一种mmc多子模块自定义集成元件的设计方法
【专利摘要】本发明公开了电力系统运行和控制【技术领域】中的一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法。包括：确定每个子模块的等效状态和等效模型，将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型；修正处于闭锁状态的子模块的等效状态；设置子模块的故障类型，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型；在电磁暂态仿真软件PSCAD中实现子模块的编写。本发明克服了现有的子模块等效模型在建立大规模MMC系统时存在的工作量过大的缺陷，实现了子模块闭锁状态的等效，解决了现有的等效模型无法设置故障的问题。
【专利说明】—种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统运行和控制【技术领域】，尤其涉及一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法。
【背景技术】
[0002]米用电压源型换流器(Voltage Source Converter, VSC)和脉宽调制(Pulse-width Modulat1n, PWM)技术的电压直流输电(High Voltage DirectCurrent, HVDC)成为电压源型高压直流输电发展的新趋势。相比于传统2电平、3电平的拓扑结构，模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)被提出后凭借其技术优势成为国内外学者研究的热点。它的模块化结构使其可扩展性强、输出电平数高，并很好的克服了传统电压源换流器存在开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、换流站占地面积大、动态均压困难等缺点。
[0003]随着MMC换流器向高电平数、大容量的趋势发展，每个桥臂串联的子模块数急剧增加，这给仿真平台 PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design/Electromagnetic Transients including DC,电磁暂态仿真软件)对基于MMC的高压直流输电系统的仿真带来了很大的困难。由于子模块数量过多且IGBT频繁的开断，使得PSCAD/EMTDC仿真计算上导纳矩阵过大且时刻变化，造成了矩阵求逆消耗了很长的时间。而且，子模块中包含IGBT和二极管带插值精确计算的器件，造成仿真时重复多次调用接口函数，同样消耗了的一定的仿真时间。
[0004]目前，一些研究针对子模块的运行特性提出了对应的等效模型，用于替代子模块以提升仿真的速率，但是仍然存在很大的缺陷。已有的等效模型在实现子模块闭锁状态存在很大的问题，且无法实现子模块的故障仿真，而且未将等效模型集成为自定义元件，在搭建大规模的MMC换流器模型时，其仍然存在很大的数据量，造成了搭建模型工作量大且容易出错。因此，基于PSCAD/EMTDC平台采用Fortran语言建立一种灵活的自定义MMC多子模块集成元件具有很大的必要性。这不仅能够提升仿真的时间、减少搭建MMC模型的工作量，而且能够为研究MMC子模块闭锁和故障的动态特性提供可能。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提出一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法，用于克服仿真软件PSCAD大规模仿真和MMC子模块等效模型存在的缺陷。
[0006]为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法，其特征是所述方法包括:
[0007]步骤1:确定每个子模块的等效状态和等效模型，将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型；
[0008]步骤2:修正处于闭锁状态的子模块的等效状态；
[0009]步骤3:设置子模块的故障类型，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型；
[0010]步骤4:在电磁暂态仿真软件PSCAD中实现子模块的编写。
[0011]所述确定每个子模块的等效状态和等效模型具体为:
[0012]当子模块为投入状态，或者子模块为闭锁状态并且满足ifc(t)>0和时，子模块的等效状态为电容状态且子模块的等效模型为:
【权利要求】
1.一种MMC多子模块自定义集成元件的设计方法，其特征是所述方法包括: 步骤1:确定每个子模块的等效状态和等效模型，将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型； 步骤2:修正处于闭锁状态的子模块的等效状态； 步骤3:设置子模块的故障类型，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型； 步骤4:在电磁暂态仿真软件PSCAD中实现子模块的编写。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述确定每个子模块的等效状态和等效模型具体为: 当子模块为投入状态，或者子模块为闭锁状态并且满足ito(t)>0和Vin i>Uci (t)时,子模块的等效状态为电容状态且子模块的等效模型为:
当子模块为旁路状态，或者子模块为闭锁状态并且满足ifc(t)〈0时，子模块的等效状态为小电阻状态且子模块的等效模型为:
; 当子模块为闭锁状态并且满足ibr(t) > O和Vin i≤Ut)时，子模块的等效状态为大电阻状态且子模块的等效模型为:
其中，Reqi为第i个子模块的等效电阻，Veqi (t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，At为仿真步长，C为子模块电容，Uci (t-At)为第i个子模块在时刻t-At的电容电压，UJt)为第i个子模块在时刻t的电容电压，为时刻t-At流入第i个子模块的桥臂电流，ibr (t)为时刻t流入第i个子模块的桥臂电流，Vin」为第i个子模块的输入电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述将各个子模块的等效模型合并为戴维南等效模型采用公式:
;其中，Reqsm为MMC多子模块等效电阻，Veqsm为MMC多子模块等效受控电压源，为第i个子模块的等效电阻，V_(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，N为子模块数量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述修正处于闭锁状态的子模块的等效状态具体为: 子步骤Al:分别设定子模块的等效状态为电容、大电阻和小电阻状态时的标识flag的值； 当子模块的等效状态为电容状态时，设定标识flag = -2 ； 当子模块的等效状态为大电阻状态时，设定标识flag = I ； 当子模块的等效状态为小电阻状态时，设定标识flag = -1 ；子步骤A2:判断VinJUcd⑴是否成立，如果VinJUcd⑴，则子模块的等效状态为电容状态且令标识flag = -2 ;否则，执行子步骤A3 ;其中，Vini为第i个子模块的输入电压，Uei(t)为第i个子模块在时刻t的电容电压； 子步骤A3:子模块的等效状态为大电阻状态且令标识flag = I ； 子步骤A4:判断ibr(t)>0是否成立，如果ifc(t)>0，则子模块的等效状态为大电阻状态且令标识flag = I ;否则，执行子步骤A5 ;其中，ibr (t)为时刻t流入第i个子模块的桥臂电流； 子步骤A5:判断flag>0是否成立，如果flag>0，则执行子步骤A6 ;否则，执行子步骤A7 ； 子步骤A6:判断Vini〈0是否成立，如果Vin ,〈Ο，则执行子步骤A7 ;否则，执行子步骤A3 ； 子步骤A7:子模块的等效状态为小电阻状态且令标识flag = -1 ； 子步骤A8:判断ibr(t)>0是否成立,如果ito(t)>0,则令t = t+Ι,执行子步骤A2 ;否则，令t = t+Ι,执行子步骤A7。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是子模块的故障类型包括子模块IGBT击穿故障、子模块电容值变化故障和子模块电容击穿故障。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是当子模块的故障类型为子模块IGBT击穿故障时，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型具体为: 当第i个子模块上IGBT未出现击穿故障且第i个子模块下IGBT出现击穿故障时，子模块的等效电阻和受控电压源分别为:
当第i个子模块上IGBT出现击穿故障且第i个子模块下IGBT未出现击穿故障并处于关断状态时，子模块的等效电阻和受控电压源分别为:
其中，Reqi为第i个子模块的等效电阻，Veqi(t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，At为仿真步长，C为子模块电容，Uci (t-At)为第i个子模块在时刻t-At的电容电压，ibr(t-At)为时刻t-At流入第i个子模块的桥臂电流。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征是当子模块的故障类型为子模块电容值变化故障时，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型具体采用公式:
其中，为第i个子模块的等效电阻，Vraii (t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，At为仿真步长，CT为变化后的子模块电容值，Ucd (t-At)为第i个子模块在时刻t-At的电容电压，ibr(t-At)为时刻t-At流入第i个子模块的桥臂电流。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征是当子模块的故障类型为子模块电容击穿故障时，根据子模块的故障类型修正子模块的等效模型具体采用公式:
其中，为第i个子模块的等效电阻，Vraii (t)为第i个子模块在时刻t的受控电压源，At为仿真步长，C为子模块电容，Kci为第i个子模块是否出现电容击穿故障的标识变量，当Kei = I时,第i个子模块未出现电容击穿故障，当Kei = O时,第i个子模块出现电容击穿故障为对Kcd取反，Ucd (t-At)为第i个子模块在时刻t-At的电容电压，ifc(t_ At)为时刻t-At流入第i个子模块的桥臂电流。
【文档编号】G06F17/50GK104199997SQ201410337803
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】刘崇茹, 林周宏, 洪国巍, 郭龙 申请人:华北电力大学