專利名稱：一種mmc的仿真方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種MMC的仿真方法及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
MMC(Modular Multilevel Converter,模塊化多電平換流器)是電壓源型換流器的一種比較新穎的拓?fù)漕愋?，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本單元是電力電子開關(guān)組成的半橋子模塊(Submodule, SM)或者全橋 子模塊。近年來，隨著更加新穎的MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)以及其控制方式的不斷發(fā)展，MMC的電壓等級以及功率輸送能力得到了很大的提升，這使得大功率的柔性高壓直流輸電成為了未來發(fā)展的趨勢。與基于晶閘管的傳統(tǒng)直流輸電拓?fù)洳煌?，MMC的模塊電力電子器件的導(dǎo)通與關(guān)斷均由通過器件門極的觸發(fā)信號實現(xiàn)；通過使用合適的電路拓?fù)湟约伴_關(guān)調(diào)制方式，能夠使得換流器的輸出交流電壓與工頻正弦電壓接近，以降低輸出電壓中的諧波含量，減小波形的畸變，滿足電網(wǎng)的諧波要求。在眾多MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，三相全橋模塊化多電平換流器因其擴展性強、開關(guān)頻率低、能夠處理直流側(cè)故障以及諧波含量低等一系列特點受到了廣泛的關(guān)注；其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖I所示。這種三相全橋模塊化多電平換流器為三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每一相分為了上下兩個橋臂，每個橋臂由n個全橋SM級聯(lián)而成并通過電抗器連接于對應(yīng)的相端口。然而，為了將MMC應(yīng)用于大功率高壓直流輸電場合，單個橋臂所需的SM數(shù)量將隨著直流電壓等級以及傳輸功率的增長而增多。過多的SM將給換流器的仿真建模造成極大的挑戰(zhàn)；即使仿真建模能夠順利完成，隨著SM個數(shù)的增加，電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真工具進行仿真所需要的時間也會大幅增加，這給仿真研究以及工程設(shè)計帶來了極大的不便。造成多SM系統(tǒng)仿真速度過慢的原因如下(I)開關(guān)器件數(shù)量的增加將導(dǎo)致系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)每時每刻都發(fā)生著較大的變化，這增加了軟件求取系統(tǒng)矩陣的時間；(2)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件進行一步仿真，軟件都需要對系統(tǒng)進行迭代求解，求解過程包含了對整個系統(tǒng)矩陣進行一次求逆的過程，然而，系統(tǒng)矩陣的規(guī)模與系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)正相關(guān)；因此，更多的SM個數(shù)就意味著系統(tǒng)含有更多的節(jié)點數(shù)，而更多的節(jié)點數(shù)就意味著系統(tǒng)矩陣的規(guī)模將變得更加龐大，計算機系統(tǒng)不得不消耗更多的時間進行大規(guī)模系統(tǒng)矩陣的生成以及求逆的運算。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種MMC的仿真方法，能夠在保證仿真結(jié)果準(zhǔn)確可靠的前提下，大幅度地提升仿真速度，且應(yīng)用于MMC設(shè)計。一種MMC的仿真方法，所述的MMC包含有若干個SM，所述的SM由四個IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)和一個電容組成；其中，第一 IGBT的發(fā)射極與第三IGBT的集電極相連并構(gòu)成SM的一端，第一 IGBT的集電極與第二 IGBT的集電極和電容的一端相連，第二 IGBT的發(fā)射極與第四IGBT的集電極相連并構(gòu)成SM的另一端，第四IGBT的發(fā)射極與第三IGBT的發(fā)射極和電容的另一端相連，所述的IGBT的基極接收外部設(shè)備提供的開關(guān)信號；該方法包括如下步驟
(I)獲取所述的SM的運行參數(shù)，所述的運行參數(shù)包括輸入電流、第一開關(guān)信號和
第二開關(guān)信號；所述的第一開關(guān)信號和第二開關(guān)信號分別為SM中第一 IGBT和第二 IGBT接收的
