一種考慮多種閉鎖模態(tài)的基于箝位雙子模塊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)的基于箝位 雙子模塊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(wèn)題，因此在近年來(lái)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。其中箝位雙子模塊因?yàn)榭煽啃詮?qiáng)、處理直流故障能力優(yōu)秀、使用的電力電子器件少而 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(wú)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)有研究一般僅針對(duì)半橋子模塊，對(duì)于箝位雙子模塊的研究較 少。箝位雙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 提出一種考慮箝位雙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(wèn)題，本發(fā)明提供了一種考慮多種閉鎖模態(tài)的 基于箝位雙子模塊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)箝位雙子模塊各閉鎖狀態(tài)進(jìn)行精確模 擬。
[0006] -種考慮多種閉鎖模態(tài)的基于箝位雙子模塊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)箝位雙子模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成；所述的箝位雙子模塊由五 個(gè)帶反并聯(lián)二極管的IGBT管I\~T 5、兩個(gè)續(xù)流二極管D6~D 7和兩個(gè)電容C C 2組成；其 中，IGBT管T1的集電極與電容C i的正極和續(xù)流二極管D 6的陰極相連，IGBT管T ^勺發(fā)射極 與IGBT管1~2的集電極相連并構(gòu)成箝位雙子模塊的正極，IGBT管T 2的發(fā)射極與電容C i的負(fù) 極、續(xù)流二極管D7的陰極以及IGBT管T 5的發(fā)射極相連，續(xù)流二極管D 6的陽(yáng)極與IGBT管T 5 的集電極、電容C2的正極以及IGBT管T 3的集電極相連，IGBT管T 3的發(fā)射極與IGBT管T 4的集電極相連并構(gòu)成箝位雙子模塊的負(fù)極，續(xù)流二極管〇7的陽(yáng)極與IGBT管T 4的發(fā)射極以 及電容C2的負(fù)極相連；五個(gè)IGBT管T ^ T 5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五個(gè)等效電阻札~R5、三個(gè)等效電壓源UfU4W及九個(gè) 等效二極管Di~D 9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 6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、等效二極管D 5的陽(yáng)極以及等效二極管D 7的陰極相連，等效二極管D 6的陽(yáng) 極與等效二極管D5的陰極、等效電壓源U 3的正極以及等效二極管D 3的陰極相連，等效電壓 源U3的負(fù)極與等效電阻R 3的一端相連，等效電阻R 3的另一端與等效二極管D 7的陽(yáng)極和等 效二極管D4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、等效電阻R4的一端 以及等效電阻R5的一端相連，等效電阻R4的另一端與等效二極管D s的陽(yáng)極相連，等效電阻 R5的另一端與等效二極管D 9的陰極相連，等效二極管D s的陰極與等效二極管D 9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(guò)極小的電流。
[0012] 進(jìn)一步地，所述等效電阻氏~R5的電阻值以及等效電壓源U U 3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R1的等效電阻值，u _ (t)為t時(shí)刻等效電壓源Uk的電壓值，u snijk (t)為t時(shí) 刻橋臂中第j個(gè)子模塊對(duì)應(yīng)等效電壓源隊(duì)的等效電壓值，i和k均為自然數(shù)且I < i < 5， 1彡k彡3, 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Uk的等效電壓值U snik⑴的 計(jì)算公式如下：
[0016] Rsml (t) = Ra (t) +Rj (t) +Rk (t) +Re (t) CN 105117549 A 說(shuō)明書 3/12 頁(yè)
[0038] 當(dāng)該子模塊處于全閉鎖運(yùn)行狀態(tài)下，即該子模塊中的五個(gè)IGBT管?\~1~5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 snu (t)以及對(duì)應(yīng)等效電壓源Uk的等效電壓值 Usmk (t)的計(jì)算公式如下：
[0051] 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， 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Uk的等效電壓值 Usmk (t)的計(jì)算公式如下：
[0064] 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， 貝IJ t時(shí)刻其對(duì)應(yīng)等效電阻R1的等效電阻值R snu (t)以及對(duì)應(yīng)等效電壓源Uk的等效電壓值 Usmk (t)的計(jì)算公式如下：
[0077] 其中：L為子模塊中電容C i的等效阻值，R。2為子模塊中電容C 2的等效阻值，Δ T 為仿真步長(zhǎng)，C1S子模塊中電容C ^勺容值，c 2為子模塊中電容C 2的容值，i ^ (t)為t時(shí)刻流 經(jīng)子模塊中電容C1的電流值，i。2 (t)為t時(shí)刻流經(jīng)子模塊中電容C2的電流值，u & (t)為t時(shí) 刻子模塊中電容C1的電壓值，u。2 (t)為t時(shí)刻子模塊中電容C2的電壓值，u(t)為t時(shí)刻 子模塊中電容C1的等效歷史電壓源幅值，u(t- Δ T)為t- Δ T時(shí)刻子模塊中電容C1的等 效歷史電壓源幅值，U^q⑴為t時(shí)刻子模塊中電容C2的等效歷史電壓源幅值，u(t- △ T) 為t- Δ T時(shí)刻子模塊中電容C2的等效歷史電壓源幅值，R i (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T2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，R4(t)為t時(shí)刻子模塊中IGBT管T4的等效電阻值，R 5(t)為t時(shí) 刻子模塊中IGBT管T5的等效電阻值，R6 (t)為t時(shí)刻子模塊中續(xù)流二極管D6的等效電阻 值，R7(t)為t時(shí)刻子模塊中續(xù)流二極管07的等效電阻值，RA(t)、R B(t)、RD(t)、RE(t)、RF(t)、 和RK(t)均為中間變量且均由公式給定，iarni(t)為t時(shí)刻的橋臂 電流。
[0078] 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IM Ω ;當(dāng)t時(shí)刻子模塊中的IGBT管T5導(dǎo)通，則R 5⑴為0. 01 Ω，IGBT管T5關(guān)斷，則R5⑴ 為IM Ω ;當(dāng)t時(shí)刻子模塊中的續(xù)流二極管D6導(dǎo)通，則R 6 (t)為0. 01 Ω，續(xù)流二極管D6關(guān)斷， 則R6 (t)為IM Ω ;當(dāng)t時(shí)刻子模塊中的續(xù)流二極管D7導(dǎo)通，則R 7 (t)為0.0 l Ω，續(xù)流二極管 D7關(guān)斷，則R7(t)為1ΜΩ。
[0079] 箝位雙子模塊可以輸出一倍正電平、負(fù)電平、零電平以及兩倍正電平。當(dāng)子模塊中 的IGBT管V T3、T5導(dǎo)通，T2、T4關(guān)斷時(shí)，子模塊端口輸出電壓為正，記為一倍正電平；當(dāng)子 模塊中的IGBT管T2、T4、T5導(dǎo)通，T η T3關(guān)斷時(shí)，子模塊端口輸出電壓為也為正，記為一倍正 電平2 ;當(dāng)子模塊中的IGBT管T2、T3、T5導(dǎo)通，T ρ T4關(guān)斷時(shí)，子模塊端口輸出電壓為零，記為 零電平；當(dāng)子模塊中的IGBT管VT4J5導(dǎo)通，T 2、T3關(guān)斷時(shí)，子模塊端口輸出電壓為兩倍正 電平1 ;當(dāng)子模塊中所有的IGBT都關(guān)斷，若流過(guò)子模塊的電流為正時(shí)，子