一種半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法，屬于電力系統(tǒng)柔性輸配電和電力電子【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明首先建立直流短路工況下半橋式模塊化多電平換流器的等效電路，以橋臂等效模塊代替多電平環(huán)流器的MMC換流閥橋臂，每個(gè)橋臂等效由一個(gè)可控電壓源、一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)二極管構(gòu)成，然后對(duì)每個(gè)橋臂等效模塊中的各個(gè)元件參數(shù)進(jìn)行配置，對(duì)配置后的等效電路模型的直流短路工況進(jìn)行仿真。避免了使用詳細(xì)模型需要較長(zhǎng)仿真時(shí)間的同時(shí)，并保持與詳細(xì)模型在直流短路故障特性方面的高度一致性，且充分估計(jì)了直流短路工況下最大電氣沖擊，為高效快速分析模塊化多電平換流器系統(tǒng)直流短路工況過(guò)電流情況提供了有效的手段。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法，屬于電力系統(tǒng)柔性輸配電和電力電子【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全控型電力電子器件的發(fā)展和電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，基于電壓源換流器的柔性直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)日益受到重視。模塊化多電平換流器(ModularMultilevel Converter)是VSC-HVDC系統(tǒng)中應(yīng)用的電壓源換流器的一種，它由多個(gè)半橋或全橋式子模塊按照一定的方式連接而成，通過(guò)分別控制各個(gè)子模塊IGBT組件的投入和切除狀態(tài)使換流器輸出的交流電壓逼近正弦波，實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸。流短路故障是MMC-HVDC系統(tǒng)最為常見(jiàn)的一種故障,在發(fā)生短路時(shí),對(duì)于半橋式模塊化多電平換流器而言，因?yàn)樽幽K下管反并聯(lián)二極管的存在，交流電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)以及子模塊脈沖封鎖前的電容電壓均通過(guò)直流短路點(diǎn)進(jìn)行放電，鑒于高電壓等級(jí)的電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)和子模塊電容電壓和以及較小的放電回路阻抗，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流。而采用詳細(xì)模型進(jìn)行仿真，在系統(tǒng)子模塊數(shù)較大的時(shí)候仿真消耗的時(shí)間將會(huì)很長(zhǎng)，會(huì)嚴(yán)重影響成套設(shè)計(jì)的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法，以解決采用詳細(xì)模型進(jìn)行直流短路故障分析的仿真時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。
[0004]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而提供一種半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法，該仿真方法包括以下步驟:
[0005]I)建立直流短路工況下模塊化多電平換流器的等效電路模型，以橋臂等效模塊代替多電平換流器的MMC換流閥橋臂，所述的橋臂等效模塊由個(gè)可控電壓源、一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)二極管構(gòu)成；
