鉗位雙子模塊型mmc電磁暫態(tài)等效方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于電力系統(tǒng)模型仿真與控制領域，尤其涉及一種鉗位雙子模塊型MMC電磁暫態(tài)等效方法。首先根據(jù)觸發(fā)信號EN的不同，將CDSM運行狀態(tài)分為正常運行狀態(tài)與閉鎖狀態(tài)；在正常運行狀態(tài)跳入閉鎖狀態(tài)中加入了過渡狀態(tài)；在EN＝1時，判斷CDSM處于正常運行狀態(tài)下，將CDSM等效為2個HBSM，完全按照HBSM的等效方法來等效。在EN＝0時，首先判斷其上一時刻是否為正常運行狀態(tài)，若是，則其跳入過渡狀態(tài)，按照過渡狀態(tài)的判斷邏輯確定可變電阻的大??；若否，則其正式進入閉鎖狀態(tài)，按照閉鎖狀態(tài)的判斷邏輯確定可變電阻的大小。本發(fā)明通過降低系統(tǒng)節(jié)點數(shù)，在保持仿真精度的基礎上，有效提高了CDSM?MMC的仿真速度。
【專利說明】
錯位雙子模塊型MMC電磁誓態(tài)等效方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)運行與控制技術領域，設及一種錯位雙子模塊型MMC電磁暫 態(tài)等效方法。
【背景技術】
[0002] 模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于其輸出電平高、 諧波含量少W及可獨立控制有功功率、無功功率而得到了廣泛應用。其子模塊有=種:半橋 子模塊化alf bridge sub-module,皿SM)、錯位雙子模塊（clamp double sub-module, CDSM)、全橋子模塊(化11 bridge sub-module，F(xiàn)BSM)。現(xiàn)今研究較多的為拓撲結果簡單的 皿SM,但由于其無法隔離直流側故障，往往需要在交流側設置斷路器，增加了工程成本。而 CDSM由于其可通過閉鎖隔離直流側故障，且相較于FBSM，在實現(xiàn)相同電平數(shù)所需要增加的 IBGT要少得多，從而實現(xiàn)了經(jīng)濟性與功能性的平衡而成為新的研究熱點。
[0003] 但在利用PSCAD/EMTDC進行研究時，當所搭建的S端CDSM-MMC系統(tǒng)電平數(shù)達到21 電平時，發(fā)現(xiàn)仿真1秒所需的時間竟達到了 3個小時，嚴重影響了研究效率。
[0004] 為了解決CDSM-MMC仿真速度慢的問題，提出了一種錯位雙子模塊的匪C電磁暫態(tài) 等效模型。

【發(fā)明內容】

[000引為了解決CDSM-MMC仿真速度慢的問題，提出了一種錯位雙子模塊型匪C電磁暫態(tài) 等效方法，其特征在于，該錯位雙子模塊即CDSM的工作狀態(tài)根據(jù)觸發(fā)信號EN的不同分為正 常運行狀態(tài)與閉鎖狀態(tài)，閉鎖狀態(tài)又分為四個子狀態(tài)，分別為串聯(lián)充電狀態(tài)、串聯(lián)大電阻狀 態(tài)、并聯(lián)充電狀態(tài)W及并聯(lián)大電阻狀態(tài)；
[0006] 所述方法包括
[0007] 步驟1、根據(jù)觸發(fā)信號EN的不同，判斷此時CDSM所處的狀態(tài)；規(guī)定觸發(fā)信號EN=I 時，CDSM處于正常運行狀態(tài)，一個CDSM等效為兩個皿SM; EN=0時，CDSM處于閉鎖運行狀態(tài)； [000引步驟2、在CDSM由正常運行狀態(tài)跳入閉鎖狀態(tài)之前先進入過渡狀態(tài)；
[0009] 步驟3、在閉鎖運行狀態(tài)時，根據(jù)流經(jīng)CDSM的電流iarm( t)的正負、CDSM端電壓與電 容電壓的大小關系判斷CDSM處于閉鎖狀態(tài)的哪一個子狀態(tài)。
[0010] 所述步驟2中的過渡狀態(tài)具體為
[0011] 設置 S 個標志位 f lag，f lag_l 和 f lag_2;
[001 ^ 當〔051第一次進入閉鎖狀態(tài)時，flag = I，此時滿足flag〉0，CDSM進入過渡狀態(tài)；
