一种适用于实时仿真的模块化多电平换流器桥臂简化方法

摘要

本发明涉及一种适用于实时仿真的模块化多电平换流器桥臂简化方法(An Arm Simplification Method of Modular Multilevel Converter for Real‑Time Simulation)，属于输配电技术领域。该方法由六个步骤构成，根据MMC三相六桥臂电气量正序、负序、零序的表达式与瞬时功率波动和子模块电容电压波动表达式，并提出一种适用于实时仿真的MMC桥臂简化方法。本发明提出的桥臂简化方法，可以在保证仿真精度的同时，极大的提高仿真效率，适用于MMC稳态工况下的实时仿真。

权利要求

1.一种适用于实时仿真的MMC桥臂简化方法，其特征在于，根据MMC三相六桥臂电气量正序、负序、零序的表达式与瞬时功率波动和子模块电容电压波动表达式，并提出一种适用于实时仿真的MMC桥臂简化方法，包含以下步骤：步骤1：在三相六桥臂MMC中，利用电路分析，推导得到基频正序、二倍频负序、三倍频零序，从而将频次和序分量联系起来；步骤2：先分析MMC三相上/下桥臂之间的关系，得到其三相之间的电气量正序、负序、零序的表达式；

步骤3：随后分析a/b/c相上下桥臂之间的电气量的关系，得到上、下桥臂的电气量的正序、负序、零序的表达式；步骤4：推导MMC三相六桥臂桥臂电压电流的表达式；步骤5：推导三相六桥臂桥臂瞬时功率波动和子模块电容电压波动表达式；步骤6：根据三相六桥臂电气量之间的联系，提出一种适用于实时仿真的模块化多电平换流器桥臂简化方法。

说明书

一种适用于实时仿真的模块化多电平换流器桥臂简化方法

技术领域

[0001] 本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种适用于实时仿真的模块化多电平换流器桥臂简化方法。

背景技术

[0002] 作为电压源换流器(VSC-HVDC)的一种，模块化多电平换流器(Modular multilevel converter,MMC)因其易于实现模块化，便于扩容及冗余配置；开关频率低，损耗小；谐波含量少；易于构建直流电网等优点，受到了国内外学者的广泛关注。可以预见的是，MMC-HVDC将在未来得到更为广泛的应用。

[0003] 在实际工程中，模块化多电平换流器型高压直流输电系统(Modular multilevel converter based high voltage direct current，MMC-HVDC)为了获得更高的电压等级，通常采用大量子模块(sub-module)级联的方式构成。当前柔性直流输电工程正朝着高电平、大容量、多端的方向快速发展。当电平数较高时，由大量电力电子器件构成的MMC在进行电磁暂态仿真时，都将面临仿真速度难以满足研究需求的问题。

[0004] 针对各种应用场景：如基于CPU(central processing unit)的仿真模型由于采用数据的串行处理方式，同时受到通讯能力的限制，难以满足MMC桥臂的实时仿真要求。而基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的仿真模型可实现高度并行的数值计算和高速的数据通讯，可以满足MMC桥臂实时仿真的要求。同时，为了提高MMC电磁暂态仿真效率，可通过对MMC桥臂不同程度的简化来降低仿真复杂度。因此，在保证效率和精度的同时，提出一种适用于实时仿真的模块化多电平换流器桥臂简化方法对MMC实时仿真的开展具有重要意义。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是一种适用于实时仿真的模块化多电平换流器桥臂简化方法。为了便于说明该方法，本发明以由HBSM(half bridge sub-module, HBSM)组成的MMC为例进行说明。

