本發(fā)明涉及變流器仿真技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種模塊化多電平變流器快速電磁暫態(tài)仿真方法及裝置。
背景技術(shù):
在高壓大容量電力電子變流器領(lǐng)域,模塊化多電平變流器因其具備諧波特性好、模塊化設(shè)計、控制靈活等特點,已在柔性直流輸電、柔性交流輸電、電機變頻驅(qū)動等場合得到了廣泛應(yīng)用。對模塊化多電平變流器進行電磁暫態(tài)仿真研究,是研究模塊化多電平變流器的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)特性、確定主要元器件參數(shù)、設(shè)計控制保護策略的重要途徑,因此仿真研究的準確性需要得到保證。
為準確進行模塊化多電平變流器的仿真,一種現(xiàn)有的仿真模型是在PSCAD或MATLAB等仿真軟件中,按照模塊化多電平變流器的電路結(jié)構(gòu),搭建由開關(guān)器件、電容、電感構(gòu)成的詳細仿真模型。然而,模塊化多電平變流器本身往往由多達上百個子模塊構(gòu)成,詳細仿真模型的節(jié)點數(shù)過多,導致仿真速度非常慢,嚴重影響了仿真效率。為在盡可能保證仿真準確度的前提下,提高仿真速度,需要搭建模塊化多電平變流器的快速電磁暫態(tài)仿真模型。
目前已有文獻提出的快速電磁暫態(tài)仿真模型包括兩大類。一大類是戴維南等效模型,首先將子模塊電路等效為受控電壓源和電阻的串聯(lián)電路,進而將整個橋臂電路簡化,從而提高仿真效率。戴維南模型能夠準確反映子模塊級的電路特性,仿真準確度高,且能夠驗證電容均壓算法的有效性,但仿真時間會隨子模塊數(shù)目的增加而增加。另一大類則是平均值模型,在假設(shè)各子模塊電容電壓已實現(xiàn)均壓的前提下,將橋臂直接等效為受控電壓源和電阻的串聯(lián)支路,并通過子模塊電容的微分方程計算子模塊電容電壓平均值。由于不需要對每個子模塊單獨建模,平均值模型具備比戴維南模型更快的仿真速度,且能夠準確反映橋臂級的電氣量,包括橋臂電流、子模塊電容電壓等電氣量,但其無法反映子模塊內(nèi)部的電氣量,無法仿真少數(shù)子模塊故障下變流器的行為,也無法驗證電容均壓算法的有效性。在不需要分析子模塊級電氣量的應(yīng)用場合中,采用平均值模型具備更高的仿真效率。
然而,現(xiàn)有文獻提出的平均值模型中,針對不同類型的子模塊,需要根據(jù)子模塊內(nèi)部開關(guān)器件的連接關(guān)系,設(shè)計不同的閥段等效電路,其通用性差。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
基于此,有必要提供一種通用性好的模塊化多電平變流器快速電磁暫態(tài)仿真方法及裝置。
一種模塊化多電平變流器快速電磁暫態(tài)仿真方法,包括:
將模塊化多電平變流器中的每個橋臂中的至少一個閥段等效為閥段等效電路;
其中,每個所述橋臂包括至少兩個串聯(lián)的所述閥段,每個所述閥段包括至少兩個串聯(lián)的子模塊,每個所述閥段內(nèi)部的子模塊的類型相同;所述閥段等效電路包括第一二極管、第二二極管、第一受控電壓源、第二受控電壓源、第三受控電壓源;所述第一二極管的陽極與所述第二二極管的陰極相連的公共端作為所述閥段等效電路的正極端;所述第一二極管的陰極與所述第一受控電壓源的正極相連,所述第二二極管的陽極與所述第二受控電壓源的正極相連,所述第一受控電壓源的負極、所述第二受控電壓源的負極及所述第三受控電壓源的正極相連的公共端作為所述閥段等效電路的中點;所述第三受控電壓源的負極作為所述閥段等效電路的負極端。
一種模塊化多電平變流器快速電磁暫態(tài)仿真裝置,包括:
模型轉(zhuǎn)換模塊,用于將模塊化多電平變流器中的每個橋臂中的至少一個閥段等效為閥段等效電路;
