一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法技术

本发明专利技术公开了电力系统运行和控制技术领域中的一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法。包括：确定每个子模块的等效状态和等效模型，将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型；修正处于闭锁状态的子模块的等效状态；设置子模块的故障类型，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型；在电磁暂态仿真软件PSCAD中实现子模块的编写。本发明专利技术克服了现有的子模块等效模型在建立大规模MMC系统时存在的工作量过大的缺陷，实现了子模块闭锁状态的等效，解决了现有的等效模型无法设置故障的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法
本专利技术属于电力系统运行和控制
，尤其涉及一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法。
技术介绍
采用电压源型换流器(VoltageSourceConverter，VSC)和脉宽调制(Pulse-widthModulation，PWM)技术的电压直流输电(HighVoltageDirectCurrent,HVDC)成为电压源型高压直流输电发展的新趋势。相比于传统2电平、3电平的拓扑结构，模块化多电平变流器(ModularMultilevelConverter，MMC)被提出后凭借其技术优势成为国内外学者研究的热点。它的模块化结构使其可扩展性强、输出电平数高，并很好的克服了传统电压源换流器存在开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、换流站占地面积大、动态均压困难等缺点。随着MMC换流器向高电平数、大容量的趋势发展，每个桥臂串联的子模块数急剧增加，这给仿真平台PSCAD/EMTDC(PowerSystemsComputerAidedDesign/ElectromagneticTransientsincludingDC，电磁暂态仿真软件)对基于MMC的高压直流输电系统的仿真带来了很大的困难。由于子模块数量过多且IGBT频繁的开断，使得PSCAD/EMTDC仿真计算上导纳矩阵过大且时刻变化，造成了矩阵求逆消耗了很长的时间。而且，子模块中包含IGBT和二极管带插值精确计算的器件，造成仿真时重复多次调用接口函数，同样消耗了的一定的仿真时间。目前，一些研究针对子模块的运行特性提出了对应的等效模型，用于替代子模块以提升仿真的速率，但是仍然存在很大的缺陷。已有的等效模型在实现子模块闭锁状态存在很大的问题，且无法实现子模块的故障仿真，而且未将等效模型集成为自定义元件，在搭建大规模的MMC换流器模型时，其仍然存在很大的数据量，造成了搭建模型工作量大且容易出错。因此，基于PSCAD/EMTDC平台采用Fortran语言建立一种灵活的自定义MMC多子模块集成元件具有很大的必要性。这不仅能够提升仿真的时间、减少搭建MMC模型的工作量，而且能够为研究MMC子模块闭锁和故障的动态特性提供可能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提出一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法，用于克服仿真软件PSCAD大规模仿真和MMC子模块等效模型存在的缺陷。为了实现上述目的，本专利技术提出的技术方案是，一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法，其特征是所述方法包括：步骤1：确定每个子模块的等效状态和等效模型，将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型；步骤2：修正处于闭锁状态的子模块的等效状态；步骤3：设置子模块的故障类型，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型；步骤4：在电磁暂态仿真软件PSCAD中实现子模块的编写。所述确定每个子模块的等效状态和等效模型具体为：当子模块为投入状态，或者子模块为闭锁状态并且满足ibr(t)>0和Vin_i>Uci(t)时，子模块的等效状态为电容状态且子模块的等效模型为：当子模块为旁路状态，或者子模块为闭锁状态并且满足ibr(t)<0时，子模块的等效状态为小电阻状态且子模块的等效模型为：当子模块为闭锁状态并且满足ibr(t)≥0和Vin_i≤Uci(t)时，子模块的等效状态为大电阻状态且子模块的等效模型为：其中，Reqi为第i个子模块的等效电阻，Veqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C为子模块电容，Uci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，Uci(t)为第i个子模块在时刻t的电容电压，ibr(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流，ibr(t)为时刻t流入第i个子模块的桥臂电流，Vin_i为第i个子模块的输入电压。所述将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型采用公式：其中，Reqsm为MMC多子模块等效电阻，Veqsm为MMC多子模块等效受控电压源，Reqi为第i个子模块的等效电阻，Veqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，N为子模块数量。所述修正处于闭锁状态的子模块的等效状态具体为：子步骤A1：分别设定子模块的等效状态为电容、大电阻和小电阻状态时的标识flag的值；当子模块的等效状态为电容状态时，设定标识flag＝-2；当子模块的等效状态为大电阻状态时，设定标识flag＝1；当子模块的等效状态为小电阻状态时，设定标识flag＝-1；子步骤A2：判断Vin_i>Uci(t)是否成立，如果Vin_i>Uci(t)，则子模块的等效状态为电容状态且令标识flag＝-2；否则，执行子步骤A3；其中，Vin_i为第i个子模块的输入电压，Uci(t)为第i个子模块在时刻t的电容电压；子步骤A3：子模块的等效状态为大电阻状态且令标识flag＝1；子步骤A4：判断ibr(t)>0是否成立，如果ibr(t)>0，则子模块的等效状态为大电阻状态且令标识flag＝1；否则，执行子步骤A5；其中，ibr(t)为时刻t流入第i个子模块的桥臂电流；子步骤A5：判断flag>0是否成立，如果flag>0，则执行子步骤A6；否则，执行子步骤A7；子步骤A6：判断Vin_i<0是否成立，如果Vin_i<0，则执行子步骤A7；否则，执行子步骤A3；子步骤A7：子模块的等效状态为小电阻状态且令标识flag＝-1；子步骤A8：判断ibr(t)>0是否成立，如果ibr(t)>0，则令t＝t+1，执行子步骤A2；否则，令t＝t+1，执行子步骤A7。