一种超级电容储能型制造技术

本发明专利技术的目的是提供一种适用于超级电容储能型

【技术实现步骤摘要】
一种超级电容储能型MMC的多工况电磁暂态等效建模方法


[0001]本专利技术涉及特高压柔性直流输电
，尤其涉及一种适用于超级电容储能型模块化多电平换流器
(modular multilevel converter with supercapacitor
‑
based energy storage system,MMC
‑
SESS)
的多工况电磁暂态等效建模方法
。

技术介绍

[0002]随着双碳目标的推进，我国能源供给结构将从以火电为主过渡至新能源为主，而对于新能源出力的间歇性与不确定性带来的并网可靠性降低和电能质量下降问题，
MMC
‑
SESS
由于其电压等级高，额定容量大，控制灵活及输出特性好等优势，成为了重要的解决方案
。
但
MMC
的复杂拓扑以及大量开关设备，以及储能设备的加入对拓扑的进一步复杂化，导致了对
MMC
‑
SESS
的详细模型进行的电磁暂态仿真效率低下，极大影响了对
MMC
‑
SESS
控制
、
保护等方面的研究
。
[0003]针对
MMC
及其它电力电子设备的仿真提速研究大致可分为硬件并行和等效建模两类
。
硬件并行类通过传输线划分子系统
、
多核并行或主从协同仿真等方式实现仿真的提速，但通常对硬件或原始电路结构存在限制，应用于电磁暂态仿真方面的普适性和易用性还有待改进；等效建模类则不依赖硬件或原始系统结构，具有较好的普适性
。
有文献则提出经
dommel
法将电容
、
电感元件离散化后，将子模块化简至戴维南形式再合并，获得桥臂的戴维南等效电路；但上述方法均无法体现
MMC
内部的特性以及
MMC
桥臂中子模块间的区别，无法用于子模块电容或储能模块的荷电状态均衡研究，也难以体现换流器的故障特性
。
综上，当前对
MMC
‑
SESS
的仿真提速方法无法兼顾仿真效率和内部特性仿真，有必要研究一种针对
MMC
‑
SESS
的等效建模方法，在保证加速效果的基础上，能够精确仿真多工况下
MMC
‑
SESS
的外部和内部特性，便于展开对控制策略或故障特性的研究
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种适用于
MMC
‑
SESS
的多工况电磁暂态等效建模方法，该方法简单有效，易于模块化设计，能够显著提高换流站仿真速度，节约计算机资源，有效提升了大容量
MMC
‑
SESS
的仿真速度，为换流器的实时仿真提供基础
。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]如图1所示为本专利技术实施例提供的
MMC
‑
SESS
多工况电磁暂态等效建模方法流程示意图，所述方法包括：
[0007]步骤
1、
分析
MM
‑
SESS
的储能接入方式，以及超级电容的建模方法，根据工况和需求选择拓扑及超级电容电磁暂态仿真模型；
[0008]步骤
2、
分析
MMC
‑
SESS
的运行模态，选择开关组建模方法并验证其合理性；
[0009]步骤
3、
根据电容
、
电感离散化及开关组二值电阻法得到子模块的伴随电路，通过嵌套快速求解法得到子模块等效电路，串联叠加得到
MMC
‑
SESS
的等效模型；
[0010]步骤
4、
分析
MMC
‑
SESS
闭锁工况下的运行模态，确定闭锁回路，并与等效模型进行
集成；
[0011]步骤
5、
依据提出的建模方法以及
PSCAD/EMTDC
自定义元件
Branch、Begin、Dsdyn、Dsout
代码段的使用方法，构建模型整体代码框架
。
[0012]由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，上述方法简单有效，易于模块化设计，能够显著提高
MMC
‑
SESS
的仿真速度的建模方法，且能够体现
MMC
‑
SESS
内部特性，便于展开对控制策略或故障特性的研究
。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图
。
[0014]图1为本专利技术实施例提供的多工况
MMC
‑
SESS
等效建模方法流程示意图；
[0015]图2为本专利技术实施例所述的
MMC
‑
SESS
系统结构示意图；
[0016]图3为
SESM
接入方式示意图；
[0017]图4为超级电容等效电路模型示意图；
[0018]图5为
MMC
‑
SESS
子模块模态及电流方向示意图；
[0019]图6为电容及电感离散化等效电路；
[0020]图7为子模块伴随电路；
[0021]图8为子模块等效戴维南电路；
[0022]图9为
MMC
‑
SESS
等效电路；
[0023]图
10
为等效模型闭锁回路；
[0024]图
11
为闭锁启动工况波形对比图；
[0025]图
12
为交流故障工况波形对比图
。
具体实施方式
[0026]下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚
、
完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本专利技术的限制
。
基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围
。
[0027]如图1所示为
MMC
‑
SESS
系统拓扑结构
、
子模块拓扑以及子模块的等效模型示意图，所述方法包括：
[0028]步骤
1、
分析
MM...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种适用于超级电容储能型模块化多电平换流器
(modular multilevel converter with supercapacitor
‑
based energy storage system,MMC
‑
SESS)
的多工况电磁暂态等效建模方法，所述方法包括：如图1所示为本发明实施例提供的
MMC
‑
SESS
