基于平均模型的mmc電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，其中，所述基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)包括若干個(gè)串聯(lián)的SM，所述SM包括一可控電壓源、一可控電流源和一電容，所述可控電壓源和可控電流源串聯(lián)后與所述電容并聯(lián)；所述受控電流源的電流由SM的輸出電流決定，所述受控電壓源的電壓由子模塊的正負(fù)極電壓決定；通過控制SM的占空比分量控制每個(gè)SM的狀態(tài)，所述狀態(tài)包括正常狀態(tài)和移除狀態(tài)。本發(fā)明可以仿真MMC開關(guān)模型的每個(gè)子模塊里的電壓波動(dòng)情況，本發(fā)明考慮了電壓波動(dòng)對交流側(cè)的影響，并且能夠通過控制使每個(gè)子模塊的電壓波動(dòng)在合理范圍之內(nèi)；該模型可以模擬子模塊正常狀態(tài)以及出現(xiàn)故障被移除的狀態(tài)，通用性強(qiáng)，極大地提高了仿真速度。
【專利說明】
基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及MMC電路結(jié)構(gòu)的建模，尤其是一種基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，MMC在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)的兩電平和三電平VSC-HVDC相比，MMC通過子模塊的串聯(lián)，可以承受更高的電壓，并且輸出電平數(shù)可以隨著子模塊數(shù)的增加而增加，使輸出波形更加光滑。
[0003]由于在高壓直流輸電系統(tǒng)中，MMC的每個(gè)橋臂中有許多子模塊，數(shù)目達(dá)數(shù)百個(gè)，在實(shí)際應(yīng)用前需要對其進(jìn)行仿真，使得能得到合理的控制參數(shù)。但是在傳統(tǒng)的仿真平臺(tái)下對具有高達(dá)數(shù)千個(gè)子模塊的換流器進(jìn)行仿真變得很困難，速度很緩慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:現(xiàn)有技術(shù)存在仿真困難、速度很慢或者算法比較復(fù)雜的缺點(diǎn)，需要對其進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。
[0005]為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)，包括若干個(gè)串聯(lián)的SM (子模塊，下同)，所述SM包括一可控電壓源、一可控電流源和一電容，所述可控電壓源和可控電流源串聯(lián)后與所述電容并聯(lián);所述受控電流源的電流由SM的輸出電流決定，所述受控電壓源的電壓由子模塊的正負(fù)極電壓決定;通過控制SM的占空比分量控制每個(gè)SM的狀態(tài)，所述狀態(tài)包括正常狀態(tài)和移除狀態(tài)。
[0006]所述SM的可控電壓源和可控電流源分別通過以下公式計(jì)算:
[0007]ucbj = dj Xucj，iaj = dj X icj;
[0008]ucbj為第j個(gè)SM對應(yīng)的可控電壓源的電壓;ucj為第j個(gè)SM正負(fù)兩端的電壓；
[0009]iaj為第j個(gè)SM對應(yīng)的可控電流源的電流;i?！篂榈趈個(gè)SM的輸出電流；
[00? O] dj為第j個(gè)SM的占空比分量，即輸入的控制分量；當(dāng)該子模塊被移除時(shí)，dj = O;當(dāng)該子模塊正常工作時(shí)，0<dj<l。
[0011 ] 一種基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，所述基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)包括若干個(gè)串聯(lián)的SM，所述SM包括一可控電壓源、一可控電流源和一電容，所述可控電壓源和可控電流源串聯(lián)后與所述電容并聯(lián);所述受控電流源的電流由SM的輸出電流決定，所述受控電壓源的電壓由子模塊的正負(fù)極電壓決定;通過控制SM的占空比分量控制每個(gè)SM (子模塊)的狀態(tài)，所述狀態(tài)包括正常狀態(tài)和移除狀態(tài)。
[0012]所述SM的可控電壓源和可控電流源分別通過以下公式計(jì)算:
[0013]ucbj = dj Xucj，iaj = dj X icj;