其中,每個所述橋臂包括至少兩個串聯(lián)的所述閥段,每個所述閥段包括至少兩個串聯(lián)的子模塊,每個所述閥段內(nèi)部的子模塊的類型相同;所述閥段等效電路包括第一二極管、第二二極管、第一受控電壓源、第二受控電壓源、第三受控電壓源;所述第一二極管的陽極與所述第二二極管的陰極相連的公共端作為所述閥段等效電路的正極端;所述第一二極管的陰極與所述第一受控電壓源的正極相連,所述第二二極管的陽極與所述第二受控電壓源的正極相連,所述第一受控電壓源的負極、所述第二受控電壓源的負極及所述第三受控電壓源的正極相連的公共端作為所述閥段等效電路的中點;所述第三受控電壓源的負極作為所述閥段等效電路的負極端。
上述模塊化多電平變流器快速電磁暫態(tài)仿真方法及裝置,將模塊化多電平變流器中的每個橋臂中的至少一個閥段等效為閥段等效電路;結(jié)合能量平衡原理可以將所述閥段內(nèi)部子模塊的動態(tài)特性通過受控電壓源的控制電壓來體現(xiàn),可以減少變流器節(jié)點數(shù),從而提升仿真速度;同時,只需要改變決定受控電壓源的控制電壓中的少量參數(shù),即可在不改變主回路電路結(jié)構(gòu)的前提下,準確反映閥段內(nèi)部電氣量的暫態(tài)特性和高頻特性。因此,通過上述方法及裝置得到的閥段等效電路適用于基于不同類型的子模塊的模塊化多電平變流器,具備良好的通用性。
附圖說明
圖1為一實施例的模塊化多電平變流器快速電磁暫態(tài)仿真方法的流程圖;
圖2為模塊化多電平變流器的一個橋臂的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3為圖2的橋臂的一個閥段的閥段等效電路的電路圖;
圖4為雙星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器的結(jié)構(gòu)圖;
圖5為單星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器的結(jié)構(gòu)圖;
圖6為半橋子模塊電路結(jié)構(gòu)圖;
圖7為全橋子模塊電路結(jié)構(gòu)圖;
圖8為箝位雙子模塊電路結(jié)構(gòu)圖;
圖9為箝位單子模塊電路結(jié)構(gòu)圖;
圖10為正對角橋子模塊電流結(jié)構(gòu)圖;
圖11為負對角橋子模塊電路結(jié)構(gòu)圖;
圖12為一實施例的模塊化多電平變流器快速電磁暫態(tài)仿真裝置的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
為了便于理解本發(fā)明,下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳的實施例。但是,本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn),并不限于本文所描述的實施例。相反地,提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。
除非另有定義,本文所使用的所有的技術(shù)和科學術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施例的目的,不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“或/及”包括一個或多個相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。
請參閱圖1至圖3,一實施方式的模塊化多電平變流器快速電磁暫態(tài)仿真方法,包括:
S110:將模塊化多電平變流器中的每個橋臂中的至少一個閥段等效為閥段等效電路;
