本發(fā)明涉及一種MMC閥的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，具體涉及一種基于相似判據(jù)的MMC換流閥動(dòng)模系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

柔性直流技術(shù)是新一代直流輸電技術(shù)，為新能源發(fā)電并網(wǎng)、大型城市負(fù)荷供電、孤島供電、多端直流聯(lián)網(wǎng)提供了嶄新的解決方案，其中模塊化多電平換流器柔性直流輸電(Multi-level Modular Converter–High Voltage Direct-Current，MMC-HVDC)代表著柔性直流技術(shù)的發(fā)展趨勢。隨著MMC-HVDC工程應(yīng)用的增多，MMC-HVDC動(dòng)模仿真技術(shù)的研發(fā)及平臺(tái)研制成為急需解決的問題之一。

由于仿真模擬系統(tǒng)主要是依據(jù)相似原理建立起來的系統(tǒng)模型，即必須首先保證仿真系統(tǒng)與原型系統(tǒng)的等效性。針對(duì)具體的MMC-HVDC仿真系統(tǒng)，則必須保證動(dòng)模系統(tǒng)在器件選型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制保護(hù)邏輯等方面的等效。而國內(nèi)外針對(duì)MMC-HVDC仿真系統(tǒng)如何遵循相似原理來建立尚無翔實(shí)的闡述，使得MMC-HVDC動(dòng)模仿真系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)缺乏必要的理論依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于相似判據(jù)的MMC換流閥動(dòng)模系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供一種基于相似判據(jù)的MMC換流閥動(dòng)模系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，所述方法中的模塊化多電平換流器由A、B、C三相構(gòu)成，每相由串聯(lián)的結(jié)構(gòu)相同的上下兩橋臂構(gòu)成；上下兩橋臂的中點(diǎn)處連接模塊化多電平換流器的交流端；

所述上下兩橋臂中每個(gè)橋臂包括1個(gè)電抗器和N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊；每個(gè)橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)后一端與模塊化多電平換流器的交流端連接；每個(gè)橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)后另一端串聯(lián)電抗器后與另兩相橋臂的電抗器連接，形成所述模塊化多電平換流器直流端的正負(fù)極母線；

每個(gè)子模塊包括上下兩個(gè)全控型電力電子器件IGBT；

其改進(jìn)之處在于，所述方法包括下述步驟：

1)建立MMC換流閥等效模型；

2)確定MMC換流閥相似判據(jù)；

3)設(shè)計(jì)MMC換流閥動(dòng)模系統(tǒng)參數(shù)。

進(jìn)一步地，所述步驟1)中，用低壓物理模擬裝置來仿真實(shí)際工程，基于相似性定理和開關(guān)函數(shù)建立MMC換流閥等效模型，所述相似定理指出指的是兩個(gè)相似的系統(tǒng)要具有相同的相似判據(jù)，即兩個(gè)系統(tǒng)相似，則其對(duì)應(yīng)變量和參數(shù)在整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中分別保持一個(gè)固定的比例，即模擬比；

根據(jù)MMC換流閥子模塊的工作原理，用開關(guān)函數(shù)模擬MMC子模塊的投切狀態(tài)；

其中，S表示開關(guān)函數(shù)，T1和T2分別表示MMC子模塊的上下兩個(gè)全控型電力電子器件IGBT，用開關(guān)函數(shù)表示的流過子模塊的電流滿足如下關(guān)系：

其中，i_i1和i_i2分別表示MMC第i相上橋臂和下橋臂電流；u_i1，u_i2是指每相上、下橋臂所有子模塊電容電壓之和；S_i1j表示i相上橋臂第j個(gè)子模塊的開關(guān)狀態(tài)，S_i2j表示i相下橋臂第j個(gè)子模塊的開關(guān)狀態(tài)；n表示每個(gè)橋臂的子模塊數(shù)，C₀表示子模塊電容；

MMC換流閥上下橋臂對(duì)稱設(shè)計(jì)，則有：

L₁＝L₂＝L_s (2)

其中：L₁、L₂、L_s表示A、B、C三相每相的橋臂電感；

上下橋臂分別應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，分別得到MMC的微分方程組：

MMC換流閥三個(gè)相單元對(duì)稱設(shè)計(jì)，每個(gè)相單元流過的直流電流為i_dc/3；另由上下橋臂電抗器相同，故交流電流i_i在上下橋臂均分，有：

