CN211264735U - 一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，包括六个相同的桥臂等效电路，所述桥臂等效电路包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管和受控电压源；其中，所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述受控电压源的正极连接，连接点为桥臂的上接线端；所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，连接点为桥臂的的下接线端，所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述受控电压源的负极连接。本实用新型以桥臂等效电路等效桥臂级联的子模块，大大简化了仿真系统的电气连接，并降低物理连接的数量级和计算复杂度。
Description
技术领域
本实用新型涉及输配电技术领域，尤其涉及一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统。
背景技术
柔性直流输电技术的成熟，催生了越来越多的柔性直流工程落地建设，不管是远距离、大容量跨区输电，还是远海岸风电并网，电网都越来越多的选择柔性直流输电方式。而模块化多电平换流器(Modular Multilevel MMC)作为柔性直流输电的核心设备，在工程设计中必须进行全面的仿真研究与验证，因此模块化多电平换流器的仿真具有不可取代和无法忽视的作用。
在MMC换流器的仿真建模时总体思路基本上都是根据单个子模块内部和外部电气特性，将每个换流器桥臂级联的大量子模块进行聚合，从而构造出十分复杂的子模块聚合模型。子模块聚合模型虽然能够比较精确的实现换流器的仿真，却大大增加了编程设计和数学建模的难度。
实用新型内容
本实用新型实施例的目的是提供一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，以桥臂等效电路等效桥臂级联的子模块，大大简化了仿真系统的电气连接，并降低物理连接的数量级和计算复杂度。
为实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，包括六个相同的桥臂等效电路，所述桥臂等效电路包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管和受控电压源；其中，所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述受控电压源的正极连接，连接点为桥臂的上接线端；所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，连接点为桥臂的下接线端，所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述受控电压源的负极连接。
优选地，六个相同的桥臂等效电路分为两组，一组为三个上桥臂，另一组为三个下桥臂，一个所述上桥臂的下接线端与一个所述下桥臂的上接线端连接组成一个换流器相单元；其中所述上桥臂的上接线端为所述换流器相单元的正极接线端，所述下桥臂的下接线端为所述换流器相单元的负极接线端，所述上桥臂与所述下桥臂的连接点为所述换流器相单元的交流接线端。
优选地，所述换流器相单元的正极接线端与所述仿真系统的直流侧的正极连接，所述换流器相单元的负极接线端与所述仿真系统的直流侧的负极连接，所述换流器相单元的交流接线端与三相交流系统连接。
优选地，所述上桥臂还包括第一电抗器，所述第一电抗器连接于所述上桥臂的下接线端与三相交流系统之间。
优选地，所述下桥臂还包括第二电抗器，所述第二电抗器连接于所述下桥臂的上接线端与三相交流系统之间。
与现有技术相比，本实用新型实施例提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，通过用一个桥臂等效电路等效为半桥子模块型MMC换流器每个桥臂级联的N个子模块，大大简化了仿真系统的电气连接，并降低物理连接的数量级和计算复杂度，在保证仿真研究正确性的前提下，有效地提高仿真效率和可操作性。
附图说明
图1是本实用新型一实施例提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统的结构示意图。
图2是本实用新型一实施例提供的一种现有的半桥型子模块级联的MMC换流器的拓扑结构示意图。
图3是本实用新型一实施例提供的桥臂等效电路的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
参见图1，是本实用新型实施例提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统的结构示意图，该仿真系统包括六个相同的桥臂等效电路，所述桥臂等效电路包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管和受控电压源；其中，所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述受控电压源的正极连接，连接点为桥臂的上接线端；所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，连接点为桥臂的的下接线端，所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述受控电压源的负极连接。
