一种考虑多种闭锁模态的基于全桥子模块mmc的等效仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统仿真技术领域，具体涉及一种考虑多种闭锁模态的基于全桥 子模块MMC的等效仿真方法。
【背景技术】
[0002] 2001年，德国学者R. Marquardt首先提出了模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC)拓扑，该型拓扑的桥臂采用基本运行单元级联的形式，避免大 量开关器件直接串联，不存在一致触发等问题，因此在近年来得到了学界与工业界的广泛 关注，并被迅速应用到工程实际当中。
[0003] 如图1所示，MMC拓扑的桥臂由多个子模块串联而成，子模块的结构根据使用场合 的需要可分为不同的类型，目前比较常用的有半桥子模块、全桥子模块以及箝位双子模块 三类。其中全桥子模块因为可靠性强、处理直流故障能力优秀而更具应用前景。
[0004] 系统仿真建模是对MMC拓扑研究的基础。MMC拓扑包含大量的电力电子器件，在 正常运行时，这些电力电子器件将频繁开断，这会对系统的仿真计算产生很大负担。特别是 在实际工程中，随着MMC电压等级以及容量的增大，单个桥臂所需要串联的子模块数量将 随之增大。如果每个子模块都采用传统方法用真实模型搭建，一方面搭建难度大，另一方面 后续的仿真计算也将花费很长时间。因此，有学者提出将子模块中的电容器用时域戴维南 等效支路替代，进而将子模块等效为一个戴维南等效支路，最终将子模块戴维南等效支路 级联构成整个桥臂的戴维南等效支路。这种算法大大减少了 MMC导纳矩阵的维数，加快了 仿真速度，但无法对二极管的插值进行精确地处理，导致子模块闭锁时系统仿真特性与真 实特性出现较大偏差。此外，现有研究一般仅均针对半桥子模块，对于全桥子模块的研究较 少。全桥子模块不同于半桥子模块，其闭锁特性与闭锁方式也有很大不同。因此，有必要提 出一种考虑全桥子模块闭锁特性的快速仿真建模方法。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种考虑多种闭锁模态的基 于全桥子模块MMC的等效仿真方法，该方法将子模块等效为戴维南等效支路，同时引入真 实二极管器件，能够在保证仿真速度的前提下对全桥子模块各闭锁状态进行精确模拟。
[0006] -种考虑多种闭锁模态的基于全桥子模块MMC的等效仿真方法，所述的MMC为三 相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个全桥子模块级联构成；所述的全桥子模块由四个带反 并联二极管的IGBT管I\~T 4、一个均压电阻和一个电容组成；其中，IGBT管T1的集电极与 电容的正极、均压电阻的一端以及IGBT管1~3的集电极相连，IGBT管T i的发射极与IGBT管 T2的集电极相连并构成全桥子模块的正极，IGBT管T 2的发射极与电容的负极、均压电阻的 另一端以及IGBT管1\的发射极相连，IGBT管T 3的发射极与IGBT管T 4的集电极相连并构 成全桥子模块的负极；四个IGBT管I\~T 4的基极均接收外部设备提供的开关信号；所述 的等效仿真方法包括如下步骤：
[0007] (1)获取MMC的桥臂运行参数，所述的桥臂运行参数包括桥臂电流和桥臂各子模 块内IGBT管的开关状态；
[0008] (2)根据所述的桥臂运行参数构建MMC的桥臂等效电路，并确定桥臂等效电路中 各器件的参数；
[0009] 所述的桥臂等效电路由四个等效电阻札~R4、四个等效电压源U^U 4以及六个 等效二极管Di~D 6构成；其中，等效电压源U i的正极对应为桥臂等效电路的正极，等效电 压源U1的负极与等效电阻R i的一端相连，等效电阻R 另一端与等效二极管D 阳极和 等效二极管D2的阴极相连，等效二极管D i的阴极与等效电压源U 2的正极和等效二极管D 3的阴极相连，等效电压源U2的负极与等效电阻R2的一端相连，等效电阻R 2的另一端与等效 二极管D2的阳极和等效二极管D 4的阳极相连，等效二极管D 3的阳极与等效二极管D 4的阴 极、等效电压源U3的正极以及等效电压源U 4的负极相连，等效电压源U 3的负极与等效电阻 R3的一端相连，等效电压源U 4的正极与等效电阻R 4的一端相连，等效电阻R 3的另一端与等 效二极管D5的阳极相连，等效电阻R 4的另一端与等效二极管D 6的阴极相连，等效二极管D 5 的阴极与等效二极管D6的阳极相连并构成桥臂等效电路的负极；
[0010] (3)根据所述的桥臂等效电路建立MMC的仿真系统，并对该系统进行仿真。