[0006]2)配置橋臂等效模塊中各元件的參數(shù)，使所建立的直流短路工況下的模塊化多電平換流器等效電路模型與直流短路工況下模塊化多電平換流器詳細(xì)模型具有相同的外部特性；
[0007]3)對(duì)配置后的直流短路工況下的模塊化多電平換流器的等效電路的直流短路工況進(jìn)行仿真。
[0008]所述的橋臂等效模塊的可控電壓源的正極與開(kāi)關(guān)的一端連接，開(kāi)關(guān)的另一端與二極管負(fù)極連接，連接點(diǎn)構(gòu)成等效模塊的正端口，可控電壓源的負(fù)極與二極管正極連接，連接點(diǎn)構(gòu)成等效模塊的負(fù)端口。
[0009]所述橋臂等效模塊包括各相上橋臂等效模塊和下橋臂等效模塊，所述的各相上橋臂等效模塊的正端口相連后與直流正母線電抗器一端連接，直流正母線電抗器的另一端與直流受控電壓源正極連接；各相下橋臂等效模塊的負(fù)端口相連后與直流負(fù)母線電抗器一端連接，直流負(fù)母線電抗器另一端與直流受控電壓源負(fù)極連接。[0010]所述的各相上橋臂等效模塊的負(fù)端口分別與各相上橋臂電抗器的一端相連，各相下橋臂等效模塊的正端口分別與各相下橋臂電抗器的一端相連，各相上橋臂電抗器的另一端分別與該相下橋臂電抗器的另一端連接，連接點(diǎn)構(gòu)成換流器等效電路交流輸出端。
[0011]所述步驟2)中配置的各相上橋臂等效模塊中可控電壓源電壓為Upk = Udc/2-Ufflk,各相下橋臂等效模塊中的可控電壓源電壓為Unk =仏。/2+1,，其中Upk為上橋臂等效模塊中可控電壓源的k相電壓，Unk為下橋臂等效模塊中可控電壓源的k相電壓，Umk為換流器調(diào)制峰值的k相電壓，k代表A、B、C三相中的任意一相，Udc為換流器的直流受控電壓源電壓。
[0012]所述步驟2)中配置的每個(gè)橋臂等效模塊中的二極管通態(tài)阻抗Ron為Rons*N，斷態(tài)阻抗Roff為Roffs*N，其中Rons為詳細(xì)模型中單個(gè)子模塊的IGBT/D1de組件通態(tài)電阻，Roffs為詳細(xì)模型中單個(gè)子模塊的IGBT/D1de組件斷態(tài)電阻，N為單個(gè)橋臂子模塊總數(shù)。
[0013]所述步驟2)中配置的每個(gè)橋臂等效模塊中的開(kāi)關(guān)通態(tài)阻抗Rson為Rons*N，斷態(tài)阻抗Rsoff為Roffs*N，其中Rons為詳細(xì)模型中單個(gè)子模塊的IGBT/D1de組件通態(tài)電阻，Roffs為詳細(xì)模型中單個(gè)子模塊的IGBT/D1de組件斷態(tài)電阻，N為單個(gè)橋臂子模塊總數(shù)。
[0014]所述步驟3)中的仿真是在MATLAB R2012b Simulink仿真環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明首先建立直流短路工況下半橋式模塊化多電平換流器的等效電路，以橋臂等效模塊代替多電平環(huán)流器的MMC換流閥橋臂，每個(gè)橋臂等效由一個(gè)可控電壓源、一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)二極管構(gòu)成，然后對(duì)每個(gè)橋臂等效模塊中的各個(gè)元件參數(shù)進(jìn)行配置，使所建立的等效電路模型與詳細(xì)模型具有相同的外部特性，對(duì)配置后的模塊化多電平換流器的等效 電路的直流短路工況進(jìn)行仿真。本發(fā)明采用等效后的電路模型代替詳細(xì)模型進(jìn)行直流短路工況仿真，避免了使用詳細(xì)模型需要較長(zhǎng)仿真時(shí)間的同時(shí)，并保持與詳細(xì)模型在直流短路故障特性方面的高度一致性，且充分估計(jì)了直流短路工況下最大電氣沖擊，為高效快速分析模塊化多電平換流器系統(tǒng)直流短路工況過(guò)電流情況提供了有效的手段。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是模塊化多電平換流器詳細(xì)模型圖；
[0017]圖2是模塊化多電平換流器直流短路工況的等效電路模型圖；
[0018]圖3-a是模塊化多電平換流器直流短路工況在Simulink環(huán)境下的等效模型；
[0019]圖3-b是A相上橋臂的等效模塊示意圖；
[0020]圖4是本發(fā)明實(shí)施例仿真中觀測(cè)數(shù)據(jù)的位置示意圖；
