一种基于数值计算的MMC半桥型子模块仿真建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数值计算模型的MMC半桥型子模块仿真方法，它包括步骤1、将子模块两个开关组的VT1、VD1和VT2、VD2分别等效为可变电阻R1和R2；可变电阻R1和R2串联后与电容C并联；步骤2、根据脉冲信号g1、g2计算可变电阻R1和R2的两个等效电阻值；步骤3、对电容C采用梯形积分法进行离散化，得到电容上的电压电流关系表达式；步骤4、将电容C等效为一个与差分方程历史项有关的受控电流源和等效电阻RC；步骤5、建立电容电压电容电流及子模块输出电压表达式；步骤6、根据电容电压、电容电流及子模块输出电压表达式，在电磁暂态环境中建立半桥子模块的数值计算模型；使仿真效率得以提高，同时保证仿真的准确性。

A Simulation Modeling Method of MMC Half Bridge Submodule Based on Numerical Computing

The invention discloses a simulation method of MMC half-bridge sub-module based on numerical calculation model, which includes step 1, equating VT1, VD 1, VT2 and VD2 of two switch groups of sub-module with variable resistors R1 and R2 respectively; variable resistors R1 and R2 are connected in series and parallel with capacitor C; step 2, calculating two equivalent resistances of variable resistors R1 and R2 according to pulse signals G1 and g2; step 3, calculating two equivalent resistances of variable resistors R1 and R2 according to pulse signals G1 and g2; The trapezoidal integral method is used to discretize and obtain the voltage-current relationship expression on the capacitor; step 4, the capacitance C is equivalent to a controlled current source and equivalent resistance RC related to the history term of the difference equation; step 5, the capacitance voltage-capacitance current and the output voltage expression of the sub-module are established; step 6, according to the expression of capacitance voltage, capacitance current and output voltage of the sub-module, the expression of capacitance voltage, capacitance current and output voltage of the sub-module is obtained. The numerical calculation model of half bridge sub-module is established in electromagnetic transient environment, which can improve the efficiency of simulation and ensure the accuracy of simulation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于数值计算的MMC半桥型子模块仿真建模方法
本专利技术涉及城市柔性配电网关键设备的建模仿真
，具体地涉及一种基于数值计算的MMC子模块仿真建模方法。
技术介绍
