一种混合型桥臂复用MMC仿真模型构建方法及仿真方法

本发明属于换流器，尤其涉及一种混合型桥臂复用mmc仿真模型构建方法及仿真方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、凭借输出电压质量高、易于拓展和具备冗余容错运行能力等优势，模块化多电平换流器(modular multilevel converter, mmc)已在柔性直流输电技术中得到了广泛应用。随着电压等级和容量的不断提高，mmc换流平台成本高，体积大的弊端日益凸显。公开号为cn112152496a公开了一种桥臂复用型mmc(arm multiplexing mmc，am-mmc)，通过划分复用桥臂进行分时复用，am-mmc较同电压等级mmc能至少减少25%的子模块装配数量，从而实现轻型化。

3、为了使am-mmc具备直流短路电流阻断能力，文献王琛,陶建业,王毅等.半桥-全桥子模块混合型桥臂复用mmc的拓扑及故障穿越策略研究[j].中国电机工程学报,2022, 42(22):8297-8309.提出了两种由半桥子模块(half bridge submodule，hbsm)和全桥子模块(full bridge submodule，fbsm)构成的混合型am-mmc(hybrid am-mmc, ham-mmc):fhf型和hfh型ham-mmc。

4、发明人发现，fhf型和hfh型ham-mmc的运行特性可以用电磁暂态仿真工具进行研究，但对于工程中实际应用的ham-mmc，其桥臂包含的子模块数量庞大，复杂的电路结构和大量的数据运算需求使得ham-mmc的仿真模型运行效率低下，且现有的am-mmc平均值电路模型无法反映子模块在闭锁状态下的工作特性。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种混合型桥臂复用mmc仿真模型构建方法及仿真方法，其提供一种具备反映子模块闭锁状态能力的高效电路建模方法，通过在准确保留ham-mmc特性的基础上加快仿真运行速度。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一方面提供一种混合型桥臂复用mmc仿真模型构建方法，包括如下步骤：

4、对换流器在正常运行情况下子模块的投切过程进行等效，得到桥臂参考电压、输出电压电流和电容电压的数学关系；

5、分别考虑hbsm和fbsm在闭锁情况下的电流通路，结合桥臂参考电压、输出电压电流和电容电压的数学关系，在对桥臂输出电压进行等效的同时引入续流二极管和子模块闭锁开关，设计hbsm或fbsm构成的单个桥臂平均值模型；

6、基于hbsm或fbsm构成的单个桥臂平均值模型，将桥臂的复用模式融合至桥臂的平均投入比例中，建立对应的fhf型混合型桥臂复用mmc的多状态平均值模型或hfh型混合型桥臂复用mmc的多状态平均值模型。

7、进一步地，所述对换流器在正常运行情况下子模块的投切过程进行等效，得到桥臂参考电压、输出电压电流和电容电压的数学关系，包括：

8、根据桥臂的参考电压和子模块电容的额定电压，计算得到桥臂任意时刻开通的子模块数量；

9、将桥臂任意时刻开通的子模块数量和桥臂子模块数量的比值定义为桥臂中子模块的投入比例；

10、将桥臂中的子模块从1到 n/2连续编号，任意时刻被投入的子模块编号属于集合 l0，被旁路的子模块编号属于集合 l1，结合单个子模块的电容值、第 k个子模块的电容电压和桥臂电流之间的关系列出一阶微分方程组；

11、将一阶微分方程组对应的 n/2个等式进行求和，结合子模块的投入比例，在桥臂内所有子模块电容电压完全相同的情况下，得到桥臂的输出电压。

12、进一步地，所述桥臂参考电压、输出电压电流和电容电压的数学关系为：

13、，

14、，

15、式中， c为单个子模块的电容值，每个桥臂包含 n/2个串联子模块， m为桥臂中子模块的投入比例， uc为桥臂内所有子模块的电容电压之和， i为桥臂电流，为时间， d为微分算子。

16、进一步地，hbsm和fbsm在闭锁情况下的电流通路分别为：

17、当hbsm闭锁时，子模块电容的放电通路被二极管d1阻断，当电流 i大于0时，电流经二极管d1为子模块电容充电，当电流 i小于0时，子模块电容被二极管d2旁路，电容无法被充电；

18、当fbsm闭锁时，二极管d1，d2，d3和d4构成了全桥整流电路，无论电流 i小于0或是大于0，子模块电容均可被充电，且电容的放电通路被阻断。

19、进一步地，结合桥臂参考电压、输出电压电流和电容电压的数学关系，在对桥臂输出电压进行等效的同时引入续流二极管和子模块闭锁开关，设计hbsm构成桥臂的等效电路，包括：

20、基于桥臂输出电压 muc由受控电压源表示，电流为 mi的受控电流源对电容值为(2 c)/ n的电容充电时电容电压 uc的波动情况；

21、在hbsm桥臂的等效受控电源回路中引入了二极管d1、d2和闭锁开关s1和s2；

22、当换流器正常工作，子模块处于投切状态时，开关s1和s2闭合，此时二极管d1、d4被旁路，d2和d3由于承受反压而无法导通，受控电压源被接入电路反映桥臂内子模块的投切状态，电容可以在受控电流源的作用下充电或放电；

23、当桥臂子模块闭锁时，开关s1和s2断开，比例系数 m被固定为1，只有在桥臂电流 i大于0时，桥臂端口电压 u等于受控电压源电压 muc，其余情况桥臂端口电压 u为0，二极管d4阻断了电容的放电通路，同时二极管d3为受控电流源的负电流提供了通路，受控电流源 mi只有值为正时才能为电容充电。

