一种CDSM‑MMC桥臂电磁暂态建模方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种CDSM‑MMC桥臂电磁暂态建模方法和装置，方法包括：确定CDSM的状态；若所述CDSM的状态是非闭锁状态，建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM‑MMC桥臂电磁暂态模型，以及根据CDSM的故障特性建立非闭锁状态且故障工况下的CDSM‑MMC桥臂电磁暂态模型；若所述CDSM的状态是闭锁状态，建立闭锁状态下CDSM‑MMC桥臂电磁暂态模型。本发明专利技术利用Domemel等值方法，将CDSM中的电容等值成电流源和电阻的诺顿电路，然后根据CDSM正常和故障情况的电路工作原理，建立了考虑CDSM内部故障情况下的CDSM‑MMC桥臂电磁暂态模型，等效过程简单可靠，实用性强；与传统的由二极管和IGBT搭建的模型相比，本发明专利技术在取得同样精度的情况下，既能模拟CDSM内部故障，又能大幅提高仿真效率。

【技术实现步骤摘要】
一种CDSM-MMC桥臂电磁暂态建模方法和装置
本专利技术涉及一种建模方法，具体涉及一种CDSM-MMC桥臂电磁暂态建模方法和装置。
技术介绍
基于模块化多电平换流器(modularizedmultilevelconverter，MMC)的高压直流输电是电压源换流器(voltagesourcedconverter，VSC)型直流输电(high-voltagedirectcurrent，HVDC)技术向高电压大功率方向发展的最新成果，相比两电平、三电平VSC-HVDC，MMC-HVDC有众多优势，比如容量更大，换流阀制造难度下降，波形质量更高，损耗更低等。模块化多电平换流器的基本组成单元即子模块可以有多种变化，其中半桥子模块(halfbridgesub-module，HBSM)最为成熟，在多个柔性直流输电工程中得到应用。但半桥子模块在柔直工程没有配置直流断路器的情况下发生直流侧故障，无法通过换流阀隔离故障。因此有关学者提出了钳位双子模块(clampdoublesub-module，CDSM)和全桥子模块(fullbridgesub-module，FBSM)，使得柔性直流输电工程使用架空线成为可能。而CDSM型MMC在实现同样电平数的情况下，使用的电力电子器件数量比FBSM型换流器减少很多，成为一种满足经济性和良好故障特性的解决方案。目前，利用电磁暂态软件对CDSM-MMC进行研究时，二极管和IGBT元件搭建的仿真系统运行非常慢，极大的影响了研究人员的工作效率。
技术实现思路
为了提高CDSM-MMC的仿真效率的同时又能精确模拟CDSM子模块内部的故障，本专利技术提供一种CDSM-MMC桥臂电磁暂态建模方法和装置，根据CDSM的正常和故障情况下的原理，利用Dommel等值方法，考虑子模块内部故障的情况下大幅提高仿真效率。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采取如下技术方案：本专利技术提供一种CDSM-MMC桥臂电磁暂态建模方法，所述CDSM为钳位双子模块，所述方法包括：确定CDSM的状态；若所述CDSM的状态是非闭锁状态，建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型，以及根据CDSM的故障特性建立非闭锁状态且故障工况下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；若所述CDSM的状态是闭锁状态，建立闭锁状态下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型。本专利技术还提供一种CDSM-MMC桥臂电磁暂态建模装置，所述CDSM为钳位双子模块，其特征在于，所述装置包括：确定模块，用于确定CDSM的状态；第一建模模块，用于建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型和非闭锁状态且故障工况下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；以及第二建模模块，用于建立闭锁状态下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型。与最接近的现有技术相比，本专利技术提供的技术方案具有以下有益效果：1)本专利技术根据CDSM的工作原理，建立CDSM处于非闭锁状态且非故障工况下、非闭锁状态且故障工况下以及闭锁状态下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型，考虑了CDSM的非闭锁状态和闭锁状态，同时考虑了CDSM的非故障工况和包括电容击穿故障、IGBT击穿故障和IGBT拒动故障的故障工况，考虑的较为全面；2)本专利技术基于CDSM的非闭锁状态建立包括双投入状态、双旁路状态、单投单旁状态和单旁单投状态的非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；3)本专利技术根据CDSM的故障特性建立非闭锁状态且故障工况下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型，具体为根据CDSM内部的电容击穿故障特性，建立非闭锁状态且电容击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；根据CDSM内部的IGBT击穿故障特性，建立非闭锁状态且IGBT击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；并根据CDSM内部的IGBT拒动故障，建立非闭锁状态且IGBT拒动故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；4)本专利技术根据CDSM的闭锁状态建立闭锁状态下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；5)本专利技术利用Domemel等值方法，将CDSM中的电容等值成电流源和电阻的诺顿电路，然后根据CDSM正常和故障情况的电路工作原理，建立了考虑CDSM内部故障情况下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型，等效过程简单可靠，实用性强；6)与传统的由二极管和IGBT搭建的模型相比，本专利技术在取得同样精度的情况下，既能模拟CDSM内部故障，又能大幅提高仿真效率。