一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法，屬輸配電【技術(shù)領(lǐng)域】。模塊化多電平換流器（MMC）的電磁暫態(tài)離線仿真效率由MMC換流器部分和調(diào)制均壓部分的整體計算復雜度決定，基于戴維南等效的MMC整體建模方法將從這兩部分出發(fā)分別進行三個層面的優(yōu)化。本發(fā)明的核心技術(shù)方案是：首先，假設(shè)MMC換流器的戴維南等效模型中開關(guān)元件關(guān)斷時等效為一個無窮大電阻（ROFF=無窮）；其次，采用后退歐拉法對MMC中全部子模塊電容進行離散化，替代已有模型中采用的梯形積分法；最后，結(jié)合關(guān)斷特性的無窮大電阻和后退歐拉法的采用，提出一種計算復雜度與MMC的橋臂子模塊數(shù)目相同的新型排序均壓算法。所提出整體建模方法可以在保證仿真精度的前提下，使得MMC的電磁暫態(tài)仿真計算的復雜度隨著子模塊數(shù)目的增加而線性變化，對MMC領(lǐng)域的研究者有重要借鑒意義。
【專利說明】一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于輸配電【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，高電壓大功率的全控型電力電子器件如IGBTs和IGCTs在遠距離輸電系統(tǒng)和低壓配電網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛使用，特別是應(yīng)用于基于電壓源換流器的高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)。與傳統(tǒng)的兩電平和三電平VSC-HVDC相比，由西門子公司提出的模塊化多電平換流器(MMC)(子模塊為半橋結(jié)構(gòu))拓撲具有無需大量IGBT直接串聯(lián)，器件承受電壓電流變化率低，無需濾波器等優(yōu)點。同時，在同等電壓等級下，它需要兩倍的開關(guān)器件，且由于需要對其分散布置的子模塊電容進行電壓平衡控制，使其控制系統(tǒng)變得復雜。
[0003]世界上第一個商業(yè)化運行的MMC-HVDC工程是美國的傳斯貝爾(TBC)工程，其額定容量為400麗，直流電壓±200kV，每個換流器橋臂中有216個子模塊。此外，將于2013年建成的法國到西班牙的MMC-HVDC工程INELFE，額定容量為2X 1000MW。在實際工程投運之前，非常有必要對MMC模型進行電磁暫態(tài)仿真以驗證所設(shè)計控制算法和選擇的系統(tǒng)參數(shù)的合理性，且仿真高頻開關(guān)器件動作過程時，必須設(shè)置較短的仿真步長，否則嚴重影響仿真精度，但是在PSCAD/EMTDC平臺下仿真具有高達數(shù)千個子模塊的換流器時，將變得非常困難。此處以雙端系統(tǒng)具有3000個子模塊為例，經(jīng)仿真測試并估算發(fā)現(xiàn)，如果設(shè)置仿真步長為20微妙，仿真時長為5秒，則每次仿真需要3000小時(125天)以上，速度過于緩慢，嚴重影響工作進度，并將導致控制參數(shù)的調(diào)節(jié)與優(yōu)化及后續(xù)研究工作變得無法實現(xiàn)。
[0004]為解決這一問題，有文獻提出一種簡化動態(tài)模型，該模型基本保留了換流器的對外輸出特性，但是無法精確模擬換流器中每個子模塊電容的充放電特性；有文獻提出一種MMC的時變等效戴維南電路模型，可以在保證仿真精度的前提下顯著提高MMC的仿真速度，但是其在仿真超過250電平的MMC特別是多端MMC直流電網(wǎng)時的計算效率較低，主要原因是仿真超大規(guī)模MMC時，即使已有戴維南等效模型，其調(diào)制均壓部分的計算復雜度將占據(jù)大部分的MMC計算負荷，使得計算效率急劇降低。
