钳位双子模块型mmc电磁暂态等效方法
【专利摘要】本发明公开了属于电力系统模型仿真与控制领域，尤其涉及一种钳位双子模块型MMC电磁暂态等效方法。首先根据触发信号EN的不同，将CDSM运行状态分为正常运行状态与闭锁状态；在正常运行状态跳入闭锁状态中加入了过渡状态；在EN＝1时，判断CDSM处于正常运行状态下，将CDSM等效为2个HBSM，完全按照HBSM的等效方法来等效。在EN＝0时，首先判断其上一时刻是否为正常运行状态，若是，则其跳入过渡状态，按照过渡状态的判断逻辑确定可变电阻的大小；若否，则其正式进入闭锁状态，按照闭锁状态的判断逻辑确定可变电阻的大小。本发明通过降低系统节点数，在保持仿真精度的基础上，有效提高了CDSM?MMC的仿真速度。
【专利说明】
错位双子模块型MMC电磁誓态等效方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力系统运行与控制技术领域，设及一种错位双子模块型MMC电磁暂 态等效方法。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于其输出电平高、 谐波含量少W及可独立控制有功功率、无功功率而得到了广泛应用。其子模块有=种:半桥 子模块化alf bridge sub-module,皿SM)、错位双子模块（clamp double sub-module, CDSM)、全桥子模块(化11 bridge sub-module，FBSM)。现今研究较多的为拓扑结果简单的 皿SM,但由于其无法隔离直流侧故障，往往需要在交流侧设置断路器，增加了工程成本。而 CDSM由于其可通过闭锁隔离直流侧故障，且相较于FBSM，在实现相同电平数所需要增加的 IBGT要少得多，从而实现了经济性与功能性的平衡而成为新的研究热点。
[0003] 但在利用PSCAD/EMTDC进行研究时，当所搭建的S端CDSM-MMC系统电平数达到21 电平时，发现仿真1秒所需的时间竟达到了 3个小时，严重影响了研究效率。
[0004] 为了解决CDSM-MMC仿真速度慢的问题，提出了一种错位双子模块的匪C电磁暂态 等效模型。
【发明内容】
[000引为了解决CDSM-MMC仿真速度慢的问题，提出了一种错位双子模块型匪C电磁暂态 等效方法，其特征在于，该错位双子模块即CDSM的工作状态根据触发信号EN的不同分为正 常运行状态与闭锁状态，闭锁状态又分为四个子状态，分别为串联充电状态、串联大电阻状 态、并联充电状态W及并联大电阻状态；
[0006] 所述方法包括
[0007] 步骤1、根据触发信号EN的不同，判断此时CDSM所处的状态；规定触发信号EN=I 时，CDSM处于正常运行状态，一个CDSM等效为两个皿SM; EN=0时，CDSM处于闭锁运行状态； [000引步骤2、在CDSM由正常运行状态跳入闭锁状态之前先进入过渡状态；
[0009] 步骤3、在闭锁运行状态时，根据流经CDSM的电流iarm( t)的正负、CDSM端电压与电 容电压的大小关系判断CDSM处于闭锁状态的哪一个子状态。
[0010] 所述步骤2中的过渡状态具体为
[0011] 设置 S 个标志位 f lag，f lag_l 和 f lag_2;
[001 ^ 当〔051第一次进入闭锁状态时，flag = I，此时满足flag〉0，CDSM进入过渡状态；
[0013] 若iarm(t)〉0,则判断CDSM是否已经进入过过渡状态的负向充电状态，若flag_l〉0， 表示CDSM未曾进入过渡状态的负向充电状态，CDSM进入过渡状态的正向充电状态，并且令 f lag_2 = -l，使CDSM不进入过渡状态的反向充电状态;若f lag_K0，则表示CDSM已经进入过 过渡状态的负向充电状态，令f lag = -1，跳出此过渡状态；
[0014] 若iarm(t)<0,则判断CDSM是否已经进入过过渡状态的正向充电状态，若flag_2〉0， 表示CDSM未曾进入过渡状态的正向充电状态，CDSM进入过渡状态的负向充电状态，并且令 f lag_l = -1，使CDSM不跳入过渡状态的正向充电状态，若f lag_2<0，则表示CDSM已经进入过 过渡状态的正向充电状态，令f lag = -1，结束过渡状态。
