一種考慮多種閉鎖模態(tài)的基于全橋子模塊mmc的等效仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種考慮多種閉鎖模態(tài)的基于全橋 子模塊MMC的等效仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 2001年，德國(guó)學(xué)者R. Marquardt首先提出了模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC)拓?fù)?，該型拓?fù)涞臉虮鄄捎没具\(yùn)行單元級(jí)聯(lián)的形式，避免大 量開關(guān)器件直接串聯(lián)，不存在一致觸發(fā)等問題，因此在近年來得到了學(xué)界與工業(yè)界的廣泛 關(guān)注，并被迅速應(yīng)用到工程實(shí)際當(dāng)中。
[0003] 如圖1所示，MMC拓?fù)涞臉虮塾啥鄠€(gè)子模塊串聯(lián)而成，子模塊的結(jié)構(gòu)根據(jù)使用場(chǎng)合 的需要可分為不同的類型，目前比較常用的有半橋子模塊、全橋子模塊以及箝位雙子模塊 三類。其中全橋子模塊因?yàn)榭煽啃詮?qiáng)、處理直流故障能力優(yōu)秀而更具應(yīng)用前景。
[0004] 系統(tǒng)仿真建模是對(duì)MMC拓?fù)溲芯康幕A(chǔ)。MMC拓?fù)浒罅康碾娏﹄娮悠骷?，?正常運(yùn)行時(shí)，這些電力電子器件將頻繁開斷，這會(huì)對(duì)系統(tǒng)的仿真計(jì)算產(chǎn)生很大負(fù)擔(dān)。特別是 在實(shí)際工程中，隨著MMC電壓等級(jí)以及容量的增大，單個(gè)橋臂所需要串聯(lián)的子模塊數(shù)量將 隨之增大。如果每個(gè)子模塊都采用傳統(tǒng)方法用真實(shí)模型搭建，一方面搭建難度大，另一方面 后續(xù)的仿真計(jì)算也將花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。因此，有學(xué)者提出將子模塊中的電容器用時(shí)域戴維南 等效支路替代，進(jìn)而將子模塊等效為一個(gè)戴維南等效支路，最終將子模塊戴維南等效支路 級(jí)聯(lián)構(gòu)成整個(gè)橋臂的戴維南等效支路。這種算法大大減少了 MMC導(dǎo)納矩陣的維數(shù)，加快了 仿真速度，但無法對(duì)二極管的插值進(jìn)行精確地處理，導(dǎo)致子模塊閉鎖時(shí)系統(tǒng)仿真特性與真 實(shí)特性出現(xiàn)較大偏差。此外，現(xiàn)有研究一般僅均針對(duì)半橋子模塊，對(duì)于全橋子模塊的研究較 少。全橋子模塊不同于半橋子模塊，其閉鎖特性與閉鎖方式也有很大不同。因此，有必要提 出一種考慮全橋子模塊閉鎖特性的快速仿真建模方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種考慮多種閉鎖模態(tài)的基 于全橋子模塊MMC的等效仿真方法，該方法將子模塊等效為戴維南等效支路，同時(shí)引入真 實(shí)二極管器件，能夠在保證仿真速度的前提下對(duì)全橋子模塊各閉鎖狀態(tài)進(jìn)行精確模擬。
[0006] -種考慮多種閉鎖模態(tài)的基于全橋子模塊MMC的等效仿真方法，所述的MMC為三 相六橋臂結(jié)構(gòu)，每個(gè)橋臂均由若干個(gè)全橋子模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成；所述的全橋子模塊由四個(gè)帶反 并聯(lián)二極管的IGBT管I\~T 4、一個(gè)均壓電阻和一個(gè)電容組成；其中，IGBT管T1的集電極與 電容的正極、均壓電阻的一端以及IGBT管1~3的集電極相連，IGBT管T i的發(fā)射極與IGBT管 T2的集電極相連并構(gòu)成全橋子模塊的正極，IGBT管T 2的發(fā)射極與電容的負(fù)極、均壓電阻的 另一端以及IGBT管1\的發(fā)射極相連，IGBT管T 3的發(fā)射極與IGBT管T 4的集電極相連并構(gòu) 成全橋子模塊的負(fù)極；四個(gè)IGBT管I\~T 4的基極均接收外部設(shè)備提供的開關(guān)信號(hào)；所述 的等效仿真方法包括如下步驟：