需要说明的是，参见图2，是本实用新型实施例提供的一种现有的半桥型子模块级联的MMC换流器的拓扑结构示意图。由图2可知，在不考虑冗余的前提下，MMC换流器的每一相的上桥臂、下桥臂均由N个子模块单元级联构成，每一个半桥子模块如图2中虚线框所示。一般情况下，每个半桥子模块的输出电压只有几千伏特，为了提高电压等级，在超高压和特高压柔性直流输电中，MMC 换流器每一相的桥臂需要成百上千个子模块的电压叠加才能维持直流电压的稳定，所以N的取值一般很大。在仿真实验时，如果按照MMC换流器中子模块的实际电气连接逐个级联搭建模型，将由于数量巨大和仿真设备的性能限制而难以实现。
为了解决上述问题，降低仿真时的物理连接的数量级和计算复杂度，参见图3，是本实用新型实施例提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统中桥臂等效电路的结构示意图。本实用新型以一个桥臂等效电路等效于半桥子模块型MMC换流器中每一个桥臂级联的N个子模块，以简化仿真系统的电性连接，但桥臂等效电路中仍虚拟设置有N个子模块，不过在物理连接上不存在，仅依靠控制流程进行控制，所以该仿真系统能实现对N个子模块功能和动态性能的模拟，并输出N+1电平阶梯波逼近正弦波。
具体地，桥臂等效电路包括第一绝缘栅双极型晶体管T1、第二绝缘栅双极型晶体管T2和受控电压源。绝缘栅双极型晶体管简称IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)。其中，第一绝缘栅双极型晶体管T1的集电极与受控电压源的正极连接，连接点为桥臂的上接线端；第一绝缘栅双极型晶体管T1的发射极与第二绝缘栅双极型晶体管T2的集电极连接，连接点为桥臂的的下接线端，第二绝缘栅双极型晶体管T2的发射极与受控电压源的负极连接。由图3可知，第一绝缘栅双极型晶体管T1反向并联一个第二绝缘栅双极型晶体管T2和一个受控电压源，其中，第二绝缘栅双极型晶体管T2与受控电压源串联。
桥臂等效电路的约束条件为预设一个关断的闭锁信号和一个导通的解锁信号，一般地，闭锁信号为0，解锁信号为1。控制第一绝缘栅双极型晶体管T1的输入信号S1为闭锁信号，也就是说第一绝缘栅双极型晶体管T1被永久关断，在特殊工况需要旁路桥臂时才能触发其导通，此时，桥臂等效电路的输出电压被旁路。控制第二绝缘栅双极型晶体管T2的输入信号S2为闭锁信号或者解锁信号，即第二绝缘栅双极型晶体管T2按照不同工况关断或导通。当第二绝缘栅双极型晶体管T2导通时，受控电压源的输出电压等于桥臂等效电路的输入电压，即uout＝uin，其中， uout为受控电压源的输出电压，uin为桥臂等效电路的输入电压。当T2导通时，整个桥臂处于解锁状态，当T2关断时，整个桥臂处于闭锁状态。因此，当桥臂解锁后，桥臂输出电压取决于桥臂等效电路的输入电压uin。
本实用新型实施例提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，通过用一个桥臂等效电路等效为半桥子模块型MMC换流器每个桥臂级联的 N个子模块，大大简化了仿真系统的电气连接，并降低物理连接的数量级和计算复杂度，在保证仿真研究正确性的前提下，有效地提高仿真效率和可操作性。
作为上述方案的改进，六个相同的桥臂等效电路分为两组，一组为三个上桥臂，另一组为三个下桥臂，一个所述上桥臂的下接线端与一个所述下桥臂的上接线端连接组成一个换流器相单元；其中所述上桥臂的上接线端为所述换流器相单元的正极接线端，所述下桥臂的下接线端为所述换流器相单元的负极接线端，所述上桥臂与所述下桥臂的连接点为所述换流器相单元的交流接线端。
一般地，MMC换流器包括三个相单元，每一个相单元包括一个上桥臂和下桥臂。所以该仿真系统的六个相同的桥臂等效电路平分为两组，一组为三个上桥臂，另一组为三个下桥臂，一个上桥臂的下接线端与一个下桥臂的上接线端连接组成一个换流器相单元，也就是该仿真系统可以组成三个换流器相单元。换流器相单元有三个接线端，其中上桥臂的上接线端为换流器相单元的正极接线端，下桥臂的下接线端为换流器相单元的负极接线端，上桥臂与下桥臂的连接点为换流器相单元的交流接线端。
作为上述方案的改进，所述换流器相单元的正极接线端与所述仿真系统的直流侧的正极连接，所述换流器相单元的负极接线端与所述仿真系统的直流侧的负极连接，所述换流器相单元的交流接线端与三相交流系统连接。
具体地，换流器相单元的正极接线端与仿真系统的直流侧的正极连接，换流器相单元的负极接线端与仿真系统的直流侧的负极连接，换流器相单元的交流接线端与三相交流系统连接。由图1所示，idcp和idcn分别表示仿真系统的直流母线正极电流和负极电流，udc为直流侧的直流电压，ea、eb、ec表示仿真系统在桥臂中点三相输出的电压，Rs、Ls为电网等效阻抗,usabc为电网电压。此外，图中还有一个共同连接点，此处也能输出三相交流电压ua、ub、uc，但不同于ea、eb、ec。
作为上述方案的改进，所述上桥臂还包括第一电抗器，所述第一电抗器连接于所述上桥臂的下接线端与三相交流系统之间。
具体地，上桥臂还包括第一电抗器，第一电抗器连接于上桥臂的下接线端与三相交流系统之间，即第一电抗器的一端与上桥臂的下接线端连接，另一端与三相交流系统连接。
作为上述方案的改进，所述下桥臂还包括第二电抗器，所述第二电抗器连接于所述下桥臂的上接线端与三相交流系统之间。
具体地，下桥臂还包括第二电抗器，第二电抗器连接于下桥臂的上接线端与三相交流系统之间，即第二电抗器的一端与下桥臂的上接线端连接，另一端与三相交流系统连接。