随着智能配电网的快速发展，基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)的城市柔性配网架构日益趋于成熟，各种MMC子模块拓扑在配网中被广泛应用。同时，基于半桥型子模块(HBSM)的模块化多电平换流器因其同时具有输出波形质量高和工程实现成本低等显著优势而被大量应用于许多城市柔性配电网实际项目当中。经典的三相MMC基本拓扑结构如图1所示，MMC的每一侧由A、B和C三相一共六个桥臂组成，每个桥臂所串联的子模块(SM)数目是相同的，并且各个子模块的结构相同。这种采用SM直接串联的结构化方式，使得其易于实现模块化设计和扩展到不同的电压等级，应用范围更加广泛。由于目前对MMC及其系统的仿真，大都采用电磁暂态仿真环境中的内部元件库的电力电子器件搭建的详细模型，导致在仿真高电平大容量MMC时，一个仿真步长内要快速计算大量高阶节点导纳矩阵变得十分困难，因而使仿真的效率极低。针对MMC在包含的子模块规模较大的情况下，虽然有研究者提出对电路采用模型分割方法对MMC进行分割，但分割后的仿真效率仍然受限，同时容易造成仿真波形失稳问题。对电路模型的建模技术才是制约仿真效率的关键因素，所以有必要提出一种考虑建模技术的子模块仿真建模方法。而在电磁暂态环境中进行仿真本质上就是数值计算，这为子模块的建模提供了思路。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对MMC目前的建模技术存在的以上问题，本专利技术提出了一种基于数值计算的MMC子模块仿真建模方法，该方法能使仿真效率得以提高，同时保证仿真的准确性。本专利技术技术方案：一种基于数值计算的MMC子模块仿真建模方法，子模块均由两个开关组以及一个直流储能电容C构成；每个开关组包括1个IGBT和1个反并联的二极管组成；其特征在于：所述仿真建模方法包括：步骤1、将子模块两个开关组的VT1、VD1和VT2、VD2分别等效为可变电阻R1和R2；可变电阻R1和R2串联后与电容C并联；步骤2、根据脉冲信号g1、g2计算可变电阻R1和R2的两个等效电阻值；步骤3、对电容C采用梯形积分法进行离散化，得到电容上的电压电流关系表达式；步骤4、将电容C等效为一个与差分方程历史项有关的受控电流源和等效电阻RC；步骤5、建立电容电压、电容电流及子模块输出电压表达式；步骤6、根据电容电压、电容电流及子模块输出电压表达式，在电磁暂态环境中建立半桥子模块的数值计算模型。步骤2所述根据脉冲信号g1、g2计算可变电阻R1和R2的两个等效电阻值的计算公式为：式中，Ron、Roff分别为开关组的开通和关断电阻，g1、g2分别为上、下两个开关组的脉冲信号。步骤3所述电容上的电压电流关系表达式为：式中，uC(t)为电容电压，C为电容，ΔT为仿真步长。步骤4所述将电容C等效为一个与差分方程历史项有关的受控电流源和等效电阻RC，其表达式为：式中，C为电容，ΔT为仿真步长。步骤5所述建立电容电压、电容电流及子模块输出电压表达式的为：uo(t)＝R2[i(t)-iC(t)](8)式中，R1、R2分别为上、下两个开关组的等效电阻，i(t)为桥臂电流。本专利技术有益效果：本专利技术提出的一种基于数值计算的MMC子模块仿真建模方法，所述的MMC包括六个桥臂，其各半桥子模块均由两个开关组(1个IGBT和1个反并联的二极管)以及一个直流储能电容C构成。本专利技术是这样实现的：首先把半桥型子模块中的两个开关组等效为在高、低阻态不断切换的等效电阻并给出了其等效电路。然后针对其中的电容支路的离散化问题，根据梯形积分法推导出MMC半桥型子模块的数值求解公式，并给出其数值计算电路模型。根据子模块的工作机制，推导出MMC仿真时所需的几个关键联解量表达式；根据上述步骤建立相应的子模块仿真验证模型仿真电路包含详细模型的子模块和数值计算模型的子模块，半桥子模块的数值求解模型与详细模型的几个关键联解量的仿真波形吻合度高，同时前者较后者有较好的仿真加速效果；该方法能使仿真效率得以提高，同时保证仿真的准确性。附图说明图1为三相MMC的拓扑结构；图2为半桥型子模块的结构图；图3为本专利技术的子模块器件组等效示意图；图4为本专利技术的数值计算电路模型；图5为本专利技术的子模块仿真电路；图6为本专利技术数值模型与详细模型子模块输出电压对比波形；图7为本专利技术数值模型与详细模型子模块电容电压对比波形。具体实施方式本专利技术提出的一种基于数值计算的MMC子模块仿真建模方法，所述的MMC包括六个桥臂，其各半桥子模块均由两个开关组(1个IGBT和1个反并联的二极管)以及一个直流储能电容C构成。本专利技术是这样实现的：首先把半桥型子模块中的两个开关组等效为在高、低阻态不断切换的等效电阻并给出了其等效电路。