多工况电磁暂态等效建模方法流程示意图，所述方法包括：步骤
1、
分析
MM
‑
SESS
的储能接入方式，以及超级电容的建模方法，根据工况和需求选择拓扑及超级电容电磁暂态仿真模型；步骤
2、
分析
MMC
‑
SESS
的运行模态，选择开关组建模方法并验证其合理性；步骤
3、
根据电容
、
电感离散化及开关组二值电阻法得到子模块的伴随电路，通过嵌套快速求解法得到子模块等效电路，串联叠加得到
MMC
‑
SESS
的等效模型；步骤
4、
分析
MMC
‑
SESS
闭锁工况下的运行模态，确定闭锁回路，并与等效模型进行集成；步骤
5、
依据提出的建模方法以及
PSCAD/EMTDC
自定义元件
Branch、Begin、Dsdyn、Dsout
代码段的使用方法，构建模型整体代码框架
。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法简单有效，易于模块化设计，能够显著提高
MMC
‑
SESS
的仿真速度，且能够体现
MMC
‑
SESS
内部特性，便于展开对控制策略或故障特性的研究
。2.
根据权利要求1所述的超级电容储能型
MMC(MMC
‑
SESS)
的拓扑在图2中给出
。
其特征在于，在步骤1中，对
MM
‑
SESS
的各类储能接入方式，以及超级电容的建模方法进行了分析，并根据工况和对应需求进行了拓扑及超级电容电磁暂态仿真模型的选取
。
所述步骤1的过程具体为：
MMC
‑
SESS
的
MMC
部分与常规半桥
MMC(HB
‑
MMC)
一致，如图2所示
。
三相各有上下两个桥臂，每个桥臂由
N
个半桥子模块
(HBSM)
和一个桥臂电感串联构成
。
超级电容储能模块
(supercapacitor energy storage module,SESM)
通过双向
Buck
‑
Boost
电路并联于子模块电容两端，进而与
MMC
部分集成，形成分布式全局储能拓扑
。
由于单个超级电容的额定电压通常仅在
V
级别，而正常运行的子模块电压通常在
kV
级别，即使通过双向
Buck
‑
Boost
电路的升压也难以满足需求，因此实际应用时，通常会根据耐压和功率需求，将大量超级电容单体进行大量串联和并联，形成
SESM
以投入运行
。
在分布式全局储能拓扑中，
SESM
接入子模块的方式主要有四种，即替代子模块电容，与子模块电容直接并联，经非隔离型
DC/DC
电路并联，以及经隔离型
DC/DC
电路并联，如图3所示
。
由于超级电容的
SOC
与电压正相关，若采用图
3(a)
或
(b)
所示的拓扑，
SESM
的电压与子模块电容电压相同，当
SESM
发生较大功率吞吐时，
SESM
和子模块电容电压均产生显著变化，对
MMC
的调制过程造成显著影响；而如图
3(c)
或
(d)
所示，经
DC/DC
电路接入
SESM
后，虽然成本有所增加，但
SESM
的电压与子模块电容电压解耦，使
SESM
可以进行更大的功率吞吐
。
非隔离型
DC/DC
电路中最适用于分布式全局储能场景的拓扑是双向
Buck
‑
Boost
电路，在实现电压解耦的前提下具有较低的成本
。
隔离型
DC/DC
电路通过添加变压器实现了电气隔离，并允许
SESM
产生更大的电压变化，但成本相比非隔离型
DC/DC
进一步提高
。
综合上述分析后，本发明选择经双向
Buck
‑
Boost
电路接入
SESM
的拓扑
。
根据储能原理进行分类，当下最为常见的两类超级电容器为基于纯粹物理过程的双电层电容器
(Electrical Double
‑
Layer Capacitor,EDLC)
和基于法拉第过程的赝电容器
(Pseudocapacitor
，
PC)
，其中
EDLC
的应用相对更加广泛
。
在电磁暂态仿真领域，针对超级电容的建模通常以等效电路模型为主，常用的模型有串联
RC
模型，线性
RC
网络模型和非线性
RC
网络模型等，如图4所示
。
串联
RC
模型的拓扑最为简单，如图
4(a)
所示，由一个理想电容，一个串联电阻和一个并联电阻构成，其中理想电容表征超级电容的充放电特性，串联电阻表征充放电过程的电能损耗特性，并联电阻则表征超级电容静置时的自放电特性
。
但由于自放电的时间常数较大，并联电阻通常远大于串联电阻，自放电电流非常小，因此在电磁暂态仿真中可以忽略并联电阻，采用最简形式的模型，如图
4(b)
所示
。
超级电容的生产企业通常会直接提供最简模型所需的
RC
参数，因此该模型使用较为方便，因此本发明选择串联
RC
模型对超级电容进行建模
。3.
根据权利要求1所述
MMC
‑
SESS
的多工况电磁暂态等效建模方法，其特征在于，所述步骤2的过程具体为：首先分析
MMC
‑
SESS
的运行模态，在运行过程中，根据输入电流方向，开关信号等，子模块可能出现的运行模态及电流流向如图5所示
。
由图可得，
MMC
‑
SESS
运行过程中，始终遵循开关组中
IGBT
和二极管不会同时导通，且开关信号为0时开关组均不导通的原则，不会出现二极管续流的现象
。
因此，可以使用二值电阻的方式，对开关组进行建模
。4.
根据权利要求1所述
MMC
‑
SESS
的多工况电磁暂态等效建模方法，其特征在于，所述步骤3需要根据电容
、
电感离散化及开关组二值电阻法得到子模块的伴随电路，通过嵌套快速求解法得到子模块等效电路，串联叠加得到
MMC
‑
SESS
的等效模型
。
所述步骤3的过程具体为：由于电磁暂态仿真是在以步长为基础时间单位的离散系统中进行的，因此需要对电容和电感元件的伏安关系进行离散化，以在离散系统中进行仿真
。
电感和电容经过梯形法离散化后电路如图6所示
。
其中电感和电容离散化后等效参数如式
(1)
所示
。
通过离散化电容和电感元件，及使用二值电阻法进行开关组建模后，可得到子模块的伴随电路，如7所示

【专利技术属性】
技术研发人员：许建中，付乐融，冯谟可，汪晋安，徐义良，周月宾，熊岩，
申请(专利权)人：南方电网科学研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：