模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型的制作方法

本发明涉及高压大容量电力电子换流器仿真技术领域，特别涉及一种模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型。

背景技术：

模块化多电平换流器属于电压源型电力电子换流器，基于绝缘栅双极型晶体管等全控电力电子器件和脉宽调制技术，能够稳定地控制有功功率和无功功率在交直流系统间传输。模块化多电平换流器的电路原理如图1所示。模块化多电平换流器包含a、b、c三个相单元，每个相单元包含两个桥臂，即上桥臂和下桥臂，总共六个桥臂。三个相单元并联在直流正极和直流负极之间，三个相单元的上桥臂和下桥臂的中间点联接三相交流系统。每个桥臂由一个桥臂电抗ls和n个子模块串联组成。典型的子模块主要包括三类:半桥子模块、全桥子模块和嵌位双子模块。半桥子模块由两个绝缘栅双极晶体管s1、s2，两个续流二极管d1、d2以及一个直流电容cd构成。全桥子模块由四个绝缘栅双极晶体管s1、s2、s3、s4，四个续流二极管d1、d2、d3、d4以及一个直流电容cd构成。嵌位双子模块由五个绝缘栅双极晶体管s1、s2、s3、s4、s5，七个续流二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7以及两个直流电容cd1、cd2构成。模块化多电平换流器具有诸多技术优势，如模块化的结构，易于达到高电压等级；多电平的工作方式，利于提升传输效率；高质量的输出电压波形，不需要安装交流滤波器等，使其在区域电网互联、可再生能源接入电网等场景下受到广泛重视。

模块化多电平换流器在电网中的广泛应用，给整个电网级的仿真建模和分析过程带来巨大挑战。随着容量和电压等级的迅速提升，模块化多电平换流器对电网的运行和稳定会产生直接而深刻的影响，因此电网级仿真研究往往需要准确地模拟模块化多电平换流器的动态特性和控制行为。考虑到模块化多电平换流器是电网中现有的最为复杂的电力电子装置，需要采用较为详细的电磁暂态仿真模型。同时，为了适应电网级仿真研究的仿真规模和计算能力，需要进一步提升仿真速度，建立快速高效的电磁暂态仿真模型。此外，为了应对直流故障，模块化多电平换流器不断涌现新型拓扑，如针对每一个新拓扑进行专门的建模研究，工程量巨大，而且不能穷举。因此，建立通用于多种拓扑的模块化多电平换流器快速仿真模型，使仿真建模时既能准确地体现模块化多电平换流器外特性，又能解决大规模电网仿真的效率问题，不仅可以为分析和解决电网级仿真问题提供实用工具，而且对模块化多电平换流器技术在未来电网中的应用具有重要意义。

目前具有代表性的模块化多电平换流器快速仿真模型主要包括两种。第一种是平均值模型，在换流器层面进行等值，分别形成交、直流侧的独立模型，再通过功率守恒将交、直流侧模型联系起来。这种模型仿真效率非常高，但是由于等效电路改变了交流侧和直流侧的实际电路结构，导致无法准确地模拟直流故障特性、闭锁等重要的暂态行为。此外，这种模型主要针对基于半桥子模块的简单拓扑，对于更为复杂的新型拓扑建立仿真模型比较困难。第二种是连续模型，在桥臂层面进行等值，利用可控电压源等效桥臂的子模块电容串，对桥臂内部子模块进行平均化处理后，动态计算可控电压源，避免了节点导纳矩阵的动态求解。这种模型不但具有较高的仿真效率，而且能够准确地体现换流器解/闭锁状态、各类交直流故障等暂态行为。此外，与平均值模型不同，连续模型保留了桥臂的结构，只是对子模块进行归一化处理。当子模块结构发生变化时，桥臂等值电路的建立也比较简单直观，因此具有便捷地拓展建立多拓扑通用仿真模型的潜质。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型，该模型可准确地模拟模块化多电平换流器在稳态、交流故障、换流器闭锁、直流故障清除和恢复等过程动态特性和控制行为，且具有较高的仿真效率，还具有很好的拓扑适应性，适合于开展电网级仿真研究。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型，包括以下步骤：桥臂通用简化电路模块，用于通过可控电压源、理想开关和二极管模拟模块化多电平换流器电路结构；桥臂动态平均值计算模块，用于对多子模块开关和调制过程进行平均化等值；拓扑系数计算模块，用于引入拓扑参数以体现由不同拓扑带来的桥臂动态平均值的差异；换流器级控制模块，用于根据电网仿真模型发送的指令和测量得到的接口电气量计算模块化多电平换流器的参考电压和工作模式。

