CN206004320U - 模块化多电平换流器的仿真装置 - Google Patents

模块化多电平换流器的仿真装置 Download PDF

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朱喆
许树楷
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Abstract

本实用新型公开一种模块化多电平换流器的仿真装置，涉及仿真技术领域，为解决现有的利用电磁暂态模型进行的电磁暂态仿真效率较低的问题。所述模块化多电平换流器的仿真装置包括相连接的电网模型和等效模块化多电平换流器：等效模块化多电平换流器包括等效为对应桥臂的第一受控电压源至第六受控电压源，各受控电压源均包括若干级联的子模块等效模型，各子模块等效模型均包括单向导通器件，以及与所述单向导通器件并联的可变电阻，各子模块等效模型均与对应的受控电流源一一对应连接，各受控电流源均等效为对应的子模块等效模型连接的外电路。本实用新型提供的模块化多电平换流器的仿真装置用于对模块化多电平换流器进行时域仿真。

Description

模块化多电平换流器的仿真装置
技术领域
本实用新型涉及仿真技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器的仿真装置。
背景技术
柔性直流输电技术是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制技术为基础的新型输电技术；这种柔性直流输电技术因具有有功-无功快速解耦控制、直流电压稳定、占地面积小等优点受到人们的广泛关注，而且随着电力电子技术的发展，基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(modular multilevel converter high voltage directcurrent，以下简称MMC-HVDC)在可再生能源并网、大容量远距离输电等领域得到了越来越广泛的应用。
现有技术中为了提高MMC-HVDC系统的输送容量与电能质量，模块化多电平换流器的每个桥臂通常由数百个子模块串联而成，而且为了满足大容量远距离架空线输电的需求，须采用具有直流故障自清除能力的子模块拓扑结构；基于上述要求，相比于全桥式子模块，新型二极管箝位式子模块在具备故障清除能力的同时，能够显著降低成本，具有较大应用价值。
为了保证MMC-HVDC系统稳定的运行状态，一般会对模块化多电平换流器建立电磁暂态模型，并对所建立的电磁暂态模型进行电磁暂态仿真，以判断MMC-HVDC系统在出现故障时电气量的变化情况。但由于模块化多电平换流器采用了较多数量的子模块，在MMC-HVDC系统运行时会产生大量的开关动作，而传统的电磁暂态模型在开关状态发生变位时，会重新生成节点导纳矩阵，并进行数次迭代运算，导致了电磁暂态仿真效率较低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种模块化多电平换流器的仿真装置，用于解决现有的利用电磁暂态模型进行的电磁暂态仿真效率较低的问题。
为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
本实用新型的第一方面提供一种模块化多电平换流器的仿真装置，包括：相连接的电网模型和等效模块化多电平换流器，其中，
所述等效模块化多电平换流器包括等效为第一上桥臂的第一受控电压源，等效为第一下桥臂的第二受控电压源，等效为第二上桥臂的第三受控电压源，等效为第二下桥臂的第四受控电压源，等效为第三上桥臂的第五受控电压源，等效为第三下桥臂的第六受控电压源；
所述第一受控电压源与第二受控电压源串联，构成所述等效模块化多电平换流器的第一相单元；第三受控电压源与第四受控电压源串联，构成所述等效模块化多电平换流器的第二相单元；第五受控电压源与所述第六受控电压源串联，构成所述等效模块化多电平换流器的第三相单元；
所述第一受控电压源、所述第二受控电压源、所述第三受控电压源、所述第四受控电压源、所述第五受控电压源和所述第六受控电压源均包括若干级联的子模块等效模型，所述子模块等效模型为二极管箝位式子模块等效模型，所述子模块等效模型包括单向导通器件，以及与所述单向导通器件并联的可变电阻，各所述子模块等效模型均与对应的受控电流源一一对应连接；各所述受控电流源均等效为对应的所述子模块等效模型连接的外电路，各所述受控电流源的输出电流为对应的所述子模块等效模型所在受控电压源的电流。
基于上述模块化多电平换流器的仿真装置的技术方案，本实用新型的第二方面提供一种模块化多电平换流器的仿真系统，包括全局求解器、局部求解器，以及上述模块化多电平换流器的仿真装置；
所述全局求解器用于获得各受控电压源对应的电流；