24、进一步地，所述结合桥臂参考电压、输出电压电流和电容电压的数学关系，在对桥臂输出电压进行等效的同时引入续流二极管和子模块闭锁开关，设计fbsm构成桥臂的等效电路，包括：

25、基于桥臂输出电压 muc由受控电压源表示，电流为 mi的受控电流源对电容值为(2 c)/ n的电容充电时电容电压 uc的波动情况；

26、在fbsm桥臂的等效受控电源回路中引入了二极管d1-d8共8个二极管和闭锁开关s1，s2，s3和s4；

27、当换流器正常工作，桥臂子模块处于投切状态时，开关s1、s2、s3和s4闭合，此时二极管d1、d4、d5和d8被旁路，d2、d3、d6和d7承受反压而无法导通，受控电压源被接入电路，电容在受控电流源的作用下充电或放电；

28、当桥臂子模块闭锁时，开关s1、s2、s3和s4断开，比例系数 m被固定为1，二极管d1、d2、d3和d4构成了一个全桥整流电路，当桥臂电流 i为正时，桥臂端口电压 u等于受控电压源电压 muc，反之桥臂端口电压 u则等于 muc的相反数，二极管d5、d6、d7和d8构成了全桥整流电路，电容的放电回路被阻断，电流 mi为电容充电。

29、进一步地，所述基于hbsm或fbsm构成的单个桥臂平均值模型，将桥臂的复用模式融合至桥臂的平均投入比例中，建立fhf型混合型桥臂复用mmc的多状态平均值模型或hfh型混合型桥臂复用mmc的多状态平均值模型，包括：

30、结合hbsm或fbsm构成的单个桥臂平均值模型中的桥臂输出电压，得到上桥臂复用模式时的电压回路方程和下桥臂复用模式下的电压回路方程；

31、将复用桥臂的平均投入比例按照复用模式等价为复用桥臂上复用平均投入比例和复用桥臂下复用平均投入比例的线性组合关系；

32、电压回路方程和线性组合关系得到fhf型混合型桥臂复用mmc的多状态平均值模型或hfh型混合型桥臂复用mmc的多状态平均值模型。

33、进一步地，所述线性组合关系为：

34、，

35、，

36、，

37、其中， mam为复用桥臂的平均投入比例， mamu为复用桥臂上复用平均投入比例， maml为复用桥臂下复用平均投入比例。

38、本发明的第二方面提供一种混合型桥臂复用mmc仿真方法，应用于fhf型混合型桥臂复用mmc的多状态平均值模型，包括如下步骤：

39、确定初始电容电压值；

40、判断fhf型混合型桥臂复用mmc子模块是否处于闭锁状态，若是，将fhf型混合型桥臂复用mmc的多状态平均值模型中的闭锁开关全部断开，在获取复用模式指令后，对每个桥臂的平均投入比例进行固定；否则将fhf型混合型桥臂复用mmc多状态平均值模型中的闭锁开关全部闭合，获取级控参考电压和复用模式指令，根据级控参考电压、子模块电容的额定电压和桥臂的串联子模块个数确定各个桥臂的平均投入比例；

41、根据复用桥臂的平均投入比例和复用模式指令确定复用桥臂上复用平均投入比例和下复用平均投入比例；

42、基于得到的上下桥臂平均投入比例、复用桥臂上复用平均投入比例和下复用平均投入比例，结合受控源的电压电流值，对fhf型混合型桥臂复用mmc的多状态平均值模型的电压电流进行仿真计算。

43、本发明的第三方面提供一种混合型桥臂复用mmc仿真方法，应用于hfh型混合型桥臂复用mmc的多状态平均值模型，包括如下步骤：

44、确定初始电容电压值；

45、判断hfh型混合型桥臂复用mmc子模块是否处于闭锁状态，若是，将hfh型混合型桥臂复用mmc的多状态平均值模型中的闭锁开关全部断开，在获取复用模式指令后，对每个桥臂的平均投入比例进行固定；否则将hfh型混合型桥臂复用mmc多状态平均值模型中的闭锁开关全部闭合，获取级控参考电压和复用模式指令，根据级控参考电压、子模块电容的额定电压和桥臂的串联子模块个数确定各个桥臂的平均投入比例；

46、根据复用桥臂的平均投入比例和复用模式指令确定复用桥臂上复用平均投入比例和下复用平均投入比例；

47、基于得到的上下桥臂平均投入比例、复用桥臂上复用平均投入比例和下复用平均投入比例，结合受控源的电压电流值，对hfh型混合型桥臂复用mmc的多状态平均值模型的电压电流进行仿真计算。

48、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

49、本发明构建了fhf型和hfh型ham-mmc的多状态平均值模型，通过分析hbsm和fbsm在正常投切和闭锁时的工作特性，对单个桥臂进行多状态等效，再通过分析ham-mmc的交替导通特性，消除了桥臂切换开关过程，最后发明设计并公开了多状态平均值模型的使用流程。相较于传统的am-mmc平均值模型，本发明提出的多状态平均值模型在最大程度提高仿真效率的同时还能够准确反映子模块正常投入切除以及闭锁时的状态，所提的平均值模型具有简洁程度高，闭锁/非闭锁状态切换简单等特点，在研究ham-mmc正常运行、故障穿越和充电启动等多种运行工况时具有实用价值，所得成果可以推广应用到不同的仿真平台乃至实时仿真系统中，能够显著减少大规模ham-mmc仿真系统的建模复杂度和运行计算量。

50、本发明附加方面的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。