本发明实施例的模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型，通过利用可控电压源、理想开关和二极管来等效不同拓扑在各种运行状态下的电路结构，得到桥臂通用简化电路，实现模块化多电平换流器的动态特性和控制行为的准确模拟；通过对多子模块开关和调制过程进行平均化等值，计算出桥臂动态平均值，避免了大规模节点导纳矩阵的动态求解，实现仿真效率的提升，从而可准确地模拟模块化多电平换流器在稳态、交流故障、换流器闭锁、直流故障清除和恢复等过程动态特性和控制行为，且具有较高的仿真效率，还具有很好的拓扑适应性，适合于开展电网级仿真研究。

另外，根据本发明上述实施例的模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述桥臂通用简化电路模块包括：第一受控电压源和第二受控电压源，用于模拟桥臂平均电压；第一和第二二极管，用于模拟续流二极管的不控整流效应；第一至第四理想开关，用于模拟所述模块化多电平换流器的多种工作模式以及切换过程；第一至第六桥臂通用简化电路子模块，用于与第一至第六桥臂电抗连接后，构成所述模块化多电平换流器的主回路，以模拟在多种工作状态下的电路结构。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述桥臂动态平均值计算模块包括：第一获取模块，用于获取工作切换模式的第一切换信号和第二切换信号；第二获取模块，用于获取第一桥臂平均电压和第二桥臂平均电压。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一切换信号和所述第二切换信号的计算公式为：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一桥臂平均电压和所述第二桥臂平均电压的计算公式为：

其中，q是反向电压uo2与正向电压uo1的比值，sw_arm为桥臂平均开关函数，uc为桥臂平均电容电压，t为时间参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二获取模块包括：第一计算单元，用于计算桥臂平均开关函数；第二计算单元，用于根据所述桥臂平均开关函数计算平均电容电流；第三计算单元，用于根据所述平均电容电流计算桥臂平均电容电压。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述拓扑系数计算模块包括：获取流入电容的负向桥臂电流的比例系数；获取反向电压与正向电压的比值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述比例系数的计算公式为：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述比值的计算公式为：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述换流器级控制模块具体用于根据所述电网仿真模型发送的有功功率指令、无功功率指令、直流电压指令、交流电压指令和所述测量得到的接口电气量动态计算所述模块化多电平换流器的三相交流参考电压和直流参考电压，同时产生所述模块化多电平换流器的工作模式。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据相关技术的模块化多电平换流器及典型子模块的电路原理图；

图2为根据本发明一个实施例的模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型的结构示意图；

图3为根据本发明一个具体实施例的模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型。

图2是本发明一个实施例的模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型的结构示意图。

如图2所示，该模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型10包括：桥臂通用简化电路模块100、桥臂动态平均值计算模块200、拓扑系数计算模块300和换流器级控制模块400。

其中，桥臂通用简化电路模块100用于通过可控电压源、理想开关和二极管模拟模块化多电平换流器电路结构。桥臂动态平均值计算模块200用于对多子模块开关和调制过程进行平均化等值。拓扑系数计算模块300用于引入拓扑参数以体现由不同拓扑带来的桥臂动态平均值的差异。换流器级控制模块400用于根据电网仿真模型发送的指令和测量得到的接口电气量计算模块化多电平换流器的参考电压和工作模式。本发明实施例的装置10可准确地模拟模块化多电平换流器在稳态、交流故障、换流器闭锁、直流故障清除和恢复等过程动态特性和控制行为，且具有较高的仿真效率，还具有很好的拓扑适应性，适合于开展电网级仿真研究。

可以理解的是，本发明实施例的模型10由桥臂通用简化电路模块100、桥臂动态平均值计算模块200、拓扑系数计算模块300和换流器级控制模块400组成，具体框图如图3所示，臂通用简化电路模块100利用可控电压源、理想开关和二极管实现模块化多电平换流器电路结构的准确模拟；桥臂动态平均值计算模块200通过对多子模块开关和调制过程进行平均化等值，避免大规模节点导纳矩阵的动态求解以实现仿真效率的提升；拓扑系数计算模块300引入拓扑参数来体现由不同拓扑带来的桥臂动态平均值的差异；换流器级控制模块400根据电网仿真模型发送的指令和测量得到的接口电气量，计算模块化多电平换流器的参考电压和工作模式。

下面将结合具体实施例对模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型10进行进一步详细阐述。

进一步地，在本发明的一个实施例中，桥臂通用简化电路模块100包括：第一受控电压源和第二受控电压、第一和第二二极管、第一至第四理想开关、以及第一至第六桥臂通用简化电路子模块。

其中，第一受控电压源和第二受控电压源，用于模拟桥臂平均电压；第一和第二二极管，用于模拟续流二极管的不控整流效应；第一至第四理想开关，用于模拟模块化多电平换流器的多种工作模式以及切换过程；第一至第六桥臂通用简化电路子模块，用于与第一至第六桥臂电抗连接后，构成模块化多电平换流器的主回路，以模拟在多种工作状态下的电路结构。

具体而言，桥臂通用简化电路模块100：包括两个并联支路，由两个受控电压源uo1、uo2，四个理想开关to1、to1’、to2、to2’和两个二极管do1,do2组成。

两个受控电压源模拟桥臂平均电压，其受控信号uo1、uo2由桥臂动态平均值计算模块200产生。两个二极管模拟续流二极管的不控整流效应。四个理想开关模拟模块化多电平换流器的各种工作模式以及切换过程。to1与to1’处于互补开关状态，即to1开通时，to1’关断；to1关断时，to1’开通。类似地，to2与to2’也处于互补的开关状态。因此四个理想开关可以用工作模式切换信号to1、to2来控制，也由桥臂动态平均值计算模块200产生。

六个桥臂通用简化电路模块和六个桥臂电抗连接后，构成模块化多电平换流器主回路，模拟其在各种工作状态下的电路结构。桥臂通用简化电路模块100具有通用性，普遍适用于各种模块化多电平换流器拓扑。

进一步地，在本发明的一个实施例中，桥臂动态平均值计算模块200包括：第一获取模块和第二获取模块。

其中，第一获取模块，用于获取工作切换模式的第一切换信号和第二切换信号。第二获取模块，用于获取第一桥臂平均电压和第二桥臂平均电压。

可以理解的是，第一获取模块用于计算工作模式切换信号to1、to2，第二获取模块用于计算桥臂平均电压uo1、uo2。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一切换信号和第二切换信号的计算公式为：

可以理解的是，计算工作模式切换信号to1、to2：模块化多电平换流器工作模式主要包括运行模式、不控整流模式、直流故障清除模式。根据工作模式，计算工作模式切换信号to1、to2。

具体而言，计算工作模式切换信号to1、to2：模块化多电平换流器工作模式主要包括运行模式、不控整流模式、直流故障清除模式。在运行模式下，主要绝缘栅双极晶体管工作在脉冲宽度调制状态；在不控整流模式下，主要绝缘栅双极晶体管闭锁，模块化多电平换流器因续流二极管不控整流效应而成为不控整流器；在直流故障清除模式下，全部绝缘栅双极晶体管闭锁，直流电容反向投入桥臂中，在直流电容反向电压作用下，续流二极管不控整流效应被抑制，直流故障电流被切断。对于基于半桥子模块的模块化多电平换流器，仅具有前两种工作模式。对于基于全桥子模块和嵌位双子模块的模块化多电平换流器，具有上述三种工作模式。to1、to2的计算公式如公式1所示：

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一桥臂平均电压和第二桥臂平均电压的计算公式为：

其中，q是反向电压uo2与正向电压uo1的比值，sw_arm为桥臂平均开关函数，uc为桥臂平均电容电压，t为时间参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第二获取模块包括：第一计算单元、第二计算单元和第三计算单元。

其中，第一计算单元，用于计算桥臂平均开关函数。第二计算单元，用于根据桥臂平均开关函数计算平均电容电流。第三计算单元，用于根据平均电容电流计算桥臂平均电容电压。

具体而言，(1)计算桥臂平均开关函数sw_arm：由于电网级仿真模型只关注模块化多电平换流器外部特性，为了提高仿真效率可以对子模块运行状态的差异、调制和电容电压平衡控制进行平均化处理。假设子模块数目无限多、开关频率无限高且子模块运行状态时时相同。在运行模式下，sw_arm由换流器级控制模块400产生的交流参考电压uabc^*和直流参考电压ud^*计算得到。在其他模式下，令sw_arm＝1，表示桥臂电流全部流入电容中。sw_arm的计算公式如公式2所示：

