一種全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器橋臂等效電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器的橋臂等效電路。
【背景技術(shù)】
[0002]基于模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的高壓柔性直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)具有四象限運(yùn)行、濾波器小、可向無源網(wǎng)絡(luò)供電等諸多優(yōu)點(diǎn)，其在輸電領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。現(xiàn)有模塊化多電平換流器電路拓?fù)溆邪霕蚪Y(jié)構(gòu)和全橋結(jié)構(gòu)兩種類型。
[0003]對于半橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器，當(dāng)直流側(cè)出現(xiàn)短路故障時，其交流電源、絕緣柵雙極型晶閘管(IGBT)反并聯(lián)二極管與直流短路點(diǎn)將構(gòu)成短路回路，造成模塊化多電平換流器系統(tǒng)嚴(yán)重過流。由于目前高壓直流斷路器技術(shù)并不成熟，其直流短路保護(hù)通過并聯(lián)晶閘管分流并切除交流側(cè)斷路器實(shí)現(xiàn)。這種方法僅實(shí)用于電壓等級較底且容量較小的模塊化多電平換流器。例如土 160kV直流電壓200麗容量的南澳柔性直流輸電系統(tǒng)，其模塊化多電平換流器直流短路電流約為3kA，該電流等級為目前晶閘管可承受范圍之內(nèi)。然而對于未來高電壓且大容量柔性直流輸電系統(tǒng)，由于其電壓等級高需采用架空線，導(dǎo)致了直流側(cè)發(fā)生短路故障概率大大增加。當(dāng)采用半橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器，直流側(cè)短路故障的短路電流已經(jīng)超過現(xiàn)有器件最大承受能力，導(dǎo)致模塊化多電平換流器災(zāi)難性的損壞。例如，±500kV直流電壓3000MW容量的柔性直流輸電系統(tǒng)，當(dāng)采用半橋模塊化多電平換流器時其短路電流可達(dá)到10kA等級，然而目前電力電子器件無法承受如此大的短路電流。
[0004]全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器不同于半橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器，這是因?yàn)榘霕蚬β誓K只能輸出零電壓或正電壓，而全橋功率模塊可輸出零電壓、正電壓和負(fù)電壓三種，因此全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器具備直流側(cè)短路故障隔離能力，該優(yōu)點(diǎn)對于未來采用架空線的高電壓且大容量柔性直流輸電系統(tǒng)具有十分重要作用。然而全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器的開關(guān)器件數(shù)量比半橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器多了一倍，其電路結(jié)點(diǎn)數(shù)及器件數(shù)量也相應(yīng)的增加了一倍，實(shí)現(xiàn)全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器的全過程快速仿真具有較大困難。
[0005]為了解決全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器快速仿真問題，專利CN102663174B將全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器的橋臂等效為一個由受控電壓源以及可調(diào)電阻構(gòu)成的簡單電路，該方法由橋臂電流的方向來調(diào)整可調(diào)電阻的阻值。方法在不控充電結(jié)束時，橋臂電流正負(fù)波動可能引起仿真回路的震蕩。專利CN103593521A提出了在全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器閉鎖階段中，對開關(guān)器件導(dǎo)通狀態(tài)在兩個仿真時刻之間發(fā)生變化的問題進(jìn)行了附加開關(guān)器件處理，該方法對模型進(jìn)行可控狀態(tài)與不控狀態(tài)的切換增加了復(fù)雜度，且也不能仿真橋臂中有少數(shù)模塊發(fā)生故障的工況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有方法的不足，提出一種全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器橋臂等效電路。
