專利名稱：基于rtds的mmc自定義子模塊的設計方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)運行和控制技術領域，尤其涉及一種基于RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法。
背景技術：
近幾年，隨著風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等可再生能源發(fā)電的發(fā)展，基于電壓源換流器的輕型直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)由于具有經(jīng)濟、靈活、高可控性等優(yōu)點，得到了快速的應用和發(fā)展。輕型直流輸電廣泛應用于可再生能源比如大型風電場并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、大城市電網(wǎng)供電、非同步交流電網(wǎng)互聯(lián)、多端直流輸電等領域。 但常規(guī)的VSC-HVDC系統(tǒng)一般采用兩電平或三電平電壓源型換流器，存在開關頻率高、輸出電壓諧波大、電壓等級低、換流站占地面積大的缺點，此外還存在串聯(lián)器件動態(tài)均壓的問題。模塊化多電平換流器(MMC)新型靈活的拓撲結構很好的克服了傳統(tǒng)VSC-HVDC輸出電壓諧波大、換流站占地面積大，開關損耗高的缺點，是目前最有前景的直流輸電方式?；贛MC的輕型直流輸電系統(tǒng)需要大量的子模塊(SM，sub-module)串聯(lián)，給實時仿真計算帶來了巨大的挑戰(zhàn)，特別是采用實時數(shù)字仿真器(real-time digitalsimulator, RTDS)對MMC換流器進行建模。在MMC系統(tǒng)中子模塊是換流器最基本也是最重要的組成單元，子模塊的運行情況關系到整個MMC系統(tǒng)的安全和可靠性，因此研究單個子模塊故障以及控制保護策略對基于MMC的輕型直流輸電系統(tǒng)具有重要的意義。但是在現(xiàn)有的RTDS軟件中可用于MMC系統(tǒng)建模的元件，是封裝好的橋臂，不能用于單個子模塊故障的控保策略的研究，這給RTDS與外接控保裝置的測試帶來了困難，因此開發(fā)可用于單個子模塊故障的MMC實時仿真系統(tǒng)，具有重大的現(xiàn)實意義的。

發(fā)明內(nèi)容
針對背景技術中所述的實時數(shù)字仿真器RTDS自帶的模塊化多電平換流器MMC元件不能用于研究單個子模塊故障的控保策略問題，本發(fā)明提出了一種基于RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法。一種基于RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法，其特征在于，所述方法具體包括以下步驟步驟I :對模塊化多電平換流器MMC子模塊所包括的元件進行建模；步驟2 :在步驟I中得到的數(shù)學模型的基礎上，得到子模塊SM的等效模型；步驟3 :根據(jù)子模塊不同的工作狀態(tài)，將子模塊等效模型，簡化成電導為g，注入電流源為ih(t)的諾頓等效模型，確定子模塊的計算模式；步驟4 :設定自定義子模塊的輸入輸出變量及自定義子模塊實現(xiàn)的功能；步驟5:定義子模塊的參數(shù)和各節(jié)點的類型，并生成自定義子模塊的頭文件rtdsSM. h ；
步驟6 :根據(jù)步驟2和步驟3得到的MMC子模塊的等效模型與計算模式，以及在步驟5生成的頭文件rtds SM.h，設計rtds SM的程序實現(xiàn)流程，并編寫實現(xiàn)自定義子模塊rtds SM的程序。步驟I中，具有控保電路的MMC子模塊包括絕緣柵雙極型晶體管IGBT、反并二極管、電容、旁路開關和旁路晶閘管，分別對子模塊的五種元件進行建模；(I)電容等效模型電容的電壓和電流的關系為
權利要求
