[发明专利]基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器闭锁建模方法

说明书

本发明属于电力系统运行与控制技术领域，涉及一种基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器闭锁建模方法。包括：建立换流器桥臂等效模型，包含N个级联的子模块和1个桥臂电抗，并用2组包含二极管的开关组控制桥臂的闭锁与解闭锁。桥臂电抗器的积分算法采用后退欧拉算法，二极管的等效为可变电阻并联RC阻尼电路的模型，并根据二极管等效模型的稳态误差、暂态误差和二极管延时动作造成的误差计算RC阻尼电路中电容和电阻的参数。本发明有效抑制了由RTDS采用的梯形积分算法产生的数值震荡问题，减小了由RTDS仿真步长固定且不能使用插值算法导致二极管延迟动作所造成的电压波形畸变，保证了MMC换流器闭锁状态仿真的正确性和精确性。

技术领域

本发明属于电力系统运行与控制技术领域，涉及一种基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器闭锁建模方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于其输出电平高，谐波含量少，可独立控制有功功率、无功功率而得到了广泛应用。实时数字仿真器(Real-Time Digital simulator,RTDS)是一种专门用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置，在电力系统仿真实时仿真研究中被广泛应用。用户可以在RTDS提供的Cbuilder工具中开发MMC换流器桥臂模型，用于MMC-HVDC动态特性的仿真研究。MMC的闭锁状态是一种非正常工作状态，用于MMC启动时向子模块电容器充电，或者在故障时将子模块电容器旁路。处于闭锁状态的换流器中所有子模块的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)闭锁，换流器拓扑中的开关元件相当于只有二极管。因此对于二极管这种自然关断器件的正确模拟，是MMC闭锁状态仿真的关键。

现有的MMC高效仿真模型主要包括戴维南等效模型和电路分割模型。戴维南等效模型是将子模块中的二极管等开关、电容元件进行戴维南等效，再进行代数叠加获得桥臂的戴维南等效模型。该方法中通常用R_ON/R_OFF双值电阻模拟二极管等开关元件，由于RTDS是一种不能回退计算的实时仿真装置，既不能采用回退插值算法也不能在仿真过程中改变仿真步长，该方法在模拟MMC闭锁状态时存在下述两个问题：一、由于RTDS采用的是梯形积分算法，在二极管动作时刻会引起数值振荡现象；二、由于RTDS是定步长仿真平台且不提供插值算法，仿真时二极管只能在步长的整数倍时刻发生状态变化，导致二极管开关动作的延迟，从而造成电压电流波形出现不真实的畸变。

现有研究将自定义MMC戴维南模型与仿真平台提供的二极管等开关元件组合进行仿真，这种方法不需要用户对二极管模型进行等效。但该方法并不适用于RTDS，因为RTDS提供的二极管模型需要在小步长(约2.5μs)环境中运行，与自定义模型连接时需要使用RTDS提供的接口变压器模型，这会引入额外的误差，且无法对故障状态进行仿真。

电路分割模型利用受控源将子模块和主电路解耦，降低了电路求解阶数，但这种模型存在单个仿真步长的延时。针对MMC实时仿真，有研究采用插值预测的方法对单步长延时造成的误差进行一定程度的补偿，但仍然不能解决MMC闭锁状态实时仿真中的数值振荡和二极管开关动作延时造成波形畸变的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器闭锁建模方法，包括：

步骤1：建立桥臂等效模型，模型由组合开关、1个桥臂电抗器和若干个子模块组成，组合开关包括开关SW和二极管D₁、D₂，其中，开关SW和二极管D1并联后再和若干个串联的子模块串联，之后整体与二极管D2并联后再与桥臂电抗器串联，二极管D₁的正极连接二极管D₂的负极；

步骤2：对步骤1中的每个子模块建立戴维南等效模型，然后代数叠加得到串联子模块整体的戴维南等效模型，采用诺顿变换，建立子模块整体的诺顿等效模型；

步骤3：采用后退欧拉法，建立步骤1中的桥臂电抗器的诺顿等效模型；