[发明专利]二极管箝位式模块化多电平换流器子模块等值仿真方法

说明书

技术领域

本发明一种二极管箝位式模块化多电平换流器子模块等值仿真方法。

背景技术

柔性直流输电是解决大规模可再生能源并网、大容量远距离输电、输电走廊紧缺等问题的有效技术手段之一。

现有柔性直流输电系统一般基于模块化多电平换流器，这种换流器由数量巨大的子模块级联构成，每个子模块中又包含数个电力电子开关、二极管、电容等器件。在使用目前通用的电磁暂态仿真软件进行仿真计算时，开关器件被等效成一个双状态的可变电阻，当发生开关状态变化时就需要重新生成节点导纳矩阵，并且为了消除在两次仿真采样时刻之间开关状态改变所造成的计算误差，还需要对开关时刻的状态变量进行插值运算。由于模块化多电平换流器包含了大量开关动作，因此每一个仿真步长中都存在大量矩阵逆运算与插值运算，大大降低了仿真效率。

目前文献中提出了几类改进仿真效率的建模方法。第一类是采用平均值建模方法，但这种方法忽略了开关过程，难以得到精确的电磁暂态计算结果。第二类方法将开关器件等效为理想开关，并将模块化多电平换流器的子模块及桥臂用Dommel等值计算模型进行等效，从而避免了开关状态变化时重新生成节点导纳矩阵，这种方法仍然是串行计算方法。第三类方法是利用可控电压源和可控电流源实现子模块与主电路的解耦，从而可以基于现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现大量子模块的实时并行计算，这类方法需要根据电路拓扑结构进行特殊的建模。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是实现一种二极管箝位式模块化多电平换流器的并行仿真。

为了实现上述目的，本发明提供了一种二极管箝位式模块化多电平换流器子模块等值仿真方法，所述模块化多电平换流器由六个桥臂组成，每两个桥臂串联形成一个相单元，每个桥臂由数个级联子模块和一个桥臂电抗L串联组成；每个所述子模块包括反并联连接的第一开关管S₁与第一二极管D₁、反并联连接的第二开关管S₂与第二二极管D₂、反并联连接的第三开关管S₃与第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一电容C₁和第二电容C₂；其中，D₁的正极与D₂的负极连接到所述子模块的正输出端，D₁的负极连接到C₁的正极，C₁的负极与C₂的正极连接到D₄的负极，D₂的正极与D₃的正极连接到C₂的负极，D₃的负极与D₄的正极连接到所述子模块的负输出端；

该仿真方法包括如下步骤：

A、仿真前，根据开关状态与桥臂电流方向预先分析子模块所有可能的十六种工作状态，根据分析结果最终归纳为六种工作模式，并得到每种工作模式下C₁、C₂的电压计算公式和子模块的输出电压计算公式；

B、仿真时，根据求解时刻开关驱动信号与桥臂电流方向判断子模块工作模式；

C、根据步骤A所述对应工作模式下的电容电压计算公式得到C₁、C₂的电压；

D、根据步骤A所述对应工作模式下的子模块输出电压计算公式和步骤C得到的电容电压计算得到子模块输出电压。

根据本发明另一具体实施方式，步骤A中的第一工作模式MOD1为：两个电容旁路；

两个电容的电压计算公式为：

u_c1＝U_c10

u_c2＝U_c20

u_sm＝sign(i)(u_D+u_S)

其中U_c10、U_c10分别为C₁、C₂的初始电压，u_D为二极管电压降，u_S为开关管电压降，sign()为求符号函数。

根据本发明另一具体实施方式，第一工作模式MOD1分为两种状态：

在状态MOD1a中，S₂和D₃导通，两个电容旁路；