一种模块化多电平换流器动态模型建模方法技术

本发明专利技术提供一种模块化多电平换流器动态模型建模方法，所述方法包括以下步骤：建立上桥臂单个子模块开关周期平均模型和上桥臂单个子模块小信号交流模型；建立上桥臂开关周期平均模型和上桥臂小信号交流模型；建立下桥臂开关周期平均模型和下桥臂小信号交流模型；建立模块化多电平换流器开关周期平均模型和模块化多电平换流器小信号模型。建立的模快化多电平换流器动态模型便于对模块化多电平换流器的动态性能和频响特性进行分析，便于用于装置级控制策略设计，并实现了对内部状态量的描述。

【技术实现步骤摘要】
一种模块化多电平换流器动态模型建模方法
本专利技术属于电力系统输电
，具体涉及一种模块化多电平换流器动态模型建模方法。
技术介绍
2002年，德国慕尼黑联邦国防军大学的R.Marquart和A.Lesnicar共同提出了新型模块化多电平电压源型换流器。2004年研制成功17电平2MW样机。2009年，国际大电网会议B4.48工作组正式将其命名为模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)。该拓扑结构通过子模块串联构成换流阀，模块化程度高，谐波畸变小，开关损耗低，适合高电压大功率场合的应用，具有广阔的应用前景，可用于柔性直流输电、统一潮流控制器、线间潮流控制器、可转换式静止补偿器等多种柔性直流输电、灵活交流输电装置。2010年，第一项模块化多电平换流器直流输电工程在美国加利福尼亚州的匹兹堡和旧金山之间的海底直流电缆联网，解决当地输电走廊紧张的问题并增强系统的安全稳定性和可靠性。基于模块化多电平换流器的电力电子装置数学模型是研究相应控制策略的基础。因主电路包是含有开关元件、储能元件的非线性、交直流混合、高频工频混合的复杂系统，模型描述具有一定难度，通常建模方法包括拓扑建模法和输出建模法两种。拓扑建模法所建模型直接反映电路拓扑结构，复杂程度随开关器件数量的增加而显著增加；输出建模法通常将装置等效为受控源或阻抗形式，所建模型相对简单，但忽略了装置内部元件的状态信息，不利于装置内部的特性分析。因而这两种方法的应用均具有局限性。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种模块化多电平换流器动态模型建模方法，建立的模块化多电平换流器动态模型便于对模块化多电平换流器的动态性能和频响特性进行分析，便于用于装置级控制策略设计，并实现了对内部状态量的描述。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：一种模块化多电平换流器动态模型建模方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：建立上桥臂单个子模块开关周期平均模型和上桥臂单个子模块小信号交流模型；步骤2：建立上桥臂开关周期平均模型和上桥臂小信号交流模型；步骤3：建立下桥臂开关周期平均模型和下桥臂小信号交流模型；步骤4：建立模块化多电平换流器开关周期平均模型和模块化多电平换流器小信号模型。所述模块化多电平换流器包括三对桥臂，每对桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括N个依次串联的子模块和电抗器，三对桥臂并联引出公共直流端。所述步骤1包括以下步骤：步骤1-1：建立上桥臂单个子模块开关周期平均模型；步骤1-2：建立上桥臂单个子模块小信号交流模型。所述步骤1-1中，上桥臂单个子模块的方程为：其中，up1为上桥臂单个子模块输出电压，ud1p为上桥臂单个子模块直流电压，id1p为上桥臂单个子模块直流放电电流，ip为上桥臂单个子模块输出电流；Sp表示开关函数，Sp∈[0，1]，Sp＝1表示与子模块交流输出端并联的IGBT截止，另一个IGBT导通，Sp＝0表示与子模块交流输出端并联的IGBT导通，另一个IGBT截止；L1为上桥臂单个子模块电感，L1＝L/N，Ud1p＝Ud/N，L为桥臂电抗，Ud为公共直流母线电压，C为单个子模块支撑电容，u1′为单个子模块输出电压与桥臂电抗压降之和，R′s为子模块串联电抗器等效串联电阻，R1为子模块主电路损耗等效电阻；对(2)求开关周期平均得：Tsdt=1L1(-<u1′>Ts+<Spud1p>Ts-Rs′<ip>Ts)d<ud1p>Tsdt=1C(-<Spip>Ts-<ud1p>TsR1)---(3)]]>其中，Ts表示开关周期，表示u1在开关周期Ts内的平均值，表示Spud1p在开关周期Ts内的平均值，表示ip在开关周期Ts内的平均值，表示Spip在开关周期Ts内的平均值，表示ud1p在开关周期Ts内的平均值；假定在开关周期Ts内，ud1p和ip变化很小，可得以下近似关系：Ts≈<Sp>Ts<ud1p>Ts=dp<ud1p>Ts---(4)]]>Ts≈<Sp>Ts<ip>Ts=dp<ip>Ts---(5)]]>其中，dp为开关信号占空比；将(4)和(5)带入(3)，得上桥臂单个子模块开关周期平均模型如下：Tsdt=1L1(-<u1′>Ts+dp<ud1p>Ts-Rs′<ip>Ts)d<ud1p>Tsdt=-1C(dp<ip>Ts+<ud1p>TsR1)---(6).]]