所述局部求解器用于根据各所述受控电压源对应的电流，获得对应子模块等效模型的端口电压；
所述全局求解器还用于根据各所述子模块等效模型的端口电压，得到对应受控电压源的电压值。
本实用新型提供的模块化多电平换流器的仿真装置中，模块化多电平换流器中的各桥壁均被等效为对应的受控电压源，各桥壁中包括的若干子模块均被等效为对应的子模块等效模型，因此，本实用新型提供的模块化多电平换流器的仿真装置能够通过采用全局求解器和局部求解器相互配合，交替计算后获得对应时段的仿真结果；获得仿真结果的过程中，不需要进行迭代计算，即仿真步长固定不变；因此，本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器的仿真装置在保证了仿真准确率的同时提高了仿真效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中三相模块化多电平换流器结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的仿真装置电路图；
图3为本实用新型实施例提供的三相模块化多电平换流器解耦等效模型示意图；
图4为本实用新型实施例提供的子模块解耦等效模型示意图；
图5为现有技术中子模块的电路图；
图6为本实用新型实施例提供的子模块等效模型电路图；
图7为本实用新型实施例提供的仿真流程示意图；
图8为本实用新型实施例提供的仿真时间对比示意图；
附图标记：
1-全局求解器，2-局部求解器。
具体实施方式
为了进一步说明本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器的仿真装置及仿真系统，下面结合说明书附图进行详细描述。
请参阅图1，本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器的仿真装置所仿真的模块化多电平换流器为二极管箝位式模块化多电平换流器，且模块化多电平换流器包括三相，其中的每一相均包括两个串联的桥壁，即串联在一起的上桥臂和下桥臂；各上桥臂和各下桥臂均包括若干级联的子模块，以及与若干级联的子模块串联的一个桥臂电抗器L，子模块为二极管箝位式子模块。
图1中的SM_ap_1至SM_ap_n；SM_bp_1至SM_bp_n；SM_cp_1至SM_cp_n分别代表对应相的上桥臂所包括的若干子模块，SM_an_1至SM_an_n；SM_bn_1至SM_bn_n；SM_cn_1至SM_cn_n分别代表对应相的下桥臂所包括的若干子模块；iap，ibp，icp分别代表对应相的上桥臂电流，ian，ibn，icn分别代表对应相的下桥臂电流，即iap，ibp，icp，ian，ibn，icn分别代表对应的受控电压源的电流，Udc为模块化多电平换流器的直流电压。
请参阅图2，本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器的仿真装置，包括：相连接的电网模型和等效模块化多电平换流器，图2中uabc为电网模型的三相电压、Bg和Bc为三相交流母线，Rt为变压器漏阻，Lt为变压器漏感，Rs为启动电阻，Ks为启动电阻旁路开关，iabc为模块化多电平换流器的三相交流电流，vabc为模块化多电平换流器的三相桥端电压，MMC为等效模块化多电平换流器，Rdc为直流短路电阻，Kdc为短路故障开关，Iload为直流负载。
请参阅图3，等效模块化多电平换流器包括等效为第一上桥臂的第一受控电压源Uap，等效为第一下桥臂的第二受控电压源Uan，等效为第二上桥臂的第三受控电压源Ubp，等效为第二下桥臂的第四受控电压源Ubn，等效为第三上桥臂的第五受控电压源Ucp，等效为第三下桥臂的第六受控电压源Ucn。各受控电压源的输出电压即为与该受控电压源对应的桥臂的电压，各受控电压源的输出电压为对应的若干子模块的输出电压Usm之和。
第一受控电压源Uap与第二受控电压源Uan串联，构成等效模块化多电平换流器的第一相单元；第三受控电压源Ubp与第四受控电压源Ubn串联，构成等效模块化多电平换流器的第二相单元；第五受控电压源Ucp与第六受控电压源Ucn串联，构成等效模块化多电平换流器的第三相单元。第一受控电压源Uap、第二受控电压源Uan、第三受控电压源Ubp、第四受控电压源Ubn、第五受控电压源Ucp和第六受控电压源Ucn均包括若干级联的子模块等效模型，子模块等效模型为二极管箝位式子模块等效模型，子模块等效模型包括单向导通器件，以及与单向导通器件并联的可变电阻，各子模块等效模型均与对应的受控电流源一一对应连接；各受控电流源均等效为对应的子模块等效模型连接的外电路，各受控电流源的输出电流为对应的子模块等效模型所在受控电压源的电流。