[0014]u咖為第j個(gè)SM對應(yīng)的可控電壓源的電壓;為第j個(gè)SM正負(fù)兩端的電壓；
[0015]iaj為第j個(gè)SM對應(yīng)的可控電流源的電流;i。」為第j個(gè)SM的輸出電流；
[00?6] dj為第j個(gè)SM的占空比分量，即輸入的控制分量；當(dāng)該子模塊被移除時(shí)，dj = O;當(dāng)該子模塊正常工作時(shí)，O < dj < I，j為自然數(shù)。
[0017]一種基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，在換流器全部子模塊串聯(lián)的基礎(chǔ)上，將每個(gè)子模塊用一個(gè)受控電壓源和受控電源來替代;受控電流源的電流可以由子模塊的輸出電流來決定，受控電壓源的電壓由子模塊的正負(fù)兩極的電壓來決定;通過控制第j個(gè)子模塊的占空比分量控制每個(gè)子模塊屬于正常狀態(tài)或者移除狀態(tài)。
[0018]本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)里每個(gè)子模塊的連接方式跟開關(guān)模型中子模塊的連接方式類似，即每個(gè)子模塊的兩端對地電位跟開關(guān)模型中的相同，因此在本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)中可以直接測量每個(gè)子模塊的對地電位。
[0019]實(shí)施本發(fā)明能夠獲得的有益效果是:本發(fā)明以子模塊為研究替代對象，可以仿真MMC開關(guān)模型的每個(gè)子模塊里的電壓波動(dòng)情況，考慮了電壓波動(dòng)對交流側(cè)的影響，并且能夠通過控制使每個(gè)子模塊的電壓波動(dòng)在合理范圍之內(nèi)；該模型可以模擬子模塊正常狀態(tài)以及出現(xiàn)故障被移除的狀態(tài)，通用性強(qiáng)，極大地提高了仿真速度。
【附圖說明】
[0020]圖1為MMC的三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，A、B、C表示MMC換流器交流側(cè)三相；
[0021 ] SMl、SM2、…SMn分別表示麗C中第一個(gè)子模塊，第二個(gè)子模塊，…，第η個(gè)子模塊;L表不橋臂電抗;Udc表不MMC大直流側(cè)的電壓。
[0022]圖2為半橋MMC的子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，T1，1~2分別為半橋子模塊中的IGBT;Di，D2表示二極管，U?！篂閖子模塊的電容電壓，Uoj為j子模塊的輸出電壓。
[0023]圖3為本發(fā)明所提出模型中等效子模塊的示意圖。
[0024]圖4為本發(fā)明所提出的MMC平均模型結(jié)構(gòu)示意圖(以每個(gè)橋臂2個(gè)子模塊為例)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]結(jié)合圖1至圖4描述本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)原理。為解決這個(gè)問題，
【申請人】研究了多個(gè)現(xiàn)有技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)一提出了簡化的動(dòng)態(tài)模型，但是將一整個(gè)橋臂進(jìn)行整體等效，雖然模型里保留了換流器的基本對外輸出特性，但是無法精確模擬換流器的每個(gè)子模塊的特性，每個(gè)子模塊的電容電壓變化對交流側(cè)輸出的電壓影響未被考慮，實(shí)際電路中對每個(gè)子模塊的電容電壓的控制也無法體現(xiàn)，因?yàn)榻２粔蚓_。
[0026]現(xiàn)有技術(shù)二為了加快仿真速度，提出了一種基于受控源的MMC通用建模模型，它的實(shí)施方法為:在現(xiàn)有換流器全部子模塊串聯(lián)模型的基礎(chǔ)上，將換流器的每個(gè)橋臂替換為可控電壓源，并實(shí)時(shí)測量橋臂電流;將橋臂中全部子模塊的正端連接同一可控電流源，全部子模塊的負(fù)端接地，并實(shí)時(shí)測量子模塊的輸出電壓;將同一橋臂中全部子模塊的輸出電壓求和，將其設(shè)定為可控電壓源的瞬時(shí)電壓值，將橋臂電流的測量值設(shè)定為可控電流源的電流值。它雖對模型進(jìn)行等效處理，但其實(shí)仍是一種基于開關(guān)模型的的建模，因?yàn)樗鼘?shí)際上需要監(jiān)測屬于開關(guān)模型的子模塊的輸出電壓，再反饋到受控電壓源中，因此仿真出來的波形仍然有開關(guān)紋波;對于仿真速度上，雖然算法上經(jīng)過降階處理后比詳細(xì)模型提速很多，但是由于開關(guān)模型的限制，因此提速仍會(huì)有很大的局限性，特別是在子模塊數(shù)很大的情況下。在下文中會(huì)特別對該技術(shù)的仿真速度和本文所提出的技術(shù)進(jìn)行對比。另外，該模型在建模時(shí)將全部子模塊的負(fù)端接地，而詳細(xì)模型中并不接地，因此該技術(shù)與真實(shí)模型具有物理上的差異，而且不能直接測量每一個(gè)子模塊對地的電位，這是該技術(shù)為加快仿真速度所作出的犧牲。