將式(4)代入式(3)，并將式(3)中的兩式相減得：

又由式(1)得：

將式(6)代入式(5)中得：

設(shè)某時(shí)刻上橋臂有x個(gè)子模塊投入，則為保證直流電壓恒定，下橋臂應(yīng)有n-x個(gè)子模塊投入，即

將上帶入式(5)，得到基于開關(guān)函數(shù)的MMC動(dòng)態(tài)物理模擬系統(tǒng)(低壓物理模擬裝置)換流閥等效模型：

其中：i_dc為三個(gè)相單元流過的直流電流的總和；u_dc為相單元的相電壓；R_d為直流電阻；i_i為交流電流。

進(jìn)一步地，所述步驟2)中，采用積分相似法，將步驟1)中式(6)整理成無量綱形式，即等式兩邊同時(shí)除以6R_di_dc得：

定義交直流側(cè)電流調(diào)制比為：

其中：t表示時(shí)間，I_i和I_dc分別為MMC交流側(cè)輸出線電流峰值和直流電流；假設(shè)交流電流和直流電流在每個(gè)控制周期內(nèi)保持電流調(diào)制比，則根據(jù)步驟1)中式(6)和(12)將式(11)近似寫成：

對(duì)于MMC動(dòng)態(tài)物理模擬系統(tǒng)和實(shí)際工程的兩組不同的變量參數(shù)分別列出其如式(11)的表達(dá)式：

上兩式中下標(biāo)1代表實(shí)際工程參數(shù)，下標(biāo)2代表動(dòng)模系統(tǒng)參數(shù)；由相似定理，若兩個(gè)電路的物理過程相似，則必在各對(duì)應(yīng)的物理量之間存在著比例關(guān)系；表示為：L_S1＝k_LL_S2；C₀₁＝k_cC₀₂；u_dc1＝k_uu_dc2；t₁＝k_tt₂；i_dc1＝k_ii_dc2；R_d1＝k_RR_d2；

由此，式(10)寫成：

當(dāng)動(dòng)模系統(tǒng)和實(shí)際工程上橋臂子模塊投入數(shù)x相同時(shí)，若兩電路相似，則兩電路過程由同一微分方程描述，即必有：

相似常數(shù)即模擬比受到式(13)的約束限制；

得到基于相似性理論的MMC換流閥相似判據(jù)的推導(dǎo)方式為：

其中：k_L、k_c、k_u、k_t、k_i、k_R分別表示MMC動(dòng)態(tài)物理模擬系統(tǒng)和實(shí)際工程的電感、電容、電壓、時(shí)間、電流、電阻的比例系數(shù)，π₁為直流電阻的相似判據(jù)；π₂為橋臂電抗器的相似判據(jù)；π₃為子模塊電容的相似判據(jù)。

進(jìn)一步地，所述步驟3)中，設(shè)計(jì)MMC換流閥動(dòng)模系統(tǒng)參數(shù)包括：

①容量比和電壓比選擇方式為從而電流比和電抗比隨之確定

②其中聯(lián)接變壓器閥側(cè)電壓U_c，即計(jì)算MMC換流閥輸出側(cè)相電壓的公式為：

③根據(jù)相似判據(jù)π₁得到直流電阻R_d2：

u_dc1/R_d1i_dc1＝u_dc2/R_d2i_dc2

④橋臂電抗器L_S1和平波電抗器參數(shù)L_S2：

根據(jù)相似判據(jù)π₂，結(jié)合等時(shí)間常數(shù)原則，在相同的時(shí)間尺度下有：

L_S1/R_d1＝L_S2/R_d2

⑤子模塊電容參數(shù)：為了保證等效性，將子模塊電容值選擇與實(shí)際工程相同，且與根據(jù)相似判據(jù)π₃計(jì)算結(jié)果近似相等；

其中：N_S和N_V分別表示MMC動(dòng)態(tài)物理模擬系統(tǒng)和實(shí)際工程的容量比和電壓比，S_sim和V_sim表示動(dòng)態(tài)物理模擬系統(tǒng)的額定容量和額定電壓；S_工程、V_工程表示實(shí)際工程的額定容量和額定電壓；N_I和N_Z分別表示電流比和電抗比；L_S1和L_S2分別表示實(shí)際工程和MMC換流閥動(dòng)模系統(tǒng)的橋臂電抗器和平波電抗器；R_d1和R_d2分別表示實(shí)際工程和MMC換流閥動(dòng)模系統(tǒng)的直流電阻。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有的優(yōu)異效果是：

本發(fā)明提供的基于相似判據(jù)的MMC換流閥動(dòng)模系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，基于開關(guān)函數(shù)建立了MMC換流閥等效模型，在等效模型基礎(chǔ)上，基于相似性理論創(chuàng)新性的提出了MMC換流閥相似判據(jù)，填補(bǔ)了該領(lǐng)域研究的空白，為動(dòng)模系統(tǒng)電氣參數(shù)計(jì)算提供必要的理論支撐。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的依據(jù)相似性定理的簡要示意圖；其中：(a)和(a’)分別表示三維的幾何相似圖；(b)和(b’)分別表示物理現(xiàn)象相似圖；

