本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模塊化多電平換流器動(dòng)態(tài)模型建模方法。

背景技術(shù)：
2002年，德國慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學(xué)的R.Marquart和A.Lesnicar共同提出了新型模塊化多電平電壓源型換流器。2004年研制成功17電平2MW樣機(jī)。2009年，國際大電網(wǎng)會議B4.48工作組正式將其命名為模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverter，MMC)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過子模塊串聯(lián)構(gòu)成換流閥，模塊化程度高，諧波畸變小，開關(guān)損耗低，適合高電壓大功率場合的應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景，可用于柔性直流輸電、統(tǒng)一潮流控制器、線間潮流控制器、可轉(zhuǎn)換式靜止補(bǔ)償器等多種柔性直流輸電、靈活交流輸電裝置。2010年，第一項(xiàng)模塊化多電平換流器直流輸電工程在美國加利福尼亞州的匹茲堡和舊金山之間的海底直流電纜聯(lián)網(wǎng)，解決當(dāng)?shù)剌旊娮呃染o張的問題并增強(qiáng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和可靠性。基于模塊化多電平換流器的電力電子裝置數(shù)學(xué)模型是研究相應(yīng)控制策略的基礎(chǔ)。因主電路包是含有開關(guān)元件、儲能元件的非線性、交直流混合、高頻工頻混合的復(fù)雜系統(tǒng)，模型描述具有一定難度，通常建模方法包括拓?fù)浣７ê洼敵鼋７▋煞N。拓?fù)浣７ㄋＰ椭苯臃从畴娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，復(fù)雜程度隨開關(guān)器件數(shù)量的增加而顯著增加；輸出建模法通常將裝置等效為受控源或阻抗形式，所建模型相對簡單，但忽略了裝置內(nèi)部元件的狀態(tài)信息，不利于裝置內(nèi)部的特性分析。因而這兩種方法的應(yīng)用均具有局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種模塊化多電平換流器動(dòng)態(tài)模型建模方法，建立的模塊化多電平換流器動(dòng)態(tài)模型便于對模塊化多電平換流器的動(dòng)態(tài)性能和頻響特性進(jìn)行分析，便于用于裝置級控制策略設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了對內(nèi)部狀態(tài)量的描述。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：一種模塊化多電平換流器動(dòng)態(tài)模型建模方法，所述方法包括以下步驟：步驟1：建立上橋臂單個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型和上橋臂單個(gè)子模塊小信號交流模型；步驟2：建立上橋臂開關(guān)周期平均模型和上橋臂小信號交流模型；步驟3：建立下橋臂開關(guān)周期平均模型和下橋臂小信號交流模型；步驟4：建立模塊化多電平換流器開關(guān)周期平均模型和模塊化多電平換流器小信號模型。所述模塊化多電平換流器包括三對橋臂，每對橋臂包括上橋臂和下橋臂，所述上橋臂和下橋臂均包括N個(gè)依次串聯(lián)的子模塊和電抗器，三對橋臂并聯(lián)引出公共直流端。所述步驟1包括以下步驟：步驟1-1：建立上橋臂單個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型；步驟1-2：建立上橋臂單個(gè)子模塊小信號交流模型。所述步驟1-1中，上橋臂單個(gè)子模塊的方程為：其中，up1為上橋臂單個(gè)子模塊輸出電壓，ud1p為上橋臂單個(gè)子模塊直流電壓，id1p為上橋臂單個(gè)子模塊直流放電電流，ip為上橋臂單個(gè)子模塊輸出電流；Sp表示開關(guān)函數(shù)，Sp∈[0，1]，Sp＝1表示與子模塊交流輸出端并聯(lián)的IGBT截止，另一個(gè)IGBT導(dǎo)通，Sp＝0表示與子模塊交流輸出端并聯(lián)的IGBT導(dǎo)通，另一個(gè)IGBT截止；L1為上橋臂單個(gè)子模塊電感，L1＝L/N，Ud1p＝Ud/N，L為橋臂電抗，Ud為公共直流母線電壓，C為單個(gè)子模塊支撐電容，u1′為單個(gè)子模塊輸出電壓與橋臂電抗壓降之和，R′s為子模塊串聯(lián)電抗器等效串聯(lián)電阻，R1為子模塊主電路損耗等效電阻；對(2)求開關(guān)周期平均得：Tsdt=1L1(-<u1′>Ts+<Spud1p>Ts-Rs′<ip>Ts)d<ud1p>Tsdt=1C(-<Spip>Ts-<ud1p>TsR1)---(3)]]>其中，Ts表示開關(guān)周期，表示u1在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值，表示Spud1p在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值，表示ip在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值，表示Spip在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值，表示ud1p在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值；假定在開關(guān)周期Ts內(nèi)，ud1p和ip變化很小，可得以下近似關(guān)系：Ts≈<Sp>Ts<ud1p>Ts=dp<ud1p>Ts---(4)]]>Ts≈<Sp>Ts<ip>Ts=dp<ip>Ts---(5)]]>其中，dp為開關(guān)信號占空比；將(4)和(5)帶入(3)，得上橋臂單個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型如下：Tsdt=1L1(-<u1′>Ts+dp<ud1p>Ts-Rs′<ip>Ts)d<ud1p>Tsdt=-1C(dp<ip>Ts+<ud1p>TsR1)---(6).]]