一種基于半橋子模塊電壓源變流器的建模仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及直流輸電領(lǐng)域的仿真方法，具體涉及一種基于半橋子模塊電壓源變流器的建模仿真方法。該方法包括下述步驟：（1）建立半橋子模塊和子模塊組的等效電路和數(shù)學(xué)模型，使等效電路模擬半橋子模塊和半橋子模塊組的三種工作狀態(tài)；（2）對半橋子模塊組的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化，并確定每個橋臂的等效電路和每個橋臂的工作狀態(tài)。本發(fā)明提供的方法可以針對不同的研究內(nèi)容選用不同的等效電路和數(shù)學(xué)模型；該等效電路和數(shù)學(xué)模型簡單，容易實(shí)現(xiàn)，仿真精度高。
【專利說明】一種基于半橋子模塊電壓源變流器的建模仿真方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及直流輸電領(lǐng)域的仿真方法，具體涉及一種基于半橋子模塊電壓源變流器的建模仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流輸電(High Voltage Direct Current, HVDC)以其固有的優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)獲得大量的應(yīng)用。相對于眾所周知的基于晶閘管的線電壓換相換流器(Line-Commutated Convertor),基于IGBT的電壓源變流器(VoltageSource Convertor, VSC)更具有優(yōu)勢。其中，模塊化多電平變流器(Modular MultilevelConvertor1MMC)獲得了廣泛的關(guān)注，其優(yōu)勢包括:1.模塊化設(shè)計(jì)，電壓等級和容量更容易擴(kuò)展；2.交流側(cè)電壓畸變率更小，無需加裝濾波器便可以接入交流系統(tǒng)；3.功率器件和驅(qū)動很成熟，可靠性相對較高。但是，當(dāng)研究高壓大容量的MMC時，由于子模塊數(shù)目特別龐大，若采用基于電力電子器件的仿真模型，則仿真速度特別慢，甚至不能仿真，當(dāng)研究基于MMC的多端直流輸電系統(tǒng)和直流電網(wǎng)時，情況就更加糟糕了。
[0003]近一兩年，已經(jīng)有人在研究MMC的簡化仿真模型，一篇文獻(xiàn)將子模塊中的兩個IGBT (含F(xiàn)WD)等效為兩個可變電阻，用于投入和切除電容。更進(jìn)一步，將橋臂通過戴維南等效，簡化為一個電壓源和電阻，大大減少了仿真電路的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。但是這種簡化是針對穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的MMC的，并且需要考慮觸發(fā)脈沖分配和電容電壓均衡，簡化算法實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜。其他的文獻(xiàn)的解決思路與該文獻(xiàn)類似。一篇文獻(xiàn)提出了 MMC的一種簡化模型，將橋臂等效成一個可控電壓源，交直流側(cè)的電氣聯(lián)系通過可控電流源實(shí)現(xiàn)，這種簡化模型忽略了電容電壓的波動過程，因此橋臂間的環(huán)流就不存在了 ；直流故障過程的仿真不準(zhǔn)確，不能仿真充電過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于半橋子模塊電壓源變流器的建模仿真方法，該方法建立了半橋子模塊(組)的等效電路和數(shù)學(xué)模型，使其能夠模擬半橋子模塊(組)的三種工作狀態(tài)；對半橋子模塊(組)的等效電路和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了不同程度的簡化，可以忽略不關(guān)心的控制，比如電壓調(diào)制，均壓控制算法，環(huán)流抑制算法，因此可以針對不同的研究內(nèi)容選用不同的等效電路和數(shù)學(xué)模型；該等效電路和數(shù)學(xué)模型簡單，容易實(shí)現(xiàn)，仿真精度高。
[0005]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明一種基于半橋子模塊電壓源變流器的建模仿真方法，所述電壓源變流器由三相構(gòu)成，每相由上下兩橋臂構(gòu)成，每個橋臂由半橋子模塊級聯(lián)組成，每個半橋子模塊包括并聯(lián)的IGBT模塊支路和電容器支路，所述IGBT模塊支路由串聯(lián)的IGBT模塊組成，每個IGBT模塊由IGBT器件以及與其反并聯(lián)的二極管組成；其改進(jìn)之處在于，所述方法包括下述步驟:[0007](I)建立半橋子模塊和子模塊組的等效電路和數(shù)學(xué)模型，使等效電路模擬半橋子模塊和半橋子模塊組的三種工作狀態(tài)；每個半橋子模塊組至少包括串聯(lián)的2個半橋子模塊；
[0008](2)對半橋子模塊組的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化，并確定每個橋臂的等效電路和每個橋臂的工作狀態(tài)。