为了加深对本实用新型的理解，下面基于一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统的控制方法进行简要说明，具体步骤如下：
获取初始化后的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，初始化主要为仿真系统的主电路参数和控制参数设置，包含系统仿真步长、控制周期、子模块电容初始值、额定直流电压，额定交流电压，系统频率、功率指令初始值、桥臂电抗器取值、解闭锁信号、额定子模块数量、内环控制器的比例积分控制参数等等。
获取桥臂等效电路中当前子模块电压和当前投入子模块。仿真系统的仿真目的之一是为了得到桥臂等效电路的输入电压，而输入电压又与当前子模块电压、当前投入子模块相关，所以要不断获取这两个数据，以尽快达到稳定，获得桥臂等效电路的输入电压。一般地，仿真系统的初始子模块电压为0和初始投入子模块为随机选择。
判断桥臂等效电路是否闭锁，当桥臂等效电路处于非闭锁状态时，获取仿真系统中在预设的仿真步长内的桥臂电流，计算得到仿真步长内的子模块电压增量。判断桥臂等效电路是否闭锁是因为不同的状态会对应不同的控制步骤，当桥臂等效电路处于非闭锁状态时，意味着桥臂等效电路投入使用，需要根据其使用状态进行调整。
根据当前子模块电压和子模块电压增量，得到子模块新电压，并按照预设的排序原则对子模块进行排序，得到子模块新电压与子模块一一对应的排序结果，排序的目的是为了确定下一次仿真步长投入的子模块。
获取仿真系统中的直流电压和三相交流电压，计算得到每一相的桥臂参考电压，这是为了确定每一相的桥臂投入的子模块数，计算依据主要为派克变换。
根据额定子模块数量、直流电压、桥臂参考电压，得到对应的桥臂要投入的子模块数。额定子模块数量由仿真系统初始化时预设，直流电压由测量得到，桥臂参考电压由上一步计算得到。
根据排序结果和子模块数，确定新投入子模块。假设子模块数为m，根据子模块数选取排序结果中前m个子模块在下一次仿真步长投入，从而确定投入的子模块。
将子模块新电压和新投入子模块分别作为下一个仿真步长中的当前子模块电压和当前投入子模块，这是为了形成闭环控制过程，也就是说，上面除了第一步初始化，其他步骤都是一直循环更新的。
当仿真系统运行稳定后，获取最终投入子模块和最终子模块电压。一般地，仿真系统运行稳定的指标是，仿真系统输出的有功功率等于预设的有功功率，无功功率等于预设的无功功率。如果出现初始数值设置不合理的情况，则仿真系统会运行到预设的仿真时间结束为止。
根据每一相的桥臂的最终投入子模块，获取对应的最终子模块电压，再将这些最终子模块电压进行相加，得到的和为该桥臂对应的控制元件的输入电压。
综上，本实用新型实施例所提供的一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，通过用一个由2个IGBT和1个受控电压源组成的控制元件等效为半桥子模块型MMC换流器每个桥臂级联的N个子模块，大大简化了仿真系统的电气连接，并降低物理连接的数量级和计算复杂度，在保证仿真研究正确性的前提下，有效地提高仿真效率和可操作性。因为大部分仿真研究不需要关心子模块内部情况，所以本实用新型没有进行内部建模，只关注其输入输出特性，并设计了相应的控制流程和控制方法，达到了同样能够满足模拟数量庞大的子模块的仿真运行的目的，且较大程度降低了编程设计和数学建模的难度与要求。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，其特征在于，包括六个相同的桥臂等效电路，所述桥臂等效电路包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管和受控电压源；其中，所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述受控电压源的正极连接，连接点为桥臂的上接线端；所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，连接点为桥臂的下接线端，所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述受控电压源的负极连接。
2.如权利要求1所述的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，其特征在于，六个相同的桥臂等效电路分为两组，一组为三个上桥臂，另一组为三个下桥臂，一个所述上桥臂的下接线端与一个所述下桥臂的上接线端连接组成一个换流器相单元；其中所述上桥臂的上接线端为所述换流器相单元的正极接线端，所述下桥臂的下接线端为所述换流器相单元的负极接线端，所述上桥臂与所述下桥臂的连接点为所述换流器相单元的交流接线端。
3.如权利要求2所述的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，其特征在于，所述换流器相单元的正极接线端与所述仿真系统的直流侧的正极连接，所述换流器相单元的负极接线端与所述仿真系统的直流侧的负极连接，所述换流器相单元的交流接线端与三相交流系统连接。
4.如权利要求3所述的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，其特征在于，所述上桥臂还包括第一电抗器，所述第一电抗器连接于所述上桥臂的下接线端与三相交流系统之间。
5.如权利要求3所述的半桥子模块型模块化多电平换流器的仿真系统，其特征在于，所述下桥臂还包括第二电抗器，所述第二电抗器连接于所述下桥臂的上接线端与三相交流系统之间。
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