具体的，请参阅图4，用一个受控电流源代替了子模块以外的电路，图4中iix代表对应的受控电压源的电流，usm_ix_j代表子模块等效模型的端口电压；其中，下标i的取值为对应的a相、b相或c相，下标x的取值为对应的上桥臂p或下桥臂n，下标j的取值为1至n(即第一子模块等效模型至第n子模块等效模型)。受控电压源的电流为对应的子模块等效模型所在受控电压源的电流，即为受控电压源对应桥臂的桥臂电流。
请参阅图7，本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器的仿真装置中，模块化多电平换流器中的各桥壁均被等效为对应的受控电压源，各桥壁中包括的若干子模块均被等效为对应的子模块等效模型，因此，本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器的仿真装置能够通过采用全局求解器1和局部求解器2相互配合，交替计算后获得对应时段的仿真结果；获得仿真结果的过程中，不需要进行迭代计算，即仿真步长固定不变；因此，本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器的仿真装置在保证了仿真准确率的同时提高了仿真效率。
请参阅图5，实际子模块包括：第一电容C1、第二电容C2、第四二极管D4、反并联连接的第一开关管S1和第一二极管D1、反并联连接的第二开关管S2和第二二极管D2、反并联连接的第三开关管S3和第三二极管D3；其中，第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极连接，且第一二极管D1的正极连接到子模块的正输出端，第一二极管D1的负极连接到第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端与第二电容C2的一端连接，且第一电容C1的另一端连接到第四二极管D4的负极，第二二极管D2的正极与第三二极管D3的正极连接，且第二二极管D2的正极连接到第二电容C2的另一端，第三二极管D3的负极与第四二极管D4的正极连接，且第三二极管D3的负极连接到子模块的负输出端。图5中的Uc1代表第一电容C1两端的电压，Uc2代表第二电容C2两端的电压。
将实际子模块中的第一开关管S1等效为第一可变电阻、第二开关管S2等效为第二可变电阻、第三开关管S3等效为第三可变电阻，在第四二极管D4并联第四可变电阻，以获得子模块等效模型。具体的，请参阅图6，上述实施例提供的子模块等效模型包括：第一电容C1、第二电容C2、并联的第一可变电阻和第一二极管D1、并联的第二可变电阻和第二二极管D2、并联的第三可变电阻和第三二极管D3、并联的第四可变电阻和第四二极管D4；其中，第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极连接，第一二极管D1的正极与子模块等效模型的正输出端连接，第一二极管D1的负极与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端与第二电容C2的一端连接，第一电容C1的另一端与第四二极管D4的负极连接，第二二极管D2的正极与第三二极管D3的正极连接，第二二极管D2的正极与第二电容C2的另一端连接，第三二极管D3的负极与第四二极管D4的正极连接，第三二极管D3的负极与子模块等效模型的负输出端连接。
通过限定上述子模块等效模型的具体结构，能够采用局部求解器获得各子模块等效模型的端口电压，全局求解器再根据各子模块等效模型的端口电压获得最终仿真结果。
本实用新型实施例还提供了一种模块化多电平换流器的仿真系统，包括全局求解器1、局部求解器2，以及上述实施例提供的模块化多电平换流器的仿真装置；其中，全局求解器1用于获得各受控电压源对应的电流；局部求解器2用于根据各受控电压源对应的电流，获得对应子模块等效模型的端口电压；全局求解器1还用于根据各子模块等效模型的端口电压，得到对应受控电压源的电压值。
更详细的说，请参阅图7，采用的全局求解器1的种类可以根据计算平台的不同而不同，一般均包含求解输出方程、求解状态方程、异常处理、步长控制(仿真步长加1)、调用局部求解器2(外部函数)等功能模块。本实用新型实施例提供的全局求解器1具备以上基本功能，能够获得模块化多电平换流器的仿真装置中每一个受控电压源对应的电流。需要说明的是，能够选择的全局求解器1的具体形式多种多样，例如：由通用电磁暂态仿真软件提供的全局求解器1，更具体的，采用MATLAB/Simulink软件的SymPowerSystems工具包作为全局求解器1。此外，关于全局求解器1的具体使用方式为现有技术，此处不做详细说明。
上述局部求解器2能够根据各受控电压源对应的电流获得对应子模块等效模型的端口电压；再将各子模块等效模型的端口电压传输至全局求解器1，全局求解器1能够将每一个受控电压源对应的若干子模块等效模型的端口电压进行加和，以获得每一个桥臂对应的受控电压源的电压值。