>所述上橋臂單個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型中，交流側(cè)的受控電壓源R′s和L1依次串聯(lián)，受控電壓源正極作為上橋臂單個(gè)子模塊等效開關(guān)周期模型的輸出端正極，L1未與R′s連接的一端作為上橋臂單個(gè)子模塊等效開關(guān)周期模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)的受控電流源R1和C相互并聯(lián)。所述步驟步驟1-2中，令：Ts=U1′+u~1′]]>Ts=Ip+i~p]]>(7)Ts=Ud1p+u~d1p]]>dp＝Dp+dp式中，U1′，Ip，Ud1p，Dp為靜態(tài)工作點(diǎn)，dp為擾動(dòng)量；將(7)代入(6)可得由于靜態(tài)工作點(diǎn)存在以下關(guān)系：U1′＝Ud/2-us＝DpUd1p-RsIp其中，us為系統(tǒng)電壓；根據(jù)(8)，忽略高次項(xiàng)，得上橋臂單個(gè)子模塊小信號交流模型如下：所述上橋臂單個(gè)子模塊小信號交流模型包括上橋臂單個(gè)子模塊受控源形式小信號交流模型和上橋臂單個(gè)子模塊傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型。所述上橋臂單個(gè)子模塊受控源形式小信號交流模型中，交流側(cè)的受控電壓源dpUd1p、受控電壓源R′s和L1依次串聯(lián)；受控電壓源dpUd1p正極作為上橋臂單個(gè)子模塊小信號交流模型的輸出端正極，L1未與R′s連接的一端作為上橋臂單個(gè)子模塊小信號交流模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)的受控電流源受控電流源dpIp、R1和C相互并聯(lián)；所述上橋臂單個(gè)子模塊傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型中，輸入信號dp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Ud1p產(chǎn)生的信號、-u1′(s)以及輸出信號udlp(s)通過比例環(huán)節(jié)Dp產(chǎn)生的反饋信號進(jìn)入加法器1，所述加法器1產(chǎn)生的信號通過比例積分環(huán)節(jié)得到信號ip(s)，所述信號ip(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Dp產(chǎn)生的信號和輸入信號dp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Ip產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器2，所述加法器2產(chǎn)生的信號取負(fù)和輸出信號udlp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)進(jìn)入加法器3，所述加法器3產(chǎn)生的信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生輸出信號udlp(s)。所述步驟2包括以下步驟：步驟2-1：建立上橋臂開關(guān)周期平均模型為：Tsdt=1L(-<u1>Ts+Σj=1N(dpj<udjp>Ts)-Rs<ip>Ts)d<udjp>Tsdt=1C(-dpj<ip>Ts-<udjp>TsRj),j=1,2,...N---(11)]]>其中，Rj表示子模塊的等效損耗電阻，Rs為橋臂串聯(lián)電抗器等效串聯(lián)電阻，dpj和udjp分別表示上橋臂第j個(gè)子模塊的等效占空比和直流側(cè)電壓，表示udjp在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值；步驟2-2：建立上橋臂小信號交流模型為：Ts=Ip+i~p<u1>Ts=U1+u~1<udjp>Ts=Udjp+u~djp,j=1,2,...,Ndpj=Dpj+dpj,j=1,2,...,N---(12)]]>式中，Ip，U1，Udjp，Dpj為靜態(tài)工作點(diǎn)；為擾動(dòng)量，上橋臂各靜態(tài)工作點(diǎn)有以下關(guān)系：(13)將(12)帶入(11)，根據(jù)(13)得到上橋臂小信號交流模型為所述上橋臂開關(guān)周期平均模型中，交流側(cè)的每個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型的受控電壓源Rs和L依次串聯(lián)，受控電壓源正極作為上橋臂開關(guān)周期平均模型的輸出端正極，L未與Rs連接的一端作為上橋臂開關(guān)周期平均模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)的每個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型的受控電流源Rj和C相互并聯(lián)。所述上橋臂小信號交流模型包括上橋臂受控源形式小信號交流模型和上橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型；所述上橋臂受控源形式小信號交流模型中，交流側(cè)每個(gè)子模塊小信號交流模型的受控電壓源dpjUdjp、受控電壓源Rs和L依次串聯(lián)；受控電壓源dpNUdNp正極作為上橋臂小信號交流模型的輸出端正極，L未與Rs連接的一端作為上橋臂小信號交流模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)每個(gè)子模塊的小信號交流模型的受控電流源受控電流源dpjIp、Rj和C分別相互并聯(lián)；所述上橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型中，N個(gè)輸入信號dpj(s)經(jīng)過對應(yīng)的N個(gè)比例環(huán)節(jié)Udjp產(chǎn)生的信號和輸入信號-u1(s)進(jìn)入加法器1′；加法器1′產(chǎn)生的信號和對應(yīng)的N個(gè)輸出信號udjp(s)通過比例環(huán)節(jié)Dpj產(chǎn)生的反饋信號進(jìn)入加法器2′；加法器2′產(chǎn)生的信號通過比例積分環(huán)節(jié)得到信號ip(s)，所述信號ip(s)經(jīng)過N個(gè)比例環(huán)節(jié)Dpj分別產(chǎn)生的N個(gè)信號和對應(yīng)的N個(gè)輸入信號dpj(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Ip產(chǎn)生的信號進(jìn)入對應(yīng)的N個(gè)加法器3j′，N個(gè)加法器3j′產(chǎn)生的信號取負(fù)和對應(yīng)的N個(gè)輸出信號udjp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)進(jìn)入N個(gè)加法器4j。