CN113705144B - 一种考虑闭锁的半桥型mmc电磁暂态仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑闭锁的半桥型MMC电磁暂态仿真方法，包括：在正常运行时，正常模式运行开关(Krun)闭合，闭锁开关(KBK)打开，给出MMC电路各参数满足的条件；直流故障闭锁下，正常运行模式开关Krun断开，闭锁开关KBK闭合，进入到闭锁模式，给出桥臂电流满足的条件。

Description

一种考虑闭锁的半桥型MMC电磁暂态仿真方法
技术领域
本发明属于电力电子接入建模与仿真领域，针对半桥型MMC开关模型在子模块数提高时仿真效率低下的问题，提出了一种考虑闭锁的半桥型MMC高效电磁暂态仿真方法。
背景技术
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)因其灵活性高、可靠性强、输电损耗低等优点在高压直流输电得到了广泛关注。目前，国内外的柔性直流输电工程大都采用MMC或者类似结构，MMC的研究也在朝着多电平数、高电压、大容量的方向发展。
电磁暂态仿真是研究电力系统动态特性的常用技术手段，MMC中包含大量的子模块，同时这些模块含有的开关器件往往需要很小的仿真步长，大大限制了MMC的电磁暂态仿真速度，严重影响仿真研究和工程进度。为解决高电平数下MMC详细开关模型电磁暂态仿真效率低下的问题，国内外学者对MMC的高效电磁暂态仿真建模进行了深入研究。文献[1]使用一个理想受控开关、两个二极管和一个RLC电路来模拟IGBT，这种模型提供了很多优点，包括考虑传导损耗、闭锁和子模块内部的详细细节，但是这种方法引入了数量巨大的开关和二极管，产生了大量的计算工作。文献[2]通过直接使用可变电阻或者理想开关替换IGBT等开关器件改善了仿真速度，但是这种方法的计算量随着子模块的提高仍未得到明显改善。文献[3]在受控电阻的基础上对子模块电容采用梯形积分方法离散化为戴维南电阻和电压源，同时对MMC桥臂上串联的子模块戴维南等效电路进行叠加得到了桥臂的戴维南等效电路提高了仿真效率。但是该方法需要对所有的子模块的戴维南电压进行单独求解然后进行叠加，这在面对子模块数量巨大时无疑仍存在困难，同时该方法没有考虑直流故障闭锁的情况[4]。
平均值模型能够通过平均函数方法忽略开关过程，方便使用更大的仿真步长，从而提高仿真速度[5]。文献[6]介绍了一种基于平均函数原理的改进MMC平均值模型，基于所有子模块电容电压平衡的假设将每个桥臂等效成了一个受控源，虽然保留了MMC的对外输出特性，但是由于没有给出内部子模块的动态信息，也无法精确仿真MMC闭锁下子模块电容电压的变化，具有一定的局限性。
参考文献
[1]H.Saad et al.,"Dynamic Averaged and Simplified Models for MMC-Based HVDC Transmission Systems,"in IEEE Transactions on Power Delivery,vol.28,no.3,pp.1723-1730,July2013.
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[3]U.N.Gnanarathna,A.M.Gole and R.P.Jayasinghe,"Efficient Mod-elingof Modular Multilevel HVDC Converters(MMC)on Electro-magnetic TransientSimulation Programs,"in IEEE Transactions on Power Delivery,vol.26,no.1,pp.316-324,Jan.2011.
[4]Saad H,Dennetiere S,Mahseredjian J,et al.Modular multilevel con-verter models for electromagnetic transients[J].IEEE Transactions on PowerDelivery,2014,29(3):1481-1489.
[5]P.T.Krein,J.Bentsman,R.M.Bass and B.L.Lesieutre,"On the use ofaveraging for the analysis of power electronic systems,"in IEEE Transactionson Power Electronics,vol.5,no.2,pp.182-190,April 1990.
[6]J.Peralta,H.Saad,S.Dennetiere,J.Mahseredjian and S.Nguefeu,"Detailed and averaged models for a 401-level MMC-HVDC system,"2013IEEE Power&Energy Society General Meeting,Vancouver,BC,Canada,2013,pp.1-1.
