CN106230294B - 模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型及其方法。仿真模型中直流电压正极与平波电抗器一端连接，平波电抗器、上桥臂的各子模块、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器、下桥臂的各子模块依次串联，下桥臂最后一个子模块负极与直流电压负极连接。每个子模块的正极与二极管阳极连接，均压电阻、取能电源等效电阻、电容并联，并联后一端与二极管阴极连接，另一端与子模块负极连接。通过实际测量各子模块均压电阻、电容、取能电源效率、各控制板卡总功率等数据建立仿真模型，根据模型可仿真换流器静电直流充电时各子模块电压波动情况。本发明旨在提出换流器静态直流充电仿真模型，为柔性直流输电工程启动提供相关参数设计方法和理论依据。

Description

模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型及其方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，适用于基于模块化多电平换流器的柔性直流输电工程。属于柔性直流输电工程仿真建模技术，具体为模块化多电平换流器静态直流充电时仿真模型。

背景技术

柔性直流输电为输电方式变革和构建未来电网提供了崭新的解决方案，但由于国内柔性直流开发设计、仿真建模、继电保护、运行维护等领域均处于摸索阶段，急需提升相关技术水平。目前国内已投运的柔性直流输电工程均使用模块化多电平换流器，各相桥臂通过具有相同结构的多个子模块串联构成。模块化多电平换流器的正常启动是整个输电工程可靠运行的前提。启动过程中由于换流器闭锁，相关电容电压控制算法尚未运行，各子模块电容电压不受控制，此时各子模块电压波动应限制在允许范围内。

国内工程均采用自励启动方式，即一端换流器通过对交流***进行不控整流向子模块电容充电，另一端换流器处于静态直流充电状态。不控整流稳定后直流电压为：

式中:U_dc为直流电压；U_l为交流***线电压有效值。

此时静态直流充电的换流器每相上下桥臂所有子模块对直流母线电压分压，子模块电容平均电压为：

式中N为上桥臂或下桥臂的子模块总数量。

目前子模块内部电路设计过程中在电容两端并联一个均压电阻，现有研究认为均压电阻的存在使各子模块电压在静态直流充电时基本一致，即等于平均电压。如文献《适用于风电并网的模块化多电平柔性直流启动控制技术》、《模块化多电平式柔性直流输电换流器的预充电控制策略》、《多端柔性直流输电***的启动控制策略》等对换流器启动过程进行仿真研究时均认为子模块电压在换流器启动过程中保持一致。但这些仿真结果与已投运的柔性直流输电工程实际运行数据不符。根据已投运工程运行数据发现，换流器静态直流充电时子模块电压波动较大，部分子模块甚至因电压跌落而导致取能电源反复启停，且反复启动的子模块数量随着时间增多，严重影响了换流器可靠性。

针对现有换流器静态直流充电模型的仿真结果与实际不符的现状，本发明提出模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型。通过本发明的仿真模型，可准确的仿真换流器静态直流充电时各子模块电压波动情况，为换流器静态直流充电时继电保护定值整定提供理论依据。

发明内容

本发明的目的在于提供模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型，该模型可仿真得到换流器静态直流充电时各子模块电容电压变化过程，进而统计因电压跌落而导致取能电源反复启停的子模块数量，最终为换流器静态直流充电时继电保护定值整定、均压电阻参数设计、取能电源优化设计等提供理论依据。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型，其特征在于：包括直流电压源、平波电抗器、第一桥臂电抗器、第二桥臂电抗器、第一至第2N个子模块；所述直流电压源正极与平波电抗器一端连接，所述平波电抗器另一端与第一个子模块正极连接，所述第n₁个子模块负极与第n₁+1个子模块正极连接，其中1≤n₁<N；所述第N个子模块负极与第一桥臂电抗器一端连接，所述第一桥臂电抗器另一端与第二桥臂电抗器一端连接，所述第二桥臂电抗器另一端与第N+1个子模块正极连接，所述第n₂个子模块负极与第n₂+1个子模块正极连接，其中N+1≤n₂<2N；所述第2N个子模块负极与直流电压源负极连接。

在本发明一实施例中，所述第一至第2N个子模块内部电路结构相同。

在本发明一实施例中，所述第一至第2N个子模块内部电路如下：子模块正极与一二极管阳极连接，二极管阴极同时与均压电阻、取能电源等效电阻、电容一端连接；均压电阻、取能电源等效电阻、电容另一端同时与子模块负极连接。

