一种箝位双子模块等效仿真方法与流程

本发明属于电力系统仿真技术领域，具体涉及一种箝位双子模块等效仿真方法。

背景技术：

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)由于其输出电平高、谐波含量少以及可独立控制有功功率、无功功率而得到了广泛应用。其子模块有三种：半桥子模块(half bridge sub-module，HBSM)、箝位双子模块(clamp double sub-module，CDSM)、全桥子模块(full bridge sub-module，FBSM)。现今研究较多的为拓扑结构简单的HBSM，但由于其无法隔离直流侧故障，往往需要在交流侧设置断路器，增加了工程成本。而CDSM由于其可通过闭锁隔离直流侧故障，且相较于FBSM，在实现相同电平数所需要增加的IGBT要少得多，从而实现了经济性与功能性的平衡而成为新的研究热点。

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的开断，这会对系统的仿真计算产生很大的负担，尤其当MMC电压等级以及容量增大时，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，不仅搭建难度大，而且模型后续的仿真计算也将花费很长时间。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种箝位双子模块等效仿真方法，用于解决目前用传统方法真实模型搭建箝位双子模块难度大、仿真效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种箝位双子模块等效仿真方法，包括以下九个方案：

方案一，该方法包括以下步骤：

获取箝位双子模块运行参数，建立箝位双子模块的仿真电路，根据所述运行参数对该仿真电路进行仿真；

所述箝位双子模块仿真电路包括三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和一个受控电阻R_eq，以及两个二极管D₁和D₂，其中，可控电压源U_eq1的正极对应为全桥子模块仿真电路的正极，可控电压源U_eq1的负极通过受控电阻R_eq连接可控电压源U_eq2的正极和可控电压源U_eq3的正极，可控电压源U_eq2的负极连接二极管D₁的负极，可控电压源U_eq3的负极连接二极管D₂的正极，二极管D₁的正极和二极管D₂的负极相连并构成箝位双子模块仿真电路的负极。

方案二，在方案一的基础上，根据箝位双子模块的运行工况和投切状态确定箝位双子模块的运行参数，所述运行参数包括三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq；

(1)当运行工况为正常运行状态时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为：

(2)当投切状态为正投入状态时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为：

(3)当投切状态为负投入状态时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为：

式中，V_{sm_CDSM1}、V_{sm_CDSM2}、R_{sm_CDSM}分别为箝位双子模块等效成戴维南电路的第一等效电压源、第二等效电压源和等效电阻。

方案三，在方案二的基础上，所述子模块等效成戴维南电路的第一等效电压源V_{sm_CDSM1}、第二等效电压源V_{sm_CDSM2}的计算公式为：

式中，r₁、r₂、r₃、r₄、r₇分别为开关管T₁、T₂、T₃、T₄、T₇的等效电阻，r₅、r₆分别为二极管D₅、D₆的等效电阻，V_cEQ1为箝位第一子模块中第一电容的等效历史电压源，V_cEQ2为箝位第二子模块中第二电容的等效历史电压源，R_c1为箝位第一子模块中与第一电容C₁大小、仿真步长有关的等效电阻，R_c2为箝位第二子模块中与第二电容C₂大小、仿真步长有关的等效电阻，R_sm1、R_sm2为中间变量。

方案四，在方案二的基础上，所述子模块等效成戴维南电路的等效电阻R_{sm_CDSM}的计算公式为：

式中,r_eq1、r_eq2、r_eq3、r_eq4、r_eq5、r_eq6、r_eq7均为中间变量，计算式如下：

方案五、方案六，分别在方案三、方案四的基础上，所述r₁、r₂、r₃、r₄、r₅、r₆、r₇计算式为：

式中，R_on为开关器件的通态电阻，R_off为开关器件的断态电阻；状态系数k₁、k₂、p的取值跟箝位双子模块的运行工况和投切状态有关，表示箝位第一子模块状态的系数为k₁，为1表示第一电容C₁接入箝位第一子模块，为0表示第一电容C₁未接入箝位第一子模块；表示箝位第二子模块状态的系数为k₂，为1表示第二电容C₂接入箝位第二子模块，为0表示第二电容C₂未接入箝位第二子模块；p为1表示箝位双子模块正常运行，或者系统闭锁且电流方向为正，p为0表示系统闭锁且电流方向为负。

