二極管箝位式模塊化多電平換流器子模塊等值仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一種二極管箝位式模塊化多電平換流器子模塊等值仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 柔性直流輸電是解決大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)、大容量遠(yuǎn)距離輸電、輸電走廊緊缺 等問題的有效技術(shù)手段之一。
[0003] 現(xiàn)有柔性直流輸電系統(tǒng)一般基于模塊化多電平換流器，這種換流器由數(shù)量巨大的 子模塊級聯(lián)構(gòu)成，每個子模塊中又包含數(shù)個電力電子開關(guān)、二極管、電容等器件。在使用目 前通用的電磁暫態(tài)仿真軟件進(jìn)行仿真計算時，開關(guān)器件被等效成一個雙狀態(tài)的可變電阻， 當(dāng)發(fā)生開關(guān)狀態(tài)變化時就需要重新生成節(jié)點導(dǎo)納矩陣，并且為了消除在兩次仿真采樣時刻 之間開關(guān)狀態(tài)改變所造成的計算誤差，還需要對開關(guān)時刻的狀態(tài)變量進(jìn)行插值運算。由于 模塊化多電平換流器包含了大量開關(guān)動作，因此每一個仿真步長中都存在大量矩陣逆運算 與差值運算，大大降低了仿真效率。
[0004] 目前文獻(xiàn)中提出了幾類改進(jìn)仿真效率的建模方法。第一類是采用平均值建模方 法，但這種方法忽略了開關(guān)過程，難以得到精確的電磁暫態(tài)計算結(jié)果。第二類方法將開關(guān)器 件等效為理想開關(guān)，并將模塊化多電平換流器的子模塊及橋臂用Dommel等值計算模型進(jìn) 行等效，從而避免了開關(guān)狀態(tài)變化時重新生成節(jié)點導(dǎo)納矩陣，這種方法仍然是串行計算方 法。第三類方法是利用可控電壓源和可控電流源實現(xiàn)子模塊與主電路的解耦，從而可以基 于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)芯片實現(xiàn)大量子模塊的實時并行計算，這類方法需要根據(jù)電 路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊的建模。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的是實現(xiàn)一種二極管箝位式模塊化多電平換流 器的并行仿真。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種二極管箝位式模塊化多電平換流器子模塊 等值仿真方法，所述模塊化多電平換流器由六個橋臂組成，每兩個橋臂串聯(lián)形成一個相單 元，每個橋臂由數(shù)個級聯(lián)子模塊和一個橋臂電抗L串聯(lián)組成；每個所述子模塊包括反并聯(lián) 連接的第一開關(guān)管S 1與第一二極管D i、反并聯(lián)連接的第二開關(guān)管S2與第二二極管D 2、反并 聯(lián)連接的第三開關(guān)管S3與第三二極管D 3、第四二極管D4、第一電容C1和第二電容C 2;其中， D1的正極與D 2的負(fù)極連接到所述子模塊的正輸出端，D i的負(fù)極連接到C i的正極，C i的負(fù)極 與C2的正極連接到D 4的負(fù)極，D 2的正極與D 3的正極連接到C 3的負(fù)極，D 3的負(fù)極與D 4的正 極連接到所述子模塊的負(fù)輸出端；
[0007] 該仿真方法包括如下步驟：
[0008] A、仿真前，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)與橋臂電流方向預(yù)先分析子模塊所有可能的十六種工作 狀態(tài)，根據(jù)分析結(jié)果最終歸納為六種工作模式，并得到每種工作模式下Cp C2的電壓計算公 式和子模塊的輸出電壓計算公式；
[0009] B、仿真時，根據(jù)求解時刻開關(guān)驅(qū)動信號與橋臂電流方向判斷子模塊工作模式；
[0010] C、根據(jù)步驟A所述對應(yīng)工作模式下的電容電壓計算公式得到Cp (：2的電壓；