[0021]圖5是工況I下等效電路模型與詳細(xì)模型仿真對(duì)比圖；
[0022]圖6是工況2下等效電路模型與詳細(xì)模型仿真對(duì)比圖；
[0023]圖7是工況3下等效電路模型與詳細(xì)模型仿真對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0025]1.建立直流短路工況下模塊化多電平換流器的等效電路模型，以橋臂等效模塊代替多電平換流器的MMC換流閥橋臂。
[0026]本實(shí)施例中采用的直流短路工況下半橋式模塊化多電平換流器系統(tǒng)詳細(xì)模型如圖1所示，包括三相電網(wǎng)、聯(lián)結(jié)變壓器、六個(gè)橋臂電抗器、六個(gè)MMC換流閥橋臂、兩個(gè)直流電抗器以及一個(gè)直流受控電壓源。所建立的與該模型對(duì)應(yīng)的換流器直流短路工況的等效電路如圖2所示，包括三相電網(wǎng)、聯(lián)結(jié)變壓器、六個(gè)橋臂電抗器、六個(gè)橋臂等效模塊、兩個(gè)直流電抗器以及一個(gè)直流受控電壓源。每個(gè)橋臂電抗器的一端與各自對(duì)應(yīng)的橋臂等效模塊的一端串接，每個(gè)橋臂電抗器的另一端通過(guò)聯(lián)結(jié)變壓器接入三相電網(wǎng)，每個(gè)橋臂等效模塊的另一端通過(guò)直流電抗器接入直流受控電壓源。其中每個(gè)橋臂等效模塊由一個(gè)可控電壓源、一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)二極管構(gòu)成，可控電壓源的正極與開(kāi)關(guān)的一端連接，開(kāi)關(guān)的另一端與二極管負(fù)極連接，連接點(diǎn)構(gòu)成等效模塊的正端口，可控電壓源的負(fù)極與二極管正極連接，連接點(diǎn)構(gòu)成等效模塊的負(fù)端口。兩個(gè)直流電抗器分別為直流正母線電抗器和直流負(fù)母線電抗器，各相上橋臂等效模塊的正端口相連后與直流正母線電抗器一端連接，直流正母線電抗器的另一端與直流受控電壓源正極連接；各相下橋臂等效模塊的負(fù)端口相連后與直流負(fù)母線電抗器一端連接，直流負(fù)母線電抗器另一端與直流受控電壓源負(fù)極連接；各相上橋臂等效模塊的負(fù)端口分別與各相上橋臂電抗器的一端相連，各相下橋臂等效模塊的正端口分別與各相下橋臂電抗器的一端相連，各相上橋臂電抗器的另一端分別與該相下橋臂電抗器的另一端連接，連接點(diǎn)構(gòu)成換流器等效電路交流輸出端。
[0027]2.配置橋臂等效模塊中各元件的參數(shù)，使所建立的模塊化多電平換流器等效電路模型與模塊化多電平換流器詳細(xì)模型具有相同的外部特性。該等效電路中各個(gè)參數(shù)的配置如下:
[0028]上橋臂等效模塊中可控電壓源電壓為Upk = Udc/2-Umk,下橋臂等效模塊中的可控電壓源電壓為:Unk = Udc;/2+Umk，其中Upk為上橋臂等效模塊中可控電壓源的k相電壓，Unk為下橋臂等效模塊中可控電壓源的k相電壓，Umk為換流器調(diào)制峰值的k相電壓，k代表A、B、C三相中的任意一相，Udc為換流器的直流受控電壓源電壓；等效模塊中二極管的通態(tài)阻抗Ron為Rons*N，斷態(tài)阻抗Roff為Roffs*N，其中Rons為詳細(xì)模型中單個(gè)子模塊的IGBT/D1de組件通態(tài)電阻,Roffs為詳細(xì)模型中單個(gè)子模塊的IGBT/D1de組件斷態(tài)電阻，N為單個(gè)橋臂子模塊總數(shù)；等效模塊中開(kāi)關(guān)的通態(tài)阻抗Rson為Rons*N，斷態(tài)阻抗Rsoff為Roffs*N。直流受控電壓源電壓在模擬故障前為額定直流母線電壓，在模擬故障時(shí)為0，呈階躍變化，可通過(guò)換流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行向量圖計(jì)算所述換流器調(diào)制峰值相電壓Um的幅值和相對(duì)于電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)的相位。
[0029]3.對(duì)配置后的模塊化多電平換流器的等效電路的直流短路工況進(jìn)行仿真。