>所述上桥臂单个子模块开关周期平均模型中，交流侧的受控电压源R′s和L1依次串联，受控电压源正极作为上桥臂单个子模块等效开关周期模型的输出端正极，L1未与R′s连接的一端作为上桥臂单个子模块等效开关周期模型的输出端负极；直流侧的受控电流源R1和C相互并联。所述步骤步骤1-2中，令：Ts=U1′+u~1′]]>Ts=Ip+i~p]]>(7)Ts=Ud1p+u~d1p]]>dp＝Dp+dp式中，U1′，Ip，Ud1p，Dp为静态工作点，dp为扰动量；将(7)代入(6)可得由于静态工作点存在以下关系：U1′＝Ud/2-us＝DpUd1p-RsIp其中，us为系统电压；根据(8)，忽略高次项，得上桥臂单个子模块小信号交流模型如下：所述上桥臂单个子模块小信号交流模型包括上桥臂单个子模块受控源形式小信号交流模型和上桥臂单个子模块传递函数方框图形式小信号交流模型。所述上桥臂单个子模块受控源形式小信号交流模型中，交流侧的受控电压源dpUd1p、受控电压源R′s和L1依次串联；受控电压源dpUd1p正极作为上桥臂单个子模块小信号交流模型的输出端正极，L1未与R′s连接的一端作为上桥臂单个子模块小信号交流模型的输出端负极；直流侧的受控电流源受控电流源本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化多电平换流器动态模型建模方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1：建立上桥臂单个子模块开关周期平均模型和上桥臂单个子模块小信号交流模型；步骤2：建立上桥臂开关周期平均模型和上桥臂小信号交流模型；步骤3：建立下桥臂开关周期平均模型和下桥臂小信号交流模型；步骤4：建立模块化多电平换流器开关周期平均模型和模块化多电平换流器小信号模型。

【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平换流器动态模型建模方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1：建立上桥臂单个子模块开关周期平均模型和上桥臂单个子模块小信号交流模型；步骤2：建立上桥臂开关周期平均模型和上桥臂小信号交流模型；步骤3：建立下桥臂开关周期平均模型和下桥臂小信号交流模型；步骤4：建立模块化多电平换流器开关周期平均模型和模块化多电平换流器小信号模型；所述步骤1包括以下步骤：步骤1-1：建立上桥臂单个子模块开关周期平均模型；步骤1-2：建立上桥臂单个子模块小信号交流模型；所述步骤1-1中，上桥臂单个子模块的方程为：其中，up1为上桥臂单个子模块输出电压，ud1p为上桥臂单个子模块直流电压，id1p为上桥臂单个子模块直流放电电流，ip为上桥臂单个子模块输出电流；Sp表示开关函数，Sp∈[0，1]，Sp＝1表示与子模块交流输出端并联的IGBT截止，另一个IGBT导通，Sp＝0表示与子模块交流输出端并联的IGBT导通，另一个IGBT截止；L1为上桥臂单个子模块电感，L1＝L/N，Ud1p＝Ud/N，L为桥臂电抗，Ud为公共直流母线电压，C为单个子模块支撑电容，u1′为单个子模块输出电压与桥臂电抗压降之和，R′s为子模块串联电抗器等效串联电阻，R1为子模块主电路损耗等效电阻；对(2)求开关周期平均得：其中，Ts表示开关周期，表示u1'在开关周期Ts内的平均值，表示Spud1p在开关周期Ts内的平均值，表示ip在开关周期Ts内的平均值，表示Spip在开关周期Ts内的平均值，表示ud1p在开关周期Ts内的平均值；假定在开关周期Ts内，ud1p和ip变化很小，可得以下近似关系：其中，dp为开关信号占空比；将(4)和(5)带入(3)，得上桥臂单个子模块开关周期平均模型如下：所述上桥臂单个子模块开关周期平均模型中，交流侧的受控电压源R′s和L1依次串联，受控电压源正极作为上桥臂单个子模块等效开关周期模型的输出端正极，L1未与R′s连接的一端作为上桥臂单个子模块等效开关周期模型的输出端负极；直流侧的受控电流源R1和C相互并联；所述步骤1-2中，令：式中，U1′,Ip,Ud1p,Dp为静态工作点，为扰动量；将(7)代入(6)可得由于静态工作点存在以下关系：其中，us为系统电压；根据(8)，忽略高次项，得上桥臂单个子模块小信号交流模型如下：所