N個(gè)加法器4j產(chǎn)生的信號經(jīng)過對應(yīng)的N個(gè)比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生N個(gè)輸出信號udjp(s)。假設(shè)上橋臂各個(gè)子模塊參數(shù)對稱，且有：dp1＝dp2＝...＝dpN＝dp(15)ud1p＝ud2p＝...＝udNp＝udp(16)取上橋臂小信號交流模型的靜態(tài)工作點(diǎn)改為DpIp＝Udp/RNUdp＝Ud(18)U1＝Ud/2-us＝NDpUdp-RsIpDp≈(Ud/2-us)/NUdp＝1/2-us/NUdp于是得到簡化上橋臂小信號交流模型為其中，R表示橋臂主電路損耗等效電阻。簡化上橋臂小信號交流模型包括簡化上橋臂受控源形式小信號交流模型和簡化上橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型。所述簡化上橋臂受控源形式小信號交流模型中，交流側(cè)的受控電壓源NdpUdp、受控電壓源Rs和L依次串聯(lián)，受控電壓源NdpUdp正極作為簡化上橋臂受控源形式小信號交流模型的輸出端正極，L未與Rs連接的一端作為簡化上橋臂受控源形式小信號交流模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)的受控電流源受控電流源dpIp、R和C相互并聯(lián)；所述簡化上橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型中，輸入信號dp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)NUdp產(chǎn)生的信號和輸入信號-u1(s)進(jìn)入加法器1″，加法器1″產(chǎn)生的信號和輸出信號udp(s)通過比例環(huán)節(jié)NDp產(chǎn)生的反饋信號進(jìn)入加法器2″，加法器2″產(chǎn)生的信號通過比例積分環(huán)節(jié)得到信號ip(s)，信號ip(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Dp產(chǎn)生的信號和輸入信號dp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Ip產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器3″，加法器3″產(chǎn)生的信號取負(fù)和輸出信號udp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)進(jìn)入加法器4，加法器4產(chǎn)生的信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生輸出信號udp(s)。步驟3包括以下步驟：步驟3-1：建立下橋臂單個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型和下橋臂單個(gè)子模型小信號交流模型；步驟3-2：建立下橋臂開關(guān)周期平均模型；Tsdt=1L(<u2>Ts-Σj=1N(dnj<udjn>Ts)+Rs<in>Ts)d<udjn>Tsdt=1C(dnj<in>Ts+<udjn>TsRj),j=1,2,...N---(20)]]>其中，dnj和udjn分別表示下橋臂第j個(gè)子模塊的等效占空比和直流側(cè)電壓，表示udjn在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值；步驟3-3：下橋臂小信號交流模型；且有：dn1＝dn2＝...＝dnN＝dn(22)ud1n＝ud2n＝...udNn＝udn(23)取可得Dn≈(Ud/2+us)/NUdn＝1/2+us/NUdn＝1/2+us/Ud(24)Dn為靜態(tài)工作點(diǎn)；于是得到簡化下橋臂小信號交流模型為所述下橋臂開關(guān)周期平均模型中，交流側(cè)的每個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型的受控電壓源Rs和L依次串聯(lián)，受控電壓源正極作為下橋臂開關(guān)周期平均模型的輸出端正極，L未與Rs連接的一端作為下橋臂開關(guān)周期平均模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)的單個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型的受控電流源Rj和C相互并聯(lián)。所述下橋臂小信號交流模型包括簡化下橋臂受控源形式小信號交流模型和簡化下橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型；所述簡化下橋臂受控源形式小信號交流模型中，交流側(cè)的L、Rs、受控電壓源NdnUdn和受控電壓源依次串聯(lián)，L未與Rs連接的一端作為簡化下橋臂受控源形式小信號交流模型的輸出端正極，受控電壓源負(fù)極作為簡化下橋臂受控源形式小信號交流模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)的受控電流源受控電流源dnIn、R和C相互并聯(lián)；所述簡化下橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型中，輸入信號dn(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)NUdn產(chǎn)生的信號取負(fù)和輸入信號u2(s)進(jìn)入加法器1″′；輸出信號udn(s)通過比例環(huán)節(jié)NDn產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)和加法器1″′產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器2″′，加法器2″′產(chǎn)生的信號通過比例積分環(huán)節(jié)得到信號in(s)，信號in(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Dn產(chǎn)生的信號和輸入信號dn(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)In產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器3″′，輸出信號udn(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)和加法器3″′產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器4″′，加法器4″′產(chǎn)生的信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生輸出信號udn(s)。所述步驟4包括以下步驟：步驟4-1：建立模塊化多電平換流器上、下橋臂開關(guān)周期平均模型如下：Ts=111ip→=-111in→---(28)]]>其中，Ts<ipb>Ts<ipc>TsT,]]>Ts<u1b>Ts<u1c>TsT,]]>Dp＝diag[dpadpbdpc]，Ts<udbp>Ts<udcp>TsT,]]>Ts<inb>Ts<inc>TsT,]]>Ts<u2b>Ts<u2c>TsT,]]>Dn＝diag[dnadnbdnc]，Ts<udbn>Ts<udcn>TsT,]]>Ts<isb>Ts<isc>TsT,]]>角標(biāo)p表示上橋臂模塊，角標(biāo)n表示下橋臂模塊；其中，Ts<u1b>Ts<u1c>Ts=<Ud>Ts2111-<ua0>Ts<ub0>Ts<uc0>Ts=<Ud>Ts2111-<usa>Ts<usb>Ts<usc>Ts-<uN0>Ts111---(29)]]>Ts<u2b>Ts<u2c>Ts=<Ud>Ts2111+<ua0>Ts<ub0>Ts<uc0>Ts=<Ud>Ts2111+<usa>Ts<usb>Ts<usc>Ts+<uN0>Ts111---(30)]]>uN0為交流側(cè)共模電壓；步驟4-2：模塊化多電平換流器小信號交流模型；模塊化多電平換流器靜態(tài)工作點(diǎn)有如下關(guān)系：得到模塊化多電平換流器上、下橋臂小信號交流模型：所述模塊化多電平換流器上橋臂開關(guān)周期平均模型中，上橋臂受控電壓源Ndpi<udip>Ts、Rs和L依次串聯(lián)，上橋臂受控電流源dpi<ipi>Ts、R和C相互并聯(lián)；所述模塊化多電平換流器下橋臂開關(guān)周期平均模型中，L、Rs和下橋臂受控電壓源Ndni<udin>Ts依次串聯(lián)，受控電流源dni<ini>Ts、R和C相互并聯(lián)，構(gòu)成下橋臂等效開關(guān)周期平均模型。所述模塊化多電平換流器小信號交流模型中，信號ipi(s)和信號ini(s)進(jìn)入加法器產(chǎn)生信號isi(s)，信號信號-usi(s)和信號-uN0(s)進(jìn)入加法器產(chǎn)生信號u1i(s)，信號信號usi(s)和信號uN0(s)進(jìn)入加法器產(chǎn)生信號u2i(s)；所述模塊化多電平換流器上橋臂小信號交流模型中，輸入信號dpi(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)NUdip產(chǎn)生的信號和輸入信號-u1i(s)進(jìn)入加法器A，加法器A產(chǎn)生的信號和輸出信號udip(s)通過比例環(huán)節(jié)NDpi產(chǎn)生的反饋信號進(jìn)入加法器B，加法器B產(chǎn)生的信號通過比例積分環(huán)節(jié)得到信號ipi(s)，信號ipi(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Dpi產(chǎn)生的信號和輸入信號dpi(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Ipi產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器C，加法器C產(chǎn)生的信號取負(fù)和輸出信號udip(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)進(jìn)入加法器D，加法器D產(chǎn)生的信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生輸出信號udip(s)；所述模塊化多電平換流器下橋臂小信號交流模型中，輸入信號dni(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)NUdin產(chǎn)生的信號取負(fù)和輸入信號u2i(s)進(jìn)入加法器E，輸出信號udin(s)通過比例環(huán)節(jié)NDni產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)和加法器E產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器F，加法器F產(chǎn)生的信號通過比例積分環(huán)節(jié)得到信號ini(s)，信號ini(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Dni產(chǎn)生的信號和輸入信號dni(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Im產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器G，輸出信號udin(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)和加法器G產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器H，加法器H產(chǎn)生的信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生輸出信號udin(s)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：1.