附图说明图1是本专利技术实施例中CDSM-MMC桥臂电磁暂态建模方法流程图；图2是本专利技术实施例中CDSM拓扑结构图；图3是本专利技术实施例中开关组利用电阻替代后CDSM拓扑结构图；图4是本专利技术实施例中将电容利用诺顿等值后CDSM等值电路图；图5是本专利技术实施例中CDSM用戴维南等值后CDSM等值电路图；图6是本专利技术实施例中电容C1发生击穿后CDSM等值电路图；图7是本专利技术实施例中IGBT1发生击穿故障后CDSM等值电路图；图8是本专利技术实施例中IGBT1发生拒动故障后CDSM等值电路图；图9是本专利技术实施例中闭锁状态下CDSM等值电路图；图10是本专利技术实施例中整个桥臂闭锁状态下CDSM型桥臂等值电路图；图11是本专利技术实施例中交流故障后A相上桥臂第2个子模块电容C1电压曲线对比图；图12是本专利技术实施例中交流故障后换流系统有功曲线对比图；图13是本专利技术实施例中交流故障后换流系统无功曲线对比图；图14是本专利技术实施例中电容击穿后A相上桥臂第2个子模块电容C1电压曲线对比图；图15是本专利技术实施例中电容击穿后换流系统有功曲线对比图；图16是本专利技术实施例中电容击穿后换流系统无功曲线对比图；图17是本专利技术实施例中0.1秒前闭锁A相上桥臂第2个子模块电容C1电压曲线对比图；图18是本专利技术实施例中0.1秒前闭锁换流系统有功曲线对比图；图19是本专利技术实施例中0.1秒前闭锁换流系统无功曲线对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术提供一种CDSM-MMC桥臂电磁暂态建模方法，在本专利技术实施例提出的技术方案中，所涉及的CDSM为钳位双子模块，该方法具体处理流程如图1所示，具体为：步骤11，确定CDSM的状态，CDSM的状态包括非闭锁状态和闭锁状态，其中，非闭锁状态包括双投入状态、双旁路状态、单投单旁状态和单旁单投状态；在本专利技术实施例提出的技术方案中，如图2所示，CDSM包括多个IGBT，分别标识为IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5；多个二极管，分别标识为二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7，以及多个电容，分别标识为：电容C1和电容C2；其中，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的阳极分别与IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5的发射极连接，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的阴极分别与IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5的集电极连接，形成开关组T1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5；具体地，IGBT1的集电级连接二极管D6的阴极，二极管D6的阳极同时连接IGBT3的集电极、IGBT5的集电极以及电容C2的第一端，IGBT3的发射极连接IGBT本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CDSM‑MMC桥臂电磁暂态建模方法，所述CDSM为钳位双子模块，其特征在于，所述方法包括：确定CDSM的状态；若所述CDSM的状态是非闭锁状态，建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM‑MMC桥臂电磁暂态模型，以及根据CDSM的故障特性建立非闭锁状态且故障工况下的CDSM‑MMC桥臂电磁暂态模型；若所述CDSM的状态是闭锁状态，建立闭锁状态下CDSM‑MMC桥臂电磁暂态模型。

【技术特征摘要】
1.一种CDSM-MMC桥臂电磁暂态建模方法，所述CDSM为钳位双子模块，其特征在于，所述方法包括：确定CDSM的状态；若所述CDSM的状态是非闭锁状态，建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型，以及根据CDSM的故障特性建立非闭锁状态且故障工况下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；若所述CDSM的状态是闭锁状态，建立闭锁状态下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CDSM包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、电容C1和电容C2；所述二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的阳极分别与IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