方案七、方案八，分别在方案五、方案六的基础上，当运行工况为正常运行状态时，箝位双子模块包括双子模块投入、单子模块投入、双子模块切除三种状态；

当箝位双子模块处于双子模块投入状态时，

当箝位双子模块处于单子模块投入状态时，

或

当箝位双子模块处于双子模块切除状态时，

当运行工况为系统闭锁状态时，箝位双子模块包括正投入、负投入两种状态；

当箝位双子模块处于正投入状态时，

当箝位双子模块处于负投入状态时，

方案九，在方案三的基础上，所述，V_cEQ1、V_cEQ2及R_c1、R_c2通过下式计算得到：

式中，ΔT₁、ΔT₂为仿真步长，i_c1(t-ΔT₁)为(t-ΔT₁)时刻第一箝位子模块中流经第一电容C₁的电流，u_c1(t-ΔT₁)为(t-ΔT₁)时刻第一箝位子模块中第一电容C₁历史电压源的电压值；i_c2(t-ΔT₂)为(t-ΔT₂)时刻第二箝位子模块中流经第二电容C₂的电流，u_c2(t-ΔT₂)为(t-ΔT₂)时刻第二箝位子模块中第二电容C₂历史电压源的电压值。

本发明的有益效果是：本发明提出一种箝位双子模块等效仿真方法，该方法将开关器件视为受控电阻，对箝位双子模块进行戴维南等效，利用受控电压源与可控电阻实现对箝位双子模块的模拟，并通过引入不同的赋值方案实现箝位双子模块在不同工况下的所有子模块状态的等效仿真。通过该方法建立的仿真模型仅用到了三个可控电压源、一个受控电阻，设计的元器件较少，仿真模型更简单，有利于提高仿真模型的仿真效率。

附图说明

图1是一种箝位双子模块等效仿真模型示意图；

图2是箝位双子模块等效的两个等效电压源V_{sm_CDSM1}、V_{sm_CDSM2}和一个等效电阻R_{sm_CDSM}的等效过程示意图；

图3是一种箝位双子模块等效电压源计算过程示意图；

图4是另一种箝位双子模块等效电压源计算过程示意图；

图5是箝位双子模块中等效电阻r₁～r₇有关的中间变量r_eq1～r_eq7的等效过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种箝位双子模块等效仿真方法的实施例，包括以下步骤：获取箝位双子模块运行参数，建立箝位双子模块的仿真电路，根据所述运行参数对该仿真电路进行仿真。箝位双子模块仿真电路包括三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和一个受控电阻R_eq，以及两个二极管D₁和D₂，其中，可控电压源U_eq1的正极对应为全桥子模块仿真电路的正极，可控电压源U_eq1的负极通过受控电阻R_eq连接可控电压源U_eq2的正极和可控电压源U_eq3的正极，可控电压源U_eq2的负极连接二极管D₁的负极，可控电压源U_eq3的负极连接二极管D₂的正极，二极管D₁的正极和二极管D₂的负极相连并构成箝位双子模块仿真电路的负极。

具体地，如图2所示，建立箝位双子模块中开关器件的等效模型，开关器件包含全控型器件及其反并联的二极管，具有两种状态：当开关器件中有电流流过时，等效为通态电阻R_on；当开关器件中没有电流流过时，处于高阻状态，等效为断态电阻R_off；

根据戴维南等效方法，根据箝位双子模块的运行工况和投切状态，计算子模块的等效电压源与等效电阻值，即V_{sm_CDSM1}、V_{sm_CDSM2}和R_{sm_CDSM}。其中，运行工况分为正常运行状态、系统闭锁状态和软起动状态，投切状态分为双子模块投入、单子模块投入、双子模块切除、正投入及负投入。

如图2所示，将子模块中的开关器件等效为电阻r₁～r₇，将子模块中的第一电容C₁等效成电阻R_c1和电压V_cEQ1，将子模块中的第二电容C₂等效成电阻R_c2和电压V_cEQ2，计算式如下：

式中，ΔT₁、ΔT₂为仿真步长，C₁、C₂为子模块电容，分别为第一电容、第二电容，i_c1(t-ΔT₁)为(t-ΔT₁)时刻图2中第一箝位子模块中流经第一电容C₁的电流，u_c1(t-ΔT₁)为(t-ΔT₁)时刻第一箝位子模块中第一电容C₁历史电压源的电压值；i_c2(t-ΔT₂)为(t-ΔT₂)时刻第二箝位子模块中流经第二电容C₂的电流，u_c2(t-ΔT₂)为(t-ΔT₂)时刻第二箝位子模块中第二电容C₂历史电压源的电压值。

将图2中表述第一箝位子模块的状态系数设为k₁、第二箝位子模块的状态系数为k₂、闭锁状态系数设为p；其中k₁、k₂为1分别表示第一电容C₁接入第一箝位子模块、第二电容C₂接入第二箝位子模块，为0分别表示第一电容C₁未接入第一箝位子模块、第二电容C₂未接入第一箝位子模块；p为1表示系统闭锁且电流方向为正，p为0表示系统闭锁且电流方向为负。不同状态时对应的k₁、k₂、p的值为：

