本發(fā)明涉及一種mmc功率模塊的仿真模型。

背景技術(shù)：

基于模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverter，mmc)的高壓柔性直流輸電系統(tǒng)(vsc-hvdc)具有四象限運(yùn)行、濾波器小、可向無源網(wǎng)絡(luò)供電等諸多優(yōu)點(diǎn)，其在輸電領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。工程上mmc功率模塊由眾多部件構(gòu)成，例如功率模塊控制電路、絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)及驅(qū)動器、電容、均壓電阻、旁路開關(guān)、自取能電源等。

mmc功率模塊內(nèi)部控制電路采用自取能電源供電方式，即mmc功率模塊的自取能電源從mmc功率模塊電容獲取高位電能并將其轉(zhuǎn)化為低壓電源供控制電路使用。由于功率模塊內(nèi)部控制電路可近似為恒功率消耗，因此在mmc功率模塊中其自取能電源相對于電容來說為恒功率負(fù)載，自取能電源的恒功率特性使得功率模塊電容電壓越低自取能電源輸入的電流越大。當(dāng)mmc處于不控充電階段時(shí)，電容電壓較低的功率模塊電容電壓越來越低，而電容電壓較高的功率模塊電容電壓越來越高，隨著mmc解鎖時(shí)間的推遲電容電壓會發(fā)散，該現(xiàn)象在實(shí)際的工程中也得到了實(shí)際驗(yàn)證。mmc功率模塊電容電壓發(fā)散過程與mmc控制密切相關(guān)，涉及mmc控制器不控充電完成后最遲解鎖時(shí)間的設(shè)定，因此需要建立mmc功率模塊非線性特征仿真模型，實(shí)現(xiàn)其非線性過程的電磁暫態(tài)仿真。

由于mmc功率模塊數(shù)量較多，且每個(gè)mmc功率模塊內(nèi)部含有非線性元件，例如igbt、二極管和自取能電源等，因此較實(shí)現(xiàn)mmc功率模塊非線性特征的實(shí)時(shí)仿真模型。中國專利cn106570226提出了一種mmc平均值模型，該方法可實(shí)現(xiàn)mmc的實(shí)時(shí)仿真，但是無法仿真每個(gè)mmc功率模塊的電磁暫態(tài)過程。中國專利cn103116665a提出一種mmc拓?fù)鋼Q流器高效電磁暫態(tài)仿真方法，該發(fā)明對igbt和二極管進(jìn)行等效處理，減少電路節(jié)點(diǎn)路從而提高mmc功率模塊仿真速度，然而該方法未實(shí)現(xiàn)功率模塊的非線性特征仿真。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種mmc功率模塊非線性特征仿真模型，本發(fā)明模擬mmc換流器在無均勻主動控制下mmc功率模塊電容電壓發(fā)散過程。

mmc功率模塊非線性特征仿真模型由一個(gè)受控電流源im、一個(gè)電容cm、一個(gè)線性電阻rb和一個(gè)非線性電阻rhp組成。受控電流源im的正極分別與電容cm的正極、線性電阻rb的一端及非線性電阻rhp一端相連接；受控電流源im的負(fù)極與cm電容的負(fù)極、線性電阻rb的另一端及非線性電阻rhp的另一端連接。

mmc功率模塊非線性特征仿真模型模擬mmc換流器在無均壓主動控制下mmc功率模塊電容電壓發(fā)散過程的方法如下：

(1)計(jì)算受控電流源電流值im

受控電流源電流值im與mmc功率模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、橋臂電流ia及mmc功率模塊開關(guān)狀態(tài)有關(guān)。假設(shè)橋臂電流ia從上至下流入mmc功率模塊為正，橋臂電流ia從下至上流出mmc功率模塊為負(fù)。

mmc功率模塊為全橋功率模塊，不考慮第一開關(guān)器件k1和第二開關(guān)器件k2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)功率模塊電容發(fā)生短路工況，也不考慮第三開關(guān)器件k3和第四開關(guān)器件k4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)功率模塊電容發(fā)生短路工況。全橋功率模塊非線性特征仿真模型中受控電流源電流值im計(jì)算方法如下：