(2)计算平均电容电流ic：电容电流是由桥臂电流通过开关过程产生的。桥臂电流是流过桥臂通用简化电路模块的电流，由该模块的两个支路电流io1、io2组成。ic的计算公式如公式3所示：

ic(t)＝sw_arm(t)·io1(t)+pio2(t)(3)。

其中，p是拓扑系数，其定义和计算方法将在下面给出。

(3)计算平均电容电流ic：电容电流是由桥臂电流通过开关过程产生的。桥臂电流是流过桥臂通用简化电路模块的电流，由该模块的两个支路电流io1、io2组成。ic的计算公式如公式3所示：

ic(t)＝sw_arm(t)·io1(t)+pio2(t)(4)。

其中，p是拓扑系数，其定义和计算方法在3-1)给出。

(4)计算桥臂平均电压uo1和uo2：桥臂电压是由电容电压通过开关过程作用而产生的，计算公式如公式5所示：

其中，q是拓扑系数，其定义和计算方法将在下面给出。

进一步地，在本发明的一个实施例中，拓扑系数计算模块300包括：第一获取模块和第二获取模块。

其中，第一获取模块，用于获取流入电容的负向桥臂电流的比例系数；第二获取模块，用于获取反向电压与正向电压的比值。

可以理解的是，由拓扑参数来p、q反映由不同拓扑带来的桥臂动态平均值的差异，p为流入电容的负向桥臂电流的比例系数、q为反向电压与正向电压的比值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，比例系数的计算公式为：

可以理解的是，p定义为流入电容的负向桥臂电流io2的比例系数，仅与故障清除模式相关，由拓扑结构决定，计算公式为公式6。对于基于半桥子模块的模块化多电平换流器，io2完全不流入电容；基于全桥子模块的模块化多电平换流器，io2全部流入电容；对于基于嵌位双子模块的模块化多电平换流器，因为故障清除时每个嵌位双子模块中的两个电容处于并联状态，仅有50％的io2流入电容。

进一步地，在本发明的一个实施例中，比值的计算公式为：

可以理解的是，q定义为反向电压uo2与正向电压uo1的比值，计算公式如公式7所示，对于基于半桥子模块的模块化多电平换流器，uo2并不存在。对于基于全桥子模块的模块化多电平换流器，uo2与uo1相等，因为不论桥臂电流方向如何，所有电容都串联在桥臂电路中。对于基于嵌位双子模块的模块化多电平换流器，uo2仅为uo1的50％，这是因为当桥臂电流为正方向时，所有电容串联在桥臂电路中，形成桥臂正向电压；而当桥臂电流为负方向时，仅有一半数量的电容串联在桥臂电路中，形成桥臂反向电压。

进一步地，在本发明的一个实施例中，换流器级控制模块400具体用于根据电网仿真模型发送的有功功率指令、无功功率指令、直流电压指令、交流电压指令和测量得到的接口电气量动态计算模块化多电平换流器的三相交流参考电压和直流参考电压，同时产生模块化多电平换流器的工作模式。

可以理解的是，根据电网仿真模型发送的有功功率指令、无功功率指令、直流电压指令、交流电压指令和实时测量的接口电气量，动态计算模块化多电平换流器的三相交流参考电压和直流参考电压同时产生模块化多电平换流器的工作模式。

综上，本发明实施例具有的有益效果为：本发明实施例能够准确地模拟模块化多电平换流器在稳态、交流故障、换流器闭锁、直流故障清除和恢复等过程动态特性和控制行为。同时，仿真效率非常高，可以采用加大仿真步长的方法，在仿真精度允许的条件下进一步提高仿真效率。而且具有很好的拓扑适应性，只需要根据拓扑特点简单地修改两个拓扑系数，并不需要改变桥臂通用简化电路结构，就能够实现拓扑的改变，避免了繁琐的重复建模工作。

根据本发明实施例提出的模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型，通过利用可控电压源、理想开关和二极管来等效不同拓扑在各种运行状态下的电路结构，得到桥臂通用简化电路，实现模块化多电平换流器的动态特性和控制行为的准确模拟；通过对多子模块开关和调制过程进行平均化等值，计算出桥臂动态平均值，避免了大规模节点导纳矩阵的动态求解，实现仿真效率的提升，从而可准确地模拟模块化多电平换流器在稳态、交流故障、换流器闭锁、直流故障清除和恢复等过程动态特性和控制行为，且具有较高的仿真效率，还具有很好的拓扑适应性，适合于开展电网级仿真研究。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。