进一步的，所述各子模块均压电阻阻值相同，所述各子模块电容容值相同，所述取能电源等效电阻等于该子模块电容电压的平方乘以该取能电源效率再除以该子模块板卡总功率。

本发明还提供一种基于上述的模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据换流器图纸确定平波电抗器电感值、桥臂电抗器电感值、子模块均压电阻阻值、子模块电容容值、某一相的子模块总数量；步骤2：根据交流***线电压计算不控整流时直流电压值；步骤3：通过实验实际测量某一相各子模块的取能电源效率、控制板卡的总功率；步骤4：设置仿真总时间和时间变化步长；步骤5：设置初始时刻各子模块电压值；步骤6：将以上参数输入仿真模型中；步骤7：计算各子模块在一个时间变化步长内电压变化量，各子模块初始电压加上各自电压变化量即等于当前时刻各子模块电压，如此循环叠代计算，直至仿真总时间到达，得到各子模块最终电压值；步骤8：仿真结束时统计各子模块电压最大值、最小值、反复启停的子模块数量及其他参数，用于分析子模块电压波动随时间变化情况。

在本发明一实施例中，具体仿真参数包括以下步骤：设初始时间为t₀，时间步长为Δt，总时间为T，当前时刻直流电压为U_dc(t)，电流为i(t)，各子模块均压电阻为r₀，电容容值为C，第n个子模块电容电压设为U_n(t)，流入该子模块电容的电流为i_n(t)，该子模块取能电源效率为η_n，该子模块板卡总功率为P_n，该子模块取能电容等效电阻设为r_n，第n个子模块取能电源等效电阻为：1≤n≤2N；取能电源等效电阻与均压电阻并联后阻值为：1≤n≤2N；由于各子模块串联，流入各子模块的电流均等于直流电流，根据基尔霍夫电流定律知：1≤n≤2N；由于直流电压保持不变，在Δt时间步长内各子模块电容电压变化量总和为零，由于各子模块电容容值相等，因此同一时刻各子模块流入电容的电流总和也为零：将所有流入子模块的直流电流求和得：：计算得到直流电流为：进一步计算得到第n个子模块流入电容的电流为：1≤n≤2N；由于计算得到流入电容的电流值，当Δt时间步长较小时，计算得到该子模块电容电压变化量为：1≤n≤2N；最终得到经过Δt时间步长后的电容电压：U_n(t+△t)＝U_n(t)+△U_n,1≤n≤2N；以t₀时刻为初始时刻，经过多次时间步长叠代求解直到仿真总时间T，最终仿真计算得到各子模块电容电压。

由于本发明提出的模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型引入了均压电阻和取能电源等效电阻的参数，可仿真由于取能电源等效电阻动态变化引起的电容电压波动情况。均压电阻和取能电源等效电阻两者并联，其中取能电源等效电阻初始值较小的子模块在静态直流充电过程中电容放电、电压降低；随着电压降低，其等效电阻进一步降低，进一步使其分配的电压降低；如此循环使此部分子模块电压不断降低，当低于取能电源关断电压后进入反复启停状态。而取能电源等效电阻初始值较大的子模块电容充电、电压不断升高。最终可统计到各子模块电压最大值、最小值、反复启停的子模块数量等参数，可分析子模块电压波动随时间变化情况。因此本发明提出的模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型的仿真结果与试验数据相符，更接近工程实际。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)仿真模型考虑了均压电阻和取能电源相关参数，仿真结果更接近工程实际。