當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件k1、第二開關(guān)器件k2、第三開關(guān)器件k3和第四開關(guān)器件k4均為關(guān)斷狀態(tài)，受控電流源電流值im為橋臂電流ia的絕對值；當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件k1為開通狀態(tài)、第二開關(guān)器件k2為關(guān)斷狀態(tài)、第三開關(guān)器件k3為關(guān)斷狀態(tài)、第四開關(guān)器件k4為開通狀態(tài)，受控電流源電流值im與橋臂電流ia數(shù)值相等，符號相同；當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件k1為關(guān)斷狀態(tài)、第二開關(guān)器件k2為開通狀態(tài)、第三開關(guān)器件k3為開通狀態(tài)和第四開關(guān)器件k4為關(guān)斷狀態(tài)，受控電流源電流值im與橋臂電流數(shù)值相等，符號相反，即-ia；當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件k1為開通狀態(tài)、第二開關(guān)器件k2為關(guān)斷狀態(tài)、第三開關(guān)器件k3為開通狀態(tài)、第四開關(guān)器件k4為關(guān)斷狀態(tài)，受控電流源電流值im為零；當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件k1為關(guān)斷狀態(tài)、第二開關(guān)器件k2為開通狀態(tài)、第三開關(guān)器件k3為關(guān)斷狀態(tài)、第四開關(guān)器件k4為開通狀態(tài)，受控電流源電流值im為零。

mmc功率模塊為半橋功率模塊，不考慮第五開關(guān)器件和第六開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通時(shí)半橋功率模塊電容短路工況。半橋功率模塊非線性特征仿真模型的受控電流源電流值im計(jì)算方法如下：

當(dāng)?shù)谖彘_關(guān)器件k5為關(guān)斷狀態(tài)、第六開關(guān)器件k6為關(guān)斷狀態(tài)，橋臂電流ia為正值時(shí)受控電流源電流值im與橋臂電流ia數(shù)值相等，符號相同，當(dāng)橋臂電流ia為負(fù)值時(shí)，受控電流源電流值im為零；當(dāng)?shù)谖彘_關(guān)器件k5為開通狀態(tài)、第六開關(guān)器件k6為關(guān)斷狀態(tài)，受控電流源電流值im與橋臂電流ia數(shù)值相等，符號相同；當(dāng)?shù)谖彘_關(guān)器件k5為關(guān)斷狀態(tài)、第六開關(guān)器件k6為開通狀態(tài)，受控電流源電流值im為零。

(2)計(jì)算非線性電阻rhp阻值

全橋功率模塊或者半橋功率模塊的自取能電源具有橫功率消耗特性，因此可將自取能電源等效為恒功率電阻，非線性電阻rhp阻值與mmc功率模塊電容電壓vc的平方成正比，與自取能電源恒定功率php成反比。自取能電源恒定功率php為全橋型功率模塊自取能電源消耗功率pf或者半橋功率模塊自取能電源消耗功率ph，非線性電阻rhp阻值的計(jì)算公式如式(1)所示。

(3)計(jì)算mmc功率模塊的電容電壓

本發(fā)明mmc功率模塊非線性特征仿真模型用于全橋功率模塊和半橋功率模塊的差別在于受控電流源電流值im的計(jì)算方法不同。根據(jù)mmc功率模塊非線性特征仿真模型可計(jì)算出全橋功率模塊或者半橋功率模塊的電容電壓，實(shí)現(xiàn)mmc功率模塊非線性特征的電磁暫態(tài)仿真。

其中，rb為全橋功率模塊或者半橋功率模塊的均壓電阻阻值，c為全橋功率模塊或者半橋功率模塊的電容容值，vc為全橋功率模塊或者半橋功率模塊的電容電壓，im為受控電流源的電流值。