該模塊化多電平換流器動(dòng)態(tài)模型為統(tǒng)一潮流控制器、柔性直流輸電等電力電子裝置的特性分析和控制策略奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；2.該該模塊化多電平換流器動(dòng)態(tài)模型便于與模塊化多電平換流器的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析；3.該模塊化多電平換流器動(dòng)態(tài)模型便于對模塊化多電平換流器的頻率相應(yīng)進(jìn)行分析；4.該模塊化多電平換流器動(dòng)態(tài)模型便于用于裝置級控制策略的設(shè)計(jì)；5.該模塊化多電平換流器動(dòng)態(tài)模型實(shí)現(xiàn)了對模型內(nèi)部狀態(tài)量的描述；6.該建模方法簡單可靠，易執(zhí)行。附圖說明圖1是一種模塊化多電平換流器動(dòng)態(tài)模型主電路拓?fù)鋱D；圖2是子模塊主電路示意圖；圖3是上橋臂單個(gè)子模塊等效電路圖；圖4是上橋臂單個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型圖；圖5是上橋臂單個(gè)子模塊受控源形式小信號交流模型圖；圖6是上橋臂單個(gè)子模塊傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型圖；圖7是上橋臂開關(guān)周期平均模型圖；圖8是上橋臂受控源形式小信號交流模型圖；圖9是上橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型圖；圖10是簡化上橋臂受控源形式小信號交流模型圖；圖11是簡化上橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型圖；圖12是簡化下橋臂受控源形式小信號交流模型圖；圖13是簡化下橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型圖；圖14是模塊化多電平換流器開關(guān)周期平均模型圖；圖15是模塊化多電平換流器小信號交流模型圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。一種模塊化多電平換流器動(dòng)態(tài)模型建模方法，所述方法包括以下步驟：步驟1：建立上橋臂單個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型和上橋臂單個(gè)子模塊小信號交流模型；步驟2：建立上橋臂開關(guān)周期平均模型和上橋臂小信號交流模型；步驟3：建立下橋臂開關(guān)周期平均模型和下橋臂小信號交流模型；步驟4：建立模塊化多電平換流器開關(guān)周期平均模型和模塊化多電平換流器小信號模型。如圖1-圖2，所述模塊化多電平換流器包括三對橋臂，每對橋臂包括上橋臂和下橋臂，所述上橋臂和下橋臂均包括N個(gè)依次串聯(lián)的子模塊和電抗器，三對橋臂并聯(lián)引出公共直流端。所述步驟1包括以下步驟：步驟1-1：建立上橋臂單個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型；步驟1-2：建立上橋臂單個(gè)子模塊小信號交流模型。所述步驟1-1中，如圖3，上橋臂單個(gè)子模塊的方程為：其中，up1為上橋臂單個(gè)子模塊輸出電壓，ud1p為上橋臂單個(gè)子模塊直流電壓，id1p為上橋臂單個(gè)子模塊直流放電電流，ip為上橋臂單個(gè)子模塊輸出電流；Sp表示開關(guān)函數(shù)，Sp∈[0，1]，Sl＝1表示與子模塊交流輸出端并聯(lián)的IGB2截止，IGBT1導(dǎo)通，Sp＝0表示與子模塊交流輸出端并聯(lián)的IGBT2導(dǎo)通，IGBT1截止；L1為上橋臂單個(gè)子模塊電感，L1＝L/N，Ud1p＝Ud/N，L為橋臂電抗，Ud為公共直流母線電壓，C為單個(gè)子模塊支撐電容，u1′為單個(gè)子模塊輸出電壓與橋臂電抗壓降之和，R′s為子模塊串聯(lián)電抗器等效串聯(lián)電阻，R1為子模塊主電路損耗等效電阻；對(2)求開關(guān)周期平均得：Tsdt=1L1(-<u1′>Ts+<Spud1p>Ts-Rs′<ip>Ts)d<ud1p>Tsdt=1C(-<Spip>Ts-<ud1p>TsR1)---(3)]]>其中，Ts表示開關(guān)周期，表示u1在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值，表示Spu′d1p在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值，表示ip在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值，表示Spip在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值，表示ud1p在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值；假定在開關(guān)周期Ts內(nèi)，ud1p和ip變化很小，可得以下近似關(guān)系：Ts≈<Sp>Ts<ud1p>Ts=dp<ud1p>Ts---(4)]]>Ts≈<Sp>Ts<ip>Ts=dp<ip>Ts---(5)]]>其中，dp為開關(guān)信號占空比；將(4)和(5)帶入(3)，得上橋臂單個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型如下：Tsdt=1L1(-<u1′>Ts+dp<ud1p>Ts-Rs′<ip>Ts)d<ud1p>Tsdt=-1C(dp<ip>Ts+<ud1p>TsR1)---(6).]]>如圖4，所述上橋臂單個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型中，交流側(cè)的受控電壓源R′s和L1依次串聯(lián)，受控電壓源正極作為上橋臂單個(gè)子模塊等效開關(guān)周期模型的輸出端正極，L1未與R′s連接的一端作為上橋臂單個(gè)子模塊等效開關(guān)周期模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)的受控電流源R1和C相互并聯(lián)。