(2)可仿真模块化多电平换流器静态直流充电时各子模块电容电压波动情况，解释了静态直流充电过程中子模块均压效果劣化的机理。

(3)为静态直流充电耐受时间等保护定值整定提供理论依据，提高换流器运行的可靠性。

(4)为均压电阻、取能电源参数优化提供理论依据，提高子模块设计水平。

此外，本发明提供的仿真模型适用于单相、多相、单端、多端等多种换流器主拓扑；同时也可用于分析换流器启动过程中其他状态时子模块电压变化情况。

附图说明

图1是本发明模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型的电路图。

图2是子模块静态直流充电时等效电路。

图3是建模与仿真流程图。

图4是子模块电容电压变化过程的波形图。

图5是部分子模块因电压跌落导致反复启停时的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行具体说明。

参见图1，本发明提供一种模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型，其包括直流电压源、平波电抗器、第一桥臂电抗器、第二桥臂电抗器、第一至第2N个子模块；所述直流电压源正极与平波电抗器一端连接，所述平波电抗器另一端与第一个子模块正极连接，所述第n₁个子模块负极与第n₁+1个子模块正极连接，其中1≤n₁<N；所述第N个子模块负极与第一桥臂电抗器一端连接，所述第一桥臂电抗器另一端与第二桥臂电抗器一端连接，所述第二桥臂电抗器另一端与第N+1个子模块正极连接，所述第n₂个子模块负极与第n₂+1个子模块正极连接，其中N+1≤n₂<2N；所述第2N个子模块负极与直流电压源负极连接。

在本发明一实施例中，所述第一至第2N个子模块内部电路结构相同。

参见图2，在本发明另一实施例中，所述第一至第2N个子模块内部电路如下：子模块正极与一二极管阳极连接，二极管阴极同时与均压电阻、取能电源等效电阻、电容一端连接；均压电阻、取能电源等效电阻、电容另一端同时与子模块负极连接。进一步的，所述各子模块均压电阻阻值相同，所述各子模块电容容值相同，所述取能电源等效电阻等于该子模块电容电压的平方乘以该取能电源效率再除以该子模块板卡总功率。

参见图3，本发明的具体仿真方法如下：

步骤1：根据换流器图纸确定平波电抗器电感值、桥臂电抗器电感值、子模块均压电阻阻值、子模块电容容值、某一相的子模块总数量；

步骤2：根据交流***线电压计算不控整流时直流电压值；

步骤3：通过实验实际测量某一相各子模块的取能电源效率、控制板卡的总功率；

步骤4：设置仿真总时间和时间变化步长；

步骤5：设置初始时刻各子模块电压值；

步骤6：将以上参数输入仿真模型中；

步骤7：计算各子模块在一个时间变化步长内电压变化量，各子模块初始电压加上各自电压变化量即等于当前时刻各子模块电压，如此循环叠代计算，直至仿真总时间到达，得到各子模块最终电压值；

步骤8：仿真结束时统计各子模块电压最大值、最小值、反复启停的子模块数量及其他参数，用于分析子模块电压波动随时间变化情况。

仿真参数具体计算方法如下：

设图1中初始时间为t₀，时间步长为Δt，总时间为T，当前时刻直流电压为U_dc(t)，电流为i(t)，各子模块均压电阻为r₀，电容容值为C，第n个子模块电容电压设为U_n(t)，流入该子模块电容的电流为i_n(t)，该子模块取能电源效率为η_n，该子模块板卡总功率为P_n，该子模块取能电容等效电阻设为r_n。

第n个子模块取能电源等效电阻为：

1≤n≤2N

取能电源等效电阻与均压电阻并联后阻值为：

1≤n≤2N

由于各子模块串联，流入各子模块的电流均等于直流电流，根据基尔霍夫电流定律知：

1≤n≤2N

由于直流电压保持不变，在Δt时间步长内各子模块电容电压变化量总和为零。由于各子模块电容容值相等，因此同一时刻各子模块流入电容的电流总和也为零：

将所有流入子模块的直流电流求和得：：

计算得到直流电流为：

进一步计算得到第n个子模块流入电容的电流为：

1≤n≤2N

由于计算得到流入电容的电流值，当Δt时间步长较小时，可计算得到该子模块电容电压变化量为：

1≤n≤2N

最终得到经过Δt时间步长后的电容电压：

U_n(t+△t)＝U_n(t)+△U_n,1≤n≤2N

以t₀时刻为初始时刻，经过多次时间步长叠代求解直到仿真总时间T，最终仿真计算得到各子模块电容电压。

根据仿真模型和计算方法，以四个子模块电路板卡总功率分别为17W、17.5W、18W、18.5W，初始电压为532V为例，仿真得到的其中四个子模块电压变化过程如图4所示，可见子模块电容电压发生变化，各子模块电容电压并不一致。根据本发明提供的模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型，可仿真得到各子模块电容电压变化过程，而传统的仿真模型无法仿真。

当换流器静态直流充电时间过长时，根据本发明提供的仿真模型可仿真得到部分子模块因电压跌落导致取能电源反复启停的电压波形，结果如图5所示。根据此仿真结果可进一步为静态直流充电耐受时间保护定值整定提供理论依据，防止子模块取能电源重复启停，提高子模块运行可靠性。

