[發明專利]一種改進式模塊化多電平換流器等效方法

有效

• 申請號: 201810765310.0
• 申請日: 2018-07-12
• 公開（公告）號: CN108920856B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 金恩淑;楊筱凡;于新;張亞菇;崔勇;包海龍;郭強
• 申請（專利權）人: 東北電力大學;國網上海市電力公司;國家電網公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 吉林市達利專利事務所 22102
• 代理人: 陳傳林

1.一種改進式模塊化多電平換流器等效方法，其特征是，它包括如下步驟：

1)根據半橋型子模塊中IGBT器件K₁和IGBT器件K₂的開通情況進行區分，得到半橋型子模塊當前工作狀態；

半橋型子模塊的三種工作狀態：第一種為投入狀態，半橋型子模塊中IGBT器件K₁導通、IGBT器件K₂閉鎖；第二種為切出狀態，半橋型子模塊中IGBT器件K₁閉鎖、IGBT器件K₂導通；第三種為閉鎖狀態，半橋型子模塊中IGBT器件K₁和IGBT器件K₂均閉鎖；當系統中MMC正常工作時，半橋型子模塊的工作狀態包括投入狀態和切出狀態；當系統中MMC啟動或故障時，半橋型子模塊中IGBT處于閉鎖狀態；

2)當確定系統中模塊化多電平換流器處于正常工作狀態，含有N個半橋型子模塊和一個電感串聯組成的橋臂用戴維南進行等值，等效步驟為：

(1)半橋型子模塊中IGBT器件K₁和續流二極管用可變電阻R₁等效代替，半橋型子模塊中IGBT器件K₂和續流二極管用可變電阻R₂來等效代替，當SPWM調制輸出的信號為高電平時，觸發半橋型子模塊中IGBT開通，用一個數值較小的電阻，取值0.001Ω來代替；當SPWM調制輸出的信號為低電平時，觸發半橋型子模塊中IGBT關斷，用一個數值較大的電阻，取值10⁸Ω來代替；

可變電阻R₁和R₂由式(1)給出：

R＝K_iR_T+(1-K_i)R_o (1)

其中，R_T是通態電阻，R_o是阻斷電阻，K_i是開關i的開關信號，為1時開關導通，為0時開關關斷；

(2)對半橋型子模塊中電容C進行Dommel電磁暫態等值計算，過程如下：

其暫態過程用電磁感應定律來描述，即：

其中，i_c(t)為t時刻電容電流，C為電容值，u_c(t)為t時刻電容電壓；

式(2)積分形式為：

其中，ΔT為仿真步長，u_c(t-ΔT)為t-ΔT時刻的電容電壓；

應用梯形積分法則，將式(3)表示成式(4)的形式；

其中，i_c(t-ΔT)為t-ΔT時刻電容電流；

將式(4)改寫為式(5)、(6)的形式；

其中，R_c＝ΔT/(2C)為電容C暫態等值電阻，I_c(t-ΔT)為t-ΔT時刻電容的等值電流源；

由式(6)可知，I_c(t-ΔT)與t-ΔT時刻的電流和電壓值有關；

t-ΔT時刻的電容電流為：

將式(7)代入式(6)，得到t-ΔT時刻電容的等值電流源I_c(t-ΔT)為：

對比式(6)和式(8)，可知式(8)中不包含i_c(t-ΔT)，表明I_c(t-ΔT)可直接利用t-2ΔT時刻電容的等值電流源I_c(t-2ΔT)進行遞推計算，使計算過程簡單化，計算速度加快；

(3)通過戴維南定理計算獲得半橋型子模塊的等效電壓U_eqsm和等效電阻R_eqsm為：

(4)對橋臂中電感L進行Dommel電磁暫態等值計算，過程如下：

t-ΔT時刻的電感電流和電感的電流源遞推公式為：

其中，i_L(t)為t時刻電感電流，R_L＝(2L)/ΔT為電感L暫態等值電阻，I_L(t-ΔT)為t-ΔT時刻電感的等值電流源，i_L(t-ΔT)為t-ΔT時刻電感電流，u_L(t-ΔT)為t-ΔT時刻電感電壓；

與上述求解電容的等值電流源方法相同，可得電感的等值電流源遞推公式為：

其中，I_L(t-2ΔT)為t-2ΔT時刻電感的等值電流源；

(5)獲得由N個半橋型子模塊和一個電感串聯組成的橋臂的戴維南等效電路，等效電路中等效電壓∑U_eq(t)和等效電阻∑R_eq為：

其中，U_eqi(t)為橋臂中第i個半橋型子模塊的戴維南等效電壓，R_eqi為橋臂中第i個半橋型子模塊的戴維南等效電阻，i＝1,2,3,···,N，N為橋臂中半橋型子模塊數目，其值可由式(9)獲得；

3)當確定系統中模塊化多電平換流器處于故障或啟動狀態，由N個半橋型子模塊和一個電感串聯組成的橋臂將等效為一個具有等效參數的半橋不控子模塊；

(1)半橋型子模塊中的IGBT閉鎖時，即半橋型子模塊中IGBT處于斷開的狀態，由于每個橋臂的所有半橋型子模塊是串聯關系，因此N個半橋型子模塊流過相同的電流，均等于橋臂電流i_arm，當i_arm＞0，所有半橋型子模塊中的IGBT器件K₁的反并聯二極管D₁導通；當i_arm＜0，所有半橋型子模塊的IGBT器件K₂的反并聯二極管D₂導通；

(2)閉鎖后的橋臂電壓u_arm(t)為：

其中，u_cj(t)為橋臂中第j個半橋型子模塊的電容電壓，j＝1,2,3,···,N，N為橋臂中半橋型子模塊數目；i_arm(t)為橋臂電流，R_on為二極管的通態電阻；

定義：

R_on∑＝NR_on (17)

其中，R_c＝ΔT/(2C)為電容C暫態等值電阻，u_cjeq(t-ΔT)為t-ΔT時刻橋臂中第j個半橋型子模塊的電容等值電壓源，R_on∑為橋臂中二極管的通態電阻之和；

式(14)可改寫為：

在閉鎖狀態下，橋臂戴維南等效電阻R_arm和戴維南等效電壓u_armeq(t)根據橋臂電流方向獲得：

當i_arm(t)≥0時，R_arm＝NR_c+R_on∑，

當i_arm(t)≤0時，R_arm＝R_on∑，u_armeq(t)＝0；

(3)由于二極管是單向導通元件，當半橋型子模塊中IGBT閉鎖時，橋臂電流方向會頻繁改變，采用PSCAD仿真軟件中自帶的二極管進行建模，利用自帶的插值算法避免了二極管數值插值的問題，提高了仿真波形的精度；

4)綜合考慮閉鎖情況和非閉鎖情況，模塊化多電平換流器等效電壓∑U_eq為：

模塊化多電平換流器等效電阻∑R_eq為：