[0009]進(jìn)一步地，所述步驟(1)中，所述半橋子模塊的等效電路包括電流引起的等效損耗電導(dǎo)r、兩個二極管Dp和Dn、開關(guān)SW以及電壓源V。；所述二極管Dp和Dn串聯(lián)后的支路與電壓源V。并聯(lián)，所述開關(guān)SW與二極管Dp并聯(lián)；所述電流引起的等效損耗電阻r連接在二極管Dp和Dn之間；
[0010]所述半橋子模塊的數(shù)學(xué)模型如下:
[0011]
【權(quán)利要求】
1.一種基于半橋子模塊電壓源變流器的建模仿真方法，所述電壓源變流器由三相構(gòu)成，每相由上下兩橋臂構(gòu)成，每個橋臂由半橋子模塊級聯(lián)組成，每個半橋子模塊包括并聯(lián)的IGBT模塊支路和電容器支路，所述IGBT模塊支路由串聯(lián)的IGBT模塊組成，每個IGBT模塊由IGBt器件以及與其反并聯(lián)的二極管組成；其特征在于，所述方法包括下述步驟: (1)建立半橋子模塊和子模塊組的等效電路和數(shù)學(xué)模型，使等效電路模擬半橋子模塊和半橋子模塊組的三種工作狀態(tài)；每個半橋子模塊組至少包括串聯(lián)的2個半橋子模塊； (2)對半橋子模塊組的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化，并確定每個橋臂的等效電路和每個橋臂的工作狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的建模仿真方法，其特征在于，所述步驟(1)中，所述半橋子模塊的等效電路包括電流引起的等效損耗電導(dǎo)r、兩個二極管Dp和Dn、開關(guān)SW以及電壓源V。；所述二極管Dp和Dn串聯(lián)后的支路與電壓源V。并聯(lián)，所述開關(guān)SW與二極管Dp并聯(lián)；所述電流引起的等效損耗電阻r連接在二極管Dp和Dn之間； 所述半橋子模塊的數(shù)學(xué)模型如下:
3.如權(quán)利要求1所述的建模仿真`方法，其特征在于，所述步驟(1)中，所述半橋子模塊的三種工作狀態(tài)包括: 閉鎖狀態(tài):開關(guān)SW打開，S = I ;i > O時，電流流過Dp，子模塊被充電式〈1>，輸出電壓為V。式〈2> ;i < O時，電流流過Dn，輸出電壓為O ;其中i是流過半橋子模塊或半橋子模塊組的電流； 解閉鎖狀態(tài):開關(guān)SW閉合；S = I時,子模塊被投入，電容被充放電式〈1>，輸出電壓為V。式〈2> ;S = O時，子模塊被切除，電容不會被充放電式〈1>，輸出電壓為O，即式〈2> ; 半閉鎖狀態(tài):開關(guān)SW打開，i < O,電流流過Dn，輸出電壓為0;i>0且S = O時，輸出電壓為0，即式〈2>，電容不會被充電式〈1> ;i >0且S= I時，輸出電壓為V。，即式〈2>，電容被充電式〈1>。
4.如權(quán)利要求1所述的建模仿真方法，其特征在于，所述步驟(1)中，半橋子模塊組的等效電路I包括各子模塊中電流引起的等效損耗電阻之和R、兩個二極管Dp和Dn、開關(guān)Sff以及電壓源V02……Von ;所述二極管Dp和Dn串聯(lián)后的組成二級管支路；電壓源V02……Von串聯(lián)后組成電壓源支路；所述二級管支路與電壓源支路并聯(lián)；所述開關(guān)SW與二極管Dp并聯(lián)；所述各子模塊中電流引起的等效損耗電阻R連接在二極管Dp和Dn之間； 所述半橋子模塊組的等效電路I的數(shù)學(xué)模型如下:
5.如權(quán)利要求1所述的建模仿真方法，其特征在于，所述步驟(1)中，半橋子模塊組的等效電路II包括各子模塊中電流引起的等效損耗電阻之和R、兩個二極管Dp和Dn、開關(guān)SW以及電壓源；所述二極管Dp和Dn串聯(lián)后的組成的支路與電壓源Vra并聯(lián)；所述開關(guān)SW與二極管Dp并聯(lián)；所述各半橋子模塊中電流引起的等效損耗電阻R連接在二極管Dp和Dn之間； (一)半橋子模塊組的等效電路II的數(shù)學(xué)模型I如下:

6.如權(quán)利要求1所述的建模仿真方法，其特征在于，所述步驟(2)中，對半橋子模塊組的數(shù)學(xué)模型II簡化如下: 式〈6>改寫為:
7.如權(quán)利要求1所述的建模仿真方法，其特征在于，所述步驟(2)中，每個橋臂的等效電路包括兩個二極管D1和D2、開關(guān)SW和可控電壓源V。；所述二極管D1和D2串聯(lián)后的支路與可控電壓源V。并聯(lián)；所述開關(guān)SW與二極管D1并聯(lián)； 每個橋臂的工作狀態(tài)如下: 當(dāng)流過橋臂的電流i > O時，橋臂輸出電壓為子模塊電容電壓之和，每個子模塊都將會被流過橋臂的電流i充電，令調(diào)至比m= I ;當(dāng)流過橋臂的電流i < O時，所有的子模塊電容全都被旁路，加入一個二極管，將可控電壓源旁路，橋臂的簡化等效電路能夠?qū)虮鄣拈]鎖狀態(tài)和解閉鎖狀態(tài)進(jìn)行仿真，可控電壓源和可控電流源的表達(dá)式如式〈15>所示:

【文檔編號】G06F19/00GK103838966SQ201410067803
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】郭高朋, 溫家良, 尤夏, 吳廣祿, 楊杰, 藥韜 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院