所述步驟步驟1-2中，令：Ts=U1′+u~1′]]>Ts=Ip+i~p]]>(7)Ts=Ud1p+u~d1p]]>dp＝Dp+dp式中，U1′，Ip，Ud1p，Dp為靜態(tài)工作點(diǎn)，dp為擾動(dòng)量；將(7)代入(6)可得由于靜態(tài)工作點(diǎn)存在以下關(guān)系：U1′＝Ud/2-us＝DpUd1p-RsIp其中，us為系統(tǒng)電壓；根據(jù)(8)，忽略高次項(xiàng)，得上橋臂單個(gè)子模塊小信號交流模型如下：所述上橋臂單個(gè)子模塊小信號交流模型包括上橋臂單個(gè)子模塊受控源形式小信號交流模型和上橋臂單個(gè)子模塊傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型。如圖5，所述上橋臂單個(gè)子模塊受控源形式小信號交流模型中，交流側(cè)的受控電壓源dpUd1p、受控電壓源R′s和L1依次串聯(lián)；受控電壓源dpUd1p正極作為上橋臂單個(gè)子模塊小信號交流模型的輸出端正極，L1未與R′s連接的一端作為上橋臂單個(gè)子模塊小信號交流模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)的受控電流源受控電流源dpIp、R1和C相互并聯(lián)；如圖6，所述上橋臂單個(gè)子模塊傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型中，3個(gè)加法器從左至右依次為加法器1、加法器2和加法器3，輸入信號dp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Ud1p產(chǎn)生的信號、-u1′(s)以及輸出信號udlp(s)通過比例環(huán)節(jié)Dp產(chǎn)生的反饋信號進(jìn)入加法器1，所述加法器1產(chǎn)生的信號通過比例積分環(huán)節(jié)得到信號ip(s)，所述信號ip(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Dp產(chǎn)生的信號和輸入信號dp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Ip產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器2，所述加法器2產(chǎn)生的信號取負(fù)和輸出信號udp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)進(jìn)入加法器3，所述加法器3產(chǎn)生的信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生輸出信號udlp(s)。所述步驟2包括以下步驟：步驟2-1：建立上橋臂開關(guān)周期平均模型為：Tsdt=1L(-<u1>Ts+Σj=1N(dpj<udjp>Ts)-Rs<ip>Ts)d<udjp>Tsdt=1C(-dpj<ip>Ts-<udjp>TsRj),j=1,2,...N---(11)]]>其中，Rj表示子模塊的等效損耗電阻，Rs為橋臂串聯(lián)電抗器等效串聯(lián)電阻，dpj和udjp分別表示上橋臂第j個(gè)子模塊的等效占空比和直流側(cè)電壓，表示udjp在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值；步驟2-2：建立上橋臂小信號交流模型為：Ts=Ip+i~p<u1>Ts=U1+u~1<udjp>Ts=Udjp+u~djp,j=1,2,...,Ndpj=Dpj+dpj,j=1,2,...,N---(12)]]>式中，Ip，U1，Udjp，Dpj為靜態(tài)工作點(diǎn)；dpj為擾動(dòng)量，上橋臂各靜態(tài)工作點(diǎn)有以下關(guān)系：(13)將(12)帶入(11)，根據(jù)(13)得到上橋臂小信號交流模型為如圖7，所述上橋臂開關(guān)周期平均模型中，交流側(cè)的每個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型的受控電壓源Rs和L依次串聯(lián)，受控電壓源正極作為上橋臂開關(guān)周期平均模型的輸出端正極，L未與Rs連接的一端作為上橋臂開關(guān)周期平均模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)的每個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型的受控電流源Rj和C相互并聯(lián)。所述上橋臂小信號交流模型包括上橋臂受控源形式小信號交流模型和上橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型；如圖8，所述上橋臂受控源形式小信號交流模型中，交流側(cè)每個(gè)子模塊小信號交流模型的受控電壓源dpjUdjp、受控電壓源Rs和L依次串聯(lián)；受控電壓源dpNUdNp正極作為上橋臂小信號交流模型的輸出端正極，L未與Rs連接的一端作為上橋臂小信號交流模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)每個(gè)子模塊的小信號交流模型的受控電流源受控電流源dpjIp、Rj和C分別相互并聯(lián)；如圖9，所述上橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型中，4個(gè)加法器從左至右依次為加法器1′、加法器2′、加法器3′和加法器4′，N個(gè)輸入信號dpj(s)經(jīng)過對應(yīng)的N個(gè)比例環(huán)節(jié)Udjp產(chǎn)生的信號和輸入信號-u1(s)進(jìn)入加法器1′；加法器1′產(chǎn)生的信號和對應(yīng)的N個(gè)輸出信號udjp(s)通過比例環(huán)節(jié)Dpj產(chǎn)生的反饋信號進(jìn)入加法器2′；加法器2′產(chǎn)生的信號通過比例積分環(huán)節(jié)得到信號ip(s)，所述信號ip(s)經(jīng)過N個(gè)比例環(huán)節(jié)Dpj分別產(chǎn)生的N個(gè)信號和對應(yīng)的N個(gè)輸入信號dpj(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Ip產(chǎn)生的信號進(jìn)入對應(yīng)的N個(gè)加法器3j′，N個(gè)加法器3j′產(chǎn)生的信號取負(fù)和對應(yīng)的N個(gè)輸出信號udjp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)進(jìn)入N個(gè)加法器4j。