開關(guān)信號。(2)根據(jù)所述的運行參數(shù)構(gòu)建SM的等效電路；(3)根據(jù)所述的等效電路建立SM的仿真電路；(4)根據(jù)SM的仿真電路建立MMC的仿真系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行仿真。優(yōu)選地，所述的等效電路由四個開關(guān)電阻、一個等效電壓源和一個等效電阻構(gòu)成； 其中，第一開關(guān)電阻的一端與第三開關(guān)電阻的一端相連并對應(yīng)SM的一端,第一開關(guān)電阻的另一端與第二開關(guān)電阻的一端和等效電阻的一端相連，第二開關(guān)電阻的另一端與第四開關(guān)電阻的一端相連并對應(yīng)SM的另一端，等效電阻的另一端與等效電壓源的正端相連，等效電壓源的負(fù)端與第四開關(guān)電阻的另一端和第三開關(guān)電阻的另一端相連。能夠較好地等效實際SM電路，并且所使用的元件簡單，便于后續(xù)求解。當(dāng)SM處于正常運行狀態(tài)下若第一開關(guān)信號和第二開關(guān)信號均為高電平，則第一開關(guān)電阻和第二開關(guān)電阻的阻值均為0.01 Ω，第三開關(guān)電阻和第四開關(guān)電阻的阻值均為106Ω ；若第一開關(guān)信號和第二開關(guān)信號均為低電平，則第一開關(guān)電阻和第二開關(guān)電阻的阻值均為106Ω，第三開關(guān)電阻和第四開關(guān)電阻的阻值均為0.01 Ω ；若第一開關(guān)信號為低電平，第二開關(guān)信號為高電平，則第一開關(guān)電阻和第四開關(guān)電阻的阻值均為IO6 Ω，第二開關(guān)電阻和第三開關(guān)電阻的阻值均為0.01 Ω ；若第一開關(guān)信號為高電平，第二開關(guān)信號為低電平，則第一開關(guān)電阻和第四開關(guān)電阻的阻值均為0.01 Ω，第二開關(guān)電阻和第三開關(guān)電阻的阻值均為IO6 Ω ；該狀態(tài)下，SM中第一 IGBT接收的開關(guān)信號與第三IGBT接收的開關(guān)信號互補，第ニ IGBT接收的開關(guān)信號與第四IGBT接收的開關(guān)信號互補；當(dāng)SM處于閉鎖狀態(tài)下若輸入電流大于等于10_5Α，則第一開關(guān)電阻和第四開關(guān)電阻的阻值均為O. 01 Ω，第二開關(guān)電阻和第三開關(guān)電阻的阻值均為5Χ1(ΤΩ ；若輸入電流小于等于-10_5Α，則第一開關(guān)電阻和第四開關(guān)電阻的阻值均為5 X IO-7 Ω，第二開關(guān)電阻和第三開關(guān)電阻的阻值均為O. 01 Ω ;若輸入電流大于-10_5Α且小于10_5Α，則所有開關(guān)電阻的阻值均為5Χ 10_7 Ω ；該狀態(tài)下，SM中四個IGBT接收的開關(guān)信號均為低電平。所述的等效電阻的阻值和等效電壓源的電壓值的計算公式如下
η ATRr =——
て 2C
ATUCEq (t) = (7777 Ic (t) + Uc (0)
J へ、(Ra + Re) .1 SM⑴ + (Rb + Rd) . uCeqQ 4T)Ic (O ニ---ヒ-Uc (t) = Rc · Ic(t)+UCEQ(t-AT)
Ra = R3 · (Rc+R2+R4) +Rc · R4Rb = - (R2+R4) Re = - [R4 · (Rj+Rg+R。)+Rc · R3]Rd = - (R^R3)Rm = (Rj+Rg) X (R2+R4)+RcX ( + + + )其中RC為等效電阻的阻值，Λ T為仿真步長，C為SM中電容的容值，Uceq (t)為t時刻等效電壓源的電壓值，Ism(t)為t時刻SM的輸入電流，H R3和R4分別為第一開關(guān)電阻、第二開關(guān)電阻、第三開關(guān)電阻和第四開關(guān)電阻的阻值。優(yōu)選地，所述的仿真電路由一個仿真電壓源和一個仿真電阻構(gòu)成；其中，仿真電阻的一端對應(yīng)SM的一端，仿真電阻的另一端與仿真電壓源的正端相連，仿真電壓源的負(fù)端對應(yīng)SM的另一端。能夠使得SM的仿真計算得到進ー步地簡化。所述的仿真電阻的阻值和仿真電壓源的電壓值的計算公式如下
權(quán)利要求
1.一種MMC的仿真方法，所述的MMC包含有若干個SM，所述的SM由四個IGBT和一個電容組成；其中，第一 IGBT的發(fā)射極與第三IGBT的集電極相連并構(gòu)成SM的一端，第一 IGBT的集電極與第二 IGBT的集電極和電容的一端相連，第二 IGBT的發(fā)射極與第四IGBT的集電極相連并構(gòu)成SM的另一端，第四IGBT的發(fā)射極與第三IGBT的發(fā)射極和電容的另一端相連，所述的IGBT的基極接收外部設(shè)備提供的開關(guān)信號；該方法包括如下步驟 (1)獲取所述的SM的運行參數(shù)，所述的運行參數(shù)包括輸入電流、第一開關(guān)信號和第二開關(guān)信號，所述的第一開關(guān)信號和第二開關(guān)信號分別為SM中第一 IGBT和第二 IGBT接收的開關(guān)信號； (2)根據(jù)所述的運行參數(shù)構(gòu)建SM的等效電路； (3)根據(jù)所述的等效電路建立SM的仿真電路； (4)根據(jù)SM的仿真電路建立MMC的仿真系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行仿真。