案的改进，所述更新所述全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态和输入桥臂电流，以得到每个所述功率模块的端口电压和电容电流，具体包括：
根据仿真需要输入开关控制信号，更新所述全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态；
根据每个功率模块中的四个电力电子开关的状态，确定每个所述功率模块的端口电压为所述模块电容的电压或0；
根据输入的所述桥臂电流和每个功率模块中的四个电力电子开关的状态，得到所述模块电容的电容电流。
具体地，根据仿真需要输入开关控制信号，更新全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态。开关控制信号通过外部控制器进行输入的。一般地，开关控制信号为1，表示电力电子开关的状态为导通；开关控制信号为0，表示电力电子开关的状态为关断。
根据每个功率模块中的四个电力电子开关的状态，确定每个功率模块的端口电压为模块电容的电压或0。
根据输入的桥臂电流和每个功率模块中的四个电力电子开关的状态，得到模块电容的电容电流。
为了更直观地根据各个电力电子开关的状态，得到每个功率模块的端口电压和模块电容的电容电流，本发明提供一个附表如表1所示，附表列出了各种开关状态与功率模块的端口电压、模块电容的电容电流的对应关系。一般地，输入前5列的数据，然后可以输出后三列的数据，即通过查询表1可以得到模块电容的电容电流以及功率模块的端口电压，其中，U1_k和U2_k分别为桥臂等效电路的两个开关支路中对应的第k个功率模块的端口电压。
表1各种开关状态与功率模块的端口电压、模块电容的电容电流的对应关系
Figure BDA0002596900300000131
表1中的S1、S2、S3、S4为图2所示的四个电力电子开关，S1-S4列的“1”表示导通信号，“0”表示关断信号，i列的“+”表示桥臂电流为正，“-”表示桥臂电流为负，电流的正方向以图3的箭头方向为准。
作为上述方案的改进，所述受控电压源的电压为
Figure BDA0002596900300000132
其中，U1为所述受控电压源的电压，U1_k为所述全桥型模块化多电平换流器中第k个所述功率模块的端口电压，n为所述全桥型模块化多电平换流器中所述功率模块的模块数，1≤k≤n。
具体地，受控电压源的电压为
Figure BDA0002596900300000141
其中，U1为受控电压源的电压，U1_k为全桥型模块化多电平换流器中第k个功率模块的端口电压，n为全桥型模块化多电平换流器中功率模块的模块数，即n为MMC一个桥臂串联的模块数，通常为100-500，1≤k≤n。
作为上述方案的改进，所述获取当前仿真时刻下所述开关支路的电流、所述桥臂电感等效支路的电流以及模块电容支路的电流，具体包括：
根据所述第一等效电阻的电阻值、上一仿真时刻流经所述第一等效电阻的电流值以及所述第一等效电阻两端的电压值，得到当前仿真时刻下所述开关支路中所述第一受控电流源的电流值；其中，当US1(t-Δt)>0时，
Figure BDA0002596900300000142
当US1(t-Δt)≤0时，
Figure BDA0002596900300000143
US1(t-Δt)为上一仿真时刻所述第一等效电阻两端的电压值，IhS1为当前仿真时刻所述第一受控电流源的电流值，Ib1(t-Δt)为上一仿真时刻流经所述第一等效电阻的电流值；
根据所述第二等效电阻的电阻值、上一仿真时刻流经所述第二等效电阻的电流值以及所述第二等效电阻两端的电压值，得到当前仿真时刻下所述桥臂电感等效支路中所述第二受控电流源的电流值；其中，计算公式为
Figure BDA0002596900300000144
UL(t-Δt)为上一仿真时刻所述第二等效电阻两端的电压值，IhL为当前仿真时刻所述第二受控电流源的电流值，IbL(t-Δt)为上一仿真时刻流经所述第二等效电阻的电流值；
根据所述第三等效电阻的电阻值、上一仿真时刻流经所述第三等效电阻的电流值以及所述第三等效电阻两端的电压值，得到当前仿真时刻下所述模块电容支路中所述第三受控电流源的电流值；其中，计算公式为
Figure BDA0002596900300000151
