一种基于MMC离散建模的直流侧短路电流计算方法技术

本发明专利技术提供一种基于离散模型的MMC直流侧短路时直流电流与交流电流的计算方法，包括如下步骤：A：对单相五电平MMC变流器建立离散模型；B：对上述模型每个阶段的占空比函数进行求解并进行分段分析；C：令直流侧负载短路，将前一状态的状态变量值作为后一状态的状态变量初值代入短路故障下MMC的模型中进行迭代，进行直流短路故障下电流的求解。本发明专利技术通过对单相五电平MMC变流器的分段分析，建立了MMC变流器的离散时间模型，并给出了直流侧短路故障下的故障电流的计算方法；并且在MATLAB/Simulink环境中搭建了仿真模型，仿真结果验证了断路电流计算方法的正确性和有效性。

A Method for Calculating Short Circuit Current at DC Side Based on MMC Discrete Modeling

The invention provides a method for calculating DC and A C currents in short circuit of MMC DC side based on discrete model, which includes the following steps: A: establishing discrete model for single-phase five-level MMC converter; B: solving duty cycle function of each stage of the above model and analyzing it in segments; C: shortening load of DC side and taking state variable value of the former state as the latter state. The initial values of state variables are substituted into the MMC model under short-circuit fault for iteration, and the current under DC short-circuit fault is solved. The invention establishes the discrete time model of the single-phase five-level MMC converter through the sectional analysis of the single-phase five-level MMC converter, and gives the calculation method of the fault current under the DC side short-circuit fault; and builds a simulation model in the environment of MATLAB/Simulink, and the simulation results verify the correctness and effectiveness of the calculation method of the open-circuit current.

【技术实现步骤摘要】
一种基于MMC离散建模的直流侧短路电流计算方法
本专利技术涉及一种模块化多电平变流器直流侧短路时故障电流计算方法，具体是一种基于MMC离散建模的直流侧短路时交流电流与直流电流的计算方法。
技术介绍
随着柔性直流输电技术的发展，模块化级联多电平变流器(MMC)被越来越多地应用到高压直流输电(HVDC)领域，相对于传统高压直流输电技术，基于MMC的柔性直流输电技术主要有功率双向流动、不会换向失败等优点，成为高压直流输电的首选技术方案，然而由于半桥型子模块的固有缺陷，MMC直流侧故障电流难以清除，对于直流侧故障的保护也就成为研究的重点。与交流系统相比，直流侧故障之所以更难清除，主要是由于直流系统的阻尼更小，故障传播的速度更快，直流侧故障电流对直流输电系统造成的危害也就更大。对于MMC交流侧的故障而言，目前的有研究人员研究了常规直流输电交流测短路时的暂态响应，对短路电流的计算做了研究并给出了相应的计算公式，还有研究人员给出了MMC交流测不对称故障下控制改进的方法。然而基于半桥子模块的MMC直流侧故障时直流电流的定量分析方法仍然有待解决，目前的文献大多着眼于短路故障的保护控制研究。文献采用模块化建模的方法建立了直流电网的小信号模型，用于判断系统稳定性，但并未涉及故障状态的讨论；有文献通过分析MMC半桥子模块的放电回路，得到了双极短路时MMC子模块过电流计算的方法，但对于直流侧电流的计算却并未提及；或是通过阻抗分析推导出直流侧故障电流的计算方法，但阻抗方法忽略了内部动态变化的过程，也没有办法反映交直流的交互影响。