本发明仿真模型考虑了均压电阻和取能电源相关参数，使仿真结果更接近工程实际。可仿真模块化多电平换流器静态直流充电时各子模块电容电压波动情况，解释了静态直流充电过程中子模块均压效果劣化的机理。为静态直流充电耐受时间等保护定值整定提供理论依据，提高换流器运行的可靠性。为均压电阻、取能电源参数优化提供理论依据，提高子模块设计水平。此外，可将本发明的模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型适用于单相、多相、单端、多端等多种换流器主拓扑；同时也可用于分析换流器启动过程中其他状态时子模块电压变化情况。

以上对本发明的目的、技术方案和优点进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型，其特征在于：包括直流电压源、平波电抗器、第一桥臂电抗器、第二桥臂电抗器、第一至第2N个子模块；所述直流电压源正极与平波电抗器一端连接，所述平波电抗器另一端与第一个子模块正极连接，所述第n₁个子模块负极与第n₁+1个子模块正极连接，其中1≤n₁<N；所述第N个子模块负极与第一桥臂电抗器一端连接，所述第一桥臂电抗器另一端与第二桥臂电抗器一端连接，所述第二桥臂电抗器另一端与第N+1个子模块正极连接，所述第n₂个子模块负极与第n₂+1个子模块正极连接，其中N+1≤n₂<2N；所述第2N个子模块负极与直流电压源负极连接；

所述第一至第2N个子模块内部电路如下：子模块正极与一二极管阳极连接，二极管阴极同时与均压电阻、取能电源等效电阻、电容一端连接；均压电阻、取能电源等效电阻、电容另一端同时与子模块负极连接；

所述各子模块均压电阻阻值相同，所述各子模块电容容值相同，所述取能电源等效电阻等于该子模块电容电压的平方乘以该取能电源效率再除以该子模块板卡总功率。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型，其特征在于：所述第一至第2N个子模块内部电路结构相同。

3.一种基于权利要求1或2所述的模块化多电平换流器静态直流充电仿真模型的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据换流器图纸确定平波电抗器电感值、桥臂电抗器电感值、子模块均压电阻阻值、子模块电容容值、某一相的子模块总数量；

步骤2：根据交流***线电压计算不控整流时直流电压值；

步骤3：通过实验实际测量某一相各子模块的取能电源效率、子模块板卡的总功率；

步骤4：设置仿真总时间和时间变化步长；

步骤5：设置初始时刻各子模块电压值；

步骤6：将以上参数输入仿真模型中；

步骤7：计算各子模块在一个时间变化步长内电压变化量，各子模块初始电压加上各自电压变化量即等于当前时刻各子模块电压，如此循环叠代计算，直至仿真总时间到达，得到各子模块最终电压值；

步骤8：仿真结束时统计各子模块电压最大值、最小值、反复启停的子模块数量及其他参数，用于分析子模块电压波动随时间变化情况。

4.根据权利要求3所述的仿真方法，其特征在于：具体仿真参数包括以下步骤：

设初始时间为t₀，时间步长为Δt，总时间为T，当前时刻直流电压为U_dc(t)，电流为i(t)，各子模块均压电阻为r₀，电容容值为C，第n个子模块电容电压设为U_n(t)，流入该子模块电容的电流为i_n(t)，该子模块取能电源效率为η_n，该子模块板卡总功率为P_n，该子模块取能电容等效电阻设为r_n，

第n个子模块取能电源等效电阻为：

取能电源等效电阻与均压电阻并联后阻值为：

由于各子模块串联，流入各子模块的电流均等于直流电流，根据基尔霍夫电流定律知：

由于直流电压保持不变，在Δt时间步长内各子模块电容电压变化量总和为零，由于各子模块电容容值相等，因此同一时刻各子模块流入电容的电流总和也为零：

将所有流入子模块的直流电流求和得：

计算得到直流电流为：

进一步计算得到第n个子模块流入电容的电流为：

由于计算得到流入电容的电流值，当Δt时间步长较小时，计算得到该子模块电容电压变化量为：

最终得到经过Δt时间步长后的电容电压：

U_n(t+△t)＝U_n(t)+△U_n,1≤n≤2N

以t₀时刻为初始时刻，经过多次时间步长叠代求解直到仿真总时间T，最终仿真计算得到各子模块电容电压。