[0015] 所述步骤3中判断CDSM处于闭锁状态的哪一个子状态的具体过程为
[0016] a)、当iarm( t)〉0时，当CDSM端电压Ui〉Uceq时，整个CDSM等效为两个皿SM串联充电状 态；当Ui<Uceq时，整个CDSM等效为两个皿SM串联大电阻状态；
[0017] 其中，Ucl为电容Cl的电压，Uc2为电容C2的电压，中间变量Uceq = Ucl+Uc2;
[001引 b)、当iarm( t)<0时，I Ui I〉Uc' eq时，CDSM等效为两个皿SM并联充电状态；当I Ui I <Uc' eq 时，CDSM等效为两个皿SM并联大电阻状态;其中，中间变量UcZeq= (Uc1+Uc2)/2。
[0019]有益效果
[0020]本发明提出了一种错位双子模块的MMC电磁暂态等效方法，先将CDSM的运行状态 分为正常运行状态与闭锁状态。在正常状态下按照皿SM的等效原理，在闭锁状态下根据桥 臂电流、CDSM外部电压与电容电压的大小比较来确定其精确处于的状态，从而进行等效。本 发明在不降低精度的条件下，加快PSCAD/EMTDC中CDSM-MMC的仿真速度。
【附图说明】
[0021 ]图1为本发明方法流程图；
[0022] 图2为CDSM结构图；
[0023] 图3为CDSM等效成两个皿SM的示意图；
[0024] 图4为皿SM等效示意图；
[00巧]图5为正常状态下皿SM可变电阻化、化判断逻辑流程图；
[00%] 图6a~b为CDSM闭锁等效示意图，图6a为iarm(t)〉0时的闭锁等效示意图，图化为 iarm(t)<0时的闭锁等效示意图；
[0027]图7为等效皿SM计算流程图；
[002引图8为过渡状态可变电阻Ri、R/、R2、R2/判断逻辑流程图；
[0029] 图9为CDSM闭锁状态下可变电阻Ri、R/、R2、R2/判断逻辑流程图；
[0030] 图IOa~b为PSCAD/EMTDC中等效CDSM模型及其输入界面；图IOa为PSCAD/EMTDC中 等效CDSM模型，图IOb为PSCAD/EMTDC中等效CDSM模型的输入界面；
[0031] 图Ila~d为等效CDSM与器件模型仿真精度对比图，图Ila为电容电压对比图，图 1化为有功功率对比图，图11C为无功功率对比图，图1 Id为控制信号对比图。
【具体实施方式】
[0032] 本发明提出了一种错位双子模块的MMC电磁暂态等效方法，其具体步骤包括：
[00削步骤1、根据触发信号EN的不同，判断此时CDSM所处的状态；规定触发信号EN=I 时，CDSM处于正常运行状态，一个CDSM等效为两个皿SM; EN=0时，CDSM处于闭锁运行状态；
[0034] 步骤2、在CDSM由正常运行状态跳入闭锁状态之前先进入过渡状态；
[0035] 步骤3、在闭锁运行状态时，根据流经CDSM的电流iarm( t)的正负、CDSM端电压与电 容电压的大小关系判断CDSM处于闭锁状态的哪一个子状态。
[0036] CDSM结构如图2所示，在正常运行状态下，巧恒保持导通，Tl与T2，T3与T4触发信号 互补。当Tl导通，T2关断时，电容Cl处于投入状态;反之，电容Cl处于切除状态。当T3关断，T4 导通时，电容C2处于投入状态;反之，电容C2处于切除状态。规定触发信号EN=I时，CDSM处 于正常运行状态;EN=O时，CDSM处于闭锁运行状态。
[0037] 由W上分析可W看出，在正常运行状态，一个CDSM根据IGBT触发信号的不同，可W 输出0/1/2电平，其效果与两个皿SM级联完全相同。Tl、T2、D1、D2和Cl构成第一个皿SM, T3、 T4、D3、D4和C2构成第二个皿SM,如图3所示，对于CDSM，当T4导通，T3闭锁时，电容C2投入;而 对于第二个皿SM,当T3导通，T4闭锁时，电容C2导通。所W，正常情况下的等效，要将第二个 皿SM的触发信号取反才能够与CDSM完全契合。
[0038] 皿SM等效过程如图4所示，此等效方法将IGBT与反并联二极管等效为可变电阻，其 中
[0039
[0040
[0041 斌
[0042
[0043
[0044
[0045 (7)