UC(t-Δt)为上一仿真时刻所述第三等效电阻两端的电压值，IhC为当前仿真时刻所述第三受控电流源的电流值，IbC(t-Δt)为上一仿真时刻流经所述第三等效电阻的电流值。
具体地，根据第一等效电阻的电阻值、上一仿真时刻流经第一等效电阻的电流值以及第一等效电阻两端的电压值，得到当前仿真时刻下开关支路中第一受控电流源的电流值；其中，当US1(t-Δt)>0时，
Figure BDA0002596900300000152
当US1(t-Δt)≤0时，
Figure BDA0002596900300000153
US1(t-Δt)为上一仿真时刻第一等效电阻两端的电压值，IhS1为当前仿真时刻第一受控电流源的电流值，Ib1(t-Δt)为上一仿真时刻流经第一等效电阻的电流值。也就是说，在仿真计算中，通过上一仿真时刻开关支路的电压值和电流值，计算得到当前仿真时刻开关支路的电流值，即更新历史电流。
根据第二等效电阻的电阻值、上一仿真时刻流经第二等效电阻的电流值以及第二等效电阻两端的电压值，得到当前仿真时刻下桥臂电感等效支路中第二受控电流源的电流值；其中，计算公式为
Figure BDA0002596900300000154
UL(t-Δt)为上一仿真时刻第二等效电阻两端的电压值，IhL为当前仿真时刻第二受控电流源的电流值，IbL(t-Δt)为上一仿真时刻流经第二等效电阻的电流值。也就是说，在仿真计算中，通过上一仿真时刻桥臂电感等效支路的电压值和电流值，计算得到桥臂电感等效支路当前仿真时刻的电流值，即更新历史电流。
根据第三等效电阻的电阻值、上一仿真时刻流经第三等效电阻的电流值以及第三等效电阻两端的电压值，得到当前仿真时刻下模块电容支路中第三受控电流源的电流值；其中，计算公式为
Figure BDA0002596900300000161
UC(t-Δt)为上一仿真时刻第三等效电阻两端的电压值，IhC为当前仿真时刻第三受控电流源的电流值，IbC(t-Δt)为上一仿真时刻流经第三等效电阻的电流值。也就是说，在仿真计算中，通过上一仿真时刻模块电容支路的电压值和电流值，计算得到模块电容支路当前仿真时刻的电流值，即更新历史电流。
作为上述方案的改进，所述根据各支路的电压电流关系，更新各支路的电压和各支路的电流，具体包括：
根据所述开关支路的电压电流关系、所述桥臂电感等效支路的电压电流关系、所述模块电容支路的电压电流关系及桥臂回路中存在的电压电流关系，得到当前仿真时刻各支路的电压和所述桥臂电流；其中，所述开关支路的电压电流关系包括US1＝RS1(IhS1+i1)，所述桥臂电感等效支路的电压电流关系包括UL＝RL(IhL+i)，所述模块电容支路的电压电流关系包括UC＝RC(IC+IhC)，所述桥臂回路中存在的电压电流关系包括i＝i1+i2和va+UL+U1+US1＝Vp，US1为当前仿真时刻所述第一等效电阻两端的电压值，i1为流经所述第一等效电阻所在的所述开关支路的电流，i2为流经该桥臂等效电路另一个所述开关支路的电流，i为当前仿真时刻所述桥臂电流，UL为当前仿真时刻所述第二等效电阻两端的电压值，UC为当前仿真时刻所述第三等效电阻两端的电压值，IC为所述模块电容的电容电流，va为交流电a相的相电压，Vp为正极对地电压；
根据当前仿真时刻各支路的电压，更新当前仿真时刻各支路的电流；其中，所述开关支路中流经的所述第一等效电阻的电流值为
Figure BDA0002596900300000162
Ib1为当前仿真时刻流经所述第一等效电阻的电流值，所述桥臂电感等效支路中的流经的所述第一等效电阻的电流值为
Figure BDA0002596900300000163
IbL为当前仿真时刻流经所述第二等效电阻的电流值，所述模块电容支路中的流经的所述第三等效电阻的电流值为
Figure BDA0002596900300000171
IbC为当前仿真时刻流经所述第三等效电阻的电流值。