其中,每個橋臂包括至少兩個串聯(lián)的閥段,每個所述閥段包括至少兩個串聯(lián)的子模塊,每個所述閥段內(nèi)部的子模塊的類型相同;閥段等效電路包括第一二極管D31、第二二極管D32、第一受控電壓源V31、第二受控電壓源V32、第三受控電壓源V33;第一二極管D31的陽極與第二二極管D32的陰極相連的公共端作為閥段等效電路的正極端;第一二極管D31的陰極與第一受控電壓源V31的正極相連,第二二極管D32的陽極與第二受控電壓源V32的正極相連,第一受控電壓源V31的負極、第二受控電壓源V32的負極及第三受控電壓源V33的正極相連的公共端作為閥段等效電路的中點M;第三受控電壓源V33的負極作為閥段等效電路的負極端。
上述模塊化多電平變流器快速電磁暫態(tài)仿真方法,將模塊化多電平變流器中的每個橋臂中的至少一個閥段等效為閥段等效電路;結(jié)合能量平衡原理可以將所述閥段內(nèi)部子模塊的動態(tài)特性通過受控電壓源的控制電壓來體現(xiàn),可以減少變流器節(jié)點數(shù),從而提升仿真速度;同時,只需要改變決定受控電壓源的控制電壓中的少量參數(shù),即可在不改變主回路電路結(jié)構(gòu)的前提下,準確反映閥段內(nèi)部電氣量的暫態(tài)特性和高頻特性。因此,通過上述方法得到的閥段等效電路適用于基于不同類型的子模塊的模塊化多電平變流器,具備良好的通用性。
在一個具體實施例中,橋臂由至少兩個串聯(lián)的閥段構(gòu)成;每個閥段由若干相同類型的子模塊串聯(lián)構(gòu)成。
可以理解地,模塊化多電平變流器中的每個橋臂中的至少一個閥段等效為閥段等效電路,其它閥段可以采用傳統(tǒng)的方式、等效為詳細仿真模型,詳細仿真模型包括開關(guān)器件、電容及電感。
優(yōu)選地,模塊化多電平變流器中的每個橋臂中的每個閥段均等效為閥段等效電路。如此,將通用的閥段等效電路擴大到通用的橋臂等效模型。
請參閱圖4,在其中一個實施例中,模塊化多電平變流器為雙星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器。
雙星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器包括:三個相單元電路,具體地,分別為A相單元電路、B相單元電路及C相單元電路。每個相單元包括橋臂、上電抗器和下電抗器,橋臂包括上橋臂和下橋臂;上橋臂的正極端作為相單元的直流側(cè)出線正極端,上橋臂的負極端與上電抗器的一端相連;上電抗器的另一端與下電抗器的一端相連的公共端,作為相單元的交流側(cè)出線端。具體地,三個相單元的交流側(cè)出線端分別為A相交流出線端Ag、B相交流出線端Bg、C相交流出線端Cg。下電抗器的另一端與下橋臂的正極端相連,下橋臂的負極端為相單元的直流側(cè)出線負極端;三個相單元的直流側(cè)出線正極端相連,形成雙星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器的直流側(cè)正極DC+;三個相單元的直流側(cè)出線負極端相連,形成雙星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器的直流側(cè)負極DC-。可以理解的,上電抗器、下電抗器即為電感。
請參閱圖5,在其中一個實施例中,模塊化多電平變流器為單星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器。
單星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器包括:三個相單元電路,具體地,分別為A相單元電路、B相單元電路及C相單元電路。每個相單元包括橋臂和電抗器;電抗器的一端作為相單元的交流側(cè)出線端。具體地,三個相單元的交流側(cè)出線端分別為A相交流出線端Ag、B相交流出線端Bg、C相交流出線端Cg。電抗器的另一端與橋臂的正極端相連,橋臂的負極端作為相單元的接地端;三個相單元的接地端相連的公共端接地。在本實施例中,電抗器即為電感。
請繼續(xù)參閱圖1,將模塊化多電平變流器中的每個橋臂中的至少一個閥段等效為閥段等效電路的步驟之后,還包括:
S120:獲取閥段中的子模塊電容(記為C)、子模塊電容電壓初始值(記為uc0)及子模塊開關(guān)器件導通電阻(記為Ron)。
子模塊電容、子模塊電容電壓初始值及子模塊開關(guān)器件導通電阻的獲取的方式,可以是從詳細仿真模型中獲取;也可以通過接收用戶輸入的方式獲取,還可以通過到預(yù)設(shè)存儲位置讀取的方式獲取。
S130:獲取閥段中的子模塊類型,并根據(jù)子模塊類型及子模塊開關(guān)器件導通電阻確定子模塊參數(shù)。具體地,子模塊參數(shù)包括:
在流過子模塊的電流為正時,子模塊能夠輸出的最大正電平數(shù),記為Lmax+;
在流過子模塊的電流為正時,子模塊能夠輸出的最小負電平數(shù),記為Lmin+;
在流過子模塊的電流為負時,子模塊能夠輸出的最大正電平數(shù),記為Lmax-;
在流過子模塊的電流為負時,子模塊能夠輸出的最小負電平數(shù),記為Lmin-;
在流過子模塊的電流為正,且子模塊閉鎖時,子模塊輸出的電平數(shù),記為Lb+;
在流過子模塊的電流為負,且子模塊閉鎖時,子模塊輸出的電平數(shù),記為Lb-;
在流過子模塊的電流為正,且子模塊正常工作時,子模塊的電阻,記為Rn+;
在流過子模塊的電流為負,且子模塊正常工作時,子模塊的電阻,記為Rn-;
在流過子模塊的電流為正,且子模塊閉鎖時,子模塊的電阻,記為Rb+;
在流過子模塊的電流為負,且子模塊閉鎖時,子模塊的電阻,記為Rb-。
子模型參數(shù)的獲取方式,可以是從詳細仿真模型中獲??;也可以通過接收用戶輸入的方式獲取,還可以通過到預(yù)設(shè)存儲位置讀取的方式獲取。
S140:獲取以從閥段的正極端流向負極端為正方向的實時閥段電流(記為iarm(t)),并獲取閥段的正極端相對閥段中點的實時電位差(記為uarm(t))。
實時閥段電流及實時電位差的獲取方式,可以是從詳細仿真模型中獲取;也可以通過接收用戶輸入的方式獲取,還可以通過到預(yù)設(shè)存儲位置讀取的方式獲取。
S150:根據(jù)預(yù)設(shè)的變流器控制策略確定閥段的實時工作狀態(tài)(記為Sop(t)),以及在實時工作狀態(tài)為正常工作狀態(tài)時,所需輸出的電平數(shù)(記為Nin(t))。
變流器控制策略包括電流控制策略、調(diào)制策略以及閥段間均壓控制策略。本實施例以一種可行方案為例進行說明。若變流器處于正常工作狀態(tài),則每個橋臂的工作狀態(tài)函數(shù)Sop(t)=1;若變流器檢測交流故障、直流故障或內(nèi)部故障,需要閉鎖某個橋臂,則該橋臂的工作狀態(tài)函數(shù)Sop(t)=0。若變流器處于正常工作狀態(tài),實時檢測變流器x(x=A,B,C)相的網(wǎng)側(cè)電流ix(t),將網(wǎng)側(cè)電流參考值ixr(t)與實際值ix(t)的差值通過比例積分控制器,計算得到變流器x相參考電壓ux(t);變流器x相上橋臂的參考電壓uxu(t)可計算為uxu(t)=Udc/2-ux(t),變流器x相下橋臂的參考電壓uxl(t)可計算為uxl(t)=Udc/2+ux(t)。采用最近電平逼近策略,可計算得到x相上橋臂需輸出的電平數(shù)Nxu(t)滿足Nxu(t)=round(uxu(t))/Uc,x相下橋臂需輸出的電平數(shù)Nxl(t)滿足Nxl(t)=round(uxl(t))/Uc,其中round函數(shù)為最近取整函數(shù),Uc為子模塊電容器額定電壓。對于一個橋臂中的多個閥段,實時計算各閥段中子模塊電容電壓平均值,并采用排序均壓的算法確定各閥段所需輸出的電平數(shù)。
S160:獲取閥段中的子模塊數(shù)量(記為N),并根據(jù)子模塊數(shù)量、子模塊電容、實時電位差、實時閥段電流及子模塊電容電壓初始值確定閥段的子模塊的電容電壓的平均值(記為uc(t))。
具體地,確定公式為:
S170:根據(jù)子模塊的電容電壓的平均值、實時工作狀態(tài)、子模塊數(shù)量及子模塊參數(shù)確定第一受控電壓源的控制電壓(記為uarm+)及第二受控電壓源的控制電壓(記為uarm-)。