[0011] D、根據(jù)步驟A所述對應(yīng)工作模式下的子模塊輸出電壓計算公式和步驟C得到的電 容電壓計算得到子模塊輸出電壓。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，步驟A中的第一工作模式MODl為：兩個電容旁 路；
[0013] 兩個電容的電壓計算公式為：
[0014] Ucl=Uclo
[0015] Uc2=Uc20
[0016] Usm= sign (i) (u D+us)
[0017] 其中1]。1。、1]。1。分別為(：1、(： 2的初始電壓，11：)為二極管電壓降，1^為開關(guān)管電壓降，8 ign()為求符號函數(shù)。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，第一工作模式MODl分為兩種狀態(tài)：
[0019] 在狀態(tài)MODla中，SjP D3導(dǎo)通，兩個電容旁路；
[0020] 在狀態(tài)MODlb中，S#P D2導(dǎo)通，兩個電容旁路。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，步驟A中的第二工作模式M0D2為：兩個電容串 聯(lián)；
[0022] 兩個電容的電壓計算公式為：
[0026] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，第二工作模式M0D2分為兩種狀態(tài)：
[0027] 在狀態(tài)M0D2a中，DjP D3導(dǎo)通，兩個電容串聯(lián)充電；
[0028] 在狀態(tài)M0D2b中，SjP S3導(dǎo)通，兩個電容串聯(lián)放電。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，步驟A中的第三工作模式M0D3為=DjPD4導(dǎo)通， C1旁路，C2充電；
[0030] 兩個電容的電壓計算公式為：
[0034] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，步驟A中的第四工作模式M0D4為：兩電容串聯(lián)并 劇烈放電均壓；
[0035] 兩個電容的電壓計算公式為：
[0039] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，第四工作模式M0D4分為兩種狀態(tài)：
[0040] 在狀態(tài)M0D4a中，Sp SjP D 3導(dǎo)通，兩電容串聯(lián)并劇烈放電均壓；
[0041] 在狀態(tài)M0D4b中，Sp SjP D2導(dǎo)通，兩電容串聯(lián)并劇烈放電均壓。
[0042] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，步驟A中的第五工作模式M0D5為：Sp %和D 4導(dǎo) 通，兩電容并聯(lián)充電；
[0043] 兩個電容的電壓計算公式為：
[0047] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，步驟A中的第六工作模式M0D6為斤和D 4導(dǎo)通， C1反向充電，C 2旁路；
[0048] 兩個電容的電壓計算公式為：
[0052] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備如下有益效果：
[0053] 采用本發(fā)明的仿真方法，通過受控電壓源和受控電流源，可實現(xiàn)換流器主電路與 子模塊的解耦運算。當(dāng)存在大量子模塊時，可以通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)芯片實現(xiàn)多 電平換流器的并行計算，從而提高仿真速度。本發(fā)明原理簡明，計算速度快，結(jié)果準(zhǔn)確。
[0054] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0055] 圖1為實施例1中，模塊化多電平換流器一個相單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0056] 圖2為實施例1中，子模塊的電路圖；