1.一種基于RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法，其特征在于，所述方法具體包括以下步驟 步驟I :對模塊化多電平換流器MMC子模塊所包括的元件進行建模； 步驟2 :在步驟I中得到的數(shù)學模型的基礎上，得到子模塊SM的等效模型； 步驟3 :根據(jù)子模塊不同的工作狀態(tài)，將子模塊等效模型，簡化成電導為g，注入電流源為ih(t)的諾頓等效模型，確定子模塊的計算模式； 步驟4 :設定自定義子模塊的輸入輸出變量及自定義子模塊實現(xiàn)的功能； 步驟5 :定義子模塊的參數(shù)和各節(jié)點的類型，并生成自定義子模塊的頭文件rtdS_SM. h ； 步驟6 :根據(jù)步驟2和步驟3得到的MMC子模塊的等效模型與計算模式，以及在步驟5生成的頭文件rtds_SM. h,設計rtds_SM的程序實現(xiàn)流程,并編寫實現(xiàn)自定義子模塊rtds_SM的程序。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種基于RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法，其特征在于，所述步驟I中，具有控保電路的MMC子模塊包括絕緣柵雙極型晶體管IGBT、反并二極管、電容、旁路開關和旁路晶閘管，具體對子模塊的五種元件進行建模過程如下 (O電容等效模型 電容的電壓和電流的關系為 應用梯形差分法將式(I)線性化，得
3.根據(jù)權利要求I所述的一種基于RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法，其特征在于，所述步驟2中，在步驟I中五個元件數(shù)學模型的基礎上，由步驟I中的式(6)、(8)和(11)得到子模塊SM的等效模型，得到SM輸出的電壓為
4.根據(jù)權利要求I所述的一種基于RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法，其特征在于，所述步驟3中，根據(jù)子模塊不同的工作狀態(tài)，將子模塊的等效模型，進一步化簡成電導為g，注入電流源為ih(t)的諾頓等效模型，得到子模塊基本計算模式包括 模式I :等效電容充放電模式電導g=l/Rm+G。，注入電流源為ih(t)； 模式2 :小電阻短路模式電導g=l/Rm，注入電流源為O ; 模式3 :大電阻開路模式電導S=IzXff，注入電流源為O。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種基于RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法，其特征在于，所述步驟6中，根據(jù)步驟2和步驟3得到的MMC子模塊的等效模型與基本計算模式，以及在步驟5生成的頭文件rtds_SM· h，設計rtds_SM的程序實現(xiàn)流程的過程包括以下步驟 步驟61 :根據(jù)所設定的輸入變量，首先判斷旁路開關信號Kf是否發(fā)生拒動故障 a)若&=1，表示不發(fā)生故障，則表征旁路開關實際動作的信號Ps就是等于輸入的旁路開關動作信號K ； b)若KF=0，表示發(fā)生拒動故障，則判斷旁路開關的輸入動作信號K，若K=I，表示外界輸入的開關信號是斷開的，為了表示拒動，開關的實際動作信號Ps是不斷開，因此令Ps=O;同理當K=O時，令Ps=I ； 步驟62 :同時對旁路晶閘管的信號進行處理 T是晶閘管接收的外界輸入觸發(fā)導通信號，Tt是一個判斷輸入信號T上升沿的一個變量，一旦檢測到T的值為I時，令Tt = 1，晶閘管收到觸發(fā)導通信號；否則，Tt = O,晶閘管沒有收到觸發(fā)導通信號； 步驟63 :然后先對旁路開關的實際動作信號Ps進行判斷，旁路開關是否閉合 1)若Ps=0，表示旁路開關是閉合的，則子模塊直接進入小電阻計算模式2； 2)若&=1，表示旁路開關是斷開的，繼續(xù)判斷晶閘管的導通信號Tt的情況； 步驟64 :判斷晶閘管的導通信號Tt的情況 步驟641 :若1\ = 1，則說明晶閘管的觸發(fā)信號是導通，那么子模塊需要判斷子模塊的兩個節(jié)點的電位大小Vni和Vn2的關系 I.I)若VN1>VN2，則說明晶閘管反向不導通，判斷IGBT是否發(fā)生故障S1F和S2f分別表示上IGBT1和下IGBT2的故障信號，具體步驟如下 a)若S2F=1，表示下IGBT2發(fā)生短路故障，此時子模塊直接進入小電阻短路計算模式2，同時令子模塊狀態(tài)切換信號變ΤΕΜ_Ρ=0 ； b)若S2F=0，表示下IGBT2不發(fā)生故障，則此時再進一步判斷上IGBT1是否發(fā)生故障； ①S1F=1，表示上IGBT1發(fā)生短路故障，當FP2>0，即為高電平時，F(xiàn)pi為低電平，子模塊進入計算模式2，同時令變量ΤΕΜ_Ρ=0 ;否則，當FP2〈=0，即為低電平時，F(xiàn)pi為高電平，則進入切換信號的判斷先判斷切換信號TEM_P是否大于0，若ΤΕΜ_Ρ>0，則說明上個時間時刻子模塊是投入狀態(tài)，則更新電容電壓，子模塊進入計算模式I ;STEM_P〈=0，則說明上個時間時刻子模塊是切除狀態(tài)，則保持電容電壓為上個時刻的值，再進入計算模式1，最后再計算電容均壓信號Vctl ； ②S1F=0，表示上IGBT1不發(fā)生故障，則先判斷Fpi是否大于0，若FP1〈=0，則子模塊進入計算模式2，否則，F(xiàn)P1>0時，子模塊進入①中切換信號TEM_P的判斷部分； .1.2)若VN1〈VN2，則晶閘管和下IGBT的反并二極管導通，子模塊進入小電阻短路計算模式2 ； 步驟642 :若1\ = 0，則說明晶閘管沒有收到觸發(fā)導通信號，此時，子模塊的模型就只包括上下IGBT及對應的反并二極管，還有電容，此時需要判斷子模塊的運行狀態(tài) .2.I)若EN=0，表示子模塊處于閉鎖狀態(tài)，即上IGBT和下IGBT的觸發(fā)電平Fpi和Fp2都是低電平，此時子模塊通過反并二極管D1和D2對電容充電或者子模塊被旁路當VN1>VN2時，進一步判斷電容電壓\c與兩個節(jié)點N1與N2間的壓差的關系，只有當VNe〈VN1-VN2時，子模塊電容充電，進入計算模式1，否則，子模塊進入大電阻開路計算模式3，即此時子模塊既不充電也不放電； . 2.2)若EN=1，表示子模塊處于非閉鎖狀態(tài)，具體的處理過程包括以下步驟 a)若S2F=1，表示下IGBT2發(fā)生短路故障，此時子模塊直接進入小電阻短路計算模式2，同時令子模塊狀態(tài)切換信號變ΤΕΜ_Ρ=0 ； b)若S2f= O，表示下IGBT2不發(fā)生故障，則此時再進一步判斷上IGBTl是否發(fā)生故障； ①S1F=1，表示上IGBT1發(fā)生短路故障，當FP2>0，即為高電平時，F(xiàn)pi為低電平，子模塊進入計算模式2，同時令變量ΤΕΜ_Ρ=0 ;否則，當FP2〈=0，即為低電平時，F(xiàn)pi為高電平，先判斷切換信號TEM_P是否大于O，若ΤΕΜ_Ρ>0，則說明上個時間時刻子模塊是投入狀態(tài)，則更新電容電壓，子模塊進入計算模式I ;STEM_P〈=0，則說明上個時間時刻子模塊是切除狀態(tài)，則保持電容電壓為上個時刻的值，再進入計算模式1，最后再計算電容均壓信號Vctl ； ②S1F=0，表示上IGBT1不發(fā)生故障，則先判斷Fpi是否大于0，若FP1〈=0，則子模塊進入計算模式2，否則，F(xiàn)P1>0時，子模塊進入判斷切換信號TEM_P是否大于0，若ΤΕΜ_Ρ>0，則說明上個時間時刻子模塊是投入狀態(tài)，則更新電容電壓，子模塊進入計算模式I ;STEM_P〈=0，則說明上個時間時刻子模塊是切除狀態(tài)，則保持電容電壓為上個時刻的值，再進入計算模式I，最后再計算電容均壓信號Vctl。
全文摘要
本發(fā)明公開了電力系統(tǒng)運行和控制技術領域的一種基于RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法。其技術方案是，建立含有IGBT、旁路二極管和電容元件，以及用于子模塊控制和保護的旁路開關和旁路晶閘管元件的子模塊等效模型，并根據(jù)CBuilder的程序開發(fā)語言，編寫自定義子模塊的程序，實現(xiàn)子模塊的各種運行狀態(tài)。本發(fā)明的有益效果是，提出的自定義子模塊能正確模擬由單個元件組成的仿真模型，仿真精度高，并能結合載波相移調(diào)制策略，不需外部搭建電容均壓控制器，即可實現(xiàn)子模塊的電容均壓，減少了控制器的占用資源。另外，子模塊的輸入端信號中可以輸出表征子模塊故障的信號，用于測試子模塊的控保裝置。
文檔編號H02M3/07GK102969888SQ201210430909
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權日2012年11月1日
發(fā)明者劉崇茹, 林雪華, 李海峰, 林周宏 申請人:華北電力大學