CN106294892B - 一种判断mmc数模混合仿真功率接口稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法，包括以下步骤：建立MMC数模混合仿真等效模型；对MMC数模混合仿真功率接口进行解耦运算；确定满足MMC数模混合仿真功率接口稳定性的阻抗匹配条件；对MMC数模混合仿真功率接口进行仿真，验证阻抗匹配条件的正确性和合理性。本发明解决了基于电压型理想变压器算法实现的MMC数模混合仿真，满足其功率接口稳定性阻抗匹配条件的问题，为MMC数模混合仿真***方案设计提供技术指导，大大提高了工作效率。利用该发明对MMC数模混合仿真进行合理规划，能够有效提高功率接口的稳定性和精确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种判断方法，具体涉及一种判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法。
背景技术
随着我国对于能源领域可持续发展要求的不断提升，我国以煤为主的能源结构和电源结构，将在今后几十年内逐步向以水电、核电、风电、太阳能等各种新能源发电并存的结构进行转变。同时用户对电能质量要求也在不断提高，而利用柔性直流输电技术实现可再生能源并网和向城市供电的优势变得越来越明显，其中模块化多电平柔性直流输电技术(MMC-HVDC)已成为公认的发展趋势。
传统的纯数字仿真虽然能够灵活、方便地更改参数设置，具有较强的通用性，模拟规模较大，但其很难高精度准确地模拟换流阀和电力电子开关器件的动态特性。而纯物理仿真尽管具有现象直观、物理概念清晰等诸多优点，但也存在建设投资巨大、参数更改困难、模拟规模有限等缺陷，无法完全模拟规模庞大的MMC-HVDC***，且难以精确模拟完整交流***暂稳态特性。而数模混合仿真则可以使二者优势互补，扩大了仿真规模，降低了对场地维护的要求，可以为将来大规模MMC-HVDC柔性直流输电技术的科研创新和工程应用提供技术支撑，大大提高了工作效率。数模混合仿真技术克服了传统仿真无法精确模拟MMC-HVDC换流阀和电力电子开关器件的动态特性、很难精确模拟完整交流***暂稳态特性等缺陷，解决了在模拟电网任意点进行数字仿真装置与物理模拟侧功率双相连接的难题，填补了大规模多节点MMC-HVDC柔性直流输电数模混合仿真领域的空白，成为了业内广泛研究的焦点。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法，解决了基于电压型理想变压器算法实现的MMC数模混合仿真，满足其功率接口稳定性阻抗匹配条件的问题，为MMC数模混合仿真***方案设计提供技术指导，大大提高了工作效率。利用该发明对MMC数模混合仿真进行合理规划，能够有效提高功率接口的稳定性和精确性。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立MMC数模混合仿真等效模型；
步骤2：对MMC数模混合仿真功率接口进行解耦运算；
步骤3：确定满足MMC数模混合仿真功率接口稳定性的阻抗匹配条件；
步骤4：对MMC数模混合仿真功率接口进行仿真，验证阻抗匹配条件的正确性和合理性。
所述步骤1中，MMC数模混合仿真等效模型包括MMC数模混合仿真数字侧等效模型、MMC数模混合仿真功率接口和MMC数模混合仿真物理侧等效模型；MMC数模混合仿真数字侧等效模型通过MMC数模混合仿真功率接口与MMC数模混合仿真物理侧等效模型连接。
所述MMC数模混合仿真数字侧等效模型包括串联的理想电压源、数字侧等效电阻R1和数字侧等效电感L1；
所述MMC数模混合仿真物理侧等效模型包括串联的物理侧等效电阻R2、物理侧等效电容C2和物理侧等效电感L2；分别表示为：
L2＝LL+LT
其中，N为MMC稳定运行时单相上下桥臂均处于投入状态的子模块个数之和；R0为MMC子模块处于投入状态时的等效电阻；C0为MMC子模块处于投入状态时的等效电容；LT为换流变漏抗；LL为等效桥臂电感，且LL＝L0，L0为单相上/下桥臂电抗。
所述步骤2中，基于电压型理想变压器算法对MMC数模混合仿真功率接口进行解耦运算。
所述MMC数模混合仿真功率接口包括放大设备和采样设备；所述放大设备为电压型功率放大器，所述采样设备包括A/D转换器和D/A转换器；
数字侧端口电压通过D/A转换器进行D/A转换并通过电压型功率放大器放大，再送往物理侧受控电压源为前向通道；物理侧端口电流经过A/D转换器进行A/D转换后送往数字侧受控电流源为反馈通道。
设电压型功率放大器和采样设备在拉普拉斯频域下的动态特性分别用TVA(s)和Tc(s)表示，用Td1表示前向通道的延时，Td2表示反馈通道的延时；于是采用电压型理想变压器算法对MMC数模混合仿真功率接口进行解耦运算后，得到：
其中，u2(s)为拉普拉斯频域下的物理侧端口电压，u1(s)为拉普拉斯频域下的数字侧端口电压，i1(s)为拉普拉斯频域下的数字侧电流，i2(s)为拉普拉斯频域下的物理侧电流；