[0057] 圖3為實施例1中，模塊化多電平換流器一個相單元的等值模型示意圖；
[0058] 圖4為實施例1中，子模塊等值模型示意圖；
[0059] 圖5a為實施例1中，子模塊第一工作模式MODla的不意圖；
[0060] 圖5b為實施例1中，子模塊第一工作模式MODlb的不意圖；
[0061 ] 圖6a為實施例1中，子模塊第二工作模式M0D2a的示意圖；
[0062] 圖6b為實施例1中，子模塊第二工作模式M0D2b的示意圖
[0063] 圖7為實施例1中，子模塊第三工作模式M0D3的示意圖；
[0064] 圖8a為實施例1中，子模塊第四工作模式M0D4a的示意圖；
[0065] 圖8b為實施例1中，子模塊第四工作模式M0D4b的示意圖；
[0066] 圖9為實施例1中，子模塊第五工作模式M0D5的不意圖；
[0067] 圖10為實施例1中，子模塊第六工作模式M0D6的示意圖。
【具體實施方式】
[0068] 實施例1
[0069] 圖1示出了模塊化多電平換流器一個相單元的結(jié)構(gòu)。其中一個向單元包含兩個串 聯(lián)的橋臂，每個橋臂由N個級聯(lián)子模塊和一個橋臂電抗L串聯(lián)組成。在三相系統(tǒng)中，每個模 塊化多電平換流器一般由三個這樣的相單元構(gòu)成。
[0070] 圖2示出了子模塊電路結(jié)構(gòu)。其中，每個子模塊包括反并聯(lián)連接的第一開關(guān)管S1 與第一二極管D1、反并聯(lián)連接的第二開關(guān)管S2與第二二極管D 2、反并聯(lián)連接的第三開關(guān)管 S3與第三二極管D3、第四二極管D4、第一電容C1和第二電容C ^D1的正極與D2的負(fù)極連接到 子模塊的正輸出端，D1的負(fù)極連接到C i的正極，C i的負(fù)極與C 2的正極連接到D 4的負(fù)極，D 2 的正極與D3的正極連接到C 3的負(fù)極，D 3的負(fù)極與D 4的正極連接到子模塊的負(fù)輸出端，g i、 g2、g3分別為S P S2、S3的驅(qū)動信號，u d、11。2分別為C Jp C 2的電壓，i為子模塊輸入電流，i 同時也是子模塊所在橋臂的電流，Usni為子模塊輸出電壓。
[0071] 圖3示出了模塊化多電平換流器一個相單元的等值模型。對比圖1和圖3可以 看出，在等值模型中，用一個受控電壓源代替了級聯(lián)的N個子模塊，受控電壓源的電壓輸出 Usum為N個子模塊電壓輸出u sm的和。電壓U sum、橋臂電流i的下標(biāo)p和η分別代表上橋臂 和下橋臂。
[0072] 圖4示出了子模塊的等值模型。對比圖1和圖4可以看出，在等值模型中，用一個 受控電流源代替了子模塊以外的電路，受控電流源的電流輸出i為子模塊所在橋臂的橋臂 電流。
[0073] 對比圖1和圖3、圖4可以看出，等值模型實現(xiàn)了子模塊與主電路的解親，從而便于 實現(xiàn)并行計算，提高仿真效率。
[0074] 圖5至圖10分別示出了子模塊的六種工作模式。其中虛線表示該支路或器件在 該模式下沒有電流流過。i為子模塊電流，以流入為正。U sn為模塊輸出電壓。
[0075] 圖5a和圖5b不出了子模塊第一工作模式MODI。其中，又分為兩種狀態(tài)。在狀態(tài) MODla中，SjP D3導(dǎo)通，兩個電容旁路。在狀態(tài)MODlb中，SjP D2導(dǎo)通，兩個電容旁路。分 析電路，存在以下電壓計算公式：
[0076] Ucl=Uclo (1)
[0077] Uc2=Uc20 (2)
[0078] Usm= sign ⑴（u D+us) (3)
[0079] 其中IU、IU分別為C i、C2的初始電壓，u D為二極管電壓降，u s為開關(guān)管電壓降， sign ()為求符號函數(shù)。
[0080] 圖6a和圖6b不出了子模塊第二工作模式M0D2。其中，又分為兩種狀態(tài)。在狀態(tài) M0D2a中，DjP D3導(dǎo)通，兩個電容串聯(lián)充電。在狀態(tài)M0D2b中，SjP S3導(dǎo)通，兩個電容串聯(lián) 放電。分析電路，存在以下電壓計算公式：
[0084] 圖7示出了子模塊第三工作模式M0D3。其中，DjP D4導(dǎo)通，C1旁路，C2充電。分 析電路，存在以下電壓計算公式：
[0088] 圖8a和圖8b不出了子模塊第四工作