[发明专利]一种混合结构模块化多电平换流器仿真模型

摘要

一种混合结构模块化多电平换流器仿真模型，所述的仿真模型由六个相同桥臂等效电路构成。每个桥臂中不控半桥功率模块等效为两只二极管(D1，D2)及第一电压源(S1)，不控全桥功率模块等效为四只二极管(D3，D4，D5，D6)及第二电压源(S2)，受控半桥功率模块和全桥功率模块等效为第三电压源(S3)。所述仿真模型可实现混合结构模块化多电平换流器在各工况下的电磁暂态快速仿真。

主权项

一种混合结构模块化多电平换流器仿真系统，其特征在于，所述的仿真系统由六个相同桥臂等效电路构成，所述的桥臂等效电路由六只二极管(D1，D2，D3，D4，D5，D6)，三个电压源(S1，S2，S3)，一个电抗器(X1),以及桥臂上下端接线端子(A+、A‑)组成；其中，第一二极管(D1)的阴极与第二二极管(D2)的阳极连接，连接点为桥臂上端接线端子(A+)；第一二极管(D1)的阳极、第三二极管(D3)的阳极、第四二极管(D4)的阴极及第一电压源(S1)的一端相连接；第二二极管(D2)的阴极与第一电压源(S1)的另一端相连接；第三二极管(D3)的阴极与第五二极管(D5)的阴极及第二电压源(S2)的一端相连接；第四二极管(D4)的阳极与第六二极管(D6)的阳极及第二电压源(S2)的另一端相连接；第五二极管(D5)的阳极与第六二极管(D6)的阴极及第三电压源(S3)的一端相连接；桥臂第一电抗(X1)的一端与第三电压源(S3)的另一端相连接；桥臂第一电抗(X1)的另一端为桥臂下端接线端子(A‑)；所述桥臂等效电路中第一电压源(S1)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(S2)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(S3)为桥臂中所有受控全桥功率模块和受控半桥功率模块输出电压之和；所述的全桥型功率模块的内部电路包括储能电容(CF)、四只开关器件(K1、K2、K3、K4)，以及四只二极管(D1、D2、D3、D4)；其中，第一开关器件(K1)和第三开关器件(K3)的集电极连接到第一储能电容(CF)的正极，第二开关器件(K2)和第四开关器件(K4)的发射极连接到第一储能电容(CF)的负极；第一开关器件(K1)的集电极与第一二极管(D1)的阴极相连，第一开关器件(K1)的发射极与第一二极管(D1)的阳极相连；第二开关器件(K2)的集电极与第二二极管(D2)的阴极相连，第二开关器件(K2)的发射极与第二二极管(D2)的阳极相连；第三开关器件(K3)的集电极与第三二极管(D3)的阴极相连，第三开关器件(K3)的发射极与第三二极管(D3)的阳极相连；第四开关器件(K4)的集电极与第四二极管(D4)的阴极相连，第四开关器件(K4)的发射极与第四二极管(D4)的阳极相连；第一开关器件(K1)的发射极与第二开关器件(K2)的集电极连接在到半桥型功率模块的输出端子E，第三开关器件(K3)的发射极与第四开关器件(K4)的集电极连接在到半桥型功率模块的输出端子F；所述的半桥型功率模块的内部电路包括储能电容(CH)、第五开关器件(K5)、第六开关器件(K6)，以及第五二极管(D5)、第六二极管(D6)；其中，第五开关器件(K5)的集电极连接到第二储能电容(CH)的正极，第六开关器件(K6)的发射极连接到第二储能电容(CH)的负极；第五开关器件(K5)的集电极第与第五二极管(D5)的阴极相连，第五开关器件(K5)的发射极与第五二极管(D5)的阳极相连；第六开关器件(K6)的集电极与第六二极管(D6)的阴极相连，第六开关器件(K6)的发射极与第六二极管(D6)的阳极相连；第五开关器件(K5)的发射极连接在到半桥型功率模块的输出端子G，第六开关器件(K6)的发射极连接在到半桥型功率模块的输出端子H；所述的第一电压源(S1)中，为桥臂中所有不控半桥功率模块电容电压UCH1，UCH2，...