[发明专利]一种模块化多电平换流器桥臂等效方法

摘要

本发明是一种模块化多电平换流器等效方法，其特点是，包括的步骤有：建立正常工况下的MMC桥臂等效模型，包括建立非闭锁工况下和预充电工况下的MMC桥臂等效模型，建立直流侧故障工况下的MMC桥臂等效模型，包括建立直流侧故障时换流器闭锁前和换流器闭锁后的MMC桥臂等效模型，将建立的正常工况下的MMC桥臂等效模型和建立的直流侧故障工况下的MMC桥臂等效模型相结合，建立适用于各种工况的MMC桥臂等效模型，具有科学合理，计算简单，简便易行，适用于各种工况，仿真精度高的优点。

主权项

1.一种模块化多电平换流器等效方法，其特征是，它包括以下步骤：1)建立正常工况下的MMC桥臂等效模型；①建立非闭锁工况下的MMC桥臂等效模型(a)定义HBSM中两个IGBT及其反并联二极管构成的开关管支路的等值电阻R₁、R₂；在非闭锁工况下HBSM中保护晶闸管VT_s保持关断，HBSM存在投入和切出两种运行状态，根据IGBT器件导通状态将两个IGBT及其反并联二极管构成的开关管支路等值为可变电阻R₁、R₂，以消除IGBT的非线性性，当HBSM处于投入状态时，IGBT器件VT₁触发信号TS₁＝1，为开通状态，IGBT器件VT₂触发信号TS₂＝0，为关断状态，开关管支路等值电阻R₁＝R_ON，R₂＝R_OFF；当HBSM处于切出状态时，IGBT器件VT₁触发信TS₁＝0，为关断状态，IGBT器件VT₂触发信号TS₂＝1，为开通状态，开关管支路等值电阻R₁＝R_OFF，R₂＝R_ON；因此根据t时刻IGBT触发信号TS₁、TS₂确定t时刻开关管支路等值电阻R₁、R₂的电阻值，触发信号状态与开关管支路的等值电阻的电阻值的对应关系是，子模块为投入状态，触发信号状态为TS₁＝1，TS₂＝0，开关管支路电导值为R₁＝R_ON，R₂＝R_OFF；子模块为切出状态，触发信号状态为TS₁＝0，TS₂＝1，开关管支路电导值为R₁＝R_OFF，R₂＝R_ON：其中，R_ON/R_OFF代表IGBT与二极管的开通/关断电阻，R_ON阻值一般为mΩ级，R_OFF阻值一般为MΩ级；(b)用Dommel等值模型等效电容元件；电容C的Dommel等值模型由电容的暂态等值电阻与t‑ΔT时刻电容的历史电压源u_ceq(t‑ΔT)串联组成，电容暂态过程用电磁感应定律来描述，即：其中，i_c(t)为t时刻电容支路电流，C₀为电容值，u_c(t)为t时刻电容电压；将式(1)等式两边取积分，则其中，ΔT为仿真步长，u_c(t‑ΔT)为t‑ΔT时刻的电容电压；应用梯形积分法则，将式(2)表示成式(3)的形式；其中，i_c(t‑ΔT)为t‑ΔT时刻电容支路电流；令电容C的暂态等值电阻定义t‑ΔT时刻电容的历史电压源u_ceq(t‑ΔT)如式(4)所示；则式(3)表示为式(5)的形式；(c)基于戴维南等值方法，建立MMC非闭锁工况下的HBSM等效拓扑，进而建立非闭锁工况下的MMC桥臂等效模型；MMC非闭锁工况下，经过两个IGBT及其反并联二极管构成的开关管支路等值及用Dommel等值模型等效电容元件后，对其进行戴维南等值；HBSM戴维南等值拓扑中等值电阻R_SM及等值电压源U_SM分别为：将桥臂中投入和切出的子模块串联，得非闭锁工况下的桥臂等效模型，MMC每相上、下桥臂各包含N个子模块，非闭锁情况下，按照调制方式投入n个子模块同时切出N‑n个子模块，则桥臂中的等值电阻R_EQ及等值电压源U_EQ为：②建立预充电工况下的MMC桥臂等效模型(a)建立预充电工况下的HBSM等效拓扑；预充电工况下，当桥臂电流I_arm＞0时，桥臂电流流经桥臂全部HBSM的二极管VD₁及电容C串联支路，子模块中电容C处于充电状态；当桥臂电流I_arm＜0时，桥臂电流流经桥臂全部HBSM的保护晶闸管VT_S及二极管VD₂，子模块中电容C处于旁路状态；预充电工况