[发明专利]一种混合结构模块化多电平换流器仿真模型

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合结构模块化多电平换流器仿真模型。

背景技术

基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的高压柔性直流输电系统(VSC-HVDC)具有四象限运行、滤波器小、可向无源网络供电等诸多优点，其在输电领域获得了广泛关注。

模块化多电平换流器电路拓扑有半桥结构模块和全桥结构模块两种类型。对于半桥结构模块化多电平换流器，当直流侧出现短路故障时，其交流电源、绝缘栅双极型晶闸管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)反并联二极管与直流短路点将构成短路回路，造成模块化多电平换流器系统严重过流。对于高电压且大容量柔性直流输电系统，直流侧短路故障的短路电流已经超过现有器件最大承受能力，导致模块化多电平换流器灾难性的损坏。全桥结构模块不同于半桥结构模块，半桥模块只能输出零电压或正电压，而全桥模块可输出零电压、正电压和负电压三种，具备直流侧短路故障隔离能力，该优点对于未来采用架空线的高电压且大容量柔性直流输电系统具有十分重要作用。然而全桥结构模块的开关器件个数比半桥结构模块多了一倍，其造价及质量增加较大。为了避免两种类型模块的缺点，目前相关学者研究采用混合型模块化多电平换流器，其相对半桥模型具备直流侧短路故障隔离能力，相对于全桥模块减少开关器件个数。

然而对于混合型模块化多电平换流器，其结构复杂，采用传统的半桥模块模型或全桥模块模型已无法满足快速仿真要求。CN104320011A提出具备直流故障穿越能力的混合型模块化多电平换流器，阐述了该类型换流器相对传统半桥型或全桥型结构的优点，然而并未解决混合型模块化多电平换流器快速仿真问题。CN103593521A提出了全桥结构模块化多电平换流器快速仿真方法，但并不适用混合型模块化多电平换流器，此外该方法仅仅针对在解锁和闭锁两种工况下全桥结构模块化多电平换流器的仿真，而对于少数模块发生故障工况并未考虑。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出了一种混合结构模块化多电平换流器仿真模型。本发明可实现混合结构模块化多电平换流器的各种工况下的快速仿真。

本发明应用于高电压大容量柔性直流输电工程的混合结构模块化多电平换流器。本发明仿真模型可实现混合结构多电平换流器在不控状态、受控状态、少数模块发生故障状态运行工况下的快速仿真。

本发明所述仿真模型由六个相同的桥臂等效电路构成。每个桥臂等效电路可模拟桥臂中所有半桥及全桥功率模块在各工况的电磁暂态过程。所述的桥臂等效电路由六只二极管，三个电压源，一个电抗器，以及桥臂上下端接线端子组成。其中，第一二极管的阴极与二极管的阳极连接，连接点为桥臂上端接线端子；第一二极管的阴极与第二二极管的阴极及第一电压源的一端相连接，第一二极管的阳极、第三二极管的阳极、第四二极管的阴极及第一电压源的一端相连接；第二二极管的阴极与第一电压源的另一端相连接；第三二极管的阴极与第五二极管阴极及第二电压源的一端相连接；第四二极管阳极与第六二极管的阳极及第二电压源的另一端相连接；第五二极管的阳极与第六二极管的阴极及第一电压源的一端相连接；桥臂第一电抗的一端与第三电压源的另一端相连接；桥臂第一电抗的另一端为桥臂下端接线端子。所述桥臂等效电路中第一电压源为桥臂中所有不控半桥功率模块电容电压之和，第二电压源为桥臂中所有不控全桥功率模块电容电压之和，第三电压源为桥臂中所有全桥功率模块和半桥功率模块输出电压之和。所述快速仿真模型可实现混合结构模块化多电平换流器在不控、受控以及少数模块发生故障工况下的电磁暂态快速仿真。

采用本发明仿真模型的仿真过程如下：

(1)不控工况下半桥功率模块电磁暂态仿真

混合结构模块化多电平换流器每个桥臂中所有不控半桥功率模块的电磁暂态过程可由第一二极管、第二二极管和一个电压源表示。第一电压源的电压U_S1为桥臂中所有不控半桥功率模块电容电压U_CH1，U_CH2，...，U_CHM之和，假设桥臂有M个不控半桥功率模块，M≥1且为整数，

U_S1＝U_CH1+U_CH2+...+U_CHM(1)