，UCHM之和，假设桥臂有M个不控半桥功率模块，M≥1且为整数，第一电压源(S1)的电压US1为：US1＝UCH1+UCH2+...+UCHM  (1)每个不控半桥功率模块电容电压UCH经下式(2)计算得出，电容电压初始值为0，UCH(0)＝0；下式(2)经过一次计算可得UCH(1)，为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值，Ts为计算步长；以此类推经过k次计算可得到UCH(k)，为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值，UCH(k+1)为(k+1)Ts时刻仿真计算得到的电容电压值；kTs代表仿真运行时间，由于数字仿真每次仿真计算步长相等，因此k≥0且为整数；UCH(k+1)＝UCH(k)+fx(ia)TsCf  (2)其中，ia为桥臂电流，Cf为不控半桥功率模块电容值，Ts为计算步长，fx为不控半桥功率模块电容电流计算方法，当ia≥0时，fx(ia)＝ia；当ia<0时，fx(ia)＝0；所述的第二电压源(S2)中，假设桥臂有P个不控全桥功率模块，P≥1且为整数，第二电压源(S2)的电压US2为：US2＝UCF1+UCF2+...+UCFP  (3)每个不控全桥功率模块电容的电压UCF经下式(4)计算得出，电容电压初始值为0，UCF(0)＝0；下式(4)经过一次计算可得UCF(1)，为Ts时刻仿真计算得到的电容电压值，Ts为计算步长；以此类推，经过k次计算可得到UCF(k)，为kTs时刻仿真计算得到的电容电压值，UCF(k+1)为(k+1)Ts时刻仿真计算得到的电容电压值；kTs代表仿真运行时间，由于数字仿真每次仿真计算步长相等，因此k≥0且为整数；UCF(k+1)＝UCF(k)+|ia|TsCf  (4)其中，ia为桥臂电流，Cf为全桥功率模块电容值，Ts为计算步长；所述的第三电压源(S3)为桥臂中所有受控全桥功率模块和受控半桥功率模块输出电压UOF1，UOF2，...，UOFQ，UOH1，UOH2，...，UOHR之和，假设桥臂有Q个受控全桥功率模块、R个受控半桥功率模块，Q≥1整数，R≥1整数，US3＝UOF1+UOF2+...+UOFQ+UOH1+UOH2+...+UOHR  (5)每个受控全桥功率模块的输出电压UOF由模块电容电压UCF及第一开关器件(K1)、第二开关器件(K2)、第三开关器件(K3)和第四开关器件(K4)的开关状态决定，具体如下：当第一开关器件(K1)和第四开关器件(K4)为开通状态，第二开关器件(K2)和第三开关器件(K3)为关闭状态，受控全桥功率模块输出电压为UCF；当第一开关器件(K1)和第四开关器件(K4)为关闭状态，第二开关器件(K2)和第三开关器件(K3)为开通状态，受控全桥功率模块输出电压为‑UCF；第一开关器件(K1)和第三开关器件(K3)为开通状态，第二开关器件(K2)和第四开关器件(K4)为关闭状态，受控全桥功率模块输出电压为0；第一开关器件(K1)和第三开关器件(K3)为关闭状态，第二开关器件(K2)和第四开关器件(K4)为开通状态，受控全桥功率模块输出电压为0；每个受控半桥功率模块的输出电压UOH由模块电容电压UCH及第五开关器件(K5)、第六开关器件(K6)的开关状态决定，具体如下：当第五开关器件(K5)为开通状态，第六开关器件(K6)为关闭状态，受控半桥功率模块输出电压为UCH；当第五开关器件(K5)为关闭状态，第六开关器件(K6)为开通状态，受控半桥功率模块输出电压为0；所述仿真系统实现混合结构模块化多电平换流器在各工况下的电磁暂态仿真。