[0046J 当Ri为小电阻，R2为大电阻时，电容处于投入状态；当Ri为大电阻，R2为小电阻时， 电容处于切除状态。可变电阻Ri、R2的判断如图5所示。其中，F(i)为IGBT触发信号，F(i) = l 时，表示电容投入运行;F(i) = 0时，表示电容切除。之所W在iam(t)<0与F(i) = 0的情况下， 当uc<0时，R功大电阻，R2为小电阻，是为了防止在电容电压uc<0的情况下，电容仍处于负向 充电，从而出现Uc持续为负的情形。
[0047] CDSM闭锁状态下，CDSM的所有IGBT的触发信号都为0,其等效电路如图6a~b所示， 设电容Cl的电压为Ucl，电容C2的电压为Uc2。
[004引 a)当电流iarm(t)〉0时，如图6a所示，判断CDSM端电压Ui与Uceq = Ucl+Uc2的大小。当Ui 〉Uceq时，此时CDSM等效为两个皿SM串联充电状态；当Ui<Uceq时，整个C等效为两个皿SM串联 大电阻状态。
[0049] b)当电流iarm(t)<0时，如图6b所示，此时CDSM端电压一定为负值，取Ui =-化，取Uceq =(Uc1+Uc2)/2。比较Ui与Uceq的大小，当Ui〉Uceq时，两个电容处于并联充电状态；当Ui<Uceq时， CDSM处于并联大电阻状态。
[(K)加]其中等效CDSM的第一个皿SM的可变电阻假设为化，R2,等效CDSM的第二个皿SM的可 变电阻假设为化/ ,1?/。充电状态表不化、R/为小电阻，R2、R2/为大电阻；大电阻状态表不化、 Ri'、化、化'均为大电阻。
[0051]过渡状态是指CDSM由正常运行状态跳入闭锁状态时为了提高仿真精度而加入。 [0化2] 其中，flag，f lag_l和f lag_2是S个标志位。当电路第一次进入闭锁状态时，f lag =1，此时满足f lag〉0，电路进入过渡状态。
[0化3] 若iarm(t)〉0,则进一步判断CDSM是否已经进入过过渡状态的负向充电状态，若 flag_l〉0,表示CDSM未曾进入过渡状态的负向充电状态，CDSM进入过渡状态的正向充电状 态，并且令flag_2 = -l，使CDSM不进入过渡状态的反向充电状态，若flag_K0,则表示CDSM 已经进入过过渡状态的负向充电状态，令flag = -l，跳出此过渡状态；
[0化4] 若iarm(t)<0,则进一步判断CDSM是否已经进入过过渡状态的正向充电状态，若 fl ag_2〉0，表示CDSM未曾进入过渡状态的正向充电状态，CDSM进入过渡状态的负向充电状 态，并且令f lag_l =-1，使CDSM不跳入过渡状态的正向充电状态，若f lag_2<0，则表示CDSM 已经进入过过渡状态的正向充电状态，令flag = -l，结束过渡状态。
[00对实施例
[0化6] 在PSCAD中搭建了CDSM-MMC 21电平S端模型后，初始时刻触发信号EN=I,当t = 2.986s 时，EN=Oo
[0057]当EN=I时，判断CDSM处于正常运行状态，其等效与皿SM等效相同。首先按照附图1 判断可变电阻Ri、化的大小，然后按照图7所示计算流程开始计算。
[0化引当EN = O时，判断CDSM处于闭锁状态，由于刚从正常运行状态进入闭锁状态，此时 CDSM应进入过渡状态。此时可变电阻Ri、R2、R/、R2/的判断逻辑如图8所示。
[0059] 当根据图8所示的判断逻辑跳出过渡状态时，此时CDSM正式进入闭锁状态。此时其 可变电阻Ri、R2、R/、R2/的判断逻辑如图9所示。
[0060] 实例:在PSCAD/EMTDC中编写了实现上述等效CDSM的自定义模块。自定义模块如图 IOa~b所示，图IOa为PSCAD/EMTDC中等效CDSM模型，图IOb为PSCAD/EMTDC中等效CDSM模型 的输入界面;所示。左端输入为IGBT触发信号与EN，右端输出为子模块电容电压。双击可W 进入CDSM的设置界面，可W设置CDSM模块数与子模块电容的大小。在本例中，设置CDSM子模 块数为10,子模块电容的大小设置为3000UF。在PSCAD/EMTDC中，将等效模型的精确度与器 件模型相对比，在相同参数的情况下，其对比结果如图Ila~d所示，图Ila为电容电压对比 图，图Ub为有功功率对比图，图11C为无功功率对比图，图1 Id为控制信号对比图。