5的发射极连接，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的阴极分别与IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5的集电极连接，形成开关组T1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5；IGBT1的集电级连接二极管D6的阴极，二极管D6的阳极同时连接IGBT3的集电极、IGBT5的集电极以及电容C2的第一端，IGBT3的发射极连接IGBT4的集电极，IGBT4的发射极同时连接电容C2的第二端和二极管D7的阳极，二极管D7的阴极同时连接IGBT2的发射极和IGBT5的发射极，IGBT2的集电极连接IGBT1的发射极，电容C1的第一端连接二极管D6阴极，其第二端连接二极管D7阴极；所述CDSM的端口记为N1和N2，N1连接IGBT1的发射极，N2连接IGBT4集电极。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定CDSM的状态包括：若CDSM中的IGBT5导通，IGBT1和IGBT4导通，同时IGBT2和IGBT3关断，CDSM为双投入状态；若IGBT5导通，IGBT1和IGBT4关断，同时IGBT2和IGBT3导通，CDSM为双旁路状态；若IGBT5导通，IGBT1和IGBT3导通，同时IGBT2和IGBT4关断，CDSM为单投单旁状态；若IGBT5导通，IGBT2和IGBT4导通，同时IGBT1和IGBT3关断，CDSM为单旁单投状态；若IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5均关断，CDSM为闭锁状态。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂中每个CDSM的电磁暂态等效模型；将每个CDSM的电磁暂态等效模型中电阻和电压源分别求和得到非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂中每个CDSM的电磁暂态等效模型包括：将开关组T1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻RT1、电阻RT2、电阻RT3、电阻RT4和电阻RT5，将电容C1和电容C2的电流按照差分方程表示为：其中，C1和C2分别为电容C1和电容C2的容值，Δt为仿真步长，iC1(t)和iC2(t)分别为t时刻电容C1和电容C2的电流，iC1(t-Δt)和iC2(t-Δt)分别为t-Δt时刻电容C1和电容C2的电流，uC1(t)和uC2(t)分别为t时刻电容C1和电容C2的电压，uC1(t-Δt)和uC2(t-Δt)分别为t-Δt时刻电容C1和电容C2的电压；CDSM处于非闭锁状态下，二极管D6和二极管D7一直关断，电阻RD6和电阻RD7为无穷大，将电容C1等效为电流源ICS1和电阻RC1并联的形式，并将电容C2等效为电流源ICS2和电阻RC2并联的形式，电阻RC1的阻值和电阻RC2的阻值分别表示为：且有：其中，ICS1(t-Δt)和ICS2(t-Δt)分别为t-Δt时刻电流源ICS1和电流源ICS2的电流；将电流源ICS1、电阻RC1、电阻RT1、电阻RT2等效为电压源Ueq1和电阻Req1串联的形式，并将电流源ICS2、电阻RC2、电阻RT3、电阻RT4等效为电压源Ueq2和电阻Req2串联的形式，于是形成电压源Ueq1、电阻Req1、电阻RT5、电压源Ueq2和电阻Req2串联的形式；且有：其中，Ueq1(t)、Ueq2(t)分别为t时刻电压源Ueq1、电压源Ueq2的电压，Req1(t)、Req2(t)分别为电阻Req1、电阻Req2的阻值，RT1(t)、RT2(t)、RT3(t)、RT4(t)和RT5(t)分别为电阻电阻RT1、电阻RT2、电阻RT3、电阻RT4的阻值。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据CDSM的故障特性建立非闭锁状态且故障工况下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：若CDSM的故障工况为电容击穿故障，根据CDSM内部的电容击穿故障特性，建立非闭锁状态且电容击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；若CDSM的故障工况为IGBT击穿故障，根据CDSM内部的IGBT击穿故障特性，建立非闭锁状态且IGBT击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；若CDSM的故障工况为IGBT拒动故障，根据CDSM内部的IGBT拒动故障，建立非闭锁状态且IGBT拒动故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述建立非闭锁状态且电容击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：将开关组T1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻RT1、电阻RT2、电阻RT3、电阻RT4和电阻RT5；电容C1发生击穿故障时，将电容C2等效为电流源ICS2和电阻RC2并联的形式；将电阻RT1、电阻RT2等效为电压源U′eq1和电阻R′eq1串联的形式，并将电流源ICS2、电阻RC2、电阻RT3、电阻RT4等效为电压源Ueq2和电阻Req2串联的形式，于是形成电压源U′eq1、电阻R′eq1、电阻RT5、电压源Ueq2和电阻Req2串联的形式；且有：U′eq1(t)＝0其中，U′eq1(t)为t时刻电压源U′eq1的电压，R′eq1(t)为电阻R′eq1的阻值。