[0013] 若iarm(t)〉0,則判斷CDSM是否已經(jīng)進入過過渡狀態(tài)的負向充電狀態(tài)，若flag_l〉0， 表示CDSM未曾進入過渡狀態(tài)的負向充電狀態(tài)，CDSM進入過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，并且令 f lag_2 = -l，使CDSM不進入過渡狀態(tài)的反向充電狀態(tài);若f lag_K0，則表示CDSM已經(jīng)進入過 過渡狀態(tài)的負向充電狀態(tài)，令f lag = -1，跳出此過渡狀態(tài)；
[0014] 若iarm(t)<0,則判斷CDSM是否已經(jīng)進入過過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，若flag_2〉0， 表示CDSM未曾進入過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，CDSM進入過渡狀態(tài)的負向充電狀態(tài)，并且令 f lag_l = -1，使CDSM不跳入過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，若f lag_2<0，則表示CDSM已經(jīng)進入過 過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，令f lag = -1，結束過渡狀態(tài)。
[0015] 所述步驟3中判斷CDSM處于閉鎖狀態(tài)的哪一個子狀態(tài)的具體過程為
[0016] a)、當iarm( t)〉0時，當CDSM端電壓Ui〉Uceq時，整個CDSM等效為兩個皿SM串聯(lián)充電狀 態(tài)；當Ui<Uceq時，整個CDSM等效為兩個皿SM串聯(lián)大電阻狀態(tài)；
[0017] 其中，Ucl為電容Cl的電壓，Uc2為電容C2的電壓，中間變量Uceq = Ucl+Uc2;
[001引 b)、當iarm( t)<0時，I Ui I〉Uc' eq時，CDSM等效為兩個皿SM并聯(lián)充電狀態(tài)；當I Ui I <Uc' eq 時，CDSM等效為兩個皿SM并聯(lián)大電阻狀態(tài);其中，中間變量UcZeq= (Uc1+Uc2)/2。
[0019]有益效果
[0020]本發(fā)明提出了一種錯位雙子模塊的MMC電磁暫態(tài)等效方法，先將CDSM的運行狀態(tài) 分為正常運行狀態(tài)與閉鎖狀態(tài)。在正常狀態(tài)下按照皿SM的等效原理，在閉鎖狀態(tài)下根據(jù)橋 臂電流、CDSM外部電壓與電容電壓的大小比較來確定其精確處于的狀態(tài)，從而進行等效。本 發(fā)明在不降低精度的條件下，加快PSCAD/EMTDC中CDSM-MMC的仿真速度。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明方法流程圖；
[0022] 圖2為CDSM結構圖；
[0023] 圖3為CDSM等效成兩個皿SM的示意圖；
[0024] 圖4為皿SM等效示意圖；
[00巧]圖5為正常狀態(tài)下皿SM可變電阻化、化判斷邏輯流程圖；
[00%] 圖6a~b為CDSM閉鎖等效示意圖，圖6a為iarm(t)〉0時的閉鎖等效示意圖，圖化為 iarm(t)<0時的閉鎖等效示意圖；
[0027]圖7為等效皿SM計算流程圖；
[002引圖8為過渡狀態(tài)可變電阻Ri、R/、R2、R2/判斷邏輯流程圖；
[0029] 圖9為CDSM閉鎖狀態(tài)下可變電阻Ri、R/、R2、R2/判斷邏輯流程圖；
[0030] 圖IOa~b為PSCAD/EMTDC中等效CDSM模型及其輸入界面；圖IOa為PSCAD/EMTDC中 等效CDSM模型，圖IOb為PSCAD/EMTDC中等效CDSM模型的輸入界面；
[0031] 圖Ila~d為等效CDSM與器件模型仿真精度對比圖，圖Ila為電容電壓對比圖，圖 1化為有功功率對比圖，圖11C為無功功率對比圖，圖1 Id為控制信號對比圖。
【具體實施方式】
[0032] 本發(fā)明提出了一種錯位雙子模塊的MMC電磁暫態(tài)等效方法，其具體步驟包括：