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术提供一种基于MMC离散建模的直流侧短路电流计算方法，从单相MMC运行特性和原理出发，推导其状态空间方程，采用分段线性化的方法对桥臂开关函数进行处理，得到了单相MMC离散时间模型。然后在此模型的基础上，本文推导出直流侧发生短路时交直流侧短路电流的计算方法，最后通过MATLAB/Simulink仿真以及实验对直流侧短路电流计算方法进行了验证。一种基于MMC离散建模的直流侧短路电流计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A、对单相五电平MMC变流器建立离散模型，具体包括：步骤A1：控制MMC桥臂子模块控制MMC桥臂子模块按上桥臂子模块投切数从0到5进行投切进行投切，从而得到相对应的不同的阶梯波输出；步骤A2：列写出电路的状态方程，由于状态方程中存在着随时间而分段变化的开关函数项，故状态方程的系数矩阵和输入矩阵进行分段表达；步骤A3：根据最近电平逼近(NLM)的调制方法，将开关函数周期性的变化进行分段，δm代替上桥臂开关函数之和，下标m表示每个交流周期中开关函数的状态数，每当δm的取值发生改变，则视为系统进入了下一个状态，从而建立单相MMC的分段线性化模型步骤B:对上述模型每个阶段的占空比函数进行求解并进行分段分析，具体为：对于单相5电平MMC结构，根据调制函数，δm在一个交流周期内共有8种不同的变化状态，且δm∈(0,1,2,3,4)，占空比函数计算的公式如下：dm为每个状态对应的占空比；当t0≤t≤t0+d1Ts时，系统处于状态1，此时对应的δ1＝0，得：当tm-1≤t≤tm-1+dmTs时，得到第m个状态下，状态方程系数矩阵Am，步骤C、令直流侧负载短路，将前一状态的状态变量值作为后一状态的状态变量初值代入短路故障下MMC的模型中进行迭代，进行直流短路故障下交直流侧电流的求解，具体为：当直流侧短路故障发生时，电路的直流负载改变了，将短路后直流侧短路电阻的大小记为Rfault，那么对应的状态方程的系数矩阵就会变为：于是，短路后一个周期系统状态变量的求解公式变为：在上述的一种基于离散模型的MMC直流侧短路电流计算方法，所述步骤A1中：首先根据MMC结构图得MMC在abc三相静止坐标系中其上下桥臂的KVL方程：依据KCL列写：idc＝ip+idp＝in+idn(7)ig＝idn-idp(8)又因为直流侧电容桥臂的电压电流关系满足下式：考虑图示正方向，直流侧电压和电流满足欧姆定律：将式(5)(6)和(7)带入式(3)中，考虑到电容桥臂中两电容相等，用Cd表示，可得：将式(8)和式(9)带入式(1)和(2)中并化简，可得：单相MMC上下桥臂的子模块电压分别设为vsmp和vsmn,可得：定义每个桥臂的子模块电容电压均匀分布，不同桥臂的电压不相等，即：把式(14)和(15)分别带入式(12)和(13)中，则可以得到：取N＝4，并将式(16)和(17)分别带入式(10)(11)中，可得：由式(18)和(19)可以将MMC运行变量的状态方程列写成的形式，其中x＝[vdp,vdn,dvdp/dt,dvdn/dt]T，u＝[vg]，则系数矩阵A与输入矩阵B分别为式(21)(22)所示，以式(25)(26)作为系数矩阵A与输入矩阵B的计算公式；不考虑均压过程，令MMC桥臂子模块按照上下桥臂投入不同数目子模块的顺序进行投切，从而得到对应不同的阶梯波输出；用δm代替上桥臂开关函数之和，下标m表示每个交流周期中开关函数的状态数，每当δm的取值发生改变，则视为系统进入了下一个状态；则有：∑Spi＝δm(27)∑Sni＝N-δm(28)。在上述的一种基于离散模型的MMC直流侧短路电流计算方法，在所述步骤A2中：列写出电路的状态方程，由于状态方程中存在着随时间而分段变化的开关函数项，其系数矩阵和输入矩阵进行分段表达；将状态方程的系数矩阵中的开关函数用δm代替，得到不同阶段中系数矩阵的表达式：Bm＝B(30)根据最近电平逼近(NLM)的调制方法，δm的调制函数如下(28)：在上述的一种基于离散模型的MMC直流侧短路电流计算方法，所述步骤A3中：对每个阶段都建立离散后的状态方程，将前一个阶段状态变量的末值作为下一个阶段状态变量的初值，依次进行迭代到第八个阶段，得到单相五电平MMC状态变量在每个状态末位置的离散化表示模型，具体是基于步长的迭代算法来得到状态方程的数值解，计算步骤如下：每个周期中第一个状态上桥臂投入的子模块数为0，此状态的开始时刻记为t0，根据图2，在第一个阶段持续的过程中，即t0≤t≤t0+d1Ts时，有δ1＝0，这时状态方程对应的系数矩阵A1为式(29),在整个状态持续的过程中，迭代算法可以表示为x(t0+Δt)＝x(t0)+Δt(A1x(t0)+Bu(t0))(32)于是，可以得到t1时刻状态变量的计算结果：式中，表示第一个状态进行迭代计算的次数；对于每个周期中第2个状态，即t1≤t≤t1+d2Ts时，对应的状态方程系数矩阵为A2，可以得到t2时刻状态变量的值：式中，表示第二个状态迭代计算的次数；当第m个状态结束时，状态变量的表达式，即tm-1≤t≤tm-1+dmTs时，此时对应的状态方程系数矩阵为Am，此时有：由于一个周期要经历8个状态，对于下一个周期而言，上个周期的末尾值，即为下一个周期的初始值，记下一个周期开始的时刻为t′0，则下一个周期各个状态的计算公式为：式中，t′0＝t8，表示上一个计算周期的末尾值。