[發(fā)明專利]一種MMC功率模塊非線性特征仿真模型

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710568559.8
• 申請日: 2017-07-13
• 公開（公告）號: CN107257205B
• 公開（公告）日: 2019-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐飛;李耀華;王平;李子欣;高范強(qiáng);馬遜;楚遵方
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院電工研究所
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;G06F17/50
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 關(guān)玲

1.一種MMC功率模塊非線性特征仿真方法，其特征在于：所述的仿真模型由一個受控電流源i_m、一個電容C_m、一個線性電阻R_b和一個非線性電阻R_hp組成；受控電流源i_m的正極分別與電容C_m的正極、線性電阻R_b的一端及非線性電阻R_hp的一端相連接；受控電流源i_m的負(fù)極與C_m電容的負(fù)極、線性電阻R_b的另一端及非線性電阻R_hp另一端連接；所述仿真模型模擬MMC換流器在無主動均壓控制下MMC功率模塊之間電容電壓發(fā)散過程，實現(xiàn)全橋型功率模塊和半橋型功率模塊的非線性特征仿真；所述仿真模型的受控制電流源、非線性電阻和功率模塊電容電壓計算方法及過程如下：

(1)計算受控電流源電流值i_m

受控電流源電流值i_m與MMC功率模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、橋臂電流i_a及MMC功率模塊開關(guān)狀態(tài)有關(guān)；假設(shè)橋臂電流i_a從上至下流入MMC功率模塊為正，橋臂電流i_a從下至上流出MMC功率模塊為負(fù)；

MMC功率模塊為全橋功率模塊，不考慮第一開關(guān)器件K₁和第二開關(guān)器件K₂同時導(dǎo)通時功率模塊電容發(fā)生短路工況，也不考慮第三開關(guān)器件K₃和第四開關(guān)器件K₄同時導(dǎo)通時功率模塊電容發(fā)生短路工況；全橋功率模塊非線性特征仿真模型中受控電流源電流值i_m計算方法如下：

當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件K₁、第二開關(guān)器件K₂、第三開關(guān)器件K₃和第四開關(guān)器件K₄均為關(guān)斷狀態(tài)，受控電流源電流值i_m為橋臂電流i_a的絕對值；當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件K₁為開通狀態(tài)、第二開關(guān)器件K₂為關(guān)斷狀態(tài)、第三開關(guān)器件K₃為關(guān)斷狀態(tài)、第四開關(guān)器件K₄為開通狀態(tài)，受控電流源電流值i_m與橋臂電流i_a數(shù)值相等，符號相同；當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件K₁為關(guān)斷狀態(tài)、第二開關(guān)器件K₂為開通狀態(tài)、第三開關(guān)器件K₃為開通狀態(tài)和第四開關(guān)器件K₄為關(guān)斷狀態(tài)，受控電流源電流值i_m與橋臂電流數(shù)值相等，符號相反，即-i_a；當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件K₁為開通狀態(tài)、第二開關(guān)器件K₂為關(guān)斷狀態(tài)、第三開關(guān)器件K₃為開通狀態(tài)、第四開關(guān)器件K₄為關(guān)斷狀態(tài)，受控電流源電流值i_m為零；當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件K₁為關(guān)斷狀態(tài)、第二開關(guān)器件K₂為開通狀態(tài)、第三開關(guān)器件K₃為關(guān)斷狀態(tài)、第四開關(guān)器件K₄為開通狀態(tài)，受控電流源電流值i_m為零；

MMC功率模塊為半橋功率模塊，不考慮第五開關(guān)器件和第六開關(guān)器件同時導(dǎo)通時半橋功率模塊電容短路工況；半橋功率模塊非線性特征仿真模型的受控電流源電流值i_m計算方法如下：

當(dāng)?shù)谖彘_關(guān)器件K₅為關(guān)斷狀態(tài)、第六開關(guān)器件K₆為關(guān)斷狀態(tài)，橋臂電流i_a為正值時受控電流源電流值i_m與橋臂電流i_a數(shù)值相等，符號相同，當(dāng)橋臂電流i_a為負(fù)值時，受控電流源電流值i_m為零；當(dāng)?shù)谖彘_關(guān)器件K₅為開通狀態(tài)、第六開關(guān)器件K₆為關(guān)斷狀態(tài)，受控電流源電流值i_m與橋臂電流i_a數(shù)值相等，符號相同；當(dāng)?shù)谖彘_關(guān)器件K₅為關(guān)斷狀態(tài)、第六開關(guān)器件K₆為開通狀態(tài)，受控電流源電流值i_m為零；

(2)計算非線性電阻R_hp阻值

全橋功率模塊或者半橋功率模塊的自取能電源具有恒功率消耗特性，因此可將自取能電源等效為恒功率電阻，非線性電阻R_hp阻值與MMC功率模塊電容電壓v_c的平方成正比，與自取能電源恒定功率P_hp成反比；自取能電源恒定功率P_hp為全橋型功率模塊自取能電源消耗功率P_F或者半橋功率模塊自取能電源消耗功率P_H，非線性電阻R_hp阻值的計算公式如式(1)所示：

(3)計算MMC功率模塊的電容電壓

所述的MMC功率模塊非線性特征仿真模型用于全橋功率模塊和半橋功率模塊的差別在于受控電流源電流值i_m的計算方法不同；根據(jù)MMC功率模塊非線性特征仿真模型計算出全橋功率模塊或者半橋功率模塊的電容電壓，實現(xiàn)MMC功率模塊非線性特征的電磁暫態(tài)仿真；

其中，R_b為全橋功率模塊或者半橋功率模塊的均壓電阻阻值，C為全橋功率模塊或者半橋功率模塊的電容容值，v_c為全橋功率模塊或者半橋功率模塊的電容電壓，i_m為受控電流源的電流值；

將式(1)代入式(2)，并采用歐拉法求解式(2)，可得適用于數(shù)字仿真的差分方程式(3)：

其中，T_s為計算步長，電容電壓初始值為0，v_c(0)＝0，k為數(shù)字仿真次數(shù)；式(3)經(jīng)過一次計算可得T_s時刻仿真計算得到的電容電壓值v_c(1)；以此類推，經(jīng)過k次計算可得到kT_s時刻仿真計算得到的電容電壓值v_c(k)，v_c(k+1)為(k+1)T_s時刻仿真計算得到的電容電壓值；kT_s代表仿真運行時間，由于數(shù)字仿真每次仿真計算步長相等，因此k≥0且為整數(shù)。