[0006] 所述方法具体包括以下步骤：

[0007] 步骤1：在三相六桥臂MMC中，利用电路分析，得到基频正序、二倍频负序、三倍频零序，从而将频次和序分量联系起来。

[0008] 步骤2：先分析MMC三相上/下桥臂之间的关系，得到其三相之间的电气量正序、负序、零序的表达式。

[0009] 步骤3：随后分析a/b/c相上下桥臂之间的电气量的关系，得到上、下桥臂的电气量的正序、负序、零序的表达式。

[0010] 步骤4：推导MMC三相六桥臂桥臂电压电流的表达式。

[0011] 步骤5：推导三相六桥臂桥臂瞬时功率波动和子模块电容电压波动表达式。

[0012] 步骤6：根据三相六桥臂电气量之间的联系，提出一种适用于实时仿真的模块化多电平换流器桥臂简化方法。

[0013] 通过以上6个步骤，本发明能够简化MMC六个桥臂计算的复杂度，可以应用到MMC系统级稳态的实时仿真之中。

附图说明

[0014] 图1是本发明提供的MMC拓扑结构图；

[0015] 图2是本发明示例的半桥子模块详细拓扑结构图。

[0016] 图3为本发明中MMC实时仿真过程。

[0017] 图1中SM表示子模块(Sub-module，SM)，SM1，SM2，…，SMn,表示 MMC某桥臂中第一个子模块，第二个子模块，…，第n个子模块；Larm为桥臂电抗器，Udc为直流侧电压。

[0018] 图2中，VT1、VT2表示绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT)，VD1、VD2表示二极管，C表示电容，Rp为均压电阻，K1为机械式开关、K2为高速晶闸管。

[0019] 图3中，步骤1将A相上、下桥臂，B相上桥臂电流Iarm和子模块导通个数 NON传到FPGA；步骤2：FPGA经过排序均压触发环节得到桥臂的戴维南等效电压Ueq和子模块电容电压UC，将其传给MMC的A相上、下桥臂，B相上桥臂；步骤3：根据已推导的MMC三相六桥臂的关系，将A相上、下桥臂，B相上桥臂的戴维南等效电压和子模块电容电压经过时间延迟Δt1-Δt3映射到另外3个桥臂 (Δt1-Δt3分别为不同桥臂的延迟时间)；步骤4：完成一个仿真步长的计算，并将A 相上、下桥臂，B相上桥臂的电流Iarm和子模块导通个数NON计算结果作为下一步长初始值传递给MMC的A相上、下桥臂，B相上桥臂的模块。

具体实施方式

[0020] 下面将对本发明涉及的由半桥子模块构成的MMC进行详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

[0021] 本发明所要解决的技术问题是一种适用于实时仿真的模块化多电平换流器桥臂简化方法。本发明采用如下技术方案实现：

[0022] 本发明通过如下六个步骤来实现：

[0023] 步骤1：如图1所示，在三相六桥臂MMC中，根据相角超前滞后分析电压电流等电气量的a、b、c三相关系可以分为正序、负序、零序。利用电路分析，得到基频正序、二倍频负序、三倍频零序，从而将频次和序分量联系起来。其表达式如式(1)所示：

[0024]

[0025] 式中，下标1表示正序基频分量，下标2表示负序2倍频分量，下标序表示零序 3倍频分量。

[0026] 步骤2：如图1所示，先分析MMC三相之间的关系，得到其三相之间的电气量正序、负序、零序的表达式。

[0027] 以图1蓝色虚线框标出的MMC的abc三相为例，其三相之间的电气量正序、负序、零序如公式(2)-(4)所示：

[0028]

[0029]

[0030]

[0031] 从时域上分析，得到基频正序、二倍频负序、三倍频零序的abc三相之间有以下关系：

[0032]

[0033] 其中aj(t)、bj(t)、cj(t)表示abc三相，T为基频周期。只要是电压、电流等三相对称的电气量，其正序、负序、零序分量在时域上都满足表达式(4)。

[0034] 步骤3：如图1所示，随后分析a/b/c相上下桥臂之间的电气量的关系，得到上、下桥臂的电气量的正序、负序、零序的表达式。

[0035] 图1中红色实线框标出电路图中的电气量之间的关系。由MMC本身固有的工作属性决定，即上下桥臂之间的互补特性，表现在时域上即为上下桥臂之间的电气量相差半个周期。具体上下桥臂之间的基频量、二倍频量、三倍频分量之间的关系如式(6)所示：

[0036]

[0037] 其中a、b、c表示三相，n表示下桥臂，p表示上桥臂,j代表频次，可取1,2,3…。那么，上下桥臂的基频分量，二倍频分量、三倍频分量之间的关系由下面表达式表出，下面以a相为例：

