一種mmc多子模塊自定義集成元件的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制【技術(shù)領(lǐng)域】中的一種MMC多子模塊自定義集成元件的設(shè)計(jì)方法。包括：確定每個(gè)子模塊的等效狀態(tài)和等效模型，將各個(gè)子模塊的等效模型合并為戴維南等效模型；修正處于閉鎖狀態(tài)的子模塊的等效狀態(tài)；設(shè)置子模塊的故障類型，根據(jù)子模塊的故障類型修正子模塊的等效模型；在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD中實(shí)現(xiàn)子模塊的編寫。本發(fā)明克服了現(xiàn)有的子模塊等效模型在建立大規(guī)模MMC系統(tǒng)時(shí)存在的工作量過大的缺陷，實(shí)現(xiàn)了子模塊閉鎖狀態(tài)的等效，解決了現(xiàn)有的等效模型無法設(shè)置故障的問題。
【專利說明】—種MMC多子模塊自定義集成元件的設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種MMC多子模塊自定義集成元件的設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]米用電壓源型換流器(Voltage Source Converter, VSC)和脈寬調(diào)制(Pulse-width Modulat1n, PWM)技術(shù)的電壓直流輸電(High Voltage DirectCurrent, HVDC)成為電壓源型高壓直流輸電發(fā)展的新趨勢。相比于傳統(tǒng)2電平、3電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模塊化多電平變流器(Modular Multilevel Converter,MMC)被提出后憑借其技術(shù)優(yōu)勢成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。它的模塊化結(jié)構(gòu)使其可擴(kuò)展性強(qiáng)、輸出電平數(shù)高，并很好的克服了傳統(tǒng)電壓源換流器存在開關(guān)頻率高、輸出電壓諧波大、電壓等級低、換流站占地面積大、動(dòng)態(tài)均壓困難等缺點(diǎn)。
[0003]隨著MMC換流器向高電平數(shù)、大容量的趨勢發(fā)展，每個(gè)橋臂串聯(lián)的子模塊數(shù)急劇增加，這給仿真平臺 PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design/Electromagnetic Transients including DC,電磁暫態(tài)仿真軟件)對基于MMC的高壓直流輸電系統(tǒng)的仿真帶來了很大的困難。由于子模塊數(shù)量過多且IGBT頻繁的開斷，使得PSCAD/EMTDC仿真計(jì)算上導(dǎo)納矩陣過大且時(shí)刻變化，造成了矩陣求逆消耗了很長的時(shí)間。而且，子模塊中包含IGBT和二極管帶插值精確計(jì)算的器件，造成仿真時(shí)重復(fù)多次調(diào)用接口函數(shù)，同樣消耗了的一定的仿真時(shí)間。
[0004]目前，一些研究針對子模塊的運(yùn)行特性提出了對應(yīng)的等效模型，用于替代子模塊以提升仿真的速率，但是仍然存在很大的缺陷。已有的等效模型在實(shí)現(xiàn)子模塊閉鎖狀態(tài)存在很大的問題，且無法實(shí)現(xiàn)子模塊的故障仿真，而且未將等效模型集成為自定義元件，在搭建大規(guī)模的MMC換流器模型時(shí)，其仍然存在很大的數(shù)據(jù)量，造成了搭建模型工作量大且容易出錯(cuò)。因此，基于PSCAD/EMTDC平臺采用Fortran語言建立一種靈活的自定義MMC多子模塊集成元件具有很大的必要性。這不僅能夠提升仿真的時(shí)間、減少搭建MMC模型的工作量，而且能夠?yàn)檠芯縈MC子模塊閉鎖和故障的動(dòng)態(tài)特性提供可能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提出一種MMC多子模塊自定義集成元件的設(shè)計(jì)方法，用于克服仿真軟件PSCAD大規(guī)模仿真和MMC子模塊等效模型存在的缺陷。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是，一種MMC多子模塊自定義集成元件的設(shè)計(jì)方法，其特征是所述方法包括:
[0007]步驟1:確定每個(gè)子模塊的等效狀態(tài)和等效模型，將各個(gè)子模塊的等效模型合并為戴維南等效模型；
[0008]步驟2:修正處于閉鎖狀態(tài)的子模塊的等效狀態(tài)；
[0009]步驟3:設(shè)置子模塊的故障類型，根據(jù)子模塊的故障類型修正子模塊的等效模型；
[0010]步驟4:在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD中實(shí)現(xiàn)子模塊的編寫。
[0011]所述確定每個(gè)子模塊的等效狀態(tài)和等效模型具體為:
[0012]當(dāng)子模塊為投入狀態(tài)，或者子模塊為閉鎖狀態(tài)并且滿足ifc(t)>0和時(shí)，子模塊的等效狀態(tài)為電容狀態(tài)且子模塊的等效模型為:

【權(quán)利要求】
1.一種MMC多子模塊自定義集成元件的設(shè)計(jì)方法，其特征是所述方法包括: 步驟1:確定每個(gè)子模塊的等效狀態(tài)和等效模型，將各個(gè)子模塊的等效模型合并為戴維南等效模型； 步驟2:修正處于閉鎖狀態(tài)的子模塊的等效狀態(tài)； 步驟3:設(shè)置子模塊的故障類型，根據(jù)子模塊的故障類型修正子模塊的等效模型； 步驟4:在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD中實(shí)現(xiàn)子模塊的編寫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述確定每個(gè)子模塊的等效狀態(tài)和等效模型具體為: 當(dāng)子模塊為投入狀態(tài)，或者子模塊為閉鎖狀態(tài)并且滿足ito(t)>0和Vin i>Uci (t)時(shí),子模塊的等效狀態(tài)為電容狀態(tài)且子模塊的等效模型為:
當(dāng)子模塊為旁路狀態(tài)，或者子模塊為閉鎖狀態(tài)并且滿足ifc(t)〈0時(shí)，子模塊的等效狀態(tài)為小電阻狀態(tài)且子模塊的等效模型為:
; 當(dāng)子模塊為閉鎖狀態(tài)并且滿足ibr(t) > O和Vin i≤Ut)時(shí)，子模塊的等效狀態(tài)為大電阻狀態(tài)且子模塊的等效模型為:
其中，Reqi為第i個(gè)子模塊的等效電阻，Veqi (t)為第i個(gè)子模塊在時(shí)刻t的受控電壓源，At為仿真步長，C為子模塊電容，Uci (t-At)為第i個(gè)子模塊在時(shí)刻t-At的電容電壓，UJt)為第i個(gè)子模塊在時(shí)刻t的電容電壓，為時(shí)刻t-At流入第i個(gè)子模塊的橋臂電流，ibr (t)為時(shí)刻t流入第i個(gè)子模塊的橋臂電流，Vin」為第i個(gè)子模塊的輸入電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是所述將各個(gè)子模塊的等效模型合并為戴維南等效模型采用公式:
;其中，Reqsm為MMC多子模塊等效電阻，Veqsm為MMC多子模塊等效受控電壓源，為第i個(gè)子模塊的等效電阻，V_(t)為第i個(gè)子模塊在時(shí)刻t的受控電壓源，N為子模塊數(shù)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征是所述修正處于閉鎖狀態(tài)的子模塊的等效狀態(tài)具體為: 子步驟Al:分別設(shè)定子模塊的等效狀態(tài)為電容、大電阻和小電阻狀態(tài)時(shí)的標(biāo)識flag的值； 當(dāng)子模塊的等效狀態(tài)為電容狀態(tài)時(shí)，設(shè)定標(biāo)識flag = -2 ； 當(dāng)子模塊的等效狀態(tài)為大電阻狀態(tài)時(shí)，設(shè)定標(biāo)識flag = I ； 當(dāng)子模塊的等效狀態(tài)為小電阻狀態(tài)時(shí)，設(shè)定標(biāo)識flag = -1 ；子步驟A2:判斷VinJUcd⑴是否成立，如果VinJUcd⑴，則子模塊的等效狀態(tài)為電容狀態(tài)且令標(biāo)識flag = -2 ;否則，執(zhí)行子步驟A3 ;其中，Vini為第i個(gè)子模塊的輸入電壓，Uei(t)為第i個(gè)子模塊在時(shí)刻t的電容電壓； 子步驟A3:子模塊的等效狀態(tài)為大電阻狀態(tài)且令標(biāo)識flag = I ； 子步驟A4:判斷ibr(t)>0是否成立，如果ifc(t)>0，則子模塊的等效狀態(tài)為大電阻狀態(tài)且令標(biāo)識flag = I ;否則，執(zhí)行子步驟A5 ;其中，ibr (t)為時(shí)刻t流入第i個(gè)子模塊的橋臂電流； 子步驟A5:判斷flag>0是否成立，如果flag>0，則執(zhí)行子步驟A6 ;否則，執(zhí)行子步驟A7 ； 子步驟A6:判斷Vini〈0是否成立，如果Vin ,〈Ο，則執(zhí)行子步驟A7 ;否則，執(zhí)行子步驟A3 ； 子步驟A7:子模塊的等效狀態(tài)為小電阻狀態(tài)且令標(biāo)識flag = -1 ； 子步驟A8:判斷ibr(t)>0是否成立,如果ito(t)>0,則令t = t+Ι,執(zhí)行子步驟A2 ;否則，令t = t+Ι,執(zhí)行子步驟A7。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征是子模塊的故障類型包括子模塊IGBT擊穿故障、子模塊電容值變化故障和子模塊電容擊穿故障。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是當(dāng)子模塊的故障類型為子模塊IGBT擊穿故障時(shí)，根據(jù)子模塊的故障類型修正子模塊的等效模型具體為: 當(dāng)?shù)趇個(gè)子模塊上IGBT未出現(xiàn)擊穿故障且第i個(gè)子模塊下IGBT出現(xiàn)擊穿故障時(shí)，子模塊的等效電阻和受控電壓源分別為:
當(dāng)?shù)趇個(gè)子模塊上IGBT出現(xiàn)擊穿故障且第i個(gè)子模塊下IGBT未出現(xiàn)擊穿故障并處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，子模塊的等效電阻和受控電壓源分別為:
其中，Reqi為第i個(gè)子模塊的等效電阻，Veqi(t)為第i個(gè)子模塊在時(shí)刻t的受控電壓源，At為仿真步長，C為子模塊電容，Uci (t-At)為第i個(gè)子模塊在時(shí)刻t-At的電容電壓，ibr(t-At)為時(shí)刻t-At流入第i個(gè)子模塊的橋臂電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是當(dāng)子模塊的故障類型為子模塊電容值變化故障時(shí)，根據(jù)子模塊的故障類型修正子模塊的等效模型具體采用公式:
其中，為第i個(gè)子模塊的等效電阻，Vraii (t)為第i個(gè)子模塊在時(shí)刻t的受控電壓源，At為仿真步長，CT為變化后的子模塊電容值，Ucd (t-At)為第i個(gè)子模塊在時(shí)刻t-At的電容電壓，ibr(t-At)為時(shí)刻t-At流入第i個(gè)子模塊的橋臂電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是當(dāng)子模塊的故障類型為子模塊電容擊穿故障時(shí)，根據(jù)子模塊的故障類型修正子模塊的等效模型具體采用公式:
其中，為第i個(gè)子模塊的等效電阻，Vraii (t)為第i個(gè)子模塊在時(shí)刻t的受控電壓源，At為仿真步長，C為子模塊電容，Kci為第i個(gè)子模塊是否出現(xiàn)電容擊穿故障的標(biāo)識變量，當(dāng)Kei = I時(shí),第i個(gè)子模塊未出現(xiàn)電容擊穿故障，當(dāng)Kei = O時(shí),第i個(gè)子模塊出現(xiàn)電容擊穿故障為對Kcd取反，Ucd (t-At)為第i個(gè)子模塊在時(shí)刻t-At的電容電壓，ifc(t_ At)為時(shí)刻t-At流入第i個(gè)子模塊的橋臂電流。
【文檔編號】G06F17/50GK104199997SQ201410337803
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】劉崇茹, 林周宏, 洪國巍, 郭龍 申請人:華北電力大學(xué)