具体地，根据开关支路的电压电流关系、桥臂电感等效支路的电压电流关系、模块电容支路的电压电流关系及桥臂回路中存在的电压电流关系，得到当前仿真时刻各支路的电压和桥臂电流；其中，开关支路的电压电流关系包括US1＝RS1(IhS1+i1)，桥臂电感等效支路的电压电流关系包括UL＝RL(IhL+i)，模块电容支路的电压电流关系包括UC＝RC(IC+IhC)，桥臂回路中存在的电压电流关系包括i＝i1+i2和va+UL+U1+US1＝Vp，US1为当前仿真时刻第一等效电阻两端的电压值，i1为流经第一等效电阻所在的开关支路的电流，i2为流经该桥臂等效电路另一个开关支路的电流，i为当前仿真时刻桥臂电流，UL为当前仿真时刻第二等效电阻两端的电压值，UC为当前仿真时刻第三等效电阻两端的电压值，IC为模块电容的电容电流，va为交流电a相的相电压，这里只是以交流电a相的相电压为例进行计算说明，不能看作是对交流电a相的相电压的限定，同样地，交流电b相的相电压、c相的相电压也是同样的计算。Vp为正极对地电压，同样地，当开关支路连接的是直流负极，那Vp应为负极对地电压，这里也不能看作是对正极对地电压的限定。这一步骤就是更新当前仿真时刻各支路的支路电压。
根据当前仿真时刻各支路的电压，更新当前仿真时刻各支路的电流；其中，开关支路中流经的第一等效电阻的电流值为
Figure BDA0002596900300000172
Ib1为当前仿真时刻流经第一等效电阻的电流值，桥臂电感等效支路中的流经的第一等效电阻的电流值为
Figure BDA0002596900300000173
IbL为当前仿真时刻流经第二等效电阻的电流值，模块电容支路中的流经的第三等效电阻的电流值为
Figure BDA0002596900300000174
IbC为当前仿真时刻流经第三等效电阻的电流值。这一步骤就是更新当前仿真时刻各支路的支路电流。
作为上述方案的改进，所述输出交流电的三相电流和直流电流，具体包括：
根据每个所述桥臂等效电路的桥臂电流，计算交流电的三相的相电流；
根据交流电的三相的相电流，计算得到直流正极电流和直流负极电流；
将交流电的三相的相电流、直流正极电流和直流负极电流进行输出。
具体地，根据每个桥臂等效电路的桥臂电流，计算交流电的三相的相电流，计算公式如下：
Figure BDA0002596900300000181
式中，ia、ib、ic分别为交流电a相、b相、c相对应的三相相电流，iap、ian分别为连接交流电a相的上桥臂的桥臂电流和下桥臂的桥臂电流，ibp、ibn分别为连接交流电b相的上桥臂的桥臂电流和下桥臂的桥臂电流，icp、icn分别为连接交流电c相的上桥臂的桥臂电流和下桥臂的桥臂电流。
根据交流电的三相的相电流，计算得到直流正极电流和直流负极电流，计算公式如下：
Figure BDA0002596900300000182
式中，ip、in为直流正负极电流。
将交流电的三相的相电流ia、ib、ic、直流正极电流ip和直流负极电流in进行输出。
综上，本发明实施例所提供的一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，提出了适用于全桥型MMC小步长建模的完整计算等效电路，并基于理想变压器法实现全桥功率模块与桥臂回路解耦，功率模块部分可以充分利用FPGA的并行计算优势；基于查表法求解功率模块开关状态，避免迭代计算，从而不需要CPU，而可以直接采用FPGA，并以小步长编程实现，避免了大小步长切换带来的精度损失；基于反并联开关支路，实现桥臂电流在过零点自然换相，避免过零点误差。该发明基于梯形积分法，给出了MMC小步长模型完整的电磁暂态仿真计算步骤，具有计算精度高、速度快的优点。基于本发明的方法将能更加准确地模拟MMC在各种工况下的动态特性，从而提升控制保护系统研发与测试效果。
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 (9)

1.一种全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建全桥型模块化多电平换流器的等效电路模型；其中，所述等效电路模型包括六个相同的桥臂等效电路，每个所述桥臂等效电路包括两个开关支路和一个桥臂电感等效支路，每个所述开关支路包括一个第一等效电阻、一个第一受控电流源和一个受控电压源，所述桥臂电感等效支路包括一个第二等效电阻和一个第二受控电流源；
对所述等效电路模型的系统参数进行初始化，以开始所述全桥型模块化多电平换流器的电磁暂态仿真计算；
更新所述全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态和输入桥臂电流，以得到每个所述功率模块的端口电压和电容电流；