述上桥臂单个子模块小信号交流模型包括上桥臂单个子模块受控源形式小信号交流模型和上桥臂单个子模块传递函数方框图形式小信号交流模型；所述上桥臂单个子模块受控源形式小信号交流模型中，交流侧的受控电压源dpUd1p、受控电压源R′s和L1依次串联；受控电压源dpUd1p正极作为上桥臂单个子模块小信号交流模型的输出端正极，L1未与R′s连接的一端作为上桥臂单个子模块小信号交流模型的输出端负极；直流侧的受控电流源受控电流源dpIp、R1和C相互并联；所述上桥臂单个子模块传递函数方框图形式小信号交流模型中，输入信号dp(s)经过比例环节Ud1p产生的信号、-u1′(s)以及输出信号udlp(s)通过比例环节Dp产生的反馈信号进入加法器1，所述加法器1产生的信号通过比例积分环节得到信号ip(s)，所述信号ip(s)经过比例环节Dp产生的信号和输入信号dp(s)经过比例环节Ip产生的信号进入加法器2，所述加法器2产生的信号取负和输出信号udlp(s)经过比例环节产生的反馈信号取负进入加法器3，所述加法器3产生的信号经过比例环节产生输出信号udlp(s)。2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器动态模型建模方法，其特征在于：所述模块化多电平换流器包括三对桥臂，每对桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括N个依次串联的子模块和电抗器，三对桥臂并联引出公共直流端。3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器动态模型建模方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：步骤2-1：建立上桥臂开关周期平均模型为：其中，Rj表示子模块的等效损耗电阻，Rs为桥臂串联电抗器等效串联电阻，dpj和udjp分别表示上桥臂第j个子模块的等效占空比和直流侧电压，表示udjp在开关周期Ts内的平均值；步骤2-2：建立上桥臂小信号交流模型为：式中，Ip,U1,Udjp,Dpj为静态工作点；为扰动量，上桥臂各静态工作点有以下关系：将(12)带入(11)，根据(13)得到上桥臂小信号交流模型为4.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器动态模型建模方法，其特征在于：所述上桥臂开关周期平均模型中，交流侧的每个子模块开关周期平均模型的受控电压源Rs和L依次串联，受控电压源正极作为上桥臂开关周期平均模型的输出端正极，L未与Rs连接的一端作为上桥臂开关周期平均模型的输出端负极；直流侧的每个子模块开关周期平均模型的受控电流源Rj和C相互并联。5.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器动态模型建模方法，其特征在于：所述上桥臂小信号交流模型包括上桥臂受控源形式小信号交流模型和上桥臂传递函数方框图形式小信号交流模型；所述上桥臂受控源形式小信号交流模型中，交流侧每个子模块小信号交流模型的受控电压源dpjUdjp、受控电压源Rs和L依次串联；受控电压源dpNUdNp正极作为上桥臂小信号交流模型的输出端正极，L未与Rs连接的一端作为上桥臂小信号交流模型的输出端负极；直流侧每个子模块的小信号交流模型的受控电流源受控电流源dpjIp、Rj和C分别相互并联；所述上桥臂传递函数方框图形式小信号交流模型中，N个输入信号dpj(s)经过对应的N个比例环节Udjp产生的信号和输入信号-u1(s)进入加法器1′；加法器1′产生的信号和对应的N个输出信号udjp(s)通过比例环节Dpj产生的反馈信号进入加法器2′；加法器2′产生的信号通过比例积分环节得到信号ip(s)，所述信号ip(s)经过N个比例环节Dpj分别产生的N个信号和对应的N个输入信号dpj(s)经过比例环节Ip产生的信号进入对应的N个加法器3j′，N个加法器3j′产生的信号取负和对应的N个输出信号udjp(s)经过比例环节产生的反馈信号取负进入N个加法器4j，N个加法器4j产生的信号经过对应的N个比例环节产生N个输出信号udjp(s)。6.根据权利要求5所述的模块化多电平换流器动态模型建模方法，其特征在于：假设上桥臂各个子模块参数对称，且有：dp1＝dp2＝...＝dpN＝dp(15)ud1...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴朝波，王轩，李欣，闫殳裔，喻劲松，王广柱，刘隽，
申请(专利权)人：中电普瑞科技有限公司，上海市电力公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：