一種mmc多子模塊自定義集成元件的設計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了電力系統(tǒng)運行和控制【技術領域】中的一種MMC多子模塊自定義集成元件的設計方法。包括：確定每個子模塊的等效狀態(tài)和等效模型，將各個子模塊的等效模型合并為戴維南等效模型；修正處于閉鎖狀態(tài)的子模塊的等效狀態(tài)；設置子模塊的故障類型，根據(jù)子模塊的故障類型修正子模塊的等效模型；在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD中實現(xiàn)子模塊的編寫。本發(fā)明克服了現(xiàn)有的子模塊等效模型在建立大規(guī)模MMC系統(tǒng)時存在的工作量過大的缺陷，實現(xiàn)了子模塊閉鎖狀態(tài)的等效，解決了現(xiàn)有的等效模型無法設置故障的問題。
【專利說明】—種MMC多子模塊自定義集成元件的設計方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)運行和控制【技術領域】，尤其涉及一種MMC多子模塊自定義集成元件的設計方法。

【背景技術】
[0002]米用電壓源型換流器(Voltage Source Converter, VSC)和脈寬調(diào)制(Pulse-width Modulat1n, PWM)技術的電壓直流輸電(High Voltage DirectCurrent, HVDC)成為電壓源型高壓直流輸電發(fā)展的新趨勢。相比于傳統(tǒng)2電平、3電平的拓撲結(jié)構，模塊化多電平變流器(Modular Multilevel Converter,MMC)被提出后憑借其技術優(yōu)勢成為國內(nèi)外學者研究的熱點。它的模塊化結(jié)構使其可擴展性強、輸出電平數(shù)高，并很好的克服了傳統(tǒng)電壓源換流器存在開關頻率高、輸出電壓諧波大、電壓等級低、換流站占地面積大、動態(tài)均壓困難等缺點。
[0003]隨著MMC換流器向高電平數(shù)、大容量的趨勢發(fā)展，每個橋臂串聯(lián)的子模塊數(shù)急劇增加，這給仿真平臺 PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design/Electromagnetic Transients including DC,電磁暫態(tài)仿真軟件)對基于MMC的高壓直流輸電系統(tǒng)的仿真帶來了很大的困難。由于子模塊數(shù)量過多且IGBT頻繁的開斷，使得PSCAD/EMTDC仿真計算上導納矩陣過大且時刻變化，造成了矩陣求逆消耗了很長的時間。而且，子模塊中包含IGBT和二極管帶插值精確計算的器件，造成仿真時重復多次調(diào)用接口函數(shù)，同樣消耗了的一定的仿真時間。
[0004]目前，一些研究針對子模塊的運行特性提出了對應的等效模型，用于替代子模塊以提升仿真的速率，但是仍然存在很大的缺陷。已有的等效模型在實現(xiàn)子模塊閉鎖狀態(tài)存在很大的問題，且無法實現(xiàn)子模塊的故障仿真，而且未將等效模型集成為自定義元件，在搭建大規(guī)模的MMC換流器模型時，其仍然存在很大的數(shù)據(jù)量，造成了搭建模型工作量大且容易出錯。因此，基于PSCAD/EMTDC平臺采用Fortran語言建立一種靈活的自定義MMC多子模塊集成元件具有很大的必要性。這不僅能夠提升仿真的時間、減少搭建MMC模型的工作量，而且能夠為研究MMC子模塊閉鎖和故障的動態(tài)特性提供可能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提出一種MMC多子模塊自定義集成元件的設計方法，用于克服仿真軟件PSCAD大規(guī)模仿真和MMC子模塊等效模型存在的缺陷。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術方案是，一種MMC多子模塊自定義集成元件的設計方法，其特征是所述方法包括:
[0007]步驟1:確定每個子模塊的等效狀態(tài)和等效模型，將各個子模塊的等效模型合并為戴維南等效模型；
[0008]步驟2:修正處于閉鎖狀態(tài)的子模塊的等效狀態(tài)；
[0009]步驟3:設置子模塊的故障類型，根據(jù)子模塊的故障類型修正子模塊的等效模型；
[0010]步驟4:在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD中實現(xiàn)子模塊的編寫。
[0011]所述確定每個子模塊的等效狀態(tài)和等效模型具體為:
[0012]當子模塊為投入狀態(tài)，或者子模塊為閉鎖狀態(tài)并且滿足ifc(t)>0和時，子模塊的等效狀態(tài)為電容狀態(tài)且子模塊的等效模型為:

【權利要求】
1.一種MMC多子模塊自定義集成元件的設計方法，其特征是所述方法包括: 步驟1:確定每個子模塊的等效狀態(tài)和等效模型，將各個子模塊的等效模型合并為戴維南等效模型； 步驟2:修正處于閉鎖狀態(tài)的子模塊的等效狀態(tài)； 步驟3:設置子模塊的故障類型，根據(jù)子模塊的故障類型修正子模塊的等效模型； 步驟4:在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD中實現(xiàn)子模塊的編寫。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述確定每個子模塊的等效狀態(tài)和等效模型具體為: 當子模塊為投入狀態(tài)，或者子模塊為閉鎖狀態(tài)并且滿足ito(t)>0和Vin i>Uci (t)時,子模塊的等效狀態(tài)為電容狀態(tài)且子模塊的等效模型為:
當子模塊為旁路狀態(tài)，或者子模塊為閉鎖狀態(tài)并且滿足ifc(t)〈0時，子模塊的等效狀態(tài)為小電阻狀態(tài)且子模塊的等效模型為:
; 當子模塊為閉鎖狀態(tài)并且滿足ibr(t) > O和Vin i≤Ut)時，子模塊的等效狀態(tài)為大電阻狀態(tài)且子模塊的等效模型為:
其中，Reqi為第i個子模塊的等效電阻，Veqi (t)為第i個子模塊在時刻t的受控電壓源，At為仿真步長，C為子模塊電容，Uci (t-At)為第i個子模塊在時刻t-At的電容電壓，UJt)為第i個子模塊在時刻t的電容電壓，為時刻t-At流入第i個子模塊的橋臂電流，ibr (t)為時刻t流入第i個子模塊的橋臂電流，Vin」為第i個子模塊的輸入電壓。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征是所述將各個子模塊的等效模型合并為戴維南等效模型采用公式:
;其中，Reqsm為MMC多子模塊等效電阻，Veqsm為MMC多子模塊等效受控電壓源，為第i個子模塊的等效電阻，V_(t)為第i個子模塊在時刻t的受控電壓源，N為子模塊數(shù)量。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征是所述修正處于閉鎖狀態(tài)的子模塊的等效狀態(tài)具體為: 子步驟Al:分別設定子模塊的等效狀態(tài)為電容、大電阻和小電阻狀態(tài)時的標識flag的值； 當子模塊的等效狀態(tài)為電容狀態(tài)時，設定標識flag = -2 ； 當子模塊的等效狀態(tài)為大電阻狀態(tài)時，設定標識flag = I ； 當子模塊的等效狀態(tài)為小電阻狀態(tài)時，設定標識flag = -1 ；子步驟A2:判斷VinJUcd⑴是否成立，如果VinJUcd⑴，則子模塊的等效狀態(tài)為電容狀態(tài)且令標識flag = -2 ;否則，執(zhí)行子步驟A3 ;其中，Vini為第i個子模塊的輸入電壓，Uei(t)為第i個子模塊在時刻t的電容電壓； 子步驟A3:子模塊的等效狀態(tài)為大電阻狀態(tài)且令標識flag = I ； 子步驟A4:判斷ibr(t)>0是否成立，如果ifc(t)>0，則子模塊的等效狀態(tài)為大電阻狀態(tài)且令標識flag = I ;否則，執(zhí)行子步驟A5 ;其中，ibr (t)為時刻t流入第i個子模塊的橋臂電流； 子步驟A5:判斷flag>0是否成立，如果flag>0，則執(zhí)行子步驟A6 ;否則，執(zhí)行子步驟A7 ； 子步驟A6:判斷Vini〈0是否成立，如果Vin ,〈Ο，則執(zhí)行子步驟A7 ;否則，執(zhí)行子步驟A3 ； 子步驟A7:子模塊的等效狀態(tài)為小電阻狀態(tài)且令標識flag = -1 ； 子步驟A8:判斷ibr(t)>0是否成立,如果ito(t)>0,則令t = t+Ι,執(zhí)行子步驟A2 ;否則，令t = t+Ι,執(zhí)行子步驟A7。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征是子模塊的故障類型包括子模塊IGBT擊穿故障、子模塊電容值變化故障和子模塊電容擊穿故障。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征是當子模塊的故障類型為子模塊IGBT擊穿故障時，根據(jù)子模塊的故障類型修正子模塊的等效模型具體為: 當?shù)趇個子模塊上IGBT未出現(xiàn)擊穿故障且第i個子模塊下IGBT出現(xiàn)擊穿故障時，子模塊的等效電阻和受控電壓源分別為:
當?shù)趇個子模塊上IGBT出現(xiàn)擊穿故障且第i個子模塊下IGBT未出現(xiàn)擊穿故障并處于關斷狀態(tài)時，子模塊的等效電阻和受控電壓源分別為:
其中，Reqi為第i個子模塊的等效電阻，Veqi(t)為第i個子模塊在時刻t的受控電壓源，At為仿真步長，C為子模塊電容，Uci (t-At)為第i個子模塊在時刻t-At的電容電壓，ibr(t-At)為時刻t-At流入第i個子模塊的橋臂電流。
7.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征是當子模塊的故障類型為子模塊電容值變化故障時，根據(jù)子模塊的故障類型修正子模塊的等效模型具體采用公式:
其中，為第i個子模塊的等效電阻，Vraii (t)為第i個子模塊在時刻t的受控電壓源，At為仿真步長，CT為變化后的子模塊電容值，Ucd (t-At)為第i個子模塊在時刻t-At的電容電壓，ibr(t-At)為時刻t-At流入第i個子模塊的橋臂電流。
8.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征是當子模塊的故障類型為子模塊電容擊穿故障時，根據(jù)子模塊的故障類型修正子模塊的等效模型具體采用公式:
其中，為第i個子模塊的等效電阻，Vraii (t)為第i個子模塊在時刻t的受控電壓源，At為仿真步長，C為子模塊電容，Kci為第i個子模塊是否出現(xiàn)電容擊穿故障的標識變量，當Kei = I時,第i個子模塊未出現(xiàn)電容擊穿故障，當Kei = O時,第i個子模塊出現(xiàn)電容擊穿故障為對Kcd取反，Ucd (t-At)為第i個子模塊在時刻t-At的電容電壓，ifc(t_ At)為時刻t-At流入第i個子模塊的橋臂電流。
【文檔編號】G06F17/50GK104199997SQ201410337803
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權日:2014年7月16日
【發(fā)明者】劉崇茹, 林周宏, 洪國巍, 郭龍 申請人:華北電力大學