[0007]本發(fā)明可應(yīng)用于高電壓大容量柔性直流輸電工程的全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器的快速仿真，可同時仿真橋臂中既包含不控模塊又包含受控模塊工況下的電磁暫態(tài)過程，實(shí)現(xiàn)全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器在不控狀態(tài)、受控狀態(tài)、少數(shù)模塊發(fā)生故障狀態(tài)下的快速仿真。
[0008]本發(fā)明的橋臂等效電路包括四只二極管、二個電壓源、橋臂電抗以及橋臂上下端接線端子。其中，第一二極管的陽極與第二二極管的陰極的連接，其連接點(diǎn)為橋臂上端正接線端子；第一二極管的陰極與第三二極管的陰極及第一電壓源的一端相連接，第二二極管的陽極與第四二極管的陽極及第一電壓源的一端相連接，第三二極管的陽極與第四二極管的陰極及第二電壓源的一端相連接；橋臂電抗的一端與第一電壓源的另一端相連接，橋臂電抗的另一端為橋臂下端負(fù)接線端子。所述橋臂等效電路中，第一電壓源的電壓為橋臂中所有不控全橋功率模塊電容電壓之和，第二電壓源的電壓為橋臂中所有受控全橋功率模塊輸出電壓之和。
[0009]本發(fā)明在各種工況下模塊化多電平換流器實(shí)現(xiàn)電磁暫態(tài)仿真方法如下:
[0010](I)不控工況下的電磁暫態(tài)仿真
[0011]全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器中每個橋臂所有不控全橋功率模塊由四只二極管和第一電壓源表示。第一電壓源的電壓Usi為橋臂中所有不控全橋功率模塊電容電壓U α，Uc2，, Uqi之和，假設(shè)橋臂有M個不控全橋功率模塊，M ^ I且為整數(shù)。
[0012]Usi = U Ci+Ug2+-..+Ucm
[0013]每個全橋功率模塊電容的電壓U。經(jīng)下式計(jì)算得出:
[0014]Uc(k+1) = Uc(k) +|ij TsCf
[0015]其中，Uc(k)為第k拍的每個模塊的電容電壓計(jì)算值，Uc(k+1)為第k+Ι拍的每個模塊的電容電壓計(jì)算值，ia為橋臂電流，Cf為每個全橋功率模塊的電容值，Ts為計(jì)算步長。
[0016]本發(fā)明等效電路可模擬所有不控全橋功率模塊的電磁暫態(tài)過程，當(dāng)橋臂中沒有受控模塊時，本發(fā)明等效電路可實(shí)現(xiàn)橋臂在不控工況下的電磁暫態(tài)仿真。
[0017](2)受控工況下的電磁暫態(tài)仿真
[0018]全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器中每個橋臂所有受控全橋功率模塊由第二電壓源表示，第二電壓源的電壓Us2為橋臂中所有受控功率全橋功率模塊輸出電壓υωι，Uc02,...，υωρ之和，假設(shè)橋臂具有P個受控全橋功率模塊，P ^ I且為整數(shù):
[0019]Us2 — U coi+Uc02+...+Ucop
[0020]每個模塊的輸出電壓Uro由每個模塊電容電壓U。及第一開關(guān)器件、第二開關(guān)器件、第三開關(guān)器件和第四開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)決定，分析如下:
[0021]當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件和第四開關(guān)器件為開通狀態(tài)，第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件為關(guān)閉狀態(tài)，每個全橋功率模塊輸出電壓為U。;當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件和第四開關(guān)器件為關(guān)閉狀態(tài)，第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件為開通狀態(tài)，全橋功率模塊輸出電壓為-U。;第一開關(guān)器件和第三開關(guān)器件為開通狀態(tài)，第二開關(guān)器件和第四開關(guān)器件為關(guān)閉狀態(tài)，全橋功率模塊輸出電壓為O ;第一開關(guān)器件和第三開關(guān)器件為關(guān)閉狀態(tài)，第二開關(guān)器件和第四開關(guān)器件為開通狀態(tài)，全橋功率模塊輸出電壓為O。
[0022]每個全橋功率模塊電容的電壓由橋臂電流ia、每個模塊的電容值Cf、計(jì)算步長Ts，以及第一開關(guān)器件、第二開關(guān)器件、第三開關(guān)器件和第四開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)決定，每個模塊電容的電壓U。如下式:
[0023]Uc (k+1) = Uc (k) +fx (ia) TsCf
[0024]其中，Uc(k)為第k拍的電容電壓計(jì)算值，Uc(k+1)為第k+1拍的電容電壓計(jì)算值，仁為電容電流計(jì)算方法。