N個(gè)加法器4j產(chǎn)生的信號經(jīng)過對應(yīng)的N個(gè)比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生N個(gè)輸出信號udjp(s)。假設(shè)上橋臂各個(gè)子模塊參數(shù)對稱，且有：dp1＝dp2＝...＝dpN＝dp(15)ud1p＝ud2p＝…＝udNp＝udp(16)取上橋臂小信號交流模型的靜態(tài)工作點(diǎn)改為DpIp＝Udp/RNUdp＝Ud(18)U1＝Ud/2-us＝NDpUdp-RsIpDp≈(Ud/2-us)/NUdp＝1/2-us/NUdp于是得到簡化上橋臂小信號交流模型為其中，R表示橋臂主電路損耗等效電阻。簡化上橋臂小信號交流模型包括簡化上橋臂受控源形式小信號交流模型和簡化上橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型。如圖10，所述簡化上橋臂受控源形式小信號交流模型中，交流側(cè)的受控電壓源NdpUdp、受控電壓源Rs和L依次串聯(lián)，受控電壓源NdpUdp正極作為簡化上橋臂受控源形式小信號交流模型的輸出端正極，L未與Rs連接的一端作為簡化上橋臂受控源形式小信號交流模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)的受控電流源受控電流源dpIp、R和C相互并聯(lián)；如圖11，所述簡化上橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型中，4個(gè)加法器從左至右依次為加法器1″、加法器2″、加法器3″和加法器4″，輸入信號dp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)NUdp產(chǎn)生的信號和輸入信號-u1(s)進(jìn)入加法器1″，加法器1″產(chǎn)生的信號和輸出信號udp(s)通過比例環(huán)節(jié)NDp產(chǎn)生的反饋信號進(jìn)入加法器2″，加法器2″產(chǎn)生的信號通過比例積分環(huán)節(jié)得到信號ip(s)，信號ip(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Dp產(chǎn)生的信號和輸入信號dp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Ip產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器3″，加法器3″產(chǎn)生的信號取負(fù)和輸出信號udp(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)進(jìn)入加法器4，加法器4產(chǎn)生的信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生輸出信號udp(s)。步驟3包括以下步驟：步驟3-1：建立下橋臂單個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型和下橋臂單個(gè)子模型小信號交流模型；步驟3-2：建立下橋臂開關(guān)周期平均模型；Tsdt=1L(<u2>Ts-Σj=1N(dnj<udjn>Ts)+Rs<in>Ts)d<udjn>Tsdt=1C(dnj<in>Ts+<udjn>TsRj),j=1,2,...N---(20)]]>其中，dnj和udjn分別表示下橋臂第j個(gè)子模塊的等效占空比和直流側(cè)電壓，表示udjn在開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值；步驟3-3：下橋臂小信號交流模型；且有：dn1＝dn2＝...＝dnN＝dn(22)ud1n＝ud2n＝...udNn＝udn(23)取可得Dn≈(Ud/2+us)/NUdn＝1/2+us/NUdn＝1/2+us/Ud(24)Dn為靜態(tài)工作點(diǎn)；于是得到簡化下橋臂小信號交流模型為所述下橋臂開關(guān)周期平均模型中，交流側(cè)的每個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型的受控電壓源Rs和L依次串聯(lián)，受控電壓源正極作為下橋臂開關(guān)周期平均模型的輸出端正極，L未與Rs連接的一端作為下橋臂開關(guān)周期平均模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)的單個(gè)子模塊開關(guān)周期平均模型的受控電流源Rj和C相互并聯(lián)。所述下橋臂小信號交流模型包括簡化下橋臂受控源形式小信號交流模型和簡化下橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型；如圖12，所述簡化下橋臂受控源形式小信號交流模型中，交流側(cè)的L、Rs、受控電壓源NdnUdn和受控電壓源依次串聯(lián)，L未與Rs連接的一端作為簡化下橋臂受控源形式小信號交流模型的輸出端正極，受控電壓源負(fù)極作為簡化下橋臂受控源形式小信號交流模型的輸出端負(fù)極；直流側(cè)的受控電流源受控電流源dnIn、R和C相互并聯(lián)；如圖13，所述簡化下橋臂傳遞函數(shù)方框圖形式小信號交流模型中，4個(gè)加法器從左至右依次為加法器1″′、加法器2″′、加法器3″′和加法器4″′，輸入信號dn(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)NUdn產(chǎn)生的信號取負(fù)和輸入信號u2(s)進(jìn)入加法器1″′；輸出信號udn(s)通過比例環(huán)節(jié)NDn產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)和加法器1″′產