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种考虑闭锁的半桥型MMC电磁暂态仿真方法，基于半桥型MMC的平均值模型，针对直流故障闭锁的工况提出了考虑直流闭锁的半桥型MMC高效电磁仿真模型，能够较好的模拟MMC交流侧和直流侧的动态过程，仿真精度和仿真速度都得到提高。技术方案如下：
一种考虑闭锁的半桥型MMC电磁暂态仿真方法，包括：
(1)在正常运行时，正常模式运行开关(Krun)闭合，闭锁开关(KBK)打开，此时MMC电路各参数满足下列条件：
式中，k＝a,b,c，p和n分别代表上、下桥臂；t表示时间，isk为交流侧第k相交流电流，icirk为第k相上下桥臂共模电流，upk、unk分别为MMC第k相上、下桥臂电压；upk,ref为控制系统输出的上桥臂调制波，unk,ref为控制系统输出的下桥臂调制波；C为子模块电容，N为单个桥臂子模块的数目，ucp,k和ucn,k分别表示第k相上桥臂和下桥臂子模块平均电容电压；
(2)直流故障闭锁下，正常运行模式开关Krun断开，闭锁开关KBK闭合，进入到闭锁模式，桥臂电流满足下列条件：
其中，IBK,pk和IBK,nk分别为闭锁状态下第k相上下桥臂的闭锁导通电流，vsk表示网侧k相电压，udc为直流侧瞬时直流电压，R和L分别为桥臂电阻和桥臂电感，ω表示电网电压角频率，j为虚数单位。
本发明基于MMC的基本平均值理论，在给出子模块电容电压解析的基础上建立了半桥型MMC的平均值模型，并且在该模型基础上考虑闭锁工况下的旁路支路，正常工况下闭合正常模式运行开关投入子模块电容，由子模块电容积分得到桥臂电压进而决定输出电压，闭锁工况下闭合闭锁开关断开正常模式运行开关，由整流电流决定直流侧电压和子模块电容电压。本发明的有益效果如下：
1)本发明的半桥型MMC高效电磁暂态仿真方法，不需要涉及IGBT等开关器件的开通和关断，忽略了子模块的开关细节，能够较好的模拟MMC交流侧和直流侧的动态过程，仿真精度和仿真速度都大大提高；
2)本发明半桥型MMC高效电磁暂态仿真方法，在假设所有子模块电容电压完全相同的条件下，通过计算得到了子模块的平均电容电压，能够精确仿真子模块电容电压动态；
3)本发明半桥型MMC高效电磁暂态仿真方法，通过闭锁旁路支路的设计，既能快速仿真常规工况下的半桥型MMC功率阶跃等工况，也能仿真直流故障下的闭锁工况，能够适应多种应用场景。
附图说明
图1半桥型MMC电路结构；
图2基于受控源的半桥型MMC交流侧和直流侧等效模型；
图3改进的半桥型MMC平均值模型
图4单端半桥型MMC平均模型与开关模型的对比仿真结构
图5考虑闭锁的改进MMC受控源模型仿真对比结果1
图6考虑闭锁的改进MMC受控源模型仿真对比结果2
图7考虑闭锁的改进MMC受控源模型仿真对比结果3
具体实施方式
半桥型三相模块化多电平换流器的基本拓扑结构如附图1示，直流侧O点表示零电位参考点。一个三相半桥型MMC换流器由6个桥臂构成，每个桥臂由一个电抗器L和N个子模块(SM)串联而成。半桥型子模块由上下两个IGBT管子T1和T2串联构成，D1和D2表示上下两个IGBT的反并联二极管。
MMC三相结构对称，任一相基于基尔霍夫定律，易得：
isk＝ink-ipk (3)
式中，k＝a,b,c，p和n分别代表上下桥臂；isk为交流侧第k相交流电流，vsk为第k相交流输出电压，upk、unk分别为第k相上下桥臂电压，ipk、ink分别为第k相上下桥臂电流，udc为直流侧电压，R和L分别为MMC交流侧的等效电阻和连接电抗。
定义MMC的k相桥臂环流
由式(1)(2)(3)(4)可得，MMC直流侧和交流侧的数学模型可由如下公式描述：
由式(5)可以得到基于受控源的MMC对于直流侧和交流侧的等效模型，如附图2所示。
假设同一相上桥臂所有子模块的电容电压均相同，记为ucp,k，下桥臂所有子模块的电容电压也均相同，记为ucn,k。则附图2中上下桥臂等效的受控源upk(unk)由控制器的上(下)桥臂调制波upk,ref(unk,ref)和上(下)桥臂子模块电容电压ucp,k(ucn,k)共同决定，满足
式中，N为单桥臂子模块数目。同时，子模块电容电压与电流icp,k、icn,k满足微分方程
式中，C为子模块电容。考虑到MMC的子模块结构，子模块电容流入电流ic,pk和ic,nk有
式中，is,pk、is,nk为一个周期内单个子模块上桥臂IGBT流过的平均电流，有