[0007] (1)獲取MMC的橋臂運(yùn)行參數(shù)，所述的橋臂運(yùn)行參數(shù)包括橋臂電流和橋臂各子模 塊內(nèi)IGBT管的開關(guān)狀態(tài)；
[0008] (2)根據(jù)所述的橋臂運(yùn)行參數(shù)構(gòu)建MMC的橋臂等效電路，并確定橋臂等效電路中 各器件的參數(shù)；
[0009] 所述的橋臂等效電路由四個(gè)等效電阻札~R4、四個(gè)等效電壓源U^U 4以及六個(gè) 等效二極管Di~D 6構(gòu)成；其中，等效電壓源U i的正極對(duì)應(yīng)為橋臂等效電路的正極，等效電 壓源U1的負(fù)極與等效電阻R i的一端相連，等效電阻R 另一端與等效二極管D 陽(yáng)極和 等效二極管D2的陰極相連，等效二極管D i的陰極與等效電壓源U 2的正極和等效二極管D 3的陰極相連，等效電壓源U2的負(fù)極與等效電阻R2的一端相連，等效電阻R 2的另一端與等效 二極管D2的陽(yáng)極和等效二極管D 4的陽(yáng)極相連，等效二極管D 3的陽(yáng)極與等效二極管D 4的陰 極、等效電壓源U3的正極以及等效電壓源U 4的負(fù)極相連，等效電壓源U 3的負(fù)極與等效電阻 R3的一端相連，等效電壓源U 4的正極與等效電阻R 4的一端相連，等效電阻R 3的另一端與等 效二極管D5的陽(yáng)極相連，等效電阻R 4的另一端與等效二極管D 6的陰極相連，等效二極管D 5 的陰極與等效二極管D6的陽(yáng)極相連并構(gòu)成橋臂等效電路的負(fù)極；
[0010] (3)根據(jù)所述的橋臂等效電路建立MMC的仿真系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真。
[0011] 進(jìn)一步地，所述等效二極管通態(tài)電阻均為1X10 6Ω，關(guān)斷電阻均為 I X IO9 Ω。所述的等效二極管為理想二極管，其通態(tài)電阻很小，可忽略不計(jì)，其關(guān)斷電阻為 一個(gè)很大的數(shù)值，保證了器件關(guān)斷后通過極小的電流。
[0012] 進(jìn)一步地，所述等效電阻氏~R4的電阻值以及等效電壓源U U 4的電壓值的表 達(dá)式如下：
[0014] 其中：Reql(t)為t時(shí)刻等效電阻R1的電阻值，R snui(t)為t時(shí)刻橋臂中第j個(gè)子模 塊對(duì)應(yīng)等效電阻民的等效電阻值，11^(〇為〖時(shí)刻等效電壓源1]1的電壓值，11;^ 1(〇為七時(shí) 刻橋臂中第j個(gè)子模塊對(duì)應(yīng)等效電壓源1^的等效電壓值，i為自然數(shù)且I < i < 4, N為橋 臂的子模塊級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)，t表示時(shí)間。
[0015] 進(jìn)一步地，對(duì)于橋臂中的任一子模塊，當(dāng)該子模塊處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，則t時(shí)刻 其對(duì)應(yīng)等效電阻R1的等效電阻值Rsnil⑴以及對(duì)應(yīng)等效電壓源U1的等效電壓值U snil⑴的 計(jì)算公式如下：
CN 105117543 A 說明書 3/12 頁(yè)
[0032] 當(dāng)該子模塊處于全閉鎖運(yùn)行狀態(tài)下，即該子模塊中的四個(gè)IGBT管?\~1\均關(guān)斷， 貝IJ t時(shí)刻其對(duì)應(yīng)等效電阻R1的等效電阻值R snu⑴以及對(duì)應(yīng)等效電壓源U1的等效電壓值 usmi (t)的計(jì)算公式如下：