[0038]

[0039]

[0040]

[0041] 由表达式(7)-(9)可以得到，对于上/下桥臂的基频分量、三倍频分量等奇倍频分量表现为任一时刻大小相等，方向相反，而对于二倍频、四倍频等偶数倍频分量任一时刻大小相等，方向相同。

[0042] 步骤4：推导MMC三相六桥臂桥臂电压电流的表达式。

[0043] 在MMC拓扑中，参考方向以图1标注的方向为准，a相上桥臂的桥臂电压为：

[0044]

[0045] 在表达式(10)中，Uap为上桥臂电压，Udc为稳态情况下直流电压，va为a相调制波幅值，ω为基波角频率，则三相六桥臂的桥臂电压之间的关系可以表述为：

[0046]

[0047] a相上桥臂的桥臂电流为：

[0048]

[0049] 其中，iap为a相上桥臂瞬时电流，Idc为直流侧电流，Is为交流基频相电流的幅值，为基频电流分量的相角，三相六桥臂的电流关系亦满足公式(11)的关系。

[0050] 步骤5：推导三相六桥臂桥臂瞬时功率波动和子模块电容电压波动表达式。

[0051] a相上桥臂瞬时功率波动和子模块电容电压波动表达式如式(13)所示：

[0052]

[0053] 结合公式(11)、(13)，则a相上下桥臂之间的关系和a、b相之间的关系可由公式(14)得到：

[0054]

[0055] 结合公式(11)、(13)和(14)，我们可以得到经典MMC拓扑三相六桥臂之间桥臂瞬时功率关系将满足以下三点：

[0056] 1)a、b、c三相六桥臂之间的瞬时功率波动和子模块电容电压波动在时域上波形一致，只是存在时间延迟。

[0057] 2)a、b、c三相之间的子模块电容电压波动和桥臂瞬时功率波动的波形一致，只是存在T/3周期的时间延迟，T为基频周期。

[0058] 3)上、下桥臂之间的子模块电容电压波动和桥臂瞬时功率波动的波形一致，只是存在T/2周期的时间延迟，T为基频周期。

[0059] 其简化表达式如式(15)-(18)所示：

[0060]

[0061]

[0062]

[0063]

[0064] 步骤6：根据三相六桥臂电气量之间的联系，提出一种适用于实时仿真的模块化多电平换流器桥臂简化方法。即通过仿真3个桥臂的电磁暂态特性，根据步骤1-5推导的三相六桥臂之间的电气量、瞬时功率波动和子模块电容电压波动差异，通过时间延迟映射到另外3个桥臂，得到MMC三相六桥臂的电磁暂态特性。

[0065] 根据图3中进行MMC实时仿真的过程，共包含4个步骤。步骤1将A相上、下桥臂，B相上桥臂的桥臂电流Iarm和子模块导通个数NON传到FPGA；步骤2： FPGA经过排序均压触发环节得到桥臂的戴维南等效电压Ueq和子模块电容电压UC，将其传给MMC的A相上、下桥臂，B相上桥臂模块；步骤3：根据已推导的MMC三相六桥臂的关系，将A相上、下桥臂，B相上桥臂的桥臂戴维南等效电压和子模块电容电压经过时间延迟Δt1-Δt3映射到另外3个桥臂，分别是B相下桥臂、C相上桥臂、C相下桥臂；步骤4：完成一个仿真步长的计算，并将A相上、下桥臂，B相上桥臂的桥臂电流Iarm和子模块导通个数NON计算结果作为下一步长初始值传递给MMC的A相上、下桥臂，B相上桥臂模块。

[0066] 本发明的有益效果在于，该桥臂简化方法适用于稳态情况下的MMC仿真，可极大降低MMC桥臂仿真的复杂度，节省仿真资源，缩短仿真时间。

[0067] 本发明所提出的适用于实时仿真的桥臂简化方法可以推广应用于由不同类型以及包含两种以上类型子模块拓扑的混合MMC中，具有工程实用价值。

[0068] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。