[00削步驟1、根據(jù)觸發(fā)信號EN的不同，判斷此時CDSM所處的狀態(tài)；規(guī)定觸發(fā)信號EN=I 時，CDSM處于正常運行狀態(tài)，一個CDSM等效為兩個皿SM; EN=0時，CDSM處于閉鎖運行狀態(tài)；
[0034] 步驟2、在CDSM由正常運行狀態(tài)跳入閉鎖狀態(tài)之前先進入過渡狀態(tài)；
[0035] 步驟3、在閉鎖運行狀態(tài)時，根據(jù)流經(jīng)CDSM的電流iarm( t)的正負、CDSM端電壓與電 容電壓的大小關系判斷CDSM處于閉鎖狀態(tài)的哪一個子狀態(tài)。
[0036] CDSM結構如圖2所示，在正常運行狀態(tài)下，巧恒保持導通，Tl與T2，T3與T4觸發(fā)信號 互補。當Tl導通，T2關斷時，電容Cl處于投入狀態(tài);反之，電容Cl處于切除狀態(tài)。當T3關斷，T4 導通時，電容C2處于投入狀態(tài);反之，電容C2處于切除狀態(tài)。規(guī)定觸發(fā)信號EN=I時，CDSM處 于正常運行狀態(tài);EN=O時，CDSM處于閉鎖運行狀態(tài)。
[0037] 由W上分析可W看出，在正常運行狀態(tài)，一個CDSM根據(jù)IGBT觸發(fā)信號的不同，可W 輸出0/1/2電平，其效果與兩個皿SM級聯(lián)完全相同。Tl、T2、D1、D2和Cl構成第一個皿SM, T3、 T4、D3、D4和C2構成第二個皿SM,如圖3所示，對于CDSM，當T4導通，T3閉鎖時，電容C2投入;而 對于第二個皿SM,當T3導通，T4閉鎖時，電容C2導通。所W，正常情況下的等效，要將第二個 皿SM的觸發(fā)信號取反才能夠與CDSM完全契合。
[0038] 皿SM等效過程如圖4所示，此等效方法將IGBT與反并聯(lián)二極管等效為可變電阻，其 中
[0039
[0040
[0041 斌
[0042
[0043
[0044
[0045 (7)
[0046J 當Ri為小電阻，R2為大電阻時，電容處于投入狀態(tài)；當Ri為大電阻，R2為小電阻時， 電容處于切除狀態(tài)?？勺冸娮鑂i、R2的判斷如圖5所示。其中，F(xiàn)(i)為IGBT觸發(fā)信號，F(xiàn)(i) = l 時，表示電容投入運行;F(i) = 0時，表示電容切除。之所W在iam(t)<0與F(i) = 0的情況下， 當uc<0時，R功大電阻，R2為小電阻，是為了防止在電容電壓uc<0的情況下，電容仍處于負向 充電，從而出現(xiàn)Uc持續(xù)為負的情形。
[0047] CDSM閉鎖狀態(tài)下，CDSM的所有IGBT的觸發(fā)信號都為0,其等效電路如圖6a~b所示， 設電容Cl的電壓為Ucl，電容C2的電壓為Uc2。
[004引 a)當電流iarm(t)〉0時，如圖6a所示，判斷CDSM端電壓Ui與Uceq = Ucl+Uc2的大小。當Ui 〉Uceq時，此時CDSM等效為兩個皿SM串聯(lián)充電狀態(tài)；當Ui<Uceq時，整個C等效為兩個皿SM串聯(lián) 大電阻狀態(tài)。
[0049] b)當電流iarm(t)<0時，如圖6b所示，此時CDSM端電壓一定為負值，取Ui =-化，取Uceq =(Uc1+Uc2)/2。比較Ui與Uceq的大小，當Ui〉Uceq時，兩個電容處于并聯(lián)充電狀態(tài)；當Ui<Uceq時， CDSM處于并聯(lián)大電阻狀態(tài)。
[(K)加]其中等效CDSM的第一個皿SM的可變電阻假設為化，R2,等效CDSM的第二個皿SM的可 變電阻假設為化/ ,1?/。充電狀態(tài)表不化、R/為小電阻，R2、R2/為大電阻；大電阻狀態(tài)表不化、 Ri'、化、化'均為大電阻。
[0051]過渡狀態(tài)是指CDSM由正常運行狀態(tài)跳入閉鎖狀態(tài)時為了提高仿真精度而加入。 [0化2] 其中，flag，f lag_l和f lag_2是S個標志位。當電路第一次進入閉鎖狀態(tài)時，f lag =1，此時滿足f lag〉0，電路進入過渡狀態(tài)。
[0化3] 若iarm(t)〉0,則進一步判斷CDSM是否已經(jīng)進入過過渡狀態(tài)的負向充電狀態(tài)，若 flag_l〉0,表示CDSM未曾進入過渡狀態(tài)的負向充電狀態(tài)，CDSM進入過渡狀態(tài)的正向充電狀 態(tài)，并且令flag_2 = -l，使CDSM不進入過渡狀態(tài)的反向充電狀態(tài)，若flag_K0,則表示CDSM 已經(jīng)進入過過渡狀態(tài)的負向充電狀態(tài)，令flag = -l，跳出此過渡狀態(tài)；