在双子模块投入状态：当两个子模块均处于投入状态时，r₁、r₄、r₇有电流流过，等效为电阻R_on；r₂、r₃、r₅、r₆无电流流过，等效为电阻R_off，此时，

在单子模块投入状态：当两个子模块中一个处于投入状态，另一个处于切除状态时，存在两种情况，情况一为r₂、r₄、r₇有电流流过，等效为电阻R_on，r₁、r₃、r₅、r₆无电流流过，等效为电阻R_off；情况二为r₁、r₃、r₇有电流流过，等效为电阻R_on，r₂、r₄、r₅、r₇无电流流过，等效为电阻R_off；此时，

或

在双子模块切除状态：当两个子模块均处于切除状态时，r₂、r₃、r₇有电流流过，等效为电阻R_on，r₁、r₄、r₅、r₆无电流流过，等效为电阻R_off；此时，

在正投入状态：当系统闭锁且模块端口电压为正时，r₁、r₄、r₇有电流流过，等效为电阻R_on；r₂、r₃、r₅、r₆无电流流过，等效为电阻R_off；此时，

在负投入状态：当系统闭锁且模块端口电压为负(即负投入)时，r₂、r₃、r₅、r₆有电流流过，等效为电阻R_on；r₁、r₄、r₇无电流流过，等效为电阻R_off；此时，

图2所示各个等效电阻r₁～r₇与k₁、k₂、p的关系为：

根据上式并结合图2可以计算得到图3所示第一等效电路总电阻R_sm1为：

由此可计算图2中第一等等效电压源V_{sm_CDSM1}：

同理，根据各个电阻r₁～r₇的公式，可以计算得到图4所示第二等效电路总电阻R_sm2为：

由此可计算图2中第二等效电压源V_{sm_CDSM2}为：

由图5可以计算图2中受控电阻R_{sm_CDSM}：

式中,r_eq1、r_eq2、r_eq3、r_eq4、r_eq5、r_eq6、r_eq7均为中间变量，计算式如下：

最后考虑系统处于不同运行工况时，分别对等效电路中的第一、第二等效电压源、等效电阻进行赋值，这里考虑正常运行、系统闭锁、软启动三种工况。

当系统处于正常运行状态时，子模块可能出现的状态为双子模块投入、单子模块投入以及双子模块切除，根据子模块的状态，按照上述步骤计算第一、第二等效电压源、等效电阻。当系统处于闭锁状态时，子模块可能出现的状态为正投入、负投入，则根据子模块的状态，按照上述步骤计算第一、第二等效电压源、等效电阻。当系统处于软启动状态时，子模块可能出现的状态为双子模块切除、正投入和负投入，同样，根据子模块的状态，按照上述步骤计算第一、第二等效电压源、等效电阻。

本发明一种箝位双子模块等效仿真模型如图1所示，利用了三个可控电压源、一个受控电阻和两个二极管，系统处于不同运行工况时，分别对等效电路中的受控电压源、受控电阻进行赋值，这里考虑正常运行、系统闭锁、软启动三种工况：

当两个子模块均处于投入状态时，图1所示等效电路赋值方案为，

当两个子模块中仅有一个处于投入状态时，图1所示等效电路赋值方案为，

或

当两个子模块均处于切除状态时，图1所示等效电路赋值方案为，

系统闭锁时箝位双子模块处于正投入状态时，图1所示等效电路赋值方案为，

系统闭锁时箝位双子模块处于负投入状态时，图1所示等效电路赋值方案为，

系统处于软启动状态时，子模块可能出现的状态为双子模块切除以及正投入和负投入，等效电路赋值方案分别与正常运行工况下的双子模块切除、系统闭锁时正投入和负投入的赋值方案相同。

最后，根据上述箝位双子模块的运行工况和投切状态确定箝位双子模块的运行参数，所述运行参数包括三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq：

(1)当运行工况为正常运行时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为，

(2)当投切状态为正投入时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为，

(3)当投切状态为负投入时，三个可控电压源U_eq1、U_eq2、U_eq3和受控电阻R_eq的计算公式为，

式中，V_{sm_CDSM1}、V_{sm_CDSM2}、R_{sm_CDSM}分别为箝位双子模块等效成戴维南电路的第一等效电压源、第二等效电压源和等效电阻。

本实施例中将开关器件视为受控电阻，然后对箝位双子模块进行戴维南等效，实现利用受控电压源、可控电阻与二极管对箝位双子模块的模拟，并通过引入不同的赋值方案，实现箝位双子模块在不同工况下的所有子模块状态的等效仿真。