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述建立非闭锁状态且电容击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：将开关组T1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻RT1、电阻RT2、电阻RT3、电阻RT4和电阻RT5；电容C2发生击穿故障时，将电容C1等效为电流源ICS1和电阻RC1并联的形式；将电阻RT3、电阻RT4等效为电压源U′eq2和电阻R′eq2串联的形式，并将电流源ICS1、电阻RC1、电阻RT1、电阻RT2等效为电压源Ueq1和电阻Req1串联的形式，于是形成电压源U′eq2、电阻R′eq2、电阻RT5、电压源Ueq1和电阻Req1串联的形式；且有：U′eq2(t)＝0其中，U′eq2(t)为t时刻电压源U′eq2的电压，R′eq1(t)为电阻R′eq2的阻值。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述建立非闭锁状态且IGBT击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：IGBT1发生击穿故障时，电阻RT1的阻值为0，将开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻RT2、电阻RT3、电阻RT4和电阻RT5，将电容C1等效为电流源ICS1和电阻RC1并联的形式，并将电容C2等效为电流源ICS2和电阻RC2并联的形式；将电流源ICS1、电阻RC1、电阻RT2等效为电压源U″eq1和电阻R″eq1串联的形式，并将电流源ICS2、电阻RC2、电阻RT3、电阻RT4等效为电压源Ueq2和电阻Req2串联的形式，于是形成电压源U″eq1、电阻R″eq1、电阻RT5、电压源Ueq2和电阻Req2串联的形式；且有：其中，U″eq1(t)为t时刻电压源U″eq1的电压，R″eq1(t)为电阻R″eq1的阻值。10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述建立非闭锁状态且IGBT拒动故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：IGBT1发生拒动故障时，将二极管D1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻RD1、电阻RT2、电阻RT3、电阻RT4和电阻RT5，将电容C1等效为电流源ICS1和电阻RC1并联的形式，并将电容C2等效为电流源ICS2和电阻RC2并联的形式；将电流源ICS1、电阻RC1、电阻RD1、电阻RT2等效为电压源U″′eq1和电阻R″′eq1串联的形式，并将电流源ICS2、电阻RC2、电阻RT3、电阻RT4等效为电压源Ueq2和电阻Req2串联的形式，于是形成电压源U″′eq1、电阻R″′eq1、电阻RT5、电压源Ueq2和电阻Req2串联的形式；且有：其中，U″′eq1(t)为t时刻电压源U″′eq1的电压，R″′eq1(t)为电阻R″′eq1的阻值，RD1(t)为电阻RD1的阻值；当IGBT2关断且桥臂电流为正时，二极管D1导通，此时RD1(t)＝0＝0，RT2(t)＝∞；当IGBT2关断且桥臂电流为负时，二极管D1导通，此时RD1(t)＝∞，RT2(t)＝0；当IGBT2导通且桥臂电流为正时，二极管D1导通，此时RD1(t)＝∞，RT2(t)＝0；当IGBT2导通且桥臂电流为负时，二极管D1导通，此时RD1(t)＝∞，RT2(t)＝0。11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述建立闭锁状态下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：建立闭锁状态下CDSM-MMC桥臂中每个CDSM的电磁暂态等效模型；将每个CDSM的电磁暂态等效模型中的电阻和电压源分别求和得到闭锁状态下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型。12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述建立闭锁状态下CDSM-MMC桥臂中每个CDSM的电磁暂态等效模型包括：CDSM闭锁状态下，将二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4分别等效为电阻RD1、电阻RD2、电阻RD3、电阻RD4，将电容C1等效为电流源ICS1和电阻RC1并联的形式，并将电容C2等效为电流源ICS2和电阻RC2并联的形式；将电流源ICS1、电阻RC1、电阻RD1、电阻RD2等效为电压源U″″eq1和电阻R″″eq1串联的形式，并将电流源ICS2、电阻RC2、电阻RD3、电阻RD4等效为电压源U″eq2和电阻R″eq2串联的形式，于是形成电压源U″″eq1、电阻R″″eq1、电阻RT5、电压源U″eq2和电阻R″eq2串联的形式；且有：

【专利技术属性】
技术研发人员：田鹏飞，张星，徐得超，彭红英，刘敏，孙丽香，穆清，王峰，陈绪江，徐树文，林因，吴丹岳，黄道姗，黄霆，刘智煖，苏清梅，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，国家电网公司，国网福建省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11