获取当前仿真时刻下所述开关支路的电流、所述桥臂电感等效支路的电流以及模块电容支路的电流；其中，所述模块电容支路等效为所述功率模块中的模块电容，包括一个第三等效电阻和一个第三受控电流源，所述第三等效电阻与所述第三受控电流源为并联连接；
根据各支路的电压电流关系，更新各支路的电压和各支路的电流；其中，各支路包括所述开关支路、所述桥臂电感等效支路和所述模块电容支路；
获取每个所述桥臂等效电路的桥臂电流；
判断当前的仿真时长是否达到预设阈值，若是，则输出交流电的三相电流和直流电流，并结束仿真；若否，则将当前的仿真时长增加一个预设的仿真步长，以继续更新所述全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态和输入桥臂电流。
2.如权利要求1所述的全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，其特征在于，所述桥臂等效电路的两个所述开关支路为并联连接，每个所述开关支路的一端与所述桥臂电感等效支路的一端连接，每个所述开关支路的另一端与直流正极端口或直流负极端口连接，所述桥臂电感等效支路的另一端与三相交流电的一个端口连接。
3.如权利要求2所述的全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，其特征在于，所述第一等效电阻的一端分别与所述直流正极端口、所述第一受控电流源的一端连接，所述第一等效电阻的另一端分别与所述第一受控电流源的另一端、所述受控电压源的一端连接，所述受控电压源的另一端分别与所述第二等效电阻的一端、所述第二受控电流源的一端连接，所述第二等效电阻的另一端与所述三相交流电的一个端口连接，所述第二受控电流源的另一端与所述三相交流电的一个端口连接。
4.如权利要求1所述的全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，其特征在于，对所述等效电路模型的系统参数进行初始化，具体包括：
根据预设的所述开关支路的导通电感和所述开关支路的关断电容，确定仿真步长；其中，所述仿真步长为
Figure FDA0002596900290000021
，Δt为所述仿真步长，Leq为预设的所述开关支路的导通电感，Ceq为预设的所述开关支路的关断电容；
根据所述仿真步长，确定所述第一等效电阻的电阻值；其中，所述第一等效电阻的电阻值为
Figure FDA0002596900290000022
或
Figure FDA0002596900290000023
RS1为所述第一等效电阻的电阻值；
根据所述全桥型模块化多电平换流器的桥臂电感值、所述模块电容的电容值和所述仿真步长，确定所述第二等效电阻的电阻值和所述第三等效电阻的电阻值；其中，所述第二等效电阻的电阻值为
Figure FDA0002596900290000024
，所述第三等效电阻的电阻值为
Figure FDA0002596900290000025
RL为所述第二等效电阻的电阻值，RC为所述第三等效电阻的电阻值，L为所述桥臂电感值，C为所述模块电容的电容值。
5.如权利要求4所述的全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，其特征在于，所述更新所述全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态和输入桥臂电流，以得到每个所述功率模块的端口电压和电容电流，具体包括：
根据仿真需要输入开关控制信号，更新所述全桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的四个电力电子开关的状态；
根据每个功率模块中的四个电力电子开关的状态，确定每个所述功率模块的端口电压为所述模块电容的电压或0；
根据输入的所述桥臂电流和每个功率模块中的四个电力电子开关的状态，得到所述模块电容的电容电流。
6.如权利要求5所述的全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，其特征在于，所述受控电压源的电压为
Figure FDA0002596900290000031
；其中，U1为所述受控电压源的电压，U1_k为所述全桥型模块化多电平换流器中第k个所述功率模块的端口电压，n为所述全桥型模块化多电平换流器中所述功率模块的模块数，1≤k≤n。
