构网型模块化多电平换流器孤岛运行时域分析方法

1.本发明属于电力换流器模型建立与参数设计技术领域，具体涉及构网型模块化多电平换流器孤岛运行时域分析方法。


背景技术：

2.构网型模块化多电平换流器(mmgc)在学术和工业领域都获得了越来越多的关注。与传统的跟网型换流器(grid-following)相比，构网型换流器(grid-forming)能够根据控制对象调节其电压和频率。随着构网控制技术的发展，其应用范围从低压场景扩展到中高压场景。模块化多电平换流器(mmc)具有出色的谐波性能，更少的开关损耗，以及不需要半导体器件直接串联等优势，使得mmgc成为中高压场景的可行解决方案。
3.然而，关于mmgc的现有研究很少。虽然mmgc的稳态特性可以通过电磁暂态(emt)仿真获得，或者参考传统mmc来了解，但它们有以下缺点：因为模块化多级拓扑通常包含大量开关器件，并具有复杂的控制系统，使得emt仿真非常耗时且无法覆盖所有工况；对于mmgc，其交流侧通常安装一组lc滤波器以提高输出电压性能，但是这些lc滤波器可能会在转换器的内部电气量中引入耦合问题，而传统mmc没有这些lc滤波器，因此从现有研究中无法知道它们对mmgc工作点的影响；mmgc的控制对象和连接的负载与传统的mmc不同，因此，对于mmgc来说，现有研究不能满足其性能评估、电路参数设计、半导体器件选型等要求。
4.综上所述，mmgc用途广泛，但是现有研究存在emt仿真非常耗时，交流侧的lc滤波器会在换流器的内部电气量中引入耦合，无法知道其对换流器工作点的影响等问题，因此亟需建立一种针对mmgc的时域稳态分析方法。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种构网型模块化多电平换流器孤岛运行时域分析方法，能够充分反映负载、mmgc和直流侧系统之间的耦合关系，满足mmgc性能评估、谐波分析和电路参数设计等要求。
6.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，
7.构网型模块化多电平换流器孤岛运行时域分析方法，能够充分满足mmgc性能评估、谐波分析和电路参数设计要求，其特征在于：考虑无源网络、mmgc和直流侧系统的耦合以及mmgc内部各电气量的耦合关系，建立时域稳态分析模型；该模型能够直接获得各个电气量的幅值和相角，便于性能评估和谐波分析；基于建立的时域稳态分析模型，为mmgc电路参数设计提供了依据；
8.构网型模块化多电平换流器孤岛运行时域分析方法具体按以下步骤实施：
9.第一步、孤岛运行时mmgc拓扑的交流和直流等效电路构建；
10.第二步、考虑耦合关系的mmgc时域稳态分析模型构建；
11.第三步、lc滤波器对子模块电容电压影响的研究。
12.所述第一步孤岛运行时mmgc的交流和直流等效电路构建具体按以下步骤实施：
13.1)对于a相，滤波电感的电流i
lf,a
(t)为：
14.i
lf,a
(t)＝i
s,a
(t)+i
cf,a
(t)
ꢀꢀ
(1)
15.其中，i
cf,a
(t)是滤波电容的电流，i
s,a
(t)是输出到无源网络的相电流；
16.i
s,a
(t)表示为：
17.i
s,a
(t)＝iscos(wt+βs)
ꢀꢀ
(2)
18.其中，is和βs分别是相电流的幅值和相角，w为基波角频率；
19.因为mmgc连接无源网络，其工作在恒压模式，滤波电容的电压u
cf,a
(t)表示为：
20.u
cf,a
(t)＝u
cf
cos(wt)
ꢀꢀ
(3)
21.其中，u
cf
是滤波电容电压的幅值；
22.2)mmgc的桥臂电流表示为：
[0023][0024]
其中，i
ap
(t)和i
an
(t)分别表示上、下桥臂电流，i
cir,a
(t)表示环流；
[0025]
3)根据kvl定律，上下桥臂的电压关系表示为：
[0026][0027][0028]
其中，u
ap
(t)和u
an
(t)分别表示上、下桥臂电压，rm和lm分别表示桥臂电阻和桥臂电感，lf表示交流侧电感，u
dc
表示直流侧电压；
[0029]
式(5)和式(6)分别相减和相加得到交流侧和直流侧的等式为：
[0030][0031][0032]
其中，u
equ,ac
(t)和u
equ,dc
(t)分别是交流侧和直流侧的等效电动势；式(7)和式(8)分别孤岛运行时mmgc拓扑的交流和直流等效电路。
[0033]
所述第二步考虑耦合关系的mmgc时域稳态分析模型构建具体按以下步骤实施：
[0034]
1)调制信号的基波分量用于mmgc的功率输出，二倍频分量用来抑制二倍频环流，调制信号写为：
[0035]
[0036]
其中，s
ap
(t)和s
an
(t)分别是上、下桥臂的调制信号，a1和a2分别是调制信号基频和二倍频分量的幅值，α1和α2分别是调制信号基频和二倍频对应的初相角；
[0037]
