[发明专利]一种基于半桥子模块电压源变流器的建模仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及直流输电领域的仿真方法，具体涉及一种基于半桥子模块电压源变流器的建模仿真方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，直流输电（High Voltage Direct Current,HVDC）以其固有的优势，在电力系统获得大量的应用。相对于众所周知的基于晶闸管的线电压换相换流器（Line-Commutated Convertor），基于IGBT的电压源变流器（Voltage Source Convertor，VSC）更具有优势。其中，模块化多电平变流器（Modular Multilevel Convertor,MMC）获得了广泛的关注，其优势包括：1.模块化设计，电压等级和容量更容易扩展；2.交流侧电压畸变率更小，无需加装滤波器便可以接入交流系统；3.功率器件和驱动很成熟，可靠性相对较高。但是，当研究高压大容量的MMC时，由于子模块数目特别庞大，若采用基于电力电子器件的仿真模型，则仿真速度特别慢，甚至不能仿真，当研究基于MMC的多端直流输电系统和直流电网时，情况就更加糟糕了。

近一两年，已经有人在研究MMC的简化仿真模型，一篇文献将子模块中的两个IGBT（含FWD）等效为两个可变电阻，用于投入和切除电容。更进一步，将桥臂通过戴维南等效，简化为一个电压源和电阻，大大减少了仿真电路的节点数目。但是这种简化是针对稳态运行时的MMC的，并且需要考虑触发脉冲分配和电容电压均衡，简化算法实现很复杂。其他的文献的解决思路与该文献类似。一篇文献提出了MMC的一种简化模型，将桥臂等效成一个可控电压源，交直流侧的电气联系通过可控电流源实现，这种简化模型忽略了电容电压的波动过程，因此桥臂间的环流就不存在了；直流故障过程的仿真不准确，不能仿真充电过程。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于半桥子模块电压源变流器的建模仿真方法，该方法建立了半桥子模块（组）的等效电路和数学模型，使其能够模拟半桥子模块（组）的三种工作状态；对半桥子模块（组）的等效电路和数学模型进行了不同程度的简化，可以忽略不关心的控制，比如电压调制，均压控制算法，环流抑制算法，因此可以针对不同的研究内容选用不同的等效电路和数学模型；该等效电路和数学模型简单，容易实现，仿真精度高。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明一种基于半桥子模块电压源变流器的建模仿真方法，所述电压源变流器由三相构成，每相由上下两桥臂构成，每个桥臂由半桥子模块级联组成，每个半桥子模块包括并联的IGBT模块支路和电容器支路，所述IGBT模块支路由串联的IGBT模块组成，每个IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

（1）建立半桥子模块和子模块组的等效电路和数学模型，使等效电路模拟半桥子模块和半桥子模块组的三种工作状态；每个半桥子模块组至少包括串联的2个半桥子模块；

（2）对半桥子模块组的数学模型进行简化，并确定每个桥臂的等效电路和每个桥臂的工作状态。

进一步地，所述步骤（1）中，所述半桥子模块的等效电路包括电流引起的等效损耗电导r、两个二极管Dp和Dn、开关SW以及电压源V_o；所述二极管Dp和Dn串联后的支路与电压源V_o并联，所述开关SW与二极管Dp并联；所述电流引起的等效损耗电阻r连接在二极管Dp和Dn之间；

所述半桥子模块的数学模型如下：

V_o＝S×V_c <2>；

其中：C为子模块中的电容；S是子模块的投切信号；g是电压引起的等效损耗电导；i_c是电容的充放电电流；V_c(0_)是子模块电容电压的初始值；V_c是子模块中的电容电压；V_o是子模块的输出电压；

进一步地，所述步骤（1）中，所述半桥子模块的三种工作状态包括：

闭锁状态：开关SW打开，S＝1；i＞0时，电流流过D_p，子模块被充电式<1>，输出电压为V_c式<2>；i＜0时，电流流过D_n，输出电压为0；其中i是流过半桥子模块或半桥子模块组的电流；