因此，本专利技术具有如下优点：通过对单相五电平MMC变流器的分段分析，建立了MMC变流器的离散时间模型，并给出了直流侧双极短路故障下的故障电流计算方法。模型计算结果不仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MMC离散建模的直流侧短路电流计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A、对单相五电平MMC变流器建立离散模型，具体包括：步骤A1：控制MMC桥臂子模块控制MMC桥臂子模块按上桥臂子模块投切数从0到5进行投切进行投切，从而得到相对应的不同的阶梯波输出；步骤A2：列写出电路的状态方程，由于状态方程中存在着随时间而分段变化的开关函数项，故状态方程的系数矩阵和输入矩阵进行分段表达；步骤A3：根据最近电平逼近(NLM)的调制方法，将开关函数周期性的变化进行分段，δm代替上桥臂开关函数之和，下标m表示每个交流周期中开关函数的状态数，每当δm的取值发生改变，则视为系统进入了下一个状态，从而建立单相MMC的分段线性化模型步骤B:对上述模型每个阶段的占空比函数进行求解并进行分段分析，具体为：对于单相5电平MMC结构，根据调制函数，δm在一个交流周期内共有8种不同的变化状态，且δm∈(0,1,2,3,4)，占空比函数计算的公式如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于MMC离散建模的直流侧短路电流计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A、对单相五电平MMC变流器建立离散模型，具体包括：步骤A1：控制MMC桥臂子模块控制MMC桥臂子模块按上桥臂子模块投切数从0到5进行投切进行投切，从而得到相对应的不同的阶梯波输出；步骤A2：列写出电路的状态方程，由于状态方程中存在着随时间而分段变化的开关函数项，故状态方程的系数矩阵和输入矩阵进行分段表达；步骤A3：根据最近电平逼近(NLM)的调制方法，将开关函数周期性的变化进行分段，δm代替上桥臂开关函数之和，下标m表示每个交流周期中开关函数的状态数，每当δm的取值发生改变，则视为系统进入了下一个状态，从而建立单相MMC的分段线性化模型步骤B:对上述模型每个阶段的占空比函数进行求解并进行分段分析，具体为：对于单相5电平MMC结构，根据调制函数，δm在一个交流周期内共有8种不同的变化状态，且δm∈(0,1,2,3,4)，占空比函数计算的公式如下：dm为每个状态对应的占空比；当t0≤t≤t0+d1Ts时，系统处于状态1，此时对应的δ1＝0，得：当tm-1≤t≤tm-1+dmTs时，得到第m个状态下，状态方程系数矩阵Am，步骤C、令直流侧负载短路，将前一状态的状态变量值作为后一状态的状态变量初值代入短路故障下MMC的模型中进行迭代，进行直流短路故障下交直流侧电流的求解，具体为：当直流侧短路故障发生时，电路的直流负载改变了，将短路后直流侧短路电阻的大小记为Rfault，那么对应的状态方程的系数矩阵就会变为：于是，短路后一个周期系统状态变量的求解公式变为：2.如权利要求1所述的一种基于离散模型的MMC直流侧短路电流计算方法，其特征在于：所述步骤A1中：首先根据MMC结构图得MMC在abc三相静止坐标系中其上下桥臂的KVL方程：依据KCL列写：idc＝ip+idp＝in+idn(7)ig＝idn-idp(8)又因为直流侧电容桥臂的电压电流关系满足下式：考虑图示正方向，直流侧电压和电流满足欧姆定律：将式(5)(6)和(7)带入式(3)中，考虑到电容桥臂中两电容相等，用Cd表示，可得：将式(8)和式(9)带入式(1)和(2)中并化简，可得：单相MMC上下桥臂的子模块电压分别设为vsmp和vsmn,可得：定义每个桥臂的子模块电容电压均匀分布，不同桥臂的电压不相等，即：把式(14)和(15)分别带入式(12)和(13)中，则可以得到：取N＝4，并将式(16)和(17)分别带入式(10)(11)中，可得：由式...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄萌，刘浴霜，陈永洋，陈思倩，查晓明，
申请(专利权)人：武汉大学，中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42