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的MMC的仿真方法，其特征在于所述的等效電路由四個開關(guān)電阻、一個等效電壓源和一個等效電阻構(gòu)成；其中，第一開關(guān)電阻的一端與第三開關(guān)電阻的一端相連并對應(yīng)SM的一端,第一開關(guān)電阻的另一端與第二開關(guān)電阻的一端和等效電阻的一端相連，第二開關(guān)電阻的另一端與第四開關(guān)電阻的一端相連并對應(yīng)SM的另一端，等效電阻的另一端與等效電壓源的正端相連，等效電壓源的負(fù)端與第四開關(guān)電阻的另一端和第三開關(guān)電阻的另一端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MMC的仿真方法，其特征在于 當(dāng)SM處于正常運行狀態(tài)下 若第一開關(guān)信號和第二開關(guān)信號均為高電平，則第一開關(guān)電阻和第二開關(guān)電阻的阻值均為0.01 Q，第三開關(guān)電阻和第四開關(guān)電阻的阻值均為IO6Q ； 若第一開關(guān)信號和第二開關(guān)信號均為低電平，則第一開關(guān)電阻和第二開關(guān)電阻的阻值均為IO6Q,第三開關(guān)電阻和第四開關(guān)電阻的阻值均為0.01 Q ； 若第一開關(guān)信號為低電平，第二開關(guān)信號為高電平，則第一開關(guān)電阻和第四開關(guān)電阻的阻值均為IO6Q,第二開關(guān)電阻和第三開關(guān)電阻的阻值均為0.01 Q ； 若第一開關(guān)信號為高電平，第二開關(guān)信號為低電平，則第一開關(guān)電阻和第四開關(guān)電阻的阻值均為0.01 Q，第二開關(guān)電阻和第三開關(guān)電阻的阻值均為IO6Q ； 當(dāng)SM處于閉鎖狀態(tài)下 若輸入電流大于等于10_5A，則第一開關(guān)電阻和第四開關(guān)電阻的阻值均為0.01Q，第二開關(guān)電阻和第三開關(guān)電阻的阻值均為5X10_7Q ； 若輸入電流小于等于-10_5A，則第一開關(guān)電阻和第四開關(guān)電阻的阻值均為5X IO-7Q，第二開關(guān)電阻和第三開關(guān)電阻的阻值均為0.01 Q ； 若輸入電流大于-KT5A且小于1(T5A,則所有開關(guān)電阻的阻值均為5X1(T7Q。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MMC的仿真方法，其特征在于所述的等效電阻的阻值和等效電壓源的電壓值的計算公式如下
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的MMC的仿真方法，其特征在于所述的仿真電路由一個仿真電壓源和一個仿真電阻構(gòu)成；其中，仿真電阻的一端對應(yīng)SM的一端，仿真電阻的另一端與仿真電壓源的正端相連，仿真電壓源的負(fù)端對應(yīng)SM的另一端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的MMC的仿真方法，其特征在于所述的仿真電阻的阻值和仿真電壓源的電壓值的計算公式如下
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一權(quán)利要求所述的MMC的仿真方法應(yīng)用于MMC設(shè)計。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種MMC的仿真方法，包括(1)獲取SM的運行參數(shù)；(2)構(gòu)建SM的等效電路；(3)建立SM的仿真電路；(4)建立MMC的仿真系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行仿真。本發(fā)明利用數(shù)值計算以及電磁仿真的內(nèi)部機理，能夠有效地將MMC中SM等效為一個由受控電壓源以及可調(diào)電阻構(gòu)成的簡單支路，大大減少了系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)及相應(yīng)的仿真運算量；故本發(fā)明能夠在保證仿真精度的前提下，大幅度地提升MMC的仿真速度，且應(yīng)用于MMC設(shè)計。
文檔編號G06F17/50GK102663174SQ20121008068
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者劉昇, 唐庚, 徐政, 薛英林 申請人:浙江大學(xué)