2)上、下桥臂中的子模块电容电压表示为：
[0038][0039]
其中，u
cap,ap
(t)和u
cap,an
(t)分别代表上、下桥臂子模块电容电压，cm是子模块电容值，u
c,dc
是电容电压的直流分量；
[0040]
3)上、下桥臂中的子模块输出电压等于电容电压和调制信号的乘积，假设在应用子模块电容器电压平衡策略后，每个桥臂的n个子模块具有相同电压值，上、下桥臂电压计算为：
[0041][0042]
4)通过式(1)～(11)求解出a1和a2,α1和α2这四个未知量，结果如式(12)-(17)所示；
[0043][0044][0045]
其中，m1～m4是为了简化a1和α1表达的中间变量，其表达式如式(13)所示。
[0046]
[0047][0048][0049][0050]
其中，n1～n4是为了简化a2和α2表达的中间变量，其表达式如式(17)所示。
[0051][0052]
5)式(12)-(17)中直流电流i
dc
通过表示为式(18)
[0053][0054]
根据式(2)，(4)，(5)，(6)，(9)，(10)，(18)建立mmgc时域稳态分析模型，能够得到直流侧电流i
dc
，交流侧电流i
s,a
(t)，上、下桥臂调制信号s
ap
(t)和s
an
(t)，上、下桥臂电流i
ap
(t)和i
an
(t)，上、下桥臂电压u
ap
(t)和u
an
(t)，上、下桥臂中子模块电容电压u
cap,ap
(t)和u
cap,an
(t)的幅值和相角。
[0055]
所述第三步lc滤波器对子模块电容电压影响的研究具体按以下步骤实施：
[0056]
1)研究的过程主要关注以下两项：子模块电容电压的波动u
c,flu
和电容电压的峰值u
c,peak
；
[0057]
基于建立的mmgc时域分析模型，得出滤波电容对子模块电容电压的波动和峰值均有显著影响；而滤波电感对子模块电容电压的波动和峰值影响忽略；
[0058]
2)当交流负载主要由电感负载组成时，滤波电容的取值要小于当交流负载主要由电阻负载组成时的滤波电容。
[0059]
3)u
c,flu
的最大值出现在mmgc提供纯感性负载时；u
c,peak
的最大值出现在mmgc提供纯阻性负载时；
[0060]
4)由于实际负载由电阻和电感组成，因此u
c,flu
和u
c,peak
均需关注，以确保电容电压在换流器的整个工作区域内不超过其极限。
[0061]
本发明构网型模块化多电平换流器孤岛运行时域分析方法，能够充分满足mmgc性能评估、谐波分析和电路参数设计等要求，分析无源网络、mmgc和直流侧系统的耦合以及mmgc内部各电气量的耦合关系，建立时域稳态分析模型；在时域建立的该模型可以直接获得各个电气量的幅值和相角，非常便于性能评估和谐波分析；基于建立的模型，得出子模块电容与滤波电容高度相关，与滤波电感几乎不相关，以及滤波电容的选择要考虑负载特性的结论，为mmgc电路参数设计提供了依据；所建立的时域分析模型在各种工况下具有较高的精度，可替代耗时的emt仿真。
[0062]
与现有方法相比，本发明的有益效果是：
[0063]
1)建立了一种mmgc的时域稳态分析模型，该模型能够充分反映负载、mmgc和直流侧系统之间的耦合关系。基于此模型，可以轻松计算出mmgc的所有电气量。
[0064]
2)由于模型是在时域中建立的，因此可以直接获得电气量各谐波分量的幅值和相角，非常便于性能评估和谐波分析。
[0065]
3)基于建立的模型，得出子模块电容与滤波电容高度相关，与滤波电感几乎不相关，以及滤波电容的选择要考虑负载特性的结论，可用于电路参数设计，该模型在各种工况下具有较高的精度，可替代耗时的emt仿真。
附图说明
[0066]
图1为孤岛运行时三相mmgc的典型电路拓扑；
[0067]
图2为mmgc交流和直流等效电路图；
[0068]
图3为mmgc各电气量的耦合关系图；
[0069]
图4为mmgc各电气量的时域稳态表达式求解流程图。
具体实施方式
[0070]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0071]
本发明公开了构网型模块化多电平换流器孤岛运行时域分析方法。孤岛运行时三相mmgc的典型电路拓扑如图1所示，mmgc由三相组成，每相有两个桥臂，每个桥臂有n个串联的半桥子模块和桥臂电感lm组成，交流侧安装lc滤波器以降低开关次谐波，时域分析模型建立过程如下。
[0072]
构网型模块化多电平换流器孤岛运行时域分析方法具体按以下步骤实施：
[0073]
第一步、孤岛运行时mmgc拓扑的交流和直流等效电路构建
[0074]
第一步交直流等效电路构建具体按以下步骤实施：
[0075]
1)以a相为例，滤波电感的电流i
lf,a
(t)为：
[0076]ilf,a
(t)＝i
s,a
(t)+i
cf,a
(t)
ꢀꢀ
(1)
[0077]
其中，i
cf,a
