CN213024410U - 一种半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型，包括六个相同的桥臂等效电路，桥臂等效电路包括一个桥臂电感等效支路和两个开关支路，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；每个开关支路均包括第一等效电阻、第一受控电流源和受控电压源，第一等效电阻与第一受控电流源为并联连接，受控电压源分别与第一等效电阻、第一受控电流源连接；桥臂电感等效支路包括第二等效电阻和第二受控电流源，第二等效电阻与第二受控电流源为并联连接。本实用新型能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

一种半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型

技术领域

本实用新型涉及仿真技术领域，尤其涉及一种半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型。

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。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的是提供一种半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型，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，本实用新型实施例提供了一种半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型，包括六个相同的桥臂等效电路，每个所述桥臂等效电路均包括一个桥臂电感等效支路和两个开关支路，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；其中，每个所述开关支路均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，所述第一等效电阻与所述第一受控电流源为并联连接，所述受控电压源分别与所述第一等效电阻、所述第一受控电流源连接；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，所述第二等效电阻与所述第二受控电流源为并联连接；半桥型模块化多电平换流器包括n个半桥型功率模块，n≥1，每个所述半桥型功率模块中的模块电容等效为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。

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，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，所述上桥臂的一端与所述直流正极端口连接，另一端与三相交流电的一个端口连接；所述下桥臂的一端与所述直流负极端口连接，另一端与三相交流电的一个端口连接。

优选地，所述受控电压源的电压为

其中，U₁为所述受控电压源的电压值，U_{1_k}为半桥型模块化多电平换流器中第k个半桥型功率模块两端的端口电压，1≤k≤n。

优选地，所述模块电容的电压为U_C＝R_C(I_C+Ih_C)；其中，U_C为所述模块电容的电压值，R_C为所述第三等效电阻的电阻值，I_C为流经所述模块电容的电流值，Ih_C为所述第三受控电流源的电流值。

优选地，所述第一等效电阻两端的电压为U_S1＝R_S(Ih_S1+i₁)；其中，U_S1为所述第一等效电阻两端的电压值，R_S为所述第一等效电阻的电阻值，Ih_S1为所述第一受控电流源的电流值，i₁为流经所述第一等效电阻所在的所述开关支路的电流值。

优选地，所述桥臂电感等效支路两端的电压为U_L＝R_L(Ih_L+i)；其中，U_L为所述桥臂电感等效支路两端的电压值，R_L为所述第二等效电阻的电阻值，Ih_L为所述第二受控电流源的电流值，i为流经所述桥臂电感等效支路的电流值，i＝i₁+i₂，i₂为流经该桥臂电感等效支路的另一个所述开关支路的电流值。

与现有技术相比，本实用新型实施例提供的一种半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型，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是本实用新型一实施例提供的一种半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例提供的一种现有的半桥型模块化多电平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一种半桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法的流程示意图。

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型模块化多电平换流器的实时仿真模型的结构示意图，该仿真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均包括一个桥臂电感等效支路和两个开关支路，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；其中，每个所述开关支路均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，所述第一等效电阻与所述第一受控电流源为并联连接，所述受控电压源分别与所述第一等效电阻、所述第一受控电流源连接；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，所述第二等效电阻与所述第二受控电流源为并联连接；半桥型模块化多电平换流器包括n个半桥型功率模块，n≥1，每个所述半桥型功率模块中的模块电容等效为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。

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 MultilevelConverter，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个串联的半桥型功率模块。每个半桥型功率模块包含两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(Insulated gate bipolar power tube，IGBT)和一个二极管反并联构成。通过控制两个开关的导通/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。

为了解决上述问题，为了解决上述问题，本实用新型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1，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个串联的半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，因为需要用到半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1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。

具体地，半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型包括六个相同的桥臂等效电路，每个桥臂等效电路均包括一个桥臂电感等效支路和两个开关支路，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。其中，每个开关支路均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，第一等效电阻与第一受控电流源为并联连接，受控电压源分别与第一等效电阻、第一受控电流源连接；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，第二等效电阻与第二受控电流源为并联连接；半桥型模块化多电平换流器包括n个半桥型功率模块，n≥1，每个所述半桥型功率模块中的模块电容等效为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。值得注意的是，模块电容的等效电路只在仿真计算中需要用到，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。

本实用新型实施例提供的一种半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型，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，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，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，所述上桥臂的一端与所述直流正极端口连接，另一端与三相交流电的一个端口连接；所述下桥臂的一端与所述直流负极端口连接，另一端与三相交流电的一个端口连接。

具体地，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，上桥臂的一端与直流正极端口连接，另一端与三相交流电的一个端口连接，端口为a相端口、b相端口或c相端口；下桥臂的一端与直流负极端口连接，另一端与三相交流电的一个端口连接，端口同样可以为a相端口、b相端口或c相端口。

作为上述方案的改进，所述受控电压源的电压为

其中，U₁为所述受控电压源的电压值，U_{1_k}为半桥型模块化多电平换流器中第k个半桥型功率模块两端的端口电压，1≤k≤n。

具体地，受控电压源的电压为

其中，U₁为受控电压源的电压值，U_{1_k}为半桥型模块化多电平换流器中第k个半桥型功率模块两端的端口电压，n为半桥型模块化多电平换流器中半桥型功率模块的模块数，即n为MMC一个桥臂串联的模块数，通常为100-500，1≤k≤n。

需要说明的是，每个功率模块的端口电压为模块电容的电压或0，是根据每个功率模块中的两个电力电子开关的状态进行确定的。同时，当每个功率模块中的两个电力电子开关的状态是确定的，也能根据桥臂电流得到对应的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