[0011] 进一步地，所述等效二极管通态电阻均为1X10 6Ω，关断电阻均为 I X IO9 Ω。所述的等效二极管为理想二极管，其通态电阻很小，可忽略不计，其关断电阻为 一个很大的数值，保证了器件关断后通过极小的电流。
[0012] 进一步地，所述等效电阻氏~R4的电阻值以及等效电压源U U 4的电压值的表 达式如下：
[0014] 其中：Reql(t)为t时刻等效电阻R1的电阻值，R snui(t)为t时刻桥臂中第j个子模 块对应等效电阻民的等效电阻值，11^(〇为〖时刻等效电压源1]1的电压值，11;^ 1(〇为七时 刻桥臂中第j个子模块对应等效电压源1^的等效电压值，i为自然数且I < i < 4, N为桥 臂的子模块级联个数，t表示时间。
[0015] 进一步地，对于桥臂中的任一子模块，当该子模块处于正常运行状态下，则t时刻 其对应等效电阻R1的等效电阻值Rsnil⑴以及对应等效电压源U1的等效电压值U snil⑴的 计算公式如下：
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[0032] 当该子模块处于全闭锁运行状态下，即该子模块中的四个IGBT管?\~1\均关断， 贝IJ t时刻其对应等效电阻R1的等效电阻值R snu⑴以及对应等效电压源U1的等效电压值 usmi (t)的计算公式如下：
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[0045] 当该子模块处于左半部分闭锁运行状态下，即该子模块中的IGBT管1\和T2关断； 若该子模块在闭锁前的输出电压为正电平或零电平2,则t时刻其对应等效电阻R1的等效 电阻值Rsnil (t)以及对应等效电压源U1的等效电压值Usnil (t)的计算公式如下：
[0058] 若该子模块在闭锁前的输出电压为负电平或零电平1，则t时刻其对应等效电阻 Ri的等效电阻值R smi (t)以及对应等效电压源Ui的等效电压值u smi (t)的计算公式如下：
[0059] Rsnl (t) = 0. 02
[0060] Usml (t) = 0
[0061] Rsn2 (t) = 0
[0062] Usn2 (t) = 0
[0063] Rsn3 (t) = 0
[0064] Usn3 (t) = 0
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[0071] 当该子模块处于右半部分闭锁运行状态下，即该子模块中的IGBT管1~3和T 4关断； 若该子模块在闭锁前的输出电压为正电平或零电平1，则t时刻其对应等效电阻R1的等效 电阻值Rsnil (t)以及对应等效电压源U1的等效电压值Usnil (t)的计算公式如下：
[0084] 若该子模块在闭锁前的输出电压为负电平或零电平2,则t时刻其对应等效电阻 Ri的等效电阻值R smi (t)以及对应等效电压源Ui的等效电压值u smi (t)的计算公式如下：
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[0097] 其中：R。为子模块电容的等效阻值，Rb为子模块均压电阻的阻值，AT为仿真步长， C。为子模块电容的容值，i Jt)为t时刻流经子模块电容的电流值，iJt-Δ T)为t-Δ T时 刻流经子模块电容的电流值，u。(t)为t时刻子模块电容的电压值，u。(t_ Δ T)为t_ Δ T时刻 子模块电容的电压值，uOTq(t-△ T)为t-△ T时刻子模块电容的等效历史电压源幅值，R1 (t) 为t时刻子模块中IGBT管T1的等效电阻值，R2(t)为t时刻子模块中IGBT管1~ 2的等效电 阻值，R3(t)为t时刻子模块中IGBT管T3的等效电阻值，R 4(t)为t时刻子模块中IGBT管 T4的等效电阻值，RA(t)、RE(t)、RM(t)和R N(t)均为中间变量且均由公式给定，iam(t)为t 时刻的桥臂电流，iblk2(t)为t时刻流经等效电阻私的电流，iblk3(t)为t时刻流经等效电 阻私的电流，i blk4(t)为t时刻流经等效电阻心的电流。
[0098] 当t时刻子模块中的IGBT管T1导通，则R i⑴为0· 01 Ω，IGBT管T1关断，则R i⑴ 为IM Ω ;当t时刻子模块中的IGBT管T2导通，则R 2⑴为0. 01 Ω，IGBT管T2关断，则R2⑴ 为IM Ω ;当t时刻子模块中的IGBT管T3导通，则R 3⑴为0. 01 Ω，IGBT管T3关断，则R3⑴ 为IM Ω ;当t时刻子模块中的IGBT管T4导通，则R 4⑴为0. 01 Ω，IGBT管T4关断，则R4⑴ 为 1ΜΩ。
[0099] 若子模块的输出电压为正电平，则子模块中