模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型制造技术

本发明专利技术公开了一种模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型，包括：桥臂通用简化电路模块，用于通过可控电压源、理想开关和二极管模拟模块化多电平换流器电路结构；桥臂动态平均值计算模块，用于对多子模块开关和调制过程进行平均化等值；拓扑系数计算模块，用于引入拓扑参数以体现由不同拓扑带来的桥臂动态平均值的差异；换流器级控制模块，用于根据电网仿真模型发送的指令和测量得到的接口电气量计算模块化多电平换流器的参考电压和工作模式。该模型可准确地模拟模块化多电平换流器在稳态、交流故障、换流器闭锁、直流故障清除和恢复等过程动态特性和控制行为，且具有较高的仿真效率，还具有很好的拓扑适应性，适合于开展电网级仿真研究。

【技术实现步骤摘要】
模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型
本专利技术涉及高压大容量电力电子换流器仿真
，特别涉及一种模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型。
技术介绍
模块化多电平换流器属于电压源型电力电子换流器，基于绝缘栅双极型晶体管等全控电力电子器件和脉宽调制技术，能够稳定地控制有功功率和无功功率在交直流系统间传输。模块化多电平换流器的电路原理如图1所示。模块化多电平换流器包含a、b、c三个相单元，每个相单元包含两个桥臂，即上桥臂和下桥臂，总共六个桥臂。三个相单元并联在直流正极和直流负极之间，三个相单元的上桥臂和下桥臂的中间点联接三相交流系统。每个桥臂由一个桥臂电抗Ls和N个子模块串联组成。典型的子模块主要包括三类:半桥子模块、全桥子模块和嵌位双子模块。半桥子模块由两个绝缘栅双极晶体管S1、S2，两个续流二极管D1、D2以及一个直流电容Cd构成。全桥子模块由四个绝缘栅双极晶体管S1、S2、S3、S4，四个续流二极管D1、D2、D3、D4以及一个直流电容Cd构成。嵌位双子模块由五个绝缘栅双极晶体管S1、S2、S3、S4、S5，七个续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7以及两个直流电容Cd1、Cd2构成。模块化多电平换流器具有诸多技术优势，如模块化的结构，易于达到高电压等级；多电平的工作方式，利于提升传输效率；高质量的输出电压波形，不需要安装交流滤波器等，使其在区域电网互联、可再生能源接入电网等场景下受到广泛重视。模块化多电平换流器在电网中的广泛应用，给整个电网级的仿真建模和分析过程带来巨大挑战。随着容量和电压等级的迅速提升，模块化多电平换流器对电网的运行和稳定会产生直接而深刻的影响，因此电网级仿真研究往往需要准确地模拟模块化多电平换流器的动态特性和控制行为。考虑到模块化多电平换流器是电网中现有的最为复杂的电力电子装置，需要采用较为详细的电磁暂态仿真模型。同时，为了适应电网级仿真研究的仿真规模和计算能力，需要进一步提升仿真速度，建立快速高效的电磁暂态仿真模型。此外，为了应对直流故障，模块化多电平换流器不断涌现新型拓扑，如针对每一个新拓扑进行专门的建模研究，工程量巨大，而且不能穷举。因此，建立通用于多种拓扑的模块化多电平换流器快速仿真模型，使仿真建模时既能准确地体现模块化多电平换流器外特性，又能解决大规模电网仿真的效率问题，不仅可以为分析和解决电网级仿真问题提供实用工具，而且对模块化多电平换流器技术在未来电网中的应用具有重要意义。目前具有代表性的模块化多电平换流器快速仿真模型主要包括两种。第一种是平均值模型，在换流器层面进行等值，分别形成交、直流侧的独立模型，再通过功率守恒将交、直流侧模型联系起来。这种模型仿真效率非常高，但是由于等效电路改变了交流侧和直流侧的实际电路结构，导致无法准确地模拟直流故障特性、闭锁等重要的暂态行为。此外，这种模型主要针对基于半桥子模块的简单拓扑，对于更为复杂的新型拓扑建立仿真模型比较困难。第二种是连续模型，在桥臂层面进行等值，利用可控电压源等效桥臂的子模块电容串，对桥臂内部子模块进行平均化处理后，动态计算可控电压源，避免了节点导纳矩阵的动态求解。这种模型不但具有较高的仿真效率，而且能够准确地体现换流器解/闭锁状态、各类交直流故障等暂态行为。此外，与平均值模型不同，连续模型保留了桥臂的结构，只是对子模块进行归一化处理。当子模块结构发生变化时，桥臂等值电路的建立也比较简单直观，因此具有便捷地拓展建立多拓扑通用仿真模型的潜质。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型，该模型可准确地模拟模块化多电平换流器在稳态、交流故障、换流器闭锁、直流故障清除和恢复等过程动态特性和控制行为，且具有较高的仿真效率，还具有很好的拓扑适应性，适合于开展电网级仿真研究。为达到上述目的，本专利技术实施例提出了一种模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型，包括以下步骤：桥臂通用简化电路模块，用于通过可控电压源、理想开关和二极管模拟模块化多电平换流器电路结构；桥臂动态平均值计算模块，用于对多子模块开关和调制过程进行平均化等值；拓扑系数计算模块，用于引入拓扑参数以体现由不同拓扑带来的桥臂动态平均值的差异；换流器级控制模块，用于根据电网仿真模型发送的指令和测量得到的接口电气量计算模块化多电平换流器的参考电压和工作模式。本专利技术实施例的模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型，通过利用可控电压源、理想开关和二极管来等效不同拓扑在各种运行状态下的电路结构，得到桥臂通用简化电路，实现模块化多电平换流器的动态特性和控制行为的准确模拟；通过对多子模块开关和调制过程进行平均化等值，计算出桥臂动态平均值，避免了大规模节点导纳矩阵的动态求解，实现仿真效率的提升，从而可准确地模拟模块化多电平换流器在稳态、交流故障、换流器闭锁、直流故障清除和恢复等过程动态特性和控制行为，且具有较高的仿真效率，还具有很好的拓扑适应性，适合于开展电网级仿真研究。另外，根据本专利技术上述实施例的模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述桥臂通用简化电路模块包括：第一受控电压源和第二受控电压源，用于模拟桥臂平均电压；第一和第二二极管，用于模拟续流二极管的不控整流效应；第一至第四理想开关，用于模拟所述模块化多电平换流器的多种工作模式以及切换过程；第一至第六桥臂通用简化电路子模块，用于与第一至第六桥臂电抗连接后，构成所述模块化多电平换流器的主回路，以模拟在多种工作状态下的电路结构。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述桥臂动态平均值计算模块包括：第一获取模块，用于获取工作切换模式的第一切换信号和第二切换信号；第二获取模块，用于获取第一桥臂平均电压和第二桥臂平均电压。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述第一切换信号和所述第二切换信号的计算公式为：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述第一桥臂平均电压和所述第二桥臂平均电压的计算公式为：其中，q是反向电压uo2与正向电压uo1的比值，Sw_arm为桥臂平均开关函数，uc为桥臂平均电容电压，t为时间参数。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述第二获取模块包括：第一计算单元，用于计算桥臂平均开关函数；第二计算单元，用于根据所述桥臂平均开关函数计算平均电容电流；第三计算单元，用于根据所述平均电容电流计算桥臂平均电容电压。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述拓扑系数计算模块包括：获取流入电容的负向桥臂电流的比例系数；获取反向电压与正向电压的比值。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述比例系数的计算公式为：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述比值的计算公式为：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述换流器级控制模块具体用于根据所述电网仿真模型发送的有功功率指令、无功功率指令、直流电压指令、交流电压指令和所述测量得到的接口电气量动态计算所述模块化多电平换流器的三相交流参考电压和直流参考电压，同时产生所述模块化多电平换流器的工作模式。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型，其特征在于，包括：桥臂通用简化电路模块，用于通过可控电压源、理想开关和二极管模拟模块化多电平换流器电路结构；桥臂动态平均值计算模块，用于对多子模块开关和调制过程进行平均化等值；拓扑系数计算模块，用于引入拓扑参数以体现由不同拓扑带来的桥臂动态平均值的差异；以及换流器级控制模块，用于根据电网仿真模型发送的指令和测量得到的接口电气量计算模块化多电平换流器的参考电压和工作模式。