圖2是本發(fā)明提供的MMC物理模擬裝置換流閥的拓?fù)鋱D；其中(a)為MMC物理模擬裝置換流閥的拓?fù)鋱D，(b)為MMC物理模擬裝置換流閥子模塊的拓?fù)鋱D；

圖3是本發(fā)明提供的MMC換流閥拓?fù)涞南鄦卧姎獾刃D；

圖4是本發(fā)明提供的低壓物理模擬裝置的一次結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D；

圖5是本發(fā)明提供的采用相似性原則設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，用于STATCOM實(shí)驗(yàn)時(shí)的控制流程和波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實(shí)施方案，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`它們。其他實(shí)施方案可以包括結(jié)構(gòu)的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實(shí)施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨(dú)的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實(shí)施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實(shí)施方案的部分和特征。本發(fā)明的實(shí)施方案的范圍包括權(quán)利要求書的整個(gè)范圍，以及權(quán)利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發(fā)明的這些實(shí)施方案可以被單獨(dú)地或總地用術(shù)語“發(fā)明”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實(shí)上公開了超過一個(gè)的發(fā)明，不是要自動(dòng)地限制該應(yīng)用的范圍為任何單個(gè)發(fā)明或發(fā)明構(gòu)思。

本發(fā)明提供一種基于相似判據(jù)的MMC換流閥動(dòng)模系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，包括下述步驟：

1)基于相似性定理和開關(guān)函數(shù)建立MMC換流閥等效模型的方法

為了在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證大功率MMC-HVDC(功率為數(shù)百兆瓦，電壓為數(shù)百kV等級(jí))的功能，需要首先要用低壓物理模擬裝置(功率為數(shù)千瓦，電壓為數(shù)kV等級(jí))來仿真實(shí)際系統(tǒng)，為此首先要根據(jù)相似性定理的原則，來計(jì)算低壓物理模擬裝置的參數(shù)。

相似定理指出：兩個(gè)相似的系統(tǒng)一定要具有相同的相似判據(jù)。即一旦兩個(gè)系統(tǒng)相似，則其對(duì)應(yīng)變量和參數(shù)在整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中應(yīng)分別保持一個(gè)固定的比例，即模擬比。幾何相似以及現(xiàn)象相似如圖1(a)(a’)(b)(b’)所示。相似定理還闡述了兩相似系統(tǒng)之間相似判據(jù)的個(gè)數(shù)及其判據(jù)的表達(dá)式。

本發(fā)明首先從滿足相似性定理的約束條件出發(fā)，保證MMC動(dòng)模系統(tǒng)與原實(shí)際系統(tǒng)的等效性，在此基礎(chǔ)上，從MMC換流閥等效電路入手研究其相似判據(jù)。MMC換流閥的拓?fù)浼捌湎鄦卧姎獾刃鐖D2(a)所示。模塊化多電平換流器由A、B、C三相構(gòu)成，每相由串聯(lián)的結(jié)構(gòu)相同的上下兩橋臂構(gòu)成；上下兩橋臂的中點(diǎn)處連接模塊化多電平換流器的交流端；

所述上下兩橋臂中每個(gè)橋臂包括1個(gè)電抗器和N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊；每個(gè)橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)后一端與模塊化多電平換流器的交流端連接；每個(gè)橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)后另一端串聯(lián)電抗器后與另兩相橋臂的電抗器連接，形成所述模塊化多電平換流器直流端的正負(fù)極母線；

如圖2(b)所示，每個(gè)子模塊包括上下兩個(gè)全控型電力電子器件IGBT；

根據(jù)MMC子模塊的工作原理，可以用開關(guān)函數(shù)模擬MMC子模塊的投切狀態(tài)。

其中，T1和T2分別表示MMC子模塊的上下IGBT，用開關(guān)函數(shù)表示的流過子模塊的電流應(yīng)滿足如下關(guān)系：

其中，i_i1和i_i2分別表示MMC第i相上橋臂和下橋臂電流；u_i1，u_i2是指每相上、下橋臂所有子模塊電容電壓之和；S_i1j表示i相上橋臂第j個(gè)子模塊的開關(guān)狀態(tài)，S_i2j表示i相下橋臂第j個(gè)子模塊的開關(guān)狀態(tài)；n表示每個(gè)橋臂的子模塊數(shù)，C₀表示子模塊電容。