下的HBSM等效拓扑包括保护晶闸管VT_S和二极管VD₂并联支路及二极管VD₁和电容C串联支路，此时需要提供电容C的充电通路及旁路通路；(b)建立预充电工况下的MMC桥臂等效模型预充电工况下，桥臂中全部N个HBSM中的电容C同时处于旁路和充电中一种状态，当N个HBSM中电容C处于充电状态时，桥臂等效模型相当于N个HBSM中二极管VD₁与电容C串联支路的串联；当N个HBSM中电容C处于旁路状态时，桥臂等效模型相当于N个HBSM中保护晶闸管VT_S与二极管VD₂并联支路的串联；预充电工况下的MMC桥臂等效拓扑，其中VT₀和VT₂为IGBT器件，确保电流的单向导通，R₁为N个HBSM中二极管VD₁的通态电阻之和，R₂为N个HBSM中保护晶闸管VT_S与二极管VD₂通态电阻并联之和，C_EQ为桥臂等效电路的桥臂等效电容值，IGBT器件VT₀触发提供桥臂等效电容C_EQ的充电状态电流通路，IGBT器件VT₂同时触发提供旁路状态电流通路，设二极管VD1及VD2的通态电阻为R_on，保护晶闸管VT_S的通态电阻为R_vts，HBSM中电容值C₀，则桥臂等效电容值为C_EQ＝C₀/N，VT₀支路串联电阻R₁＝N·R_on，VT₂支路串联电阻R₂＝N·(R_on//R_vts)；2)建立直流侧故障工况下的MMC桥臂等效模型MMC直流侧故障包括单极接地故障和双极短路故障，由于控制器存在时延，即故障闭锁延时，因此将直流侧故障分为换流器闭锁前和换流器闭锁后两个阶段；①建立直流侧故障时换流器闭锁前的MMC桥臂等效模型换流器闭锁前，MMC桥臂电流包括子模块电容放电电流和交流馈入电流两部分；子模块电容放电时，投入状态HBSM的电容C通过该子模块中IGBT器件VT₁及切出状态HBSM的保护晶闸管VT_S与二极管VD₂并联支路向短路点提供电容放电电流；交流馈入电流流过桥臂中全部HBSM的保护晶闸管VT_S与二极管VD₂并联支路；直流侧故障时换流器闭锁前的MMC桥臂等效模型，IGBT器件VT₁触发提供桥臂等效电容C_EQ的放电通路，IGBT器件VT₂触发提供交流馈入电流通路，设n个HBSM处于投入状态，N‑n个HBSM处于切出状态，HBSM电容值为C₀；则桥臂等效电容值C_EQ＝C₀/n，VT₁支路串联电阻R₁＝(N‑n)·R_on，VT₂支路串联电阻R₂＝N·(R_on//R_vts)；②建立直流侧故障时换流器闭锁后的MMC桥臂等效模型；换流器闭锁后，HBSM中电容的放电电流路径消失，交流馈入电流流过桥臂中全部HBSM的保护晶闸管VT_S与二极管VD₂并联支路，IGBT器件VT₂触发提供交流馈入电流通路，VT₂支路串联电阻R₂＝N·(R_on//R_vts)；3)建立适用于各种工况的MMC桥臂等效模型；将步骤1)建立的正常工况下的MMC桥臂等效模型和步骤2)建立的直流侧故障工况下的MMC桥臂等效模型相结合，建立适用于各种工况的MMC桥臂等效模型，该等效模型由开关、可变电阻、受控电压源和二极管构成；在正常工况下：非闭锁工况时，开关K₁＝1即开通，保证正常运行，开关K₂＝0即关断，可变电阻R₁为式(10)，受控电压源V₁为式(11)；预充电工况时，开关K₁＝0即关断，提供电容充电状态下电流通路，开关K₂＝1即开通，提供电容旁路状态下电流通路，可变电阻R₁为式(12)，可变电阻R₂为式(13)，受控电压源V₁为式(14)；R₂＝N·R_on   (13)在直流侧故障工况下：换流器闭锁前，开关K₁＝1即开通，提供电容放电状态下电流通路，开关K₂＝1即开通，提供交流馈入电流通路，可变电阻R₁为式(15)，可变电阻R₂为式(16)，受控电压源V₁为式(17)；R₂＝N·R_on   (16)换流器闭锁后，开关K₁＝0即关断，电容放电电流通路消失，开关K₂＝1即开通，提供电容旁路状态下电流通路，可变电阻R₂为式(18)；R₂＝N·R_on   (18)。