【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型，其特征在于，包括：桥臂通用简化电路模块，用于通过可控电压源、理想开关和二极管模拟模块化多电平换流器电路结构；桥臂动态平均值计算模块，用于对多子模块开关和调制过程进行平均化等值；拓扑系数计算模块，用于引入拓扑参数以体现由不同拓扑带来的桥臂动态平均值的差异；以及换流器级控制模块，用于根据电网仿真模型发送的指令和测量得到的接口电气量计算模块化多电平换流器的参考电压和工作模式。2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型，其特征在于，所述桥臂通用简化电路模块包括：第一受控电压源和第二受控电压源，用于模拟桥臂平均电压；第一和第二二极管，用于模拟续流二极管的不控整流效应；第一至第四理想开关，用于模拟所述模块化多电平换流器的多种工作模式以及切换过程；第一至第六桥臂通用简化电路子模块，用于与第一至第六桥臂电抗连接后，构成所述模块化多电平换流器的主回路，以模拟在多种工作状态下的电路结构。3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型，其特征在于，所述桥臂动态平均值计算模块包括：第一获取模块，用于获取工作切换模式的第一切换信号和第二切换信号；第二获取模块，用于获取第一桥臂平均电压和第二桥臂平均电压。4.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器多拓扑通用仿真模型，其特征在于，所述第一切换信号和所述第二切换信号的计算公式为：5.根据权利要求3或4...

【专利技术属性】
技术研发人员：李笑倩，胡应宏，谢小荣，付胜宪，蔡巍，赵媛，黄金魁，彭珑，张静岚，
申请(专利权)人：清华大学，华北电力科学研究院有限责任公司，国网福建省电力有限公司检修分公司，国家电网有限公司，国网冀北电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11