[发明专利]模块化多电平换流器的动态组合实时仿真方法及使用方法

说明书

本发明公开了一种模块化多电平换流器的动态组合实时仿真方法及使用方法，仿真方法包括：在实时仿真的单个步长内，对MMC依次使用桥臂平均值模型和桥臂等效电路模型；桥臂平均值模型在电气元件计算阶段执行，计算桥臂等效电压源；桥臂等效电路模型计算MMC每个桥臂的子模块的电容电压及其总和，用于下一仿真步长中桥臂平均值模型的计算，该计算与电路矩阵计算并行完成。使用方法包括：在含有多个MMC的系统中，其中部分MMC采用桥臂等效电路模型，其余的MMC采用所述动态组合实时仿真方法，并复用改进的桥臂等效电路模型计算模块。本发明可以在保障MMC所有子模块阀级控制验证功能、计算实时性、准确度的前提下，降低实时仿真器的计算资源需求和硬件成本。

技术领域

本发明涉及电力系统电磁暂态实时仿真技术领域，特别涉及一种模块化多电平换流器的动态组合实时仿真方法及使用方法。

背景技术

基于模块化多电平换流器(Modular Multi-Level Converter，MMC)的柔性直流输电系统解决了两电平、三电平换流器具有的高谐波含量、高开关频率等问题，已在国内外多个高压直流工程中运用。柔性直流输电系统的研究与工程应用也由双端系统向复杂多端直流网络发展，其电路拓扑、控保系统的复杂性也对交直流电网的安全稳定运行带来挑战。

电磁暂态仿真在时域下求解系统电路，常用于电力系统电磁暂态现象研究、控制保护算法研究等。实时仿真则要求电路计算时间在实际对应物理时间内完成，可实现电力系统装置、控制保护装置硬件在环测试。实时仿真在电力系统研究、设计、测试、人员培训等方面具有广泛应用，也是进行MMC及交直流网络研究与测试的重要工具。

图1为现有的模块化多电平换流器及半桥子模块拓扑示意图。MMC由6个桥臂构成，每个桥臂包含n个半桥子模块(Sub-Module，SM)，在高压直流输电系统中n可高达几百。图1右上角虚线框内为各半桥子模块的拓扑结构，由两个绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)(T₁和T₂)和与各晶体管反并联的二极管(D₁和D₂)构成的IGBT模块以及一个电容器C组成。采用传统分立元件建模时，系统矩阵存在数千个电气节点，现有计算设备无法实现该规模电路下的实时计算。因此研究人员提出了多种简化算法以减少电气节点。文献1(U.N.Gnanarathna,A.M.Gole and R.P.Jayasinghe,EfficientModeling of Modular Multilevel HVDC Converters(MMC)on ElectromagneticTransient Simulation Programs,in IEEE Transactions on Power Delivery,vol.26,no.1,pp.316-324,Jan.2011.)使用两种不同阻值对IGBT模块建模，通过戴维南等效方法对半桥子模块进行简化，对串联在同一桥臂的等效电压及电阻相加可实现电气节点的大幅缩减。文献2(T.Maguire,B.Warkentin,Y.Chen,and J.Hasler,“Efficient techniques forreal time simulation of MMC systems,”Proceedings of the InternationalConference on Power Systems Transients in Vancouver,Canada,Jul.18-20,2013.)和文献3(W.Li and J.Bélanger,An Equivalent Circuit Method for Modelling andSimulation ofModular Multilevel Converters in Real-Time HIL Test Bench,inIEEE Transactions on Power Delivery,vol.31,no.5,pp.2401-2409,Oct.2016.)分别提出替代电路法和等效电路法对半桥子模块算法进一步简化，将IGBT模块理想化，仅计算每个半桥子模块的电容电压，当T₁开通时半桥子模块电容电压接入，当T₂开通时半桥子模块旁路。