[0061] 由图11中对比结果可发现，CDSM等效模型与器件模型在电容电压控制效果、正常 状态与闭锁状态之间切换的模拟精度已符合正常MMC模型的应用精度。且在等效模型与器 件搭建模型功率变化趋势完全一致，说明了等效模型对于系统直流侧故障的隔离作用满足 精度要求。同时，等效模型在控制器运行效果方面与器件搭建模型保持高度一致，说明了等 效模型对于控制系统具有良好的兼容性。
[0062] 为了验证本发明对于仿真提速的有效性，在PSCAD中分别搭建了 21电平单端模型， 双端模型，=端模型。其与器件模型仿真1秒所需时间如下表所示。
[0063] 表1等效CDSM与器件模型仿真速度对比
[0064]
[0065] 由表1可看出，等效模型在仿真速度方面具有极大的优越性。且随着系统规模的增 大，等效模型的提速作用越明显。因等效模型不论电平数的多寡，反应在系统中只有两个节 点。且随着系统规模的增大，其增加的节点数大大小于器件模型，所W其仿真速度大大提 高，且随着系统规模的增大，运种作用越是明显。
【主权项】
1. 钳位双子模块型MMC电磁暂态等效方法，其特征在于，该钳位双子模块即CDSM的工作 状态根据触发信号EN的不同分为正常运行状态与闭锁状态，闭锁状态又分为四个子状态， 分别为串联充电状态、串联大电阻状态、并联充电状态以及并联大电阻状态； 所述方法包括 步骤1、根据触发信号EN的不同，判断此时CDSM所处的状态；规定触发信号EN=I时， ⑶SM处于正常运行状态，一个⑶SM等效为两个HBSM; EN=O时，⑶SM处于闭锁运行状态； 步骤2、在CDSM由正常运行状态跳入闭锁状态之前先进入过渡状态； 步骤3、在闭锁运行状态时，根据流经⑶SM的电流iarm (t)的正负、CDSM端电压与电容电 压的大小关系判断CDSM处于闭锁状态的哪一个子状态。2. 根据权利要求1所述的钳位双子模块型MMC电磁暂态等效方法，其特征在于，所述步 骤2中的过渡状态具体为 设置三个标志位f I ag，f I ag_ 1和f I ag_2; 当⑶SM第一次进入闭锁状态时，flag= 1，此时满足flag>0，⑶SM进入过渡状态； 若ia?(t)>0,则判断⑶SM是否已经进入过过渡状态的负向充电状态，若flag_l>0,表示 ⑶SM未曾进入过渡状态的负向充电状态，⑶SM进入过渡状态的正向充电状态，并且令flag_ 2 = -1，使⑶SM不进入过渡状态的反向充电状态;若fl ag_l〈0，则表示⑶SM已经进入过过渡 状态的负向充电状态，令f lag = -1，跳出此过渡状态； 若1_(〇<0,则判断CDSM是否已经进入过过渡状态的正向充电状态，若flag_2>0,表 示CDSM未曾进入过渡状态的正向充电状态，CDSM进入过渡状态的负向充电状态，并且令 flag_l = -l，使⑶SM不跳入过渡状态的正向充电状态，若flag_2〈0,则表示⑶SM已经进入过 过渡状态的正向充电状态，令f lag = -1，结束过渡状态。3. 根据权利要求1所述的钳位双子模块型MMC电磁暂态等效方法，其特征在于，所述步 骤3中判断CDSM处于闭锁状态的哪一个子状态的具体过程为 a) 、当iarm(t)>0时，当CDSM端电压ui>uceq时，整个CDSM等效为两个HBSM串联充电状态；当 出〈11卿时，整个CDSM等效为两个HBSM串联大电阻状态； 其中，11。1为电容Cl的电压，11。2为电容C2的电压，中间变量Ura3tl = Uc^uc2; b) 、当iarm(t) <0时，I m I >1/ ceq时，CDSM等效为两个HBSM并联充电状态； 当I m I〈V ceq时，⑶SM等效为两个HBSM并联大电阻状态； 其中，中间变量u\eq= (11。1+11。2)/2。
【文档编号】H02J3/00GK105956323SQ201610344111
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】刘崇茹, 徐东旭, 王嘉钰, 王洁聪, 钱康, 康晓华, 张小敏, 韩续衫, 马彦宏
【申请人】华北电力大学, 国网甘肃省电力公司电力科学研究院, 国网甘肃省电力公司, 国家电网公司