模塊化多電平換流器多維度建模方法與仿真方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及模塊化多電平換流器多維度建模方法與仿真方法。
【背景技術】
[0002] 隨著全控型電力電子器件的發展和電力電子技術在電力系統中的應用，基于電壓 源換流器的柔性直流輸電技術日益受到重視。模塊化多電平換流器是柔性直流輸電系統應 用中電壓源換流器的一種，它由多個半橋子模塊按照一定的方式連接而成，通過分別控制 各個子模塊IGBT組件的投入和切除狀態使換流器輸出的交流電壓逼近正弦波，實現能量 的高效傳輸。
[0003] 模塊化多電平換流器由于電平數較高，系統所需的元器件較多，基于詳細電磁暫 態模型搭建仿真系統進行仿真，可以對系統器件級電磁暫態特性進行分析，但是忽略了雜 散元件對系統運行特性的影響，且仿真時間較長，仿真效率較低。
[0004] 基于寬頻模型[1]搭建仿真系統進行仿真，考慮了雜散元件對系統運行特性的影 響，但是需要的元器件更多，仿真時間更長，仿真效率更低，嚴重影響對模塊化多電平換流 器系統的研究與分析。
[0005] 基于高速等效模型[2]搭建仿真系統進行仿真，能夠基本等效詳細模型，仿真所需 時間較短，大大提高了仿真效率，但是忽略了雜散元件對系統運行的影響，且無法對器件級 電磁暫態特性進行分析。
[0006] 為提高仿真系統運行效率的同時，實現開關器件級電磁暫態特性仿真，且能夠模 擬雜散元件對系統過電壓分布特性的影響，提高仿真模型的精確度，亟待提出一種能夠兼 顧高速仿真、更高的等效性和器件級電磁暫態分析的模塊化多電平換流器建模方法。
[0007] 上述寬頻模型、高速等效模型、電磁暫態模型等均屬于現有技術，本文不在此進行 詳細說明，具體可以參考下面的文獻：
[0008] [1]張文亮，湯廣福.±800kV/4750A特高壓直流換流閥寬頻建模及電壓分布特性 研究[J].中國電機工程學報，2010, 30 (31) : 1-6.
[0009] [2] Udana N. Gnanarathna, Aniruddha M. Gole, and Rohitha Ρ· Jayasinghe,'，Effcient Modeling of Modular Multilevel HVDC Converters (MMC) on Electromagnetic Transient Simulation Programs, '，IEEE Transactions On Power Del ivery. , vol. 26, no. I, pp:316-324, Jan. 2011.
【發明內容】
[0010] 本發明的目的是提供一種模塊化多電平換流器多維度建模方法，用以解決現有技 術中單獨使用某種仿真模型不能兼顧仿真效率、暫態分析、精確的問題。基于上述建模方 法，本發明還提供了一種仿真方法。
[0011] 為實現上述目的，本發明的方案包括：模塊化多電平換流器多維度建模方法，包 括：
[0012] ①建立半橋子模塊的等效模型，根據戴維南等效原理建立子模塊的戴維南等效模 型；將子模塊的戴維南等效模型進行級聯，建立模塊化多電平換流器的高速等效模型；獲 取雜散參數，
[0013] ②在步驟①所建立高速等效模型相應位置接入雜散電容及雜散電阻，建立模塊化 多電平換流器寬頻模型；
[0014] ③將步驟②所建立寬頻模型每個橋臂的一個子模塊替代為詳細電磁暫態模型，建 立模塊化多電平換流器多維度模型。
[0015] 進一步的，所述雜散參數包括閥塔進出線間的雜散電容、閥塔間對地雜散電容與 雜散電阻。