[0030]為了驗(yàn)證本發(fā)明對(duì)于直流短路故障分析的普適性及其與詳細(xì)模型的一致性，本實(shí)施例建立了 MATLAB R2012b Simulink仿真環(huán)境下13電平雙端仿真模型，分三種工況對(duì)等效模型和詳細(xì)模型進(jìn)行仿真對(duì)比。工況1:兩模型均空載運(yùn)行；工況2:兩模型均同功率整流運(yùn)行；工況3:兩模型均同功率逆變運(yùn)行。
[0031]建立等效電路在Simulink環(huán)境下的等效模型，如圖3_a所示，其中的等效橋臂模塊如圖3_b所不,使用SimPowerSystem庫(kù)中自帶的Controlled Voltage Source模塊分別代表橋臂內(nèi)可控電壓源和直流側(cè)直流受控電壓源，通過(guò)穩(wěn)態(tài)相量圖計(jì)算得到Um幅值和初始相位；使用一個(gè)IGBT模塊代表等效模塊中開(kāi)關(guān)，使用一個(gè)D1de模塊代表等效模塊中二極管，其通態(tài)阻抗均設(shè)為0.001*12，斷態(tài)阻抗均設(shè)為le5*12 ;直流母線電壓額定值為400kV。仿真中觀測(cè)數(shù)據(jù)的位置如圖4所示，包括閥側(cè)交流相電壓、閥側(cè)交流電流、A相上下橋臂電流以及直流正母線電流。
[0032]三種工況下，等效電路的故障邏輯為:1)故障前，打開(kāi)橋臂等效模塊中的開(kāi)關(guān)，直流受控電壓源為額定直流電壓；2)故障時(shí)，直流受控電壓源電壓突跌至0，且同時(shí)閉合橋臂等效模塊中的開(kāi)關(guān)；3)故障后根據(jù)設(shè)定的延時(shí)情況斷開(kāi)橋臂等效模塊中的開(kāi)關(guān)。詳細(xì)模型的故障邏輯為:1)故障前，系統(tǒng)正常運(yùn)行；2)故障后根據(jù)設(shè)定的延時(shí)情況對(duì)所有子模塊進(jìn)行脈沖封鎖。仿真中，設(shè)置的故障時(shí)刻為0.6s,設(shè)定閉鎖延時(shí)時(shí)間為0.0Ols,通過(guò)Step模塊控制直流受控電壓源和IGBT的狀態(tài)。
[0033]圖5、6、7分別為工況1、2、3仿真對(duì)比波形?？v坐標(biāo)均采用標(biāo)幺值，由上到下，第一欄為閥側(cè)交流相電壓波形，其中黃、紫、蘭為詳細(xì)模型波形，紅、綠、藍(lán)為等效電路波形；第二欄為閥側(cè)交流電流波形，其中黃、紫、蘭為詳細(xì)模型波形，紅、綠、藍(lán)為等效電路波形；第三欄為換流閥A相上下橋臂電流波形，其中黃、紫為詳細(xì)模型波形，蘭、紅為等效電路波形；第四欄為直流正母線輸出電流波形，其中黃色為詳細(xì)模型波形，紫色為等效電路波形。
[0034]由圖5、6、7可以看出，三種工況下，等效模型交流場(chǎng)、閥內(nèi)部以及直流場(chǎng)的電流沖擊與詳細(xì)模型一致性很高，特別是在故障穩(wěn)態(tài)時(shí)完全保持重合。在暫態(tài)過(guò)程中的沖擊電流雖然存在一定偏差，但可以通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)預(yù)留一定的安全系數(shù)，達(dá)到充分等效性。
[0035]可見(jiàn)本發(fā)明能夠高效的充分估計(jì)直流短路工況下最大電氣沖擊，為高效快速分析模塊化多電平換流器系統(tǒng)直流短路工況過(guò)電流情況提供了有效的手段。在避免了使用詳細(xì)模型需要較長(zhǎng)仿真時(shí)間的同時(shí)，能夠保持與詳細(xì)模型在直流短路故障特性方面的高度一致性。
