[发明专利]一种MMC的仿真方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于电力系统仿真技术领域，具体涉及一种MMC的仿真方法及应用。

背景技术

MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)是电压源型换流器的一种比较新颖的拓扑类型，其拓扑结构的基本单元是电力电子开关组成的半桥子模块(Submodule，SM)或者全桥子模块。近年来，随着更加新颖的MMC拓扑结构的出现以及其控制方式的不断发展，MMC的电压等级以及功率输送能力得到了很大的提升，这使得大功率的柔性高压直流输电成为了未来发展的趋势。与基于晶闸管的传统直流输电拓扑不同，MMC的模块电力电子器件的导通与关断均由通过器件门极的触发信号实现；通过使用合适的电路拓扑以及开关调制方式，能够使得换流器的输出交流电压与工频正弦电压接近，以降低输出电压中的谐波含量，减小波形的畸变，满足电网的谐波要求。

在众多MMC的拓扑结构中，三相全桥模块化多电平换流器因其扩展性强、开关频率低、能够处理直流侧故障以及谐波含量低等一系列特点受到了广泛的关注；其拓扑结构如图1所示。这种三相全桥模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，每一相分为了上下两个桥臂，每个桥臂由n个全桥SM级联而成并通过电抗器连接于对应的相端口。

然而，为了将MMC应用于大功率高压直流输电场合，单个桥臂所需的SM数量将随着直流电压等级以及传输功率的增长而增多。过多的SM将给换流器的仿真建模造成极大的挑战；即使仿真建模能够顺利完成，随着SM个数的增加，电力系统电磁暂态仿真工具进行仿真所需要的时间也会大幅增加，这给仿真研究以及工程设计带来了极大的不便。造成多SM系统仿真速度过慢的原因如下：(1)开关器件数量的增加将导致系统的结构每时每刻都发生着较大的变化，这增加了软件求取系统矩阵的时间；(2)电力系统电磁暂态仿真软件进行一步仿真，软件都需要对系统进行迭代求解，求解过程包含了对整个系统矩阵进行一次求逆的过程，然而，系统矩阵的规模与系统的节点数正相关；因此，更多的SM个数就意味着系统含有更多的节点数，而更多的节点数就意味着系统矩阵的规模将变得更加庞大，计算机系统不得不消耗更多的时间进行大规模系统矩阵的生成以及求逆的运算。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种MMC的仿真方法，能够在保证仿真结果准确可靠的前提下，大幅度地提升仿真速度，且应用于MMC设计。

一种MMC的仿真方法，所述的MMC包含有若干个SM，所述的SM由四个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和一个电容组成；其中，第一IGBT的发射极与第三IGBT的集电极相连并构成SM的一端，第一IGBT的集电极与第二IGBT的集电极和电容的一端相连，第二IGBT的发射极与第四IGBT的集电极相连并构成SM的另一端，第四IGBT的发射极与第三IGBT的发射极和电容的另一端相连，所述的IGBT的基极接收外部设备提供的开关信号；该方法包括如下步骤：

(1)获取所述的SM的运行参数，所述的运行参数包括输入电流、第一开关信号和第二开关信号；

所述的第一开关信号和第二开关信号分别为SM中第一IGBT和第二IGBT接收的开关信号。

(2)根据所述的运行参数构建SM的等效电路；

(3)根据所述的等效电路建立SM的仿真电路；

(4)根据SM的仿真电路建立MMC的仿真系统，并对该系统进行仿真。

优选地，所述的等效电路由四个开关电阻、一个等效电压源和一个等效电阻构成；其中，第一开关电阻的一端与第三开关电阻的一端相连并对应SM的一端，第一开关电阻的另一端与第二开关电阻的一端和等效电阻的一端相连，第二开关电阻的另一端与第四开关电阻的一端相连并对应SM的另一端，等效电阻的另一端与等效电压源的正端相连，等效电压源的负端与第四开关电阻的另一端和第三开关电阻的另一端相连。能够较好地等效实际SM电路，并且所使用的元件简单，便于后续求解。

当SM处于正常运行状态下：

若第一开关信号和第二开关信号均为高电平，则第一开关电阻和第二开关电阻的阻值均为0.01Ω，第三开关电阻和第四开关电阻的阻值均为10⁶Ω；

若第一开关信号和第二开关信号均为低电平，则第一开关电阻和第二开关电阻的阻值均为10⁶Ω，第三开关电阻和第四开关电阻的阻值均为0.01Ω；

若第一开关信号为低电平，第二开关信号为高电平，则第一开关电阻和第四开关电阻的阻值均为10⁶Ω，第二开关电阻和第三开关电阻的阻值均为0.01Ω；