[发明专利]基于MMC离散建模的交流短路电流计算方法

说明书

本发明提供一种基于MMC离散建模的交流短路电流计算方法，包括如下步骤：A：对单相五电平MMC逆变器进行分段分析并建立离散模型；B：对上述模型的占空比函数进行求解；C：将短路发生瞬间的状态变量值作为短路发生后状态变量初值带入短路故障下MMC的模型中进行迭代，进行故障下交流电流的求解。本发明通过对单相五电平MMC变流器的分段分析，建立了MMC变流器的离散时间模型，并给出了交流侧短路故障下的故障电流的计算方法；并且在PSCAD平台上搭建了仿真模型，用实验验证了短路电流计算方法的正确性和有效性。

技术领域

本发明涉及一种模块化级联多电平变流器交流短路电流计算方法，具体是一种基于MMC离散建模的交流短路电流计算方法。

背景技术

模块化级联多电平变流器(MMC)目前是高压直流(HVDC)传输领域最先进也是最具有发展前景的技术之一。然而由于MMC中模块及变量数目众多，运行状态也较为复杂，这给MMC的正常运行以及故障分析等研究造成了极大困难。尤其是在实际MMC系统中电路短路故障等问题难以避免，而随着MMC在实际工程中接入电压等级的提高，短路电流对系统造成的影响已不容忽视。

为了对MMC系统进行短路故障分析，许多研究人员致力于直流短路故障下短路故障的特性分析及短路电流求解。目前已有文献通过对MMC 的阻抗分析推导出直流侧故障电流的计算方法，还有文献将直流侧短路电流处理为稳态分量和故障分量的叠加，此外还有文献进行了短路故障的保护控制研究，但这些均是在直流侧发生短路故障的情况下进行的研究，并未对交流侧短路故障进行分析。

而为了应对交流侧短路故障，有文献研究了常规直流输电 (LCC-HVDC)在交流侧短路时的暂态响应，分析了短路电流的发生机理。然而，MMC换流器和LCC换流器的工作原理不同，该理论不能直接用于解释MMC-HVDC的短路特性。近些年来，对于MMC-HVDC交流侧短路特性的研究，多集中在换流站交流侧的不对称故障对换流站控制系统的影响以及控制系统的改进方面，而从电力电子角度看，MMC发生交流侧短路时其电流应该如何求解尚未有文献给出明确计算。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于MMC离散建模的交流短路电流计算方法，首先分析其拓扑结构以及状态方程，然后通过对其桥臂子模块投入数量的不同导致的不同的电平状态进行分段分析，提出了一种新的离散时间建模方法。然后在此模型的基础上，本文推导出交流侧发生短路时交流短路电流的计算方法，最后通过PSCAD仿真以及实验对交流短路电流计算方法进行了验证。

一种基于MMC离散建模的交流短路电流计算方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤A：对单相五电平MMC逆变器进行分段分析并建立离散模型，具体包括

步骤A1：在假设不考虑均压过程的情况下，令MMC桥臂子模块按照上下桥臂投入不同数目子模块的顺序进行投切，从而得到对应不同的阶梯波输出；

步骤A2：列写出电路的状态方程，由于状态方程中存在着随时间而分段变化的开关函数项，其系数矩阵和输入矩阵可进行分段表达；

步骤A3：对每个阶段都建立离散后的状态方程，将前一个阶段状态变量的末值作为下一个阶段状态变量的初值，依次进行迭代到第八个阶段，便可以得到单相五电平MMC状态变量在每个状态末位置的离散化表示模型；B：对上述模型每个阶段的占空比函数进行求解，具体基于以下公式

一个完整周期内每个投切状态的占空比函数：

公式(1)中，δ_m表示每个状态上桥臂投入的模块数，N为总桥臂子模块数，v_c表示桥臂子模块电容电压，V_j,ref为调制波峰值；