值得注意的是，对于模块化多电平换流器的时域仿真，一般会将仿真时段按照仿真步长分为若干个小时段，对于每个小时段的仿真，就需要全局求解器1和局部求解器2进行一次计算，以获得该时段对应的仿真结果，因此，通过全局求解器1和局部求解器2交替计算即能够获得模块化多电平换流器在整个仿真时段的时域仿真结果。
本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器的仿真系统中，采用了上述实施例提供的模块化多电平换流器的仿真装置，通过全局求解器1和局部求解器2配合计算以获得仿真结果；这种仿真系统对应每一段仿真步长，全局求解器1和局部求解器2均配合进行一次计算过程，以获得该时段的仿真结果；获得仿真结果的过程中，不需要进行迭代计算，即仿真步长固定不变；因此，本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器的仿真系统在保证了仿真准确率的同时提高了仿真效率。
在实际仿真过程中，在稳定和直流短路故障情况下，采用等效模型(本实用新型实施例提供)和参考模型(现有的)所获得的直流电压曲线、子模块的端口电压曲线、模块化多电平换流器的三相交流电流曲线基本重合；即本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器的仿真系统能够较准确地反映故障前后，模块化多电平换流器的直流电压、子模块的端口电压、三相交流电流特性以及故障清除过程。
而且，根据直流电压的相对误差ΔUdc的计算公式：
能够得到直流电压的相对误差ΔUdc基本小于1％。需要说明的是，Ud′c代表采用现有参考模型获得的直流电压，Udc代表采用本实用新型实施例提供的等效模型获得的直流电压。
更进一步的说，采用Thinkpad T450s笔记本电脑(CPU：i7-5600U@2.6GHz2.6GHz，RAM:7.7GB，OS：Windows 7 x64)作为仿真用计算机，仿真的时间为启动过程(1s)。请参阅图8，图中的横坐标代表每一个桥臂所包括的子模块数量，纵坐标代表仿真消耗的时间，实线代表采用现有参考模型获得的参考波形，虚线代表采用本实用新型实施例提供的等效模型获得的参考波形。从图8中可以看出：采用现有技术中参考模型时，随着子模块数量的增加，仿真过程所需要的时间大幅度增加，而采用本实用新型实施例提供的等效模型时，随着子模块数量的增加，仿真过程所需要的时间增加不明显；因此，在子模块数较多的情况下，本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器的系统具有更高的仿真效率。
上述实施例提供的局部求解器2包括依次连接的参数获取单元、电阻更新单元、节点电压更新单元以及端口电压输出单元；其中，参数获取单元用于对子模块等效模型所对应的各个状态分别进行离散化，得到延时电流导纳矩阵G和一组支路阻抗矩阵Zj。电阻更新单元用于根据模块化多电平换流器中当前子模块的开关元件对应的驱动信号、以及当前子模块等效模型中的单向导通器件的延时端电压，得到可变电阻的取值；确定目标支路阻抗矩阵Zi，其中i∈j。需要说明的是，确定子模块等效模型中各可变电阻的阻值后，即能够确定在此状态下对应的目标支路阻抗矩阵Zi，目标支路阻抗矩阵Zi为Zj中的一种情况。
节点电压更新单元用于根据受控电压源对应的电流、延时电流导纳矩阵G、延时节点电压和目标支路阻抗矩阵Zi，获得对应的当前节点电压。端口电压输出单元用于根据当前节点电压获得端口电压。节点电压指子模块等效模型中包括的各个节点所对应的电压值，根据子模块等效模型的具体结构，以及子模块等效模型中各个节点的电压值，能够获得子模块等效模型具体的端口电压值。
采用上述实施例提供的模块化多电平换流器的仿真系统实施仿真方法时可具体包括以下步骤：
步骤101，采用全局求解器1获得各受控电压源对应的电流；
步骤102，局部求解器2根据各受控电压源对应的电流，获得对应子模块等效模型的端口电压；
步骤103，全局求解器1根据各子模块等效模型的端口电压，得到对应受控电压源的电压值；
步骤104，重复步骤101-步骤103，直到达到预设仿真时间结束。
上述实施例提供的局部求解器2根据当前各受控电压源对应的电流，获得对应子模块等效模型的端口电压包括以下步骤：
步骤201，对子模块等效模型所对应的各个状态分别进行离散化，得到延时电流导纳矩阵G和一组支路阻抗矩阵Zj；
步骤202，根据模块化多电平换流器中当前子模块的开关元件对应的驱动信号、以及当前子模块等效模型中的单向导通器件的延时端电压，得到可变电阻的取值；确定目标支路阻抗矩阵Zi，其中i∈j；
步骤203，根据受控电压源对应的电流、延时电流导纳矩阵G、延时节点电压和目标支路阻抗矩阵Zi，获得对应的当前节点电压；
步骤204，根据当前节点电压获得端口电压。
基于上述实施例提供的具体的子模块等效模型，对仿真方法的具体过程进行说明。