[0016] 進一步的，所述子模塊為半橋子模塊，步驟①中將半橋子模塊的IGBT支路等效為 電阻支路、電容支路等效為電阻與電壓源的串聯支路，建立半橋子模塊的等效模型；然后 根據戴維南等效原理建立半橋子模塊的戴維南等效模型；最后將半橋子模塊的戴維南等效 模型進行級聯，建立模塊化多電平換流器的高速等效模型。
[0017] 本發明還提供了一種模塊化多電平換流器多維度仿真方法，
[0018] ①建立半橋子模塊的等效模型，根據戴維南等效原理建立子模塊的戴維南等效模 型；將子模塊的戴維南等效模型進行級聯，建立模塊化多電平換流器的高速等效模型；
[0019] ②獲取雜散參數，在步驟①所建立高速等效模型相應位置接入雜散電容及雜散電 阻，建立模塊化多電平換流器寬頻模型；
[0020] ③將步驟②所建立寬頻模型每個橋臂的一個子模塊替代為詳細電磁暫態模型，建 立模塊化多電平換流器多維度模型；
[0021] ④配置換流器電氣參數和規模，用步驟③建立的多維度模型進行仿真。
[0022] 進一步的，所述雜散參數包括閥塔進出線間的雜散電容、閥塔間對地雜散電容與 雜散電阻。
[0023] 進一步的，所述子模塊為半橋子模塊，步驟①中將半橋子模塊的IGBT支路等效為 電阻支路、電容支路等效為電阻與電壓源的串聯支路，建立半橋子模塊的等效模型；然后根 據戴維南等效原理建立半橋子模塊的戴維南等效模型；最后將半橋子模塊的戴維南等效模 型進行級聯，建立模塊化多電平換流器的高速等效模型。
[0024] 本發明的模塊化多電平換流器的多維度建模方法，不僅大大的提高了系統仿真效 率，能夠實現器件級電磁暫態分析，還能夠模擬雜散元件對系統運行的影響，便于對模塊化 多電平換流器系統進行高效、精確的仿真分析。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明實施方式的模塊化多電平換流器多維度模型一個橋臂的結構圖；
[0026] 圖2是本發明實施方式的半橋子模塊的戴維南等效模型；
[0027] 圖3是本發明實施方式的多維度模型高效性仿真驗證結果圖示；
[0028] 圖4是本發明實施方式的多維度模型開關器件級電磁暫態特性仿真驗證結果圖 示；
[0029] 圖5是本發明實施方式的多維度模型寬頻特性仿真驗證結果圖示。
【具體實施方式】
[0030] 建模方法實施例
[0031] 下面以半橋子模塊為例進行介紹，作為其他實施方式，本發明的建模方法也適用 于全橋或其他拓撲的子模塊。
[0032] 模塊化多電平換流器多維度模型單個橋臂的結構圖如圖1所示。建模過程如下：
[0033] ①首先建立模塊化多電平換流器高速等效模型。模塊化多電平換流器中每個子模 塊都可概述為由IGBT支路和電容支路構成，其中IGBT支路包含IGBT及其反并聯的二極 管DIODE。當有電流流過IGBT支路時，該支路等效為開關器件導通電阻R cin;當無電流流過 IGBT支路時，該支路等效為開關器件關斷電阻Rciff;電容支路等效為電組與電壓源的串聯。
[0034] 電容支路等效電阻及等效電壓源電壓計算。根據梯形積分法計算電容電壓V。：
[0037]
，則電容支路等效為電組Rc與電 壓源的串聯。
[0038] 半橋子模塊的戴維南等效模型建立。如圖2所示：
[0039] 正常運行時，如果半橋子模塊處于投入狀態，則：
[0045] 系統閉鎖時，如果流入子模塊的電流為正方向，即傾向于向子模塊充電，則半橋子 模塊的戴維南等效模型參數計算與式（3)、式（4)相同；如果流入子模塊的電流為負方向， 則半橋子模塊的戴維南等效模型參數計算與式（5)、式（6)相同。
[0046] 模塊化多電平換流器高速等效模型建立。換流器的每個橋臂都由半橋子模塊串聯 而成，因此每個橋臂相當于各個子模塊的等效電阻和電壓的串聯疊加，可以計算為：
[0047] Varm - Σ R sm-HBSMi · Iarm+Σ Vsm-HBS