CN 105117543 A 說明書 4/12 頁(yè)
[0045] 當(dāng)該子模塊處于左半部分閉鎖運(yùn)行狀態(tài)下，即該子模塊中的IGBT管1\和T2關(guān)斷； 若該子模塊在閉鎖前的輸出電壓為正電平或零電平2,則t時(shí)刻其對(duì)應(yīng)等效電阻R1的等效 電阻值Rsnil (t)以及對(duì)應(yīng)等效電壓源U1的等效電壓值Usnil (t)的計(jì)算公式如下：
[0058] 若該子模塊在閉鎖前的輸出電壓為負(fù)電平或零電平1，則t時(shí)刻其對(duì)應(yīng)等效電阻 Ri的等效電阻值R smi (t)以及對(duì)應(yīng)等效電壓源Ui的等效電壓值u smi (t)的計(jì)算公式如下：
[0059] Rsnl (t) = 0. 02
[0060] Usml (t) = 0
[0061] Rsn2 (t) = 0
[0062] Usn2 (t) = 0
[0063] Rsn3 (t) = 0
[0064] Usn3 (t) = 0
CN 105117543 A 明 Ti 5/12 頁(yè)
[0071] 當(dāng)該子模塊處于右半部分閉鎖運(yùn)行狀態(tài)下，即該子模塊中的IGBT管1~3和T 4關(guān)斷； 若該子模塊在閉鎖前的輸出電壓為正電平或零電平1，則t時(shí)刻其對(duì)應(yīng)等效電阻R1的等效 電阻值Rsnil (t)以及對(duì)應(yīng)等效電壓源U1的等效電壓值Usnil (t)的計(jì)算公式如下：
[0084] 若該子模塊在閉鎖前的輸出電壓為負(fù)電平或零電平2,則t時(shí)刻其對(duì)應(yīng)等效電阻 Ri的等效電阻值R smi (t)以及對(duì)應(yīng)等效電壓源Ui的等效電壓值u smi (t)的計(jì)算公式如下：
CN 105117543 A 說明書 6/12 頁(yè)
[0097] 其中：R。為子模塊電容的等效阻值，Rb為子模塊均壓電阻的阻值，AT為仿真步長(zhǎng)， C。為子模塊電容的容值，i Jt)為t時(shí)刻流經(jīng)子模塊電容的電流值，iJt-Δ T)為t-Δ T時(shí) 刻流經(jīng)子模塊電容的電流值，u。(t)為t時(shí)刻子模塊電容的電壓值，u。(t_ Δ T)為t_ Δ T時(shí)刻 子模塊電容的電壓值，uOTq(t-△ T)為t-△ T時(shí)刻子模塊電容的等效歷史電壓源幅值，R1 (t) 為t時(shí)刻子模塊中IGBT管T1的等效電阻值，R2(t)為t時(shí)刻子模塊中IGBT管1~ 2的等效電 阻值，R3(t)為t時(shí)刻子模塊中IGBT管T3的等效電阻值，R 4(t)為t時(shí)刻子模塊中IGBT管 T4的等效電阻值，RA(t)、RE(t)、RM(t)和R N(t)均為中間變量且均由公式給定，iam(t)為t 時(shí)刻的橋臂電流，iblk2(t)為t時(shí)刻流經(jīng)等效電阻私的電流，iblk3(t)為t時(shí)刻流經(jīng)等效電 阻私的電流，i blk4(t)為t時(shí)刻流經(jīng)等效電阻心的電流。
[0098] 當(dāng)t時(shí)刻子模塊中的IGBT管T1導(dǎo)通，則R i⑴為0· 01 Ω，IGBT管T1關(guān)斷，則R i⑴ 為IM Ω ;當(dāng)t時(shí)刻子模塊中的IGBT管T2導(dǎo)通，則R 2⑴為0. 01 Ω，IGBT管T2關(guān)斷，則R2⑴ 為IM Ω ;當(dāng)t時(shí)刻子模塊中的IGBT管T3導(dǎo)通，則R 3⑴為0. 01 Ω，IGBT管T3關(guān)斷，則R3⑴ 為IM Ω ;當(dāng)t時(shí)刻子模塊中的IGBT管T4導(dǎo)通，則R 4⑴為0. 01 Ω，IGBT管T4關(guān)斷，則R4⑴ 為 1ΜΩ。
[0099] 若子模塊的輸出電壓為正電平，則子模塊中