將式(1)代入式(2)，并采用歐拉法求解式(2)，可得適用于數(shù)字仿真的差分方程式(3)：

其中，ts為計(jì)算步長，電容電壓初始值為0，vc(0)＝0，k為數(shù)字仿真次數(shù)。

式(3)經(jīng)過一次計(jì)算可得vc(1)，為ts時(shí)刻仿真計(jì)算得到的電容電壓值。以此類推，經(jīng)過k次計(jì)算可得到vc(k)，為kts時(shí)刻仿真計(jì)算得到的電容電壓值，vc(k+1)為(k+1)ts時(shí)刻仿真計(jì)算得到的電容電壓值。kts代表仿真運(yùn)行時(shí)間，由于數(shù)字仿真每次仿真計(jì)算步長相等，因此k≥0且為整數(shù)。

附圖說明

圖1為全橋功率模塊的內(nèi)部電路原理圖；

圖2為半橋功率模塊的內(nèi)部電路原理圖；

圖3為mmc功率模塊非線性特征仿真模型；

圖4為混合型mmc換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖5為mmc功率模塊非線性特征仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。

圖1為全橋功率模塊的內(nèi)部電路原理圖。如圖1所示，全橋功率模塊包括儲能電容cf、均勻電阻rf、自取能電源pf、四只開關(guān)器件k1、k2、k3、k4，以及四只二極管d1、d2、d3、d4。其中，第一開關(guān)器件k1、第三開關(guān)器件k3的集電極、均壓電阻rf一端、自取能電源pf一端和第一儲能電容cf的正極相連接；第二開關(guān)器件k2、第四開關(guān)器件k4的發(fā)射極、均壓電阻rf另一端、自取能電源pf另一端和第一儲能電容cf的負(fù)極相連接；第一開關(guān)器件k1的集電極與第一d1的陰極相連，第一開關(guān)器件k1的發(fā)射極與第一二極管d1的陽極相連；第二開關(guān)器件k2的集電極與第二二極管d2的陰極相連，第二開關(guān)器件k2的發(fā)射極與第二二極管d2的陽極相連；第三開關(guān)器件k3的集電極與第三二極管d3的陰極相連，第三開關(guān)器件k3的發(fā)射極與第三二極管d3的陽極相連；第四開關(guān)器件k4的集電極與第四二極管d4的陰極相連，第四開關(guān)器件k4的發(fā)射極第四與二極管d4的陽極相連；第一開關(guān)器件k1的發(fā)射極與第二開關(guān)器件k2的集電極連接在到半橋型功率模塊的輸出端子e，第三開關(guān)器件k3的發(fā)射極與第四開關(guān)器件k4的集電極連接在到半橋型功率模塊的輸出端子f；ia為橋臂電流。

圖2為半橋功率模塊的內(nèi)部電路原理圖，半橋功率模塊包括儲能電容ch、均勻電阻rh、自取能電源ph、第五開關(guān)器件k5、第六開關(guān)器件k6、第五二極管d5，以及第六二極管d6。其中，第五開關(guān)器件k5的集電極、均勻電阻rh的一端、自取能電源ph的一端和第二儲能電容ch的正極相連接；第六開關(guān)器件k6的發(fā)射極、均勻電阻rh的另一端、自取能電源ph的另一端和第二儲能電容ch的負(fù)極相連接；第五開關(guān)器件k5的集電極與第五二極管d5的陰極相連，第五開關(guān)器件k5的發(fā)射極與第五二極管d5的陽極相連；第六開關(guān)器件k6的集電極與第六二極管d6的陰極相連，第六開關(guān)器件k6的發(fā)射極與第六二極管d6的陽極相連；第五開關(guān)器件k5的發(fā)射極連接在到半橋型功率模塊的輸出端子g，第六開關(guān)器件k6的發(fā)射極連接在到半橋型功率模塊的輸出端子h；ia為橋臂電流。