[0005]本發(fā)明通過對已有MMC換流器的戴維南等效模型進行三個層面的改進，包括換流器開關(guān)器件層面，子模塊電容器的電磁暫態(tài)離散化方法，新型排序均壓算法等，對MMC進行戴維南等效整體建模，使得MMC的計算復雜度隨電平數(shù)的增加線性增加，非常適合于仿真超大規(guī)模的MMC型直流電網(wǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述【背景技術(shù)】中提到現(xiàn)有模塊化多電平換流器仿真精度較差或仿真超大規(guī)模MMC時計算效率較低等不足，本發(fā)明提出了一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法，其特征是該設(shè)計方法包括以下步驟:
步驟1:在已有MMC換流器的戴維南等效模型中，假設(shè)開關(guān)元件在導通時等效為一個固定的小電阻OPw)，關(guān)斷時等效為一個無窮大電阻(Aff=無窮)，并對已有MMC換流器模型的戴維南等效電路中戴維南電壓和電阻的表達式在An已知，Aff=無窮時求極限；
步驟2:采用后退歐拉法對MMC中全部子模塊電容進行離散化，替代已有模型中采用的梯形積分法，此時子模塊電容電壓的更新只與當前時步子模塊的導通狀態(tài)有關(guān)，結(jié)合之前對Aff=無窮的假設(shè)時所得的簡化后的子模塊戴維南等效電阻和電壓以及電容充放電電流的表達式，可知導通的子模塊組的電容電壓更新值完全相同，旁路的子模塊組電容電壓完全不更新，也即保持不變；
步驟3:充分利用步驟2中對電容電壓更新時的分組規(guī)則，提出一種計算復雜度與MMC橋臂子模塊數(shù)目相同的新型排序均壓算法，其本質(zhì)為對兩個升序的數(shù)組進行排序，得到一個升序的混合數(shù)組，元素比較次數(shù)與元素數(shù)目相同。
[0008]本發(fā)明可以在保證換流器和子模塊的暫穩(wěn)態(tài)仿真精度的前提下，通過對已有MMC換流器的戴維南等效模型進行三個層面的改進，包括換流器開關(guān)器件層面，子模塊電容器的電磁暫態(tài)離散化方法，新型排序均壓算法等，對MMC進行戴維南等效整體建模，使得MMC的計算復雜度隨電平數(shù)的增加線性增加，由于MMC詳細模型的計算復雜度隨著電平數(shù)的增加呈指數(shù)增長，而所提出建模方法的計算復雜度線性增長，因此所提出模型的加速比也呈指數(shù)增長，非常適合于仿真超大規(guī)模的MMC型直流電網(wǎng)?！揪唧w實施方式】
[0009]下面將對本發(fā)明所涉及的一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法作詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是具有很高電平數(shù)的模塊化多電平換流器的戴維南等效模型在超高電平數(shù)時仿真效率急劇降低的問題，提供一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn):
本發(fā)明通過對已有MMC換流器的戴維南等效模型進行如下三個層面的改進，包括換流器開關(guān)器件層面(步驟I )，子模塊電容器的電磁暫態(tài)離散化方法(步驟2)，新型排序均壓算法(步驟3)，對MMC進行戴維南等效整體建模。
[0011]步驟1:在已有MMC換流器的戴維南等效模型中，假設(shè)開關(guān)元件在導通時等效為一個固定的小電阻0?w)，關(guān)斷時等效為一個無窮大電阻(Aff=無窮)，并對已有MMC換流器模型的戴維南等效電路中戴維南電壓和電阻的表達式在I已知，^W=無窮時求極限，將I兆歐的關(guān)斷電阻假設(shè)為無窮，對仿真精度影響極小，但是直接列寫求解極限后的結(jié)果可以避免在求解換流器的戴維南等效電路過程中復雜的加減乘除運算，一定程度上減小了 MMC換流器部分的計算負荷，同時為步驟2的進一步簡化提供可能。
[0012]步驟2:采用后退歐拉法對MMC中全部子模塊電容進行離散化，替代已有模型中采用的梯形積分法，由于梯形積分法計算子模塊電容電壓的更新值與相鄰兩個時步的子模塊導通狀態(tài)有關(guān)，而后退歐拉法只與當前時步的子模塊導通狀態(tài)有關(guān)，結(jié)合之前對Aff=無窮的假設(shè)時所得的簡化后的子模塊戴維南等效電阻和電壓以及電容充放電電流的表達式，可知采用后退歐拉法離散化電容的MMC換流器中導通的子模塊組的電容電壓更新值完全相同(全部導通子模塊中電容流過的充放電電流完全相同，均為橋臂電流)，旁路的子模塊組電容電壓完全不更新(由于^W=無窮，此時流過電容的充放電電流為零)，也即保持不變。此外，相比梯形積分法而言，采用后退歐拉法時電容電壓更新時的計算復雜度較低，一定程度上提高了 MMC換流器部分的仿真效率，同時為以下步驟3中的新型排序均壓算法提供可能。