[0化4] 若iarm(t)<0,則進一步判斷CDSM是否已經(jīng)進入過過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，若 fl ag_2〉0，表示CDSM未曾進入過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，CDSM進入過渡狀態(tài)的負向充電狀 態(tài)，并且令f lag_l =-1，使CDSM不跳入過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，若f lag_2<0，則表示CDSM 已經(jīng)進入過過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，令flag = -l，結束過渡狀態(tài)。
[00對實施例
[0化6] 在PSCAD中搭建了CDSM-MMC 21電平S端模型后，初始時刻觸發(fā)信號EN=I,當t = 2.986s 時，EN=Oo
[0057]當EN=I時，判斷CDSM處于正常運行狀態(tài)，其等效與皿SM等效相同。首先按照附圖1 判斷可變電阻Ri、化的大小，然后按照圖7所示計算流程開始計算。
[0化引當EN = O時，判斷CDSM處于閉鎖狀態(tài)，由于剛從正常運行狀態(tài)進入閉鎖狀態(tài)，此時 CDSM應進入過渡狀態(tài)。此時可變電阻Ri、R2、R/、R2/的判斷邏輯如圖8所示。
[0059] 當根據(jù)圖8所示的判斷邏輯跳出過渡狀態(tài)時，此時CDSM正式進入閉鎖狀態(tài)。此時其 可變電阻Ri、R2、R/、R2/的判斷邏輯如圖9所示。
[0060] 實例:在PSCAD/EMTDC中編寫了實現(xiàn)上述等效CDSM的自定義模塊。自定義模塊如圖 IOa~b所示，圖IOa為PSCAD/EMTDC中等效CDSM模型，圖IOb為PSCAD/EMTDC中等效CDSM模型 的輸入界面;所示。左端輸入為IGBT觸發(fā)信號與EN，右端輸出為子模塊電容電壓。雙擊可W 進入CDSM的設置界面，可W設置CDSM模塊數(shù)與子模塊電容的大小。在本例中，設置CDSM子模 塊數(shù)為10,子模塊電容的大小設置為3000UF。在PSCAD/EMTDC中，將等效模型的精確度與器 件模型相對比，在相同參數(shù)的情況下，其對比結果如圖Ila~d所示，圖Ila為電容電壓對比 圖，圖Ub為有功功率對比圖，圖11C為無功功率對比圖，圖1 Id為控制信號對比圖。
[0061] 由圖11中對比結果可發(fā)現(xiàn)，CDSM等效模型與器件模型在電容電壓控制效果、正常 狀態(tài)與閉鎖狀態(tài)之間切換的模擬精度已符合正常MMC模型的應用精度。且在等效模型與器 件搭建模型功率變化趨勢完全一致，說明了等效模型對于系統(tǒng)直流側故障的隔離作用滿足 精度要求。同時，等效模型在控制器運行效果方面與器件搭建模型保持高度一致，說明了等 效模型對于控制系統(tǒng)具有良好的兼容性。
[0062] 為了驗證本發(fā)明對于仿真提速的有效性，在PSCAD中分別搭建了 21電平單端模型， 雙端模型，=端模型。其與器件模型仿真1秒所需時間如下表所示。
[0063] 表1等效CDSM與器件模型仿真速度對比
[0064]
[0065] 由表1可看出，等效模型在仿真速度方面具有極大的優(yōu)越性。且隨著系統(tǒng)規(guī)模的增 大，等效模型的提速作用越明顯。因等效模型不論電平數(shù)的多寡，反應在系統(tǒng)中只有兩個節(jié) 點。且隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大，其增加的節(jié)點數(shù)大大小于器件模型，所W其仿真速度大大提 高，且隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大，運種作用越是明顯。
【主權項】