[0027]現(xiàn)有技術(shù)三將子模塊中的2個(gè)IGBT等效為兩個(gè)可變電阻，更進(jìn)一步，將橋臂等效為一個(gè)電壓源和電阻，減少仿真電力的節(jié)點(diǎn)數(shù)，但該簡化需要考慮觸發(fā)脈沖分配、電容和電壓均衡，算法比較復(fù)雜。
[0028]在上述研究基礎(chǔ)上，
【申請人】提出了如下技術(shù)方案:一種基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)的仿真方法，在換流器全部子模塊串聯(lián)的基礎(chǔ)上，將每個(gè)子模塊用一個(gè)受控電壓源和受控電源來替代;受控電流源的電流可以由子模塊的輸出電流來決定，受控電壓源的電壓由子模塊的正負(fù)兩極的電壓來決定;通過控制第j個(gè)子模塊的占空比分量可以控制每個(gè)子模塊屬于正常狀態(tài)或者移除狀態(tài)。
[0029]具體地，基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)包括若干個(gè)串聯(lián)的SM，SM包括一可控電壓源、一可控電流源和一電容，可控電壓源和可控電流源串聯(lián)后與所述電容并聯(lián);受控電流源的電流由SM的輸出電流決定，受控電壓源的電壓由子模塊的正負(fù)極電壓決定;通過控制SM的占空比分量控制每個(gè)SM的狀態(tài)，所述狀態(tài)包括正常狀態(tài)和移除狀態(tài)。
[0030]所述SM(子模塊)的可控電壓源和可控電流源分別通過以下公式計(jì)算:
[0031]ucbj = dj Xucj，iaj = dj X icj;
[0032]u咖為第j個(gè)SM對應(yīng)的可控電壓源的電壓;為第j個(gè)SM正負(fù)兩端的電壓；
[0033]iaj為第j個(gè)SM對應(yīng)的可控電流源的電流;i?！篂榈趈個(gè)SM的輸出電流；
[0034]dj為第j個(gè)SM的占空比分量，即輸入的控制分量；當(dāng)該子模塊被移除時(shí)，dj = 0;當(dāng)該子模塊正常工作時(shí)，O <山< I，j為自然數(shù)，如圖3所示。
[0035]圖1為MMC總的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖2為半橋子模塊拓?fù)?。從圖中可知，MMC的每個(gè)橋臂由N個(gè)半橋子模塊串聯(lián)而成。MMC大直流側(cè)的電壓為Ud。，橋臂電抗為L。每個(gè)半橋子模塊包括上下兩個(gè)IGBT，S卩Tl和T2，D1和D2表示兩個(gè)二極管。
[0036]對于開關(guān)模型下的MMC仿真中，需要在psim中搭建圖1結(jié)合圖2的拓?fù)?，?dāng)子模塊數(shù)十分龐大時(shí)，仿真速度很緩慢，不利于控制參數(shù)的設(shè)計(jì)。
[0037]在一定的精度下，本發(fā)明利用psim仿真軟件仿真，與開關(guān)模型MMC對比發(fā)現(xiàn)，基于MMC平均模型的電路結(jié)構(gòu)仿真速度十分快。對于一個(gè)橋臂的子模塊數(shù)為3的MMC，開關(guān)模型的時(shí)長為4分鐘43秒，而本文所提出的平均模型仿真時(shí)長只有41秒，大大降低了仿真時(shí)長。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中的加速比測試中可以看出。隨著電平數(shù)增加，加速比是成比例增長的。對于11電平的MMC，提出的模型和詳細(xì)模型加速比為577%，而本文所提出的平均模型的仿真中，對于一個(gè)橋臂三個(gè)模塊的MMC電路，也就是7電平的電路，加速比卻有690 %，因此比技術(shù)二的仿真速度要快。這是由于本文所提出的技術(shù)已經(jīng)拋開了傳統(tǒng)的開關(guān)模型，采用平均模型之后，輸出波形已經(jīng)沒有開關(guān)紋波，但仍保持與原有的詳細(xì)模型中一致的動(dòng)態(tài)性能。因此仿真速度大大提高。此外，本發(fā)明所提出的模型能夠分別測出每個(gè)子模塊對地的電位。