考慮MMC換流閥上下橋臂對(duì)稱設(shè)計(jì)，則有

L₁＝L₂＝L_s (2)

上下橋臂分別應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，分別可得MMC的微分方程組：

因?yàn)槿齻€(gè)相單元對(duì)稱設(shè)計(jì)，因此每個(gè)相單元流過的直流電流為i_dc/3；另由上下橋臂電抗器相同，故交流電流(i_i)亦在上下橋臂均分。所以有：

將式(4)代入式(3)，將上下式相減得：

又由式(1)可得：

將式(6)代入(5)中得：

設(shè)某時(shí)刻上橋臂有x個(gè)子模塊投入，則為保證直流電壓恒定，下橋臂應(yīng)有n-x個(gè)子模塊投 入，即：

帶入式(5)，可得到基于開關(guān)函數(shù)的MMC動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)換流閥等效模型：

2)基于相似性理論的MMC換流閥相似判據(jù)的推導(dǎo)方法

采用積分相似法，進(jìn)一步將(6)整理成無因次(無量綱)形式，即等式兩邊同時(shí)除以6R_di_dc得：

定義交直流側(cè)電流調(diào)制比為

其中I_i和I_dc分別為MMC交流側(cè)輸出線電流峰值和直流電流。因此，假設(shè)交流電流和直流電流在一定時(shí)段內(nèi)保持這一電流調(diào)制比，則根據(jù)式(6)和(9)可將式(11)近似寫成

對(duì)于動(dòng)模和實(shí)際工程的兩組不同的變量參數(shù)可分別列出其如式(11)的表達(dá)式：

上兩式中下標(biāo)1代表實(shí)際工程參數(shù)，下標(biāo)2代表動(dòng)模系統(tǒng)參數(shù)，下同。由相似定理，若兩個(gè)電路的物理過程相似，則必在各對(duì)應(yīng)的物理量之間存在著一定比例關(guān)系。表示為：

L_S1＝k_LL_S2；C₀₁＝k_cC₀₂；u_dc1＝k_uu_dc2；t₁＝k_tt₂；i_dc1＝k_ii_dc2；R_d1＝k_RR_d2。

由此，式(10)可寫成

當(dāng)動(dòng)模系統(tǒng)和原型系統(tǒng)上橋臂子模塊投入數(shù)x相同時(shí)，若兩電路相似，則這兩個(gè)電路過程應(yīng)是由同一微分方程描述，即必有：

可見，相似常數(shù)即模擬比受到式(13)的約束限制，而非隨意選取。

從而可以得到基于相似性理論的MMC換流閥相似判據(jù)的推導(dǎo)方法為：

3)MMC換流閥動(dòng)模系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上相似性原理的推導(dǎo)結(jié)果，合理選擇交直流系統(tǒng)模擬比是MMC-HVDC動(dòng)模系統(tǒng)仿真裝置的關(guān)鍵因素，計(jì)算的結(jié)果還應(yīng)滿足電路電壓電流功率比例特性的約束。

從而可以得到MMC換流閥動(dòng)模系統(tǒng)的主要設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

①容量比和電壓比選擇方式為從而電流比和電抗比隨之確定：

②其中聯(lián)接變閥側(cè)電壓U_c，即MMC換流器輸出側(cè)相電壓計(jì)算方法為：

③直流電阻R_d2，根據(jù)相似判據(jù)π₁可得到直流電阻R_d2的計(jì)算方法。

u_dc1/R_d1i_dc1＝u_dc2/R_d2i_dc2

④橋臂電抗器L_S1和平波電抗器參數(shù)L_S2。

根據(jù)相似判據(jù)π₂，考慮等時(shí)間常數(shù)原則，在相同的時(shí)間尺度下有：

L_S1/R_d1＝L_S2/R_d2

⑤子模塊電容參數(shù)：為了保證等效性，將子模塊電容值選擇與實(shí)際工程相同，且與根據(jù)相似判據(jù)π₃計(jì)算結(jié)果接近。

實(shí)施例

根據(jù)動(dòng)模系統(tǒng)與原實(shí)際系統(tǒng)的等效性，以及上述MMC換流閥動(dòng)模設(shè)計(jì)的相似判據(jù)，并考慮實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)、閥控系統(tǒng)的測試要求等，確定了MMC動(dòng)模系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，見表1。

表1系統(tǒng)參數(shù)

表2動(dòng)模系統(tǒng)額定參數(shù)

在動(dòng)模系統(tǒng)上進(jìn)行了STATCOM試驗(yàn)。由測試波形可以看出，所搭建的動(dòng)模系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的測試效果，與實(shí)際系統(tǒng)波形吻合度較高。

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)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)人員依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。