7.如权利要求6所述的全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，其特征在于，所述获取当前仿真时刻下所述开关支路的电流、所述桥臂电感等效支路的电流以及模块电容支路的电流，具体包括：
根据所述第一等效电阻的电阻值、上一仿真时刻流经所述第一等效电阻的电流值以及所述第一等效电阻两端的电压值，得到当前仿真时刻下所述开关支路中所述第一受控电流源的电流值；其中，当US1(t-Δt)>0时，
Figure FDA0002596900290000032
当US1(t-Δt)≤0时，
Figure FDA0002596900290000041
US1(t-Δt)为上一仿真时刻所述第一等效电阻两端的电压值，IhS1为当前仿真时刻所述第一受控电流源的电流值，Ib1(t-Δt)为上一仿真时刻流经所述第一等效电阻的电流值；
根据所述第二等效电阻的电阻值、上一仿真时刻流经所述第二等效电阻的电流值以及所述第二等效电阻两端的电压值，得到当前仿真时刻下所述桥臂电感等效支路中所述第二受控电流源的电流值；其中，计算公式为
Figure FDA0002596900290000042
UL(t-Δt)为上一仿真时刻所述第二等效电阻两端的电压值，IhL为当前仿真时刻所述第二受控电流源的电流值，IbL(t-Δt)为上一仿真时刻流经所述第二等效电阻的电流值；
根据所述第三等效电阻的电阻值、上一仿真时刻流经所述第三等效电阻的电流值以及所述第三等效电阻两端的电压值，得到当前仿真时刻下所述模块电容支路中所述第三受控电流源的电流值；其中，计算公式为
Figure FDA0002596900290000043
UC(t-Δt)为上一仿真时刻所述第三等效电阻两端的电压值，IhC为当前仿真时刻所述第三受控电流源的电流值，IbC(t-Δt)为上一仿真时刻流经所述第三等效电阻的电流值。
8.如权利要求7所述的全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，其特征在于，所述根据各支路的电压电流关系，更新各支路的电压和各支路的电流，具体包括：
根据所述开关支路的电压电流关系、所述桥臂电感等效支路的电压电流关系、所述模块电容支路的电压电流关系及桥臂回路中存在的电压电流关系，得到当前仿真时刻各支路的电压和所述桥臂电流；其中，所述开关支路的电压电流关系包括US1＝RS1(IhS1+i1)，所述桥臂电感等效支路的电压电流关系包括UL＝RL(IhL+i)，所述模块电容支路的电压电流关系包括UC＝RC(IC+IhC)，所述桥臂回路中存在的电压电流关系包括i＝i1+i2和va+UL+U1+US1＝Vp，US1为当前仿真时刻所述第一等效电阻两端的电压值，i1为流经所述第一等效电阻所在的所述开关支路的电流，i2为流经该桥臂等效电路另一个所述开关支路的电流，i为当前仿真时刻所述桥臂电流，UL为当前仿真时刻所述第二等效电阻两端的电压值，UC为当前仿真时刻所述第三等效电阻两端的电压值，IC为所述模块电容的电容电流，va为交流电a相的相电压，Vp为正极对地电压；
根据当前仿真时刻各支路的电压，更新当前仿真时刻各支路的电流；其中，所述开关支路中流经的所述第一等效电阻的电流值为
Figure FDA0002596900290000051
，Ib1为当前仿真时刻流经所述第一等效电阻的电流值，所述桥臂电感等效支路中的流经的所述第一等效电阻的电流值为
Figure FDA0002596900290000052
IbL为当前仿真时刻流经所述第二等效电阻的电流值，所述模块电容支路中的流经的所述第三等效电阻的电流值为
Figure FDA0002596900290000053
IbC为当前仿真时刻流经所述第三等效电阻的电流值。
9.如权利要求1所述的全桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法，其特征在于，所述输出交流电的三相电流和直流电流，具体包括：
根据每个所述桥臂等效电路的桥臂电流，计算交流电的三相的相电流；
根据交流电的三相的相电流，计算得到直流正极电流和直流负极电流；
将交流电的三相的相电流、直流正极电流和直流负极电流进行输出。
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