请参阅图6，在上述步骤201中，得到的一组支路阻抗矩阵Zj为：
值得注意的是，由于每个可变电阻有两个取值，因此能够得到16个支路阻抗矩阵。
得到的延时电流导纳矩阵G为：
其中，R1为第一可变电阻的阻值，R2为第二可变电阻的阻值，R3为第三可变电阻的阻值，R4为第四可变电阻的阻值，C1为第一电容的容值，C2为第二电容的容值，Ts为一个仿真步长的时间长度。
在上述步骤202中，根据第一二极管D1的延时端电压z-1(UD1)、第二二极管D2的延时端电压z-1(UD2)、第三二极管D3的延时端电压z-1(UD3)和第四二极管D4的延时端电压z-1(UD4)，以及模块化多电平换流器中当前子模块内第一二极管D1并联的第一开关管S1的第一驱动信号g1、与第二二极管D2并联的第二开关管S2的第二驱动信号g2、与第三二极管D3并联的第三开关管S3的第三驱动信号g3，获得可变电阻的取值为：
其中，g1表示第一驱动信号，g2表示第二驱动信号，g3表示第三驱动信号，gi＝1表示驱动信号驱动开关管打开，gi＝0表示驱动信号驱动开关管关断，z-1(〃)表示延时一个步长操作(z-1(UDi)即上一个步长时段对应的二极管两端的电压值)，ron为导通电阻，roff为关断电阻。更详细的说，当gi＝1或z-1(UDi)大于等于0.7时，Ri取值为ron，当gi＝0且z-1(UDi)小于0.7时，Ri取值为roff。
在上述步骤203中，当前节点电压Un为：
其中，z-1(Un)为延时节点电压，即上一个步长时段对应的节点电压，i为受控电压源对应的电流，下标n代表不同节点所对应的编号；n的取值范围为0-4，如图6所示，N0，N1，N2，N3，N4代表子模块中对应的节点，U0，U1，U2，U3，U4分别代表对应节点的当前节点电压。
在上述步骤204中，根据当前节点电压获得端口电压Usm为：
Usm＝[1 0 0 0]Un。
值得注意的是，在上述步骤204中，除能够获得端口电压Usm外，还能够根据节点电压获得二极管端电压、电容端电压。
根据当前节点电压获得二极管端电压UD为：
根据当前节点电压获得第一电容C1端电压UC1为：
UC1＝[0 0 1 -1]Un
根据当前节点电压获得第二电容C2端电压UC2为：
UC2＝[-1 0 0 1]Un。
获得的二极管端电压、电容C1端电压和电容C2端电压能够用于模块化多电平换流器的闭环控制。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种模块化多电平换流器的仿真装置，其特征在于，包括：相连接的电网模型和等效模块化多电平换流器，其中，
所述等效模块化多电平换流器包括等效为第一上桥臂的第一受控电压源，等效为第一下桥臂的第二受控电压源，等效为第二上桥臂的第三受控电压源，等效为第二下桥臂的第四受控电压源，等效为第三上桥臂的第五受控电压源，等效为第三下桥臂的第六受控电压源；
所述第一受控电压源与第二受控电压源串联，构成所述等效模块化多电平换流器的第一相单元；第三受控电压源与第四受控电压源串联，构成所述等效模块化多电平换流器的第二相单元；第五受控电压源与所述第六受控电压源串联，构成所述等效模块化多电平换流器的第三相单元；
所述第一受控电压源、所述第二受控电压源、所述第三受控电压源、所述第四受控电压源、所述第五受控电压源和所述第六受控电压源均包括若干级联的子模块等效模型，所述子模块等效模型为二极管箝位式子模块等效模型，所述子模块等效模型包括单向导通器件，以及与所述单向导通器件并联的可变电阻，各所述子模块等效模型均与对应的受控电流源一一对应连接；各所述受控电流源均等效为对应的所述子模块等效模型连接的外电路，各所述受控电流源的输出电流为对应的所述子模块等效模型所在受控电压源的电流。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器的仿真装置，其特征在于，所述子模块等效模型包括：第一电容、第二电容、并联的第一可变电阻和第一二极管、并联的第二可变电阻和第二二极管、并联的第三可变电阻和第三二极管、并联的第四可变电阻和第四二极管；其中，所述第一二极管的正极与所述第二二极管的负极连接，所述第一二极管的正极与所述子模块等效模型的正输出端连接，所述第一二极管的负极与所述第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端与所述第二电容的一端连接，所述第一电容的另一端与所述第四二极管的负极连接，所述第二二极管的正极与所述第三二极管的正极连接，所述第二二极管的正极与所述第二电容的另一端连接，所述第三二极管的负极与所述第四二极管的正极连接，所述第三二极管的负极与所述子模块等效模型的负输出端连接。
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