[0013]步驟3:充分利用步驟2中對電容電壓更新時的分組規(guī)則，提出了一種計算復雜度與MMC橋臂子模塊數(shù)目相同的新型排序均壓算法，其本質(zhì)為對兩個升序的數(shù)組進行排序，得到一個升序的混合數(shù)組，元素比較次數(shù)與元素數(shù)目相同。具體實施過程為，仿真開始時亥IJ，按照任意一種已有的排序算法對MMC橋臂中全部子模塊電容電壓進行全排序，得到一個升序電壓列表。然后根據(jù)MMC控制器傳遞來的信號，將初始升壓列表分為“導通組”和“旁路組”，根據(jù)步驟2中描述，“導通組”中在一次仿真計算結(jié)束后，完成了一次充放電過程，但由于全部元素的增量相同，因此其仍未升序列表，而“旁路組”在一次仿真計算結(jié)束后，元素值無任何變化，依然為升序列表。在進行排序得到一個新的混合升序列表時，只需要引入兩個指針，分別指向更新后的“導通組”和“旁路組”的第一個元素，進行比較，電壓值較小者進入混合列表第一個元素，對應(yīng)指針自增1，如此重復直到混合列表中填滿全部元素，排序結(jié)束，準備接受下一個時刻控制器傳遞來的導通數(shù)目的信號。
[0014] 需要說明的是，步驟2所得結(jié)論依賴于步驟2中所采用的后退歐拉法離散化電容以及步驟I中對無窮大電阻的假設(shè)，步驟3中所提出的新型排序均壓算法依賴于步驟2中所得電容電壓更新時分組的結(jié)論，間接依賴于步驟I中所采用的假設(shè)。因此三個步驟為有機的不可分割的整體，步驟3中的排序均壓算法無法擴展至其他應(yīng)用場合，只適用于采用步驟I和2中相應(yīng)優(yōu)化措施的MMC中。
[0015]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
【權(quán)利要求】
1.一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法，其特征是該建模方法包括以下步驟:步驟1:在已有MMC換流器的戴維南等效模型中，假設(shè)開關(guān)元件在導通時等效為一個固定的小電阻0?w)，關(guān)斷時等效為一個無窮大電阻(Aff=無窮)，并對已有MMC換流器模型的戴維南等效電路中戴維南電壓和電阻的表達式在An已知，Aff=無窮時求極限；步驟2:采用后退歐拉法對MMC中全部子模塊電容進行離散化，替代已有模型中采用的梯形積分法，此時子模塊電容電壓的更新只與當前時步子模塊的導通狀態(tài)有關(guān)，結(jié)合之前對Aff=無窮的假設(shè)時所得的簡化后的子模塊戴維南等效電阻和電壓以及電容充放電電流的表達式，可知導通的子模塊組的電容電壓更新值完全相同，旁路的子模塊組電容電壓完全不更新，也即保持不變；步驟3:充分利用步驟2中對電容電壓更新時的分組規(guī)則，提出一種計算復雜度與MMC橋臂子模塊數(shù)目相同的新型排序均壓算法，其本質(zhì)為對兩個升序的數(shù)組進行排序，得到一個升序的混合數(shù)組，元素比較次數(shù)與元素數(shù)目相同。
2.基于權(quán)利要求1中所述的一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法，其特征是步驟2所得結(jié)論依賴于步驟2中所采用的后退歐拉法離散化電容以及步驟I中對無窮大電阻的假設(shè)，步驟3中所提出的新型排序均壓算法依賴于步驟2中所得電容電壓更新時分組的結(jié)論，間接依賴于步驟I中所采用的假設(shè)，因此三個步驟為有機的不可分割的整體，步驟3中的排序均壓算法無法擴展至其他應(yīng)用場合，只適用于采用步驟I和2中相應(yīng)優(yōu)化措施的MMC中。
【文檔編號】G06F17/50GK103914599SQ201410155829
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】許建中, 趙成勇, 郭春義 申請人:華北電力大學