圖3為mmc功率模塊非線性特征仿真模型。如圖3所示，本發(fā)明mmc功率模塊非線性特征仿真模型由一個(gè)受控電流源im、一個(gè)電容cm、一個(gè)線性電阻rb和一個(gè)非線性電阻rhp組成。受控電流源im的正極與電容cm的正極、線性電阻rb的一端及非線性電阻rhp的一端相連接；受控電流源im的負(fù)極與cm電容的負(fù)極、線性電阻rb的另一端及非線性電阻rhp的另一端連接。

mmc功率模塊非線性特征仿真模型模擬mmc換流器在無均壓主動控制下mmc功率模塊電容電壓發(fā)散過程的方法如下：

(1)計(jì)算受控電流源電流值im

受控電流源電流值im與mmc功率模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、橋臂電流ia及mmc功率模塊開關(guān)狀態(tài)有關(guān)。假設(shè)橋臂電流ia從上至下流入mmc功率模塊為正，橋臂電流ia從下至上流出mmc功率模塊為負(fù)。

mmc功率模塊為全橋功率模塊，不考慮第一開關(guān)器件k1和第二開關(guān)器件k2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)功率模塊電容發(fā)生短路工況，也不考慮第三開關(guān)器件k3和第四開關(guān)器件k4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)功率模塊電容發(fā)生短路工況。全橋功率模塊非線性特征仿真模型中受控電流源電流值im計(jì)算方法如下：

當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件k1、第二開關(guān)器件k2、第三開關(guān)器件k3和第四開關(guān)器件k4均為關(guān)斷狀態(tài)，受控電流源電流值im為橋臂電流ia的絕對值；當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件k1為開通狀態(tài)、第二開關(guān)器件k2為關(guān)斷狀態(tài)、第三開關(guān)器件k3為關(guān)斷狀態(tài)、第四開關(guān)器件k4為開通狀態(tài)，受控電流源電流值im與橋臂電流ia數(shù)值相等，符號相同；當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件k1為關(guān)斷狀態(tài)、第二開關(guān)器件k2為開通狀態(tài)、第三開關(guān)器件k3為開通狀態(tài)和第四開關(guān)器件k4為關(guān)斷狀態(tài)，受控電流源電流值im與橋臂電流數(shù)值相等，符號相反，即-ia；當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件k1為開通狀態(tài)、第二開關(guān)器件k2為關(guān)斷狀態(tài)、第三開關(guān)器件k3為開通狀態(tài)、第四開關(guān)器件k4為關(guān)斷狀態(tài)，受控電流源電流值im為零；當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件k1為關(guān)斷狀態(tài)、第二開關(guān)器件k2為開通狀態(tài)、第三開關(guān)器件k3為關(guān)斷狀態(tài)、第四開關(guān)器件k4為開通狀態(tài)，受控電流源電流值im為零。

mmc功率模塊為半橋功率模塊，不考慮第五開關(guān)器件和第六開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通時(shí)半橋功率模塊電容短路工況。半橋功率模塊非線性特征仿真模型的受控電流源電流值im計(jì)算方法如下：

當(dāng)?shù)谖彘_關(guān)器件k5為關(guān)斷狀態(tài)、第六開關(guān)器件k6為關(guān)斷狀態(tài)，橋臂電流ia為正值時(shí)受控電流源電流值im與橋臂電流ia數(shù)值相等，符號相同，當(dāng)橋臂電流ia為負(fù)值時(shí)，受控電流源電流值im為零；當(dāng)?shù)谖彘_關(guān)器件k5為開通狀態(tài)、第六開關(guān)器件k6為關(guān)斷狀態(tài)，受控電流源電流值im與橋臂電流ia數(shù)值相等，符號相同；當(dāng)?shù)谖彘_關(guān)器件k5為關(guān)斷狀態(tài)、第六開關(guān)器件k6為開通狀態(tài)，受控電流源電流值im為零。

(2)計(jì)算非線性電阻rhp阻值

全橋功率模塊或者半橋功率模塊的自取能電源具有橫功率消耗特性，因此可將自取能電源等效為恒功率電阻，非線性電阻rhp阻值與mmc功率模塊電容電壓vc的平方成正比，與自取能電源恒定功率php成反比。自取能電源恒定功率php為全橋型功率模塊自取能電源消耗功率pf或者半橋功率模塊自取能電源消耗功率ph，非線性電阻rhp阻值的計(jì)算公式如式(1)所示。