表1中的S1、S2为图2所示的两个电力电子开关，S1-S2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1的箭头方向为准。

作为上述方案的改进，所述模块电容的电压为U_C＝R_C(I_C+Ih_C)；其中，U_C为所述模块电容的电压值，R_C为所述第三等效电阻的电阻值，I_C为流经所述模块电容的电流值，Ih_C为所述第三受控电流源的电流值。

具体地，每一个半桥型功率模块中的模块电容等效为一个第三等效电阻和一个第三受控电流源，第三等效电阻和第三受控电流源为并联连接，模块电容的电压为U_C＝R_C(I_C+Ih_C)；其中，U_C为模块电容的电压值，即为第三等效电阻两端的电压值，R_C为第三等效电阻的电阻值，I_C为流经模块电容的电流值，Ih_C为第三受控电流源的电流值。这些数据均为同一仿真时刻对应的数据。

作为上述方案的改进，所述第一等效电阻两端的电压为U_S1＝R_S(Ih_S1+i₁)；其中，U_S1为所述第一等效电阻两端的电压值，R_S为所述第一等效电阻的电阻值，Ih_S1为所述第一受控电流源的电流值，i₁为流经所述第一等效电阻所在的所述开关支路的电流值。

具体地，第一等效电阻两端的电压为U_S1＝R_S(Ih_S1+i₁)；其中，U_S1为第一等效电阻两端的电压值，R_S为第一等效电阻的电阻值，Ih_S1为第一受控电流源的电流值，i₁为流经第一等效电阻所在的开关支路的电流值。这些数据均为同一仿真时刻对应的数据。

作为上述方案的改进，所述桥臂电感等效支路两端的电压为U_L＝R_L(Ih_L+i)；其中，U_L为所述桥臂电感等效支路两端的电压值，R_L为所述第二等效电阻的电阻值，Ih_L为所述第二受控电流源的电流值，i为流经所述桥臂电感等效支路的电流值，i＝i₁+i₂，i₂为流经该桥臂电感等效支路的另一个所述开关支路的电流值。

具体地，桥臂电感等效支路两端的电压为U_L＝R_L(Ih_L+i)；其中，U_L为桥臂电感等效支路两端的电压值，R_L为第二等效电阻的电阻值，Ih_L为第二受控电流源的电流值，i为流经桥臂电感等效支路的电流值，i＝i₁+i₂，i₂为流经该桥臂电感等效支路的另一个开关支路的电流值。这些数据均为同一仿真时刻对应的数据。

为了加深对本实用新型的理解，参见图3，是本实用新型该实施例提供的一种一种半桥型模块化多电平换流器的实时仿真方法的流程示意图。下面对该实时仿真方法进行简要说明，具体步骤如下：

构建半桥型模块化多电平换流器的等效电路模型；等效电路模型具体可参见图1左侧的电路结构。

对等效电路模型的系统参数进行初始化，以开始半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。

更新半桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的两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。

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，以继续更新半桥型模块化多电平换流器中的每个功率模块的两个电力电子开关的状态和输入桥臂电流，也就是说，返回上述步骤的第三步。

综上，本实用新型实施例所提供的一种半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型，提出了适用于半桥型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。利用本实用新型的模型进行仿真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 (7)

1.一种半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型，其特征在于，包括六个相同的桥臂等效电路，每个所述桥臂等效电路均包括一个桥臂电感等效支路和两个开关支路，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；其中，每个所述开关支路均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，所述第一等效电阻与所述第一受控电流源为并联连接，所述受控电压源分别与所述第一等效电阻、所述第一受控电流源连接；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，所述第二等效电阻与所述第二受控电流源为并联连接；半桥型模块化多电平换流器包括n个半桥型功率模块，n≥1，每个所述半桥型功率模块中的模块电容等效为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。

2.如权利要求1所述的半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型，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。

3.如权利要求1所述的半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型，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，所述上桥臂的一端与所述直流正极端口连接，另一端与三相交流电的一个端口连接；所述下桥臂的一端与所述直流负极端口连接，另一端与三相交流电的一个端口连接。

4.如权利要求1所述的半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型，其特征在于，所述受控电压源的电压为

其中，U₁为所述受控电压源的电压值，U_{1_k}为半桥型模块化多电平换流器中第k个半桥型功率模块两端的端口电压，1≤k≤n。

5.如权利要求1所述的半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型，其特征在于，所述模块电容的电压为U_C＝R_C(I_C+Ih_C)；其中，U_C为所述模块电容的电压值，R_C为所述第三等效电阻的电阻值，I_C为流经所述模块电容的电流值，Ih_C为所述第三受控电流源的电流值。

6.如权利要求1所述的半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型，其特征在于，所述第一等效电阻两端的电压为U_S1＝R_S(Ih_S1+i₁)；其中，U_S1为所述第一等效电阻两端的电压值，R_S为所述第一等效电阻的电阻值，Ih_S1为所述第一受控电流源的电流值，i₁为流经所述第一等效电阻所在的所述开关支路的电流值。

7.如权利要求6所述的半桥型模块化多电平换流器的实时仿真模型，其特征在于，所述桥臂电感等效支路两端的电压为U_L＝R_L(Ih_L+i)；其中，U_L为所述桥臂电感等效支路两端的电压值，R_L为所述第二等效电阻的电阻值，Ih_L为所述第二受控电流源的电流值，i为流经所述桥臂电感等效支路的电流值，i＝i₁+i₂，i₂为流经该桥臂电感等效支路的另一个所述开关支路的电流值。

Images