[发明专利]一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统运行和控制技术领域，尤其涉及一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法。

背景技术

采用电压源型换流器(Voltage Source Converter，VSC)和脉宽调制(Pulse-width Modulation，PWM)技术的电压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)成为电压源型高压直流输电发展的新趋势。相比于传统2电平、3电平的拓扑结构，模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)被提出后凭借其技术优势成为国内外学者研究的热点。它的模块化结构使其可扩展性强、输出电平数高，并很好的克服了传统电压源换流器存在开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、换流站占地面积大、动态均压困难等缺点。

随着MMC换流器向高电平数、大容量的趋势发展，每个桥臂串联的子模块数急剧增加，这给仿真平台PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design/Electromagnetic Transients including DC，电磁暂态仿真软件)对基于MMC的高压直流输电系统的仿真带来了很大的困难。由于子模块数量过多且IGBT频繁的开断，使得PSCAD/EMTDC仿真计算上导纳矩阵过大且时刻变化，造成了矩阵求逆消耗了很长的时间。而且，子模块中包含IGBT和二极管带插值精确计算的器件，造成仿真时重复多次调用接口函数，同样消耗了的一定的仿真时间。

目前，一些研究针对子模块的运行特性提出了对应的等效模型，用于替代子模块以提升仿真的速率，但是仍然存在很大的缺陷。已有的等效模型在实现子模块闭锁状态存在很大的问题，且无法实现子模块的故障仿真，而且未将等效模型集成为自定义元件，在搭建大规模的MMC换流器模型时，其仍然存在很大的数据量，造成了搭建模型工作量大且容易出错。因此，基于PSCAD/EMTDC平台采用Fortran语言建立一种灵活的自定义MMC多子模块集成元件具有很大的必要性。这不仅能够提升仿真的时间、减少搭建MMC模型的工作量，而且能够为研究MMC子模块闭锁和故障的动态特性提供可能。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法，用于克服仿真软件PSCAD大规模仿真和MMC子模块等效模型存在的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：确定每个子模块的等效状态和等效模型，将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型；

步骤2：修正处于闭锁状态的子模块的等效状态；

步骤3：设置子模块的故障类型，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型；

步骤4：在电磁暂态仿真软件PSCAD中实现子模块的编写。

所述确定每个子模块的等效状态和等效模型具体为：

当子模块为投入状态，或者子模块为闭锁状态并且满足i_br(t)>0和V_{in_i}>U_ci(t)时，子模块的等效状态为电容状态且子模块的等效模型为：

当子模块为旁路状态，或者子模块为闭锁状态并且满足i_br(t)<0时，子模块的等效状态为小电阻状态且子模块的等效模型为：

当子模块为闭锁状态并且满足i_br(t)≥0和V_{in_i}≤U_ci(t)时，子模块的等效状态为大电阻状态且子模块的等效模型为：

其中，R_eqi为第i个子模块的等效电阻，V_eqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C为子模块电容，U_ci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，U_ci(t)为第i个子模块在时刻t的电容电压，i_br(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流，i_br(t)为时刻t流入第i个子模块的桥臂电流，V_{in_i}为第i个子模块的输入电压。