然后针对其中的电容支路的离散化问题，根据梯形积分法推导出MMC半桥型子模块的数值求解公式，并给出其数值计算电路模型。根据子模块的工作机制，推导出MMC仿真时所需的几个关键联解量表达式。具体步骤如下：1)MMC桥臂的半桥子模块中的开关组VT1、VD1和VT2、VD2分别用等效的可变电阻R2和R2替代。2)由两个开关组各自的开关信号g1和g2求取其上一时刻的等效电阻R1和R2。3)由梯形积分法得到直流电容C上的电压与电流关系。4)求解差分方程的历史项Iht。5)计算子模块的电容电压、电容电流及子模块的输出电压。下面结合附图和具体方式对本专利技术作进一步的详细说明，但不作为对本专利技术的限制。本专利技术的方法，所述的子模块结构如图2所示，它由两个开关组(1个IGBT和1个反并联的二极管)以及一个直流储能电容C构成。其具体的建模方法原理如下：1)基于MMC半桥型子模块的工作机制，本专利技术所述用的器件组等效思路为：将半桥子模块中VT1和VD1及VT2和VD2两组器件分别视为两个等效电阻，并且其值是随其脉冲信号的变化而变化的，等效电路示意图如图3所示。2)根据脉冲信号g1、g2计算步骤1)中的两个等效电阻值，计算方法如下：式中，Ron、Roff分别为开关组的开通和关断电阻，g1、g2分别为上、下开关组的脉冲信号。3)对等效电路图3中的电容支路采用梯形积分法进行离散化，得到电容上的电压电流关系表达式为：式中，C为电容，ΔT为仿真步长，uC(t)为电容电压。4)半桥子模块中的电容可由一个与差分方程历史项有关的受控电流源和等效电阻RC组成，这两个变量与电容值及实际的仿真步长相关，即：式中，RC为电容等效电阻，ΔT为仿真步长，Iht为电流历史项。5)在图4的数值计算电路模型中，子模块中的三个关键变量电容电压、电容电流及子模块输出电压表达式如下：uo(t)＝R2[i(t)-iC(t)](8)式中，R1、R2分别为上、下两个开关组的等效电阻，i(t)为桥臂电流。根据上述子模块的电容电压、输出电压等几个关键变量的表达式，可在电磁暂态环境中建立半桥子模块的数值计算模型。根据上述步骤建立相应的子模块仿真验证模型，仿真电路如图5所示，仿真电路包含详细模型的子模块和数值计算模型的子模块，电路中，D-HBSM表示半桥子模块的详细模型，N-HBSM表示半桥子模块的数值计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数值计算的MMC子模块仿真建模方法，子模块均由两个开关组以及一个直流储能电容C构成；每个开关组包括1个IGBT和1个反并联的二极管组成；其特征在于：所述仿真建模方法包括：步骤1、将子模块两个开关组的VT1、VD1和VT2、VD2分别等效为可变电阻R1和R2；可变电阻R1和R2串联后与电容C并联；步骤2、根据脉冲信号g1、g2计算可变电阻R1和R2的两个等效电阻值；步骤3、对电容C采用梯形积分法进行离散化，得到电容上的电压电流关系表达式；步骤4、将电容C等效为一个与差分方程历史项有关的受控电流源和等效电阻RC；步骤5、建立电容电压、电容电流及子模块输出电压表达式；步骤6、根据电容电压、电容电流及子模块输出电压表达式，在电磁暂态环境中建立半桥子模块的数值计算模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于数值计算的MMC子模块仿真建模方法，子模块均由两个开关组以及一个直流储能电容C构成；每个开关组包括1个IGBT和1个反并联的二极管组成；其特征在于：所述仿真建模方法包括：步骤1、将子模块两个开关组的VT1、VD1和VT2、VD2分别等效为可变电阻R1和R2；可变电阻R1和R2串联后与电容C并联；步骤2、根据脉冲信号g1、g2计算可变电阻R1和R2的两个等效电阻值；步骤3、对电容C采用梯形积分法进行离散化，得到电容上的电压电流关系表达式；步骤4、将电容C等效为一个与差分方程历史项有关的受控电流源和等效电阻RC；步骤5、建立电容电压、电容电流及子模块输出电压表达式；步骤6、根据电容电压、电容电流及子模块输出电压表达式，在电磁暂态环境中建立半桥子模块的数值计算模型。2.根据权利要求1所述的一种基于数值计算的MMC子模块仿真建模方法，其特征在于：步骤2所述根据脉冲信号g1、...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐玉韬，谈竹奎，谢百明，吕黔苏，高吉普，齐雪雯，徐长宝，肖永，毛时杰，郝正航，班国邦，黄伟煌，刘斌，马春雷，丁健，
申请(专利权)人：贵州电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：贵州,52