子模块的故障类型包括子模块IGBT击穿故障、子模块电容值变化故障和子模块电容击穿故障。当子模块的故障类型为子模块IGBT击穿故障时，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型具体为：当第i个子模块上IGBT未出现击穿故障且第i个子模块下IGBT出现击穿故障时，子模块的等效电阻和受控电压源分别为：当第i个子模块上IGBT出现击穿故障且第i个子模块下IGBT未出现击穿故障并处于关断状态时，子模块的等效电阻和受控电压源分别为：其中，Reqi为第i个子模块的等效电阻，Veqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C为子模块电容，Uci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，ibr(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流。当子模块的故障类型为子模块电容值变化故障时，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型具体采用公式：其中，Reqi为第i个子模块的等效电阻，Veqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C′为变化后的子模块电容值，Uci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，ibr(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流。当子模块的故障类型为子模块电容击穿故障时，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型具体采用公式：其中，Reqi为第i个子模块的等效电阻，Veqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C为子模块电容，Kci为第i个子模块是否出现电容击穿故障的标识变量，当Kci＝1时，第i个子模块未出现电容击穿故障，当Kci＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法，其特征是所述方法包括：步骤1：确定每个子模块的等效状态和等效模型，将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型；步骤2：修正处于闭锁状态的子模块的等效状态；步骤3：设置子模块的故障类型，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型；步骤4：在电磁暂态仿真软件PSCAD中实现子模块的编写。

【技术特征摘要】
1.一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法，其特征是所述方法包括：步骤1：确定每个子模块的等效状态和等效模型，将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型；步骤2：修正处于闭锁状态的子模块的等效状态；步骤3：设置子模块的故障类型，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型；步骤4：在电磁暂态仿真软件PSCAD中实现子模块的编写；所述确定每个子模块的等效状态和等效模型具体为：当子模块为投入状态，或者子模块为闭锁状态并且满足ibr(t)>0和Vin_i>Uci(t)时，子模块的等效状态为电容状态且子模块的等效模型为：当子模块为旁路状态，或者子模块为闭锁状态并且满足ibr(t)<0时，子模块的等效状态为小电阻状态且子模块的等效模型为：当子模块为闭锁状态并且满足ibr(t)≥0和Vin_i≤Uci(t)时，子模块的等效状态为大电阻状态且子模块的等效模型为：其中，Reqi为第i个子模块的等效电阻，Veqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，Δt为仿真步长，C为子模块电容，Uci(t-Δt)为第i个子模块在时刻t-Δt的电容电压，Uci(t)为第i个子模块在时刻t的电容电压，ibr(t-Δt)为时刻t-Δt流入第i个子模块的桥臂电流，ibr(t)为时刻t流入第i个子模块的桥臂电流，Vin_i为第i个子模块的输入电压；所述将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型采用公式：其中，Reqsm为MMC多子模块等效电阻，Veqsm为MMC多子模块等效受控电压源，Reqi为第i个子模块的等效电阻，Veqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，N为子模块数量；所述修正处于闭锁状态的子模块的等效状态具体为：子步骤A1：分别设定子模块的等效状态为电容、大电阻和小电阻状态时的标识flag的值；当子模块的等效状态为电容状态时，设定标识flag＝-2；当子模块的等效状态为大电阻状态时，设定标识flag＝1；当子模块的等效状态为小电阻状态时，设定标识flag＝-1；子步骤A2：判断Vin_i>Uci(t)是否成立，如果Vin_i>Uci(t)，则子模块的等效状态为电容状态且令标识flag＝-2；否则，执行子步骤A3；其中，Vin_i为第i个子模块的输入电压，Uci(t)为第i个子模块在时刻t的电容电压；子步骤A3：子模块的等效状态为大电阻状态且令标识flag＝1；子步骤A4：判断ibr(t)>0是否成立，如果ibr(t)>0，则子模块的等效状态为大电阻状态且令标识flag＝1；否则，执行子步骤A...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘崇茹，林周宏，洪国巍，郭龙，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11