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器2″′，加法器2″′產(chǎn)生的信號通過比例積分環(huán)節(jié)得到信號in(s)，信號in(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Dn產(chǎn)生的信號和輸入信號dn(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)In產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器3″′，輸出信號udn(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)和加法器3″′產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器4″′，加法器4″′產(chǎn)生的信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生輸出信號udn(s)。所述步驟4包括以下步驟：步驟4-1：建立模塊化多電平換流器上、下橋臂開關(guān)周期平均模型如下：Ts=111ip→=-111in→---(28)]]>其中，Ts<ipb>Ts<ipc>TsT,]]>Ts<u1b>Ts<u1c>TsT,]]>Dp＝diag[dpadpbdpc]，Ts<udbp>Ts<udcp>TsT,]]>Ts<inb>Ts<inc>TsT,]]>Ts<u2b>Ts<u2c>TsT,]]>Dn＝diag[dnadnbdnc]，Ts<udbn>Ts<udcn>TsT,]]>角標(biāo)p表示上橋臂模塊，角標(biāo)n表示下橋臂模塊；其中，Ts<u1b>Ts<u1c>Ts=<Ud>Ts2111-<ua0>Ts<ub0>Ts<uc0>Ts=<Ud>Ts2111-<usa>Ts<usb>Ts<usc>Ts-<uN0>Ts111---(29)]]>Ts<u2b>Ts<u2c>Ts=<Ud>Ts2111+<ua0>Ts<ub0>Ts<uc0>Ts=<Ud>Ts2111+<usa>Ts<usb>Ts<usc>Ts+<uN0>Ts111---(30)]]>uN0為交流側(cè)共模電壓；步驟4-2：模塊化多電平換流器小信號交流模型；模塊化多電平換流器靜態(tài)工作點(diǎn)有如下關(guān)系：得到模塊化多電平換流器上、下橋臂小信號交流模型：如圖14，所述模塊化多電平換流器上橋臂開關(guān)周期平均模型中，上橋臂受控電壓源Ndpi<udip>Ts、Rs和L依次串聯(lián)，上橋臂受控電流源dpi<ipi>Ts、R和C相互并聯(lián)；所述模塊化多電平換流器下橋臂開關(guān)周期平均模型中，L、Rs和下橋臂受控電壓源Ndni<udin>Ts依次串聯(lián)，受控電流源dni<ini>Ts、R和C相互并聯(lián)，構(gòu)成下橋臂等效開關(guān)周期平均模型。如圖15，所述模塊化多電平換流器小信號交流模型中，信號ipi(s)和信號ini(s)進(jìn)入加法器產(chǎn)生信號isi(s)，信號信號-usi(s)和信號-uN0(s)進(jìn)入加法器產(chǎn)生信號u1i(s)，信號信號usi(s)和信號uN0(s)進(jìn)入加法器產(chǎn)生信號u2i(s)；所述模塊化多電平換流器上橋臂小信號交流模型中，4個(gè)加法器從左至右依次為加法器A、加法器B、加法器C和加法器D，輸入信號dpi(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)NUdip產(chǎn)生的信號和輸入信號-u1i(s)進(jìn)入加法器A，加法器A產(chǎn)生的信號和輸出信號udip(s)通過比例環(huán)節(jié)NDpi產(chǎn)生的反饋信號進(jìn)入加法器B，加法器B產(chǎn)生的信號通過比例積分環(huán)節(jié)得到信號ipi(s)，信號ipi(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Dpi產(chǎn)生的信號和輸入信號dpi(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Ipi產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器C，加法器C產(chǎn)生的信號取負(fù)和輸出信號udip(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)進(jìn)入加法器D，加法器D產(chǎn)生的信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生輸出信號udip(s)；所述模塊化多電平換流器下橋臂小信號交流模型中，輸入信號dni(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)NUdin產(chǎn)生的信號取負(fù)和輸入信號u2i(s)進(jìn)入加法器E，輸出信號udin(s)通過比例環(huán)節(jié)NDni產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)和加法器E產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器F，加法器F產(chǎn)生的信號通過比例積分環(huán)節(jié)得到信號ini(s)，信號ini(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Dni產(chǎn)生的信號和輸入信號dni(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)Im產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器G，輸出信號udin(s)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋信號取負(fù)和加法器G產(chǎn)生的信號進(jìn)入加法器H，加法器H產(chǎn)生的信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生輸出信號udin(s)。最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。