[0036]以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀本申請(qǐng)后，參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的各種修改或變更的行為，均在本發(fā)明專(zhuān)利的權(quán)利申請(qǐng)要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法，其特征在于，該仿真方法包括以下步驟: 1)建立直流短路工況下模塊化多電平換流器的等效電路模型，以橋臂等效模塊代替多電平換流器的MMC換流閥橋臂，所述的橋臂等效模塊由個(gè)可控電壓源、一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)二極管構(gòu)成； 2)配置橋臂等效模塊中各元件的參數(shù)，使所建立的直流短路工況下的模塊化多電平換流器等效電路模型與直流短路工況下模塊化多電平換流器詳細(xì)模型具有相同的外部特性； 3)對(duì)配置后的直流短路工況下的模塊化多電平換流器的等效電路的直流短路工況進(jìn)行仿真。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法，其特征在于，所述的橋臂等效模塊的可控電壓源的正極與開(kāi)關(guān)的一端連接，開(kāi)關(guān)的另一端與二極管負(fù)極連接，連接點(diǎn)構(gòu)成等效模塊的正端口，可控電壓源的負(fù)極與二極管正極連接，連接點(diǎn)構(gòu)成等效模塊的負(fù)端口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法，其特征在于，所述橋臂等效模塊包括各相上橋臂等效模塊和下橋臂等效模塊，所述的各相上橋臂等效模塊的正端口相連后與直流正母線電抗器一端連接，直流正母線電抗器的另一端與直流受控電壓源正極連接；各相下橋臂等效模塊的負(fù)端口相連后與直流負(fù)母線電抗器一端連接，直流負(fù)母線電抗器另一端與直流受控電壓源負(fù)極連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法，其特征在于，所述的各相上橋臂等效模塊的負(fù)端口分別與各相上橋臂電抗器的一端相連，各相下橋臂等效模塊的正端口分別與各相下橋臂電抗器的一端相連，各相上橋臂電抗器的另一端分別與該相下橋臂電抗器的另一端連接，連接點(diǎn)構(gòu)成換流器等效電路交流輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法，其特征在于，所述步驟2)中配置的各相上橋臂等效模塊中可控電壓源電壓為Upk = Udc;/2-Umk，各相下橋臂等效模塊中的可控電壓源電壓為Unk = UdcZ^-Unik，其中Upk為上橋臂等效模塊中可控電壓源的k相電壓，Unk為下橋臂等效模塊中可控電壓源的k相電壓，Umk為換流器調(diào)制峰值的k相電壓，k代表A、B、C三相中的任意一相，Udc為換流器的直流受控電壓源電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法，其特征在于，所述步驟2)中配置的每個(gè)橋臂等效模塊中的二極管通態(tài)阻抗Ron為Rons*N，斷態(tài)阻抗Roff為Roffs*N，其中Rons為詳細(xì)模型中單個(gè)子模塊的IGBT/D1de組件通態(tài)電阻，Roffs為詳細(xì)模型中單個(gè)子模塊的IGBT/D1de組件斷態(tài)電阻，N為單個(gè)橋臂子模塊總數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法，其特征在于，所述步驟2)中配置的每個(gè)橋臂等效模塊中的開(kāi)關(guān)通態(tài)阻抗Rson為Rons*N，斷態(tài)阻抗Rsoff為Roffs*N，其中Rons為詳細(xì)模型中單個(gè)子模塊的IGBT/D1de組件通態(tài)電阻，Roffs為詳細(xì)模型中單個(gè)子模塊的IGBT/D1de組件斷態(tài)電阻，N為單個(gè)橋臂子模塊總數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半橋式模塊化多電平換流器直流短路工況仿真方法，其特征在于，所述步驟3)中的仿真是在MATLAB R2012b Simulink仿真環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的。
【文檔編號(hào)】H02M7/483GK104036066SQ201410181139
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】吳金龍, 楊美娟, 劉普, 韓坤, 張 浩 申請(qǐng)人:許繼電氣股份有限公司