具體地,第一受控電壓源的控制電壓uarm+的確定公式為:
uarm+=N+(t)uc(t),其中:
第二受控電壓源的控制電壓uarm-的確定公式為:
uarm+=N-(t)uc(t),其中:
Sop(t)=1表示該閥段處于正常工作狀態(tài),Sop(t)=0表示該閥段處于閉鎖狀態(tài)。
在一個具體實施例中,通過限幅環(huán)節(jié)限制在實時工作狀態(tài)為正常工作狀態(tài)時,所需輸出的電平數(shù)。具體地:
當iarm>0時,NLmin+≤Nin(t)≤NLmax+;
當iarm<0時,NLmin-≤Nin(t)≤NLmax-。
S180:根據(jù)實時閥段電流、實時工作狀態(tài)、子模塊數(shù)量及子模塊參數(shù)確定第三受控電壓源的控制電壓(記為uR)。
第三受控電壓源的受控電壓uR的計算公式為:
uR=iarm(t)Rarm,其中:
Sop(t)=1表示該閥段處于正常工作狀態(tài),Sop(t)=0表示該閥段處于閉鎖狀態(tài)。
在其中一個實施例中,子模塊的類型包括半橋子模塊,其結(jié)構(gòu)如圖6所示;全橋子模塊,其結(jié)構(gòu)如圖7所示;箝位雙子模塊,其結(jié)構(gòu)如圖8所示;箝位單子模塊,其結(jié)構(gòu)如圖9所示;正對角橋子模塊,其結(jié)構(gòu)如圖10所示;及負對角橋子模塊,其結(jié)構(gòu)如圖11所示。根據(jù)子模塊類型及子模塊開關(guān)器件導通電阻按照下表確定子模塊參數(shù)。
如,當子模塊的類型為半橋子模塊時,Lmax+、Lmax-、Lb+確定為1;Lmin+、Lmin-、Lb-確定為0;Rn+、Rn-、Rb+及Rb-確定為Ron。
可以理解地,在對于未包含在上述表中的類型的子模塊,可以通過人工分析的方式確定子模塊參數(shù)。通過接收輸入的子模塊參數(shù)的方式確定子模塊參數(shù)。
具體地,人工分析時,Lmax+、Lmin+、Lmax-、Lmin-、Lb+、Lb-可通過分析子模塊的電路結(jié)構(gòu)確定;Rn+、Rn-、Rb+、Rb-可通過下述方式確定:
在流過電流為正時,令子模塊工作于輸出0電平的狀態(tài),計算電流流過的開關(guān)器件所構(gòu)成的電路的總電阻,即為Rn+。
在流過電流為負時,令子模塊工作于輸出0電平的狀態(tài),計算電流流過的開關(guān)器件所構(gòu)成的電路的總電阻,即為Rn-。
在流過電流為正時,令子模塊工作于閉鎖狀態(tài),計算電流流過的開關(guān)器件所構(gòu)成的電路的總電阻,即為Rb+。
在流過電流為負時,令子模塊工作于閉鎖狀態(tài),計算電流流過的開關(guān)器件所構(gòu)成的電路的總電阻,即為Rb-。
請參閱圖12,本發(fā)明還提供一種與上述模塊化多電平變流器快速電磁暫態(tài)仿真方法對應(yīng)的模塊化多電平變流器快速電磁暫態(tài)仿真裝置,包括:
模型轉(zhuǎn)換模塊210,用于將模塊化多電平變流器中的每個橋臂中的至少一個閥段等效為閥段等效電路;
其中,每個所述橋臂包括至少兩個串聯(lián)的所述閥段,每個所述閥段包括至少兩個串聯(lián)的子模塊,每個所述閥段內(nèi)部的子模塊的類型相同;所述閥段等效電路包括第一二極管、第二二極管、第一受控電壓源、第二受控電壓源、第三受控電壓源;所述第一二極管的陽極與所述第二二極管的陰極相連的公共端作為所述閥段等效電路的正極端;所述第一二極管的陰極與所述第一受控電壓源的正極相連,所述第二二極管的陽極與所述第二受控電壓源的正極相連,所述第一受控電壓源的負極、所述第二受控電壓源的負極及所述第三受控電壓源的正極相連的公共端作為所述閥段等效電路的中點;所述第三受控電壓源的負極作為所述閥段等效電路的負極端。
在其中一個實施例中,所述模塊化多電平變流器為雙星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器;