(3)計(jì)算mmc功率模塊的電容電壓

本發(fā)明mmc功率模塊非線性特征仿真模型適用于全橋功率模塊和半橋功率模塊，其差別在于受控電流源電流值im的計(jì)算方法不同。根據(jù)mmc功率模塊非線性特征仿真模型可計(jì)算出全橋功率模塊或者半橋功率模塊的電容電壓，實(shí)現(xiàn)mmc功率模塊非線性特征的電磁暫態(tài)仿真。

其中，rb為全橋功率模塊或者半橋功率模塊的均壓電阻阻值，c為全橋功率模塊或者半橋功率模塊的電容容值，vc為全橋功率模塊或者半橋功率模塊的電容電壓，im為受控電流源的電流值。

將式(1)代入式(2)，并采用歐拉法求解式(2)，可得適用于數(shù)字仿真的差分方程式(3)：

其中，ts為計(jì)算步長，電容電壓初始值為0，vc(0)＝0，k為數(shù)字仿真次數(shù)。

式(3)經(jīng)過一次計(jì)算可得vc(1)，vc(1)為ts時(shí)刻仿真計(jì)算得到的電容電壓值。以此類推，經(jīng)過k次計(jì)算可得到vc(k)，vc(k)為kts時(shí)刻仿真計(jì)算得到的電容電壓值，vc(k+1)為(k+1)ts時(shí)刻仿真計(jì)算得到的電容電壓值。kts代表仿真運(yùn)行時(shí)間，由于數(shù)字仿真每次仿真計(jì)算步長相等，因此k≥0且為整數(shù)。

下面以一實(shí)施例介紹本發(fā)明mmc功率模塊非線性特征仿真模型，模擬mmc功率模塊在無主動均壓控制時(shí)電容電壓發(fā)散過程。

圖4所示為混合型mmc換流器不控充電電路，mmc換流器由六個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由若干個(gè)全橋模塊、半橋模塊及電抗器串聯(lián)而成。例如cu橋臂包括一個(gè)電抗器xcu，k個(gè)串聯(lián)連接的全橋功率模塊cu1，...，cuk，k≥1，(n-k)個(gè)串聯(lián)連接的半橋模塊cuk+1－cun，n≥k≥1。mmc換流器網(wǎng)側(cè)接入三相電網(wǎng)輸入電壓分別為uga、ugb和ugc，三相充電電阻rc限制mmc功率模塊電容充電電流。采用中國專利cn104953873a提出混合型mmc換流器橋臂等效電路仿真mmc換流器每個(gè)橋臂電流，采用本發(fā)明提出mmc功率模塊非線性特征仿真模型實(shí)現(xiàn)mmc功率模塊非線性特征仿真，系統(tǒng)參數(shù)如下：

三相交流電源電壓vg及頻率：10kv線電壓有效值、50hz；

充電電阻rc：10ω；

橋臂電感：30mh；

全橋功率模塊個(gè)數(shù)/半橋功率模塊個(gè)數(shù)：5/5；

mmc功率模塊電容c：8mf；

均壓rb電阻：5000ω；

自取能電源功耗php及差異：50w/5％；

圖5所示為mmc功率模塊非線性特征仿真結(jié)果，圖中包括mmc換流器一個(gè)橋臂內(nèi)5個(gè)全橋功率模塊和5個(gè)半橋功率模塊的電容電壓，各個(gè)mmc功率模塊自取能電源功耗差異按最大5％設(shè)置。由16秒的仿真結(jié)果可知，全橋功率模塊與半橋功率模塊之間電容并異逐漸增大，5個(gè)半橋功率模塊之間的電容差異也逐漸增大，10個(gè)功率模塊電容電壓逐漸發(fā)散。仿真結(jié)果充分證明了本發(fā)明提出的mmc功率模塊非線性特性仿真模型的有效性。