(t)是滤波电容的电流，i
s,a
(t)是输出到无源网络的相电流。
[0078]is,a
(t)可以表示为：
[0079]is,a
(t)＝iscos(wt+βs)
ꢀꢀ
(2)
[0080]
其中，is和βs分别是相电流的幅值和相角，w为基波角频率。
[0081]
因为mmgc连接无源网络，其工作在恒压模式，滤波电容的电压u
cf,a
(t)可表示为：
[0082]ucf,a
(t)＝u
cf
cos(wt)
ꢀꢀ
(3)
[0083]
其中，u
cf
是滤波电容电压的幅值。
[0084]
2)mmgc的桥臂电流表示为：
[0085][0086]
其中，i
ap
(t)和i
an
(t)分别表示上、下桥臂电流，i
cir,a
(t)表示环流。
[0087]
3)根据kvl定律，上下桥臂的电压关系表示为：
[0088][0089][0090]
其中，u
ap
(t)和u
an
(t)分别表示上、下桥臂电压，rm和lm分别表示桥臂电阻和桥臂电感，lf表示交流侧电感，u
dc
表示直流侧电压。
[0091]
式(5)和式(6)分别相减和相加得到交流侧和直流侧的等式为：
[0092][0093][0094]
其中，u
equ,ac
(t)和u
equ,dc
(t)分别是交流侧和直流侧的等效电动势。
[0095]
式(7)和式(8)分别孤岛运行时mmgc拓扑的交流和直流等效电路。
[0096]
mmgc交流和直流等效电路图如图2所示，该电路图可以反映无源网络、mmgc和直流侧系统之间的耦合关系。
[0097]
第二步、考虑耦合关系的mmgc时域稳态分析模型构建
[0098]
与图2外部电气量之间的耦合类似，mmgc内部各电气量的耦合关系图如图3所示。
[0099]
第二步时域稳态分析模型构建具体按以下步骤实施：
[0100]
1)调制信号的基波分量用于mmgc的功率输出，二倍频分量用来抑制二倍频环流，
调制信号可以被写为：
[0101][0102]
其中，s
ap
(t)和s
an
(t)分别是上、下桥臂的调制信号，a1和a2分别是调制信号基频和二倍频分量的幅值，α1和α2分别是调制信号基频和二倍频对应的初相角。
[0103]
2)上、下桥臂中的子模块电容电压表示为：
[0104][0105]
其中，u
cap,ap
(t)和u
cap,an
(t)分别代表上、下桥臂子模块电容电压，cm是子模块电容值，u
c,dc
是电容电压的直流分量。
[0106]
3)上、下桥臂中的子模块输出电压等于电容电压和调制信号的乘积，假设在应用子模块电容器电压平衡策略后，每个桥臂的n个子模块具有相同电压值，上、下桥臂电压可以计算为：
[0107][0108]
4)通过式(1)～(11)可以求解出a1和a2,α1和α2这四个未知量，结果如式(12)-(17)所示。
[0109][0110][0111]
其中，m
1-m4表达式如式(13)所示。
[0112]
[0113][0114][0115][0116]
其中，n
1-n4表达式如式(17)所示。
[0117][0118]
5)式(12)-(17)中直流电流i
dc
通过可表示为式(18)。
[0119][0120]
用z
load
和来分别表示无源网络的阻抗幅值和相角，式(12)-(17)中的相电流幅值和相角可以表示为式(19)。
[0121][0122]
根据式(2)，(4)，(5)，(6)，(9)，(10)，(18)建立mmgc时域稳态分析模型，能够得到直流侧电流i
dc
，交流侧电流i
s,a
(t)，上、下桥臂调制信号s
ap
(t)和s
an
(t)，上、下桥臂电流i
ap
(t)和i
an
(t)，上、下桥臂电压u
ap
(t)和u
an
(t)，上、下桥臂中子模块电容电压u
cap,ap
(t)和u
cap,an
(t)的幅值和相角。mmgc各电气量的时域稳态表达式求解流程图如图4所示，基于建立的时域分析模型，可以轻松计算出mmgc的所有电气量。
[0123]
第三步、lc滤波器对子模块电容电压影响的研究
[0124]
第三步滤波器对电容电压影响的研究具体按以下步骤实施：
[0125]
1)研究的过程主要关注以下两项：子模块电容电压的波动u
c,flu
和电容电压的峰值u
c,peak
。
[0126]
基于建立的mmgc时域分析模型，可得出滤波电容对子模块电容电压的波动和峰值均有显著影响；而滤波电感对子模块电容电压波动和峰值的影响可以忽略。
[0127]
2)当交流负载主要由电感负载组成时，滤波电容的取值要小于当交流负载主要由电阻负载组成时的滤波电容。
[0128]
3)u
c,flu
的最大值出现在mmgc提供纯感性负载时；u
c,peak
的最大值出现在mmgc提供纯阻性负载时。
[0129]
4)由于实际负载通常由电阻和电感组成，因此u
c,flu
和u
c,peak
均需关注，以确保电容电压在换流器的整个工作区域内不超过其极限。