[0038]總之，針對傳統(tǒng)MMC電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真時(shí)存在由于子模塊數(shù)目多而導(dǎo)致的仿真速度緩慢的問題。本發(fā)明拋棄了傳統(tǒng)的開關(guān)模型，在平均模型下，將換流器的每個(gè)橋臂上的子模塊都替換為由一個(gè)可控電壓源和一個(gè)可控電流源組成;本發(fā)明的每個(gè)子模塊里的受控電壓源和受控電流源可以單獨(dú)控制，增加了電路結(jié)構(gòu)的通用性，不受子模塊數(shù)的限制;在一定的仿真精度的前提下，能夠仿真MMC的正常工作的性能，輸出波形中沒有開關(guān)紋波，極大地提高了仿真速度；區(qū)別于傳統(tǒng)的一個(gè)橋臂用一個(gè)電壓源和電流源來替代，本發(fā)明以子模塊為研究替代對象，可以仿真MMC開關(guān)模型的每個(gè)子模塊里的電壓波動(dòng)情況，考慮了電壓波動(dòng)對交流側(cè)的影響，并且能夠通過控制使每個(gè)子模塊的電壓波動(dòng)在合理范圍之內(nèi)；該模型可以模擬子模塊正常狀態(tài)以及出現(xiàn)故障被移除的狀態(tài);最后本模型可以檢測每個(gè)子模塊的對地電位。本平均模型不僅可以替代半橋子模塊，也可以替代全橋子模塊，本發(fā)明僅僅以半橋子模塊為例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括若干個(gè)串聯(lián)的SM，所述SM包括一可控電壓源、一可控電流源和一電容，所述可控電壓源和可控電流源串聯(lián)后與所述電容并聯(lián);所述受控電流源的電流由SM的輸出電流決定，所述受控電壓源的電壓由子模塊的正負(fù)極電壓決定;通過控制SM的占空比分量控制每個(gè)SM的狀態(tài)，所述狀態(tài)包括正常狀態(tài)和移除狀態(tài)。2.如權(quán)利要求1所述的基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述SM的可控電壓源和可控電流源分別通過以下公式計(jì)算: Ucbj — dj X Uabj，iaj — dj X Icj ； ucbj為第j個(gè)SM對應(yīng)的可控電壓源的電壓;uabj為第j個(gè)SM正負(fù)兩端的電壓；iaj為第j個(gè)SM對應(yīng)的可控電流源的電流;icj為第j個(gè)SM的輸出電流；dj為第j個(gè)SM的占空比分量，即輸入的控制分量；當(dāng)該子模塊被移除時(shí)，dj = O;當(dāng)該子模塊正常工作時(shí)，0<山<1。3.—種基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)包括若干個(gè)串聯(lián)的SM，所述SM包括一可控電壓源、一可控電流源和一電容，所述可控電壓源和可控電流源串聯(lián)后與所述電容并聯(lián);所述受控電流源的電流由SM的輸出電流決定，所述受控電壓源的電壓由子模塊的正負(fù)極電壓決定;通過控制SM的占空比分量控制每個(gè)SM的狀態(tài)，所述狀態(tài)包括正常狀態(tài)和移除狀態(tài)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述SM的可控電壓源和可控電流源分別通過以下公式計(jì)算: Ucbj — dj X Uabj，iaj — dj X Icj ； Ucbj為第j個(gè)SM對應(yīng)的可控電壓源的電壓;uabj為第j個(gè)SM正負(fù)兩端的電壓；iaj為第j個(gè)SM對應(yīng)的可控電流源的電流;icj為第j個(gè)SM的輸出電流；dj為第j個(gè)SM的占空比分量，即輸入的控制分量；當(dāng)該子模塊被移除時(shí)，dj = O;當(dāng)該子模塊正常工作時(shí)，O<山< I，j為自然數(shù)。5.—種基于平均模型的MMC電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在換流器全部子模塊串聯(lián)的基礎(chǔ)上，將每個(gè)子模塊用一個(gè)受控電壓源和受控電源來替代;受控電流源的電流可以由子模塊的輸出電流來決定，受控電壓源的電壓由子模塊的正負(fù)兩極的電壓來決定;通過控制第j個(gè)子模塊的占空比分量控制每個(gè)子模塊屬于正常狀態(tài)或者移除狀態(tài)。
【文檔編號】H02J3/36GK105870959SQ201610387124
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】駱芳芳, 王建華, 季振東, 張金望
【申請人】東南大學(xué)