其中，ipk(ink)为上(下)桥臂电流，upk,ref(unk,ref)为上(下)桥臂调制波。
根据式(6)(7)(8)(9)，可以得到上下桥臂子模块电压满足如下关系：
式中，k＝a,b,c，p和n分别代表上下桥臂，上(下)桥臂调制波upk,ref(unk,ref)由控制系统输出得到，单相桥臂共模电流和交流相电流icirk和isk分别由式(5)得到。
当MMC直流侧发生故障时，控制系统发出闭锁信号，迅速关断所有IGBT的触发触发信号，MMC桥臂中仅保留了子模块中的反并联二极管。假设存在故障电流，此时可以将MMC看成一个简单的三相整流电路。以k相为例，当满足式(11)时，即交流电压大于直流侧正极电压时，上桥臂中将存在交流到直流的正向整流电流：
当满足式(12)时，即交流电压小于直流侧负极电压时，下桥臂中将存在直流到交流的正向整流电流：
满足式(11)和式(12)的整流电流流经所有子模块的整流二极管D2。当直流侧正极对地电压大于交流电压与子模块电容电压之和，即满足式(13)时，上桥臂中会产生逆向回路电流，该电流流经二极管D1和所有子模块电容，此时直流侧向上桥臂子模块电容反向充电：
同理，当满足式(14)，即交流侧电压大于直流负极电压与子模块电容电压之和，下桥臂中也会产生流经子模块电容的逆向回路电流。
针对以上分析，针对附图2提出了如附图3所示的改进平均值模型。
在正常运行时，开关Krun闭合，闭锁开关KBK打开。此时图3改进平均值模型满足式(10)与现有模型完全相同。
闭锁时刻，开关Krun打开，闭锁开关KBK闭合，进入到闭锁模式，桥臂电流由式(15)确定。
式中，IBK,pk和IBK,nk本别为闭锁状态下第k相上下桥臂的导通电流，vsk表示网侧k相电压，udc为直流侧瞬时直流电压，R和L分别为桥臂电阻和桥臂电感。
为了精确对比本文提出的考虑闭锁的MMC平均值模型相比传统的开关模型的精确性和提速效果，在PSCAD/EMTDC软件中搭建结构如附图4所示单端MMC并网系统的平均值模型和详细开关模型，将所提平均值模型与开关模型进行仿真精度和仿真速度的对比验证。仿真使用PSCAD/EMTDC V4.6.0版本，运行于微软Win10/64位操作系统，处理器为Intel(R)Core(TM)i7-8565U CPU 1.99GHz，8G内存。单端仿真系统详细参数如表1所示。单端测试系统中分别设置正常运行工况和直流极间短路工况，仿真精度对比结果附图5、附图6和附图7所示，仿真效率对比结果如表2所示。
表1仿真模型参数
分别采用详细开关模型和平均值模型仿真附图5、附图6和附图7，模型运行时间数据采用PSCAD/EMTDC软件内嵌的Runtimes messages面板数据，所需要的时间如表2所示。
表2详细开关模型和平均值模型运行时间对比
由表2可知，MMC包含24个半桥型子模块的情况下，本文所提快速仿真模型相比详细开关模型在相同仿真步长时的仿真效率提高了近5倍，并且快速仿真模型的仿真精度不受开关器件的开关频率限制，能够适应宽范围的仿真步长，提高快速仿真模型的仿真步长后，仿真精度没有太大变化，但是仿真速度又提高9倍多，达到开关模型的近45倍。所以提速模型可以在保持仿真精度的同时显著提高仿真速度，在大规模柔性直流输电仿真领域具有明显的优势。

Claims (1)

1.一种考虑闭锁的半桥型MMC电磁暂态仿真方法，包括：
(1)在正常运行时，正常模式运行开关(Krun)闭合，闭锁开关(KBK)打开，此时MMC电路各参数满足下列条件：
式中，k＝a,b,c，p和n分别代表上、下桥臂；t表示时间，isk为交流侧第k相交流电流，icirk为第k相上下桥臂共模电流，upk、unk分别为MMC第k相上、下桥臂电压；upk,ref为控制系统输出的上桥臂调制波，unk,ref为控制系统输出的下桥臂调制波；C为子模块电容，N为单个桥臂子模块的数目，ucp,k和ucn,k分别表示第k相上桥臂和下桥臂子模块平均电容电压；
(2)直流故障闭锁下，正常运行模式开关(Krun)断开，闭锁开关(KBK)闭合，进入到闭锁模式，桥臂电流满足下列条件：
其中，IBK,pk和IBK,nk分别为闭锁状态下第k相上下桥臂的闭锁导通电流，vsk表示网侧k相电压，udc为直流侧瞬时直流电压，R和L分别为桥臂电阻和桥臂电感，ω表示电网电压角频率，j为虚数单位。
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