1. 鉗位雙子模塊型MMC電磁暫態(tài)等效方法，其特征在于，該鉗位雙子模塊即CDSM的工作 狀態(tài)根據(jù)觸發(fā)信號EN的不同分為正常運行狀態(tài)與閉鎖狀態(tài)，閉鎖狀態(tài)又分為四個子狀態(tài)， 分別為串聯(lián)充電狀態(tài)、串聯(lián)大電阻狀態(tài)、并聯(lián)充電狀態(tài)以及并聯(lián)大電阻狀態(tài)； 所述方法包括 步驟1、根據(jù)觸發(fā)信號EN的不同，判斷此時CDSM所處的狀態(tài)；規(guī)定觸發(fā)信號EN=I時， ⑶SM處于正常運行狀態(tài)，一個⑶SM等效為兩個HBSM; EN=O時，⑶SM處于閉鎖運行狀態(tài)； 步驟2、在CDSM由正常運行狀態(tài)跳入閉鎖狀態(tài)之前先進入過渡狀態(tài)； 步驟3、在閉鎖運行狀態(tài)時，根據(jù)流經(jīng)⑶SM的電流iarm (t)的正負、CDSM端電壓與電容電 壓的大小關系判斷CDSM處于閉鎖狀態(tài)的哪一個子狀態(tài)。2. 根據(jù)權利要求1所述的鉗位雙子模塊型MMC電磁暫態(tài)等效方法，其特征在于，所述步 驟2中的過渡狀態(tài)具體為 設置三個標志位f I ag，f I ag_ 1和f I ag_2; 當⑶SM第一次進入閉鎖狀態(tài)時，flag= 1，此時滿足flag>0，⑶SM進入過渡狀態(tài)； 若ia?(t)>0,則判斷⑶SM是否已經(jīng)進入過過渡狀態(tài)的負向充電狀態(tài)，若flag_l>0,表示 ⑶SM未曾進入過渡狀態(tài)的負向充電狀態(tài)，⑶SM進入過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，并且令flag_ 2 = -1，使⑶SM不進入過渡狀態(tài)的反向充電狀態(tài);若fl ag_l〈0，則表示⑶SM已經(jīng)進入過過渡 狀態(tài)的負向充電狀態(tài)，令f lag = -1，跳出此過渡狀態(tài)； 若1_(〇<0,則判斷CDSM是否已經(jīng)進入過過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，若flag_2>0,表 示CDSM未曾進入過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，CDSM進入過渡狀態(tài)的負向充電狀態(tài)，并且令 flag_l = -l，使⑶SM不跳入過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，若flag_2〈0,則表示⑶SM已經(jīng)進入過 過渡狀態(tài)的正向充電狀態(tài)，令f lag = -1，結束過渡狀態(tài)。3. 根據(jù)權利要求1所述的鉗位雙子模塊型MMC電磁暫態(tài)等效方法，其特征在于，所述步 驟3中判斷CDSM處于閉鎖狀態(tài)的哪一個子狀態(tài)的具體過程為 a) 、當iarm(t)>0時，當CDSM端電壓ui>uceq時，整個CDSM等效為兩個HBSM串聯(lián)充電狀態(tài)；當 出〈11卿時，整個CDSM等效為兩個HBSM串聯(lián)大電阻狀態(tài)； 其中，11。1為電容Cl的電壓，11。2為電容C2的電壓，中間變量Ura3tl = Uc^uc2; b) 、當iarm(t) <0時，I m I >1/ ceq時，CDSM等效為兩個HBSM并聯(lián)充電狀態(tài)； 當I m I〈V ceq時，⑶SM等效為兩個HBSM并聯(lián)大電阻狀態(tài)； 其中，中間變量u\eq= (11。1+11。2)/2。
【文檔編號】H02J3/00GK105956323SQ201610344111
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】劉崇茹, 徐東旭, 王嘉鈺, 王潔聰, 錢康, 康曉華, 張小敏, 韓續(xù)衫, 馬彥宏
【申請人】華北電力大學, 國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院, 國網(wǎng)甘肅省電力公司, 國家電網(wǎng)公司