所述雙星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器包括:三個相單元電路,每個相單元包括橋臂、上電抗器和下電抗器,所述橋臂包括上橋臂和下橋臂;所述上橋臂的正極端作為相單元的直流側(cè)出線正極端,所述上橋臂的負極端與所述上電抗器的一端相連;所述上電抗器的另一端與所述下電抗器的一端相連的公共端,作為相單元的交流側(cè)出線端;所述下電抗器的另一端與所述下橋臂的正極端相連,所述下橋臂的負極端為相單元的直流側(cè)出線負極端;三個相單元的直流側(cè)出線正極端相連,形成所述雙星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器的直流側(cè)正極;三個相單元的直流側(cè)出線負極端相連,形成所述雙星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器的直流側(cè)負極。
在其中一個實施例中,所述模塊化多電平變流器為單星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器;
所述單星接結(jié)構(gòu)模塊化多電平變流器包括:三個相單元電路,每個相單元包括橋臂和電抗器;所述電抗器的一端作為相單元的交流側(cè)出線端,所述電抗器的另一端與所述橋臂的正極端相連,所述橋臂的負極端作為相單元的接地端;三個相單元的接地端相連的公共端接地。
在其中一個實施例中,還包括:
第一參數(shù)獲取模塊220,用于獲取所述閥段中的子模塊電容、子模塊電容電壓初始值及子模塊開關(guān)器件導通電阻;
第二參數(shù)獲取模塊230,用于獲取所述閥段中的子模塊類型,并根據(jù)所述子模塊類型及所述子模塊開關(guān)器件導通電阻確定子模塊參數(shù);
第三參數(shù)獲取模塊240,用于獲取以從所述閥段的正極端流向負極端為正方向的實時閥段電流,并獲取所述閥段的正極端相對閥段中點的實時電位差;
狀態(tài)電平確定模塊250,用于根據(jù)預(yù)設(shè)的變流器控制策略確定所述閥段的實時工作狀態(tài),以及在所述實時工作狀態(tài)為正常工作狀態(tài)時,所需輸出的電平數(shù);
電壓均值確定模塊260,用于獲取所述閥段中的子模塊數(shù)量,并根據(jù)所述子模塊數(shù)量、所述子模塊電容、所述實時電位差、所述實時閥段電流及所述子模塊電容電壓初始值確定所述閥段的子模塊的電容電壓的平均值;
第一電壓確定模塊270,用于根據(jù)所述平均值、所述實時工作狀態(tài)、所述子模塊數(shù)量及所述子模塊參數(shù)確定所述第一受控電壓源的控制電壓及所述第二受控電壓源的控制電壓;
第二電壓確定模塊280,用于根據(jù)所述實時閥段電流、所述實時工作狀態(tài)、所述子模塊數(shù)量及所述子模塊參數(shù)確定所述第三受控電壓源的控制電壓。
在其中一個實施例中,所述子模塊的類型包括半橋子模塊、全橋子模塊、箝位雙子模塊、箝位單子模塊、正對角橋子模塊及負對角橋子模塊。
由于上述裝置與上述方法對應(yīng),因此,對于裝置的細節(jié)技術(shù)特征不再一一贅述。
以上實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式,其描述較為具體和詳細,但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是,對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下,還可以做出多個變形和改進,這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此,本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。