[0025]電容電流計(jì)算方法匕可描述為:當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件和第四開關(guān)器件為開通狀態(tài)，第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件為關(guān)閉狀態(tài)，每個全橋功率模塊的電容電流為ia;當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件和第四開關(guān)器件為關(guān)閉狀態(tài)，第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件為開通狀態(tài)，每個全橋功率模塊的電容電流為_ia;第一開關(guān)器件和第三開關(guān)器件為開通狀態(tài)，第二開關(guān)器件和第四開關(guān)器件為關(guān)閉狀態(tài)，每個全橋功率模塊的電容電流為O ;第一開關(guān)器件和第三開關(guān)器件為關(guān)閉狀態(tài)，第二開關(guān)器件和第四開關(guān)器件為開通狀態(tài)，每個全橋功率模塊的電容電流為O。
[0026]本發(fā)明等效電路可模擬橋臂中所有受控全橋功率模塊的電磁暫態(tài)過程，當(dāng)橋臂中沒有不控模塊時，本發(fā)明等效電路可實(shí)現(xiàn)橋臂在受控工況下的電磁暫態(tài)仿真。
[0027](3)故障工況下的電磁暫態(tài)仿真
[0028]全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器所有模塊分為不控狀態(tài)和受控狀態(tài)兩種，采用本發(fā)明的橋臂等效電路可同時模擬不控全橋功率模塊和受控全橋功率模塊的電磁暫態(tài)過程。當(dāng)全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器在橋臂中有少數(shù)模塊發(fā)生故障時，本發(fā)明等效電路可實(shí)現(xiàn)橋臂在故障狀態(tài)下的電磁暫態(tài)仿真。
【附圖說明】
[0029]圖1為全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖2為全橋功率模塊的內(nèi)部電路原理圖；
[0031]圖3為全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器橋臂等效電路。
【具體實(shí)施方式】
[0032]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0033]圖1所不為全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的結(jié)構(gòu)。模塊化多電平換流器的交流側(cè)每相由上下兩個橋臂組成，每個橋臂由若干個全橋功率模塊及電抗器串聯(lián)而成。例如AU橋臂包括一個電抗器XAjP N個串聯(lián)連接的功率模塊AU1- AUn, N ^ 1
[0034]圖2所示為全橋功率模塊的內(nèi)部電路原理。如圖2所示，全橋功率模塊包括儲能電容C、四只開關(guān)器件1、1(2、1(3、1(4，以及四只二極管D1、D2、D3、D4。其中，第一開關(guān)器件1的集電極和第三開關(guān)器件K3的集電極連接到儲能電容C的正極，第一開關(guān)器件1(2的發(fā)射極和第四開關(guān)器件K4的發(fā)射極連接到儲能電容C的負(fù)極；第一開關(guān)器件K1的集電極與第一二極管D1的陰極相連，第一開關(guān)器件K ^勺發(fā)射極與第一二極管D i的陽極相連；第二開關(guān)器件K 2的集電極與第二二極管D2的陰極相連，第二開關(guān)器件K 2的發(fā)射極與第二二極管D 2的陽極相連；第三開關(guān)器件1的集電極與第三二極管D 3的陰極相連，第三開關(guān)器件K 3的發(fā)射極與第三二極管D3的陽極相連；第四開關(guān)器件K 4的集電極與第四二極管D 4的陰極相連，第四開關(guān)器件1(4的發(fā)射極與第四二極管D 4的陽極相連；第一開關(guān)器件K 4勺發(fā)射極與第二開關(guān)器件1(2的集電極連接在到全橋功率模塊的輸出端子E，第三開關(guān)器件K 3的發(fā)射極與第四開關(guān)器件K4的集電極連接到全橋功率模塊的輸出端子F ；U ^為全橋功率模塊輸出電壓，i a為橋臂電流。
[0035]圖3所示為本發(fā)明的等效電路。全橋結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器快速仿真模型橋臂等效電路包括四只二極管DpD2AdP D 4，二只電壓源SjP S 2，橋臂電抗X1,以及橋臂上下端接線端子A+和A _。其中，第一二極管陽極與第二二極管D 2的陰極相連接，連接點(diǎn)為橋臂上端的正接線端子A+;第一二極管D i的陰極與第三二極管D 3的陰極及第一電壓源S ^勺一端相連接，第二二極管D2的陽極與第四二極管D4的陽極及第一電壓源S1的另一端相連接；第三二極管D3的陽極與第四二極管D 4的陰極及第二電壓源S 2的一端相連接，橋臂電抗X1的一端與第一電壓源另一端相連接，橋臂電抗X1的另一端為橋臂下端的負(fù)接線端子連