[發明專利]一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法

有效

• 申請號: 201410155829.9
• 申請日: 2014-04-18
• 公開（公告）號: CN103914599B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發明（設計）人: 許建中;趙成勇;郭春義
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于輸配電技術領域，尤其涉及一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法。

背景技術

近年來，高電壓大功率的全控型電力電子器件如IGBTs和IGCTs在遠距離輸電系統和低壓配電網絡中得到廣泛使用，特別是應用于基于電壓源換流器的高壓直流輸電（VSC-HVDC）技術。與傳統的兩電平和三電平VSC-HVDC相比，由西門子公司提出的模塊化多電平換流器（MMC）（子模塊為半橋結構）拓撲具有無需大量IGBT直接串聯，器件承受電壓電流變化率低，無需濾波器等優點。同時，在同等電壓等級下，它需要兩倍的開關器件，且由于需要對其分散布置的子模塊電容進行電壓平衡控制，使其控制系統變得復雜。

世界上第一個商業化運行的MMC-HVDC工程是美國的傳斯貝爾（TBC）工程，其額定容量為400MW，直流電壓±200kV，每個換流器橋臂中有216個子模塊。此外，將于2013年建成的法國到西班牙的MMC-HVDC工程INELFE，額定容量為2×1000MW。在實際工程投運之前，非常有必要對MMC模型進行電磁暫態仿真以驗證所設計控制算法和選擇的系統參數的合理性，且仿真高頻開關器件動作過程時，必須設置較短的仿真步長，否則嚴重影響仿真精度，但是在PSCAD/EMTDC平臺下仿真具有高達數千個子模塊的換流器時，將變得非常困難。此處以雙端系統具有3000個子模塊為例，經仿真測試并估算發現，如果設置仿真步長為20微妙，仿真時長為5秒，則每次仿真需要3000小時（125天）以上，速度過于緩慢，嚴重影響工作進度，并將導致控制參數的調節與優化及后續研究工作變得無法實現。

為解決這一問題，有文獻提出一種簡化動態模型，該模型基本保留了換流器的對外輸出特性，但是無法精確模擬換流器中每個子模塊電容的充放電特性；有文獻提出一種MMC的時變等效戴維南電路模型，可以在保證仿真精度的前提下顯著提高MMC的仿真速度，但是其在仿真超過250電平的MMC特別是多端MMC直流電網時的計算效率較低，主要原因是仿真超大規模MMC時，即使已有戴維南等效模型，其調制均壓部分的計算復雜度將占據大部分的MMC計算負荷，使得計算效率急劇降低。

本發明通過對已有MMC換流器的戴維南等效模型進行三個層面的改進，包括換流器開關器件層面，子模塊電容器的電磁暫態離散化方法，新型排序均壓算法等，對MMC進行戴維南等效整體建模，使得MMC的計算復雜度隨電平數的增加線性增加，非常適合于仿真超大規模的MMC型直流電網。

發明內容

針對上述背景技術中提到現有模塊化多電平換流器仿真精度較差或仿真超大規模MMC時計算效率較低等不足，本發明提出了一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法。

本發明的技術方案是，一種模塊化多電平換流器的戴維南等效整體建模方法，其特征是該設計方法包括以下步驟：

步驟1：在已有MMC換流器的戴維南等效模型中，假設開關元件在導通時等效為一個固定的小電阻（R_ON），關斷時等效為一個無窮大電阻（R_OFF=無窮），并對已有MMC換流器模型的戴維南等效電路中戴維南電壓和電阻的表達式在R_ON已知，R_OFF=無窮時求極限；

步驟2：采用后退歐拉法對MMC中全部子模塊電容進行離散化，替代已有模型中采用的梯形積分法，此時子模塊電容電壓的更新只與當前時步子模塊的導通狀態有關，結合之前對R_OFF=無窮的假設時所得的簡化后的子模塊戴維南等效電阻和電壓以及電容充放電電流的表達式，可知導通的子模塊組的電容電壓更新值完全相同，旁路的子模塊組電容電壓完全不更新，也即保持不變；

步驟3：充分利用步驟2中對電容電壓更新時的分組規則，提出一種計算復雜度與MMC橋臂子模塊數目相同的新型排序均壓算法，其本質為對兩個升序的數組進行排序，得到一個升序的混合數組，元素比較次數與元素數目相同。