于是，得到MMC数模混合仿真功率接口在拉普拉斯频域下的变换矩阵，有：
其中，A(s)为MMC数模混合仿真功率接口在拉普拉斯频域下的变换矩阵。
所述步骤3中，利用Routh判据确定满足MMC数模混合仿真功率接口稳定性的阻抗匹配条件。
MMC数模混合仿真数字侧等效模型和MMC数模混合仿真物理侧等效模型在拉普拉斯频域下的阻抗分别用Z1(s)和Z2(s)表示，有：
其中，R1为数字侧等效电阻，L1为数字侧等效电感；R2为物理侧等效电阻，C2为物理侧等效电容，L2为物理侧等效电感；
理想情况下，TVA(s)和Tc(s)近似为1，于是可得MMC数模混合仿真功率接口的开环传递函数G0(s)，有：
其中，Td为MMC数模混合仿真功率接口总延时，且Td＝Td1+Td2，Td1表示前向通道的延时，Td2表示反馈通道的延时；
于是得到MMC数模混合仿真功率接口的闭环特征方程式为1+G0(s)＝0，即：
为了简化分析，利用一阶Pade近似原理对进行近似处理，有：
其中，a为由Td决定的变量，a>0且a＝1/Td；
于是可得MMC数模混合仿真功率接口的特征方程式为：
(L2-L1)C2s3+(R2-R1+aL1+aL2)C2s2+[1+a(R1+R2)C2]s+a＝0
利用Routh判据对MMC数模混合仿真功率接口的特征方程式进行稳定性分析，列写Routh阵列表，令Routh阵列表第一列元素为正可以得到满足MMC数模混合仿真功率接口稳定性的阻抗匹配条件，有：
所述步骤4中，利用电力***电磁暂态仿真软件PSCAD对工作于STATCOM模式下的MMC数模混合仿真功率接口进行仿真，验证阻抗匹配条件的正确性和合理性。
在电力***电磁暂态仿真软件PSCAD中搭建基于电压型理想变压器算法解耦实现工作于STATCOM模式下的MMC数模混合仿真等效模型；通过调整数字侧等效参数和物理侧等效参数，完成阻抗匹配条件的正确性和合理性的验证。
所述数字侧等效参数包括数字侧等效电阻R1的阻值和数字侧等效电感L1的电感值；
所述物理侧等效参数包括物理侧等效电阻R2的阻值、物理侧等效电容C2的容值和物理侧等效电感L2的电感值。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)该方法对工作于STATCOM模式下MMC进行等效建模，根据MMC子模块开关特性和MMC运行模式，巧妙地将其等效为线性电路；
2)该方法利用电压型理想变压器算法实现解耦分析，稳定性好、精确性高，且相对其它解耦方法工程实施方便灵活；
3)该方法能够有效提高MMC数模混合仿真功率接口的稳定性，对MMC数模混合仿真数字侧等效参数和物理侧等效参数的设计具有一定指导意义。
附图说明
图1是本发明实施例中MMC数模混合仿真电路硬件结构图；
图2是本发明实施例中STATCOM模式下MMC等效电路图；
图3是本发明实施例中STATCOM模式下MMC单相等效电路图；
图4是本发明实施例中STATCOM模式下MMC数模混合仿真等效模型图；
图5是本发明实施例中基于电压型理想变压器算法解耦实现的MMC数模混合仿真等效模型图；
图6是本发明实施例中MMC数模混合仿真等效模型控制框图；
图7是本发明实施例中PSCAD中搭建的基于电压型理想变压器算法解耦实现工作于STATCOM模式下的MMC数模混合仿真等效模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明解决了基于电压型理想变压器算法实现的MMC数模混合仿真，满足其功率接口稳定性阻抗匹配条件的问题，为MMC数模混合仿真***方案设计提供技术指导，大大提高了工作效率。利用该发明对MMC数模混合仿真进行合理规划，能够有效提高功率接口的稳定性和精确性。
如图1，MMC数模混合仿真电路包括数字仿真装置、物理模拟装置(MMC)以及MMC数模混合仿真功率接口。其中物理模拟装置即为柔性直流输电的换流阀设备，数字仿真装置为电力***实时数字仿真设备。通过电压型功率放大器、A/D转换器和D/A转换器等使数字侧装置和物理侧装置联系起来，从而可以对很多含电力电子器件的、控制复杂度较高的物理设备进行灵活仿真。这里采用了电压型理想变压器算法对MMC数模混合仿真功率接口进行解耦运算，数字侧的电压信号经D/A转换器、电压型功率放大器和线性变压器的放大后再送至物理模拟装置中；同时物理侧的电流信号经过A/D转换及滤波设备后再反馈给数字仿真装置。根据彼此信号的实时动态交互，两个仿真***实现功率双向连接。
由于MMC数模混合仿真功率接口存在***延时，或多或少会导致数模混合仿真***功率接口的稳定性受到影响，因此有必要对满足功率接口稳定性的条件进行推导。
本发明提供一种判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立MMC数模混合仿真等效模型；
步骤2：对MMC数模混合仿真功率接口进行解耦运算；
步骤3：确定满足MMC数模混合仿真功率接口稳定性的阻抗匹配条件；
步骤4：对MMC数模混合仿真功率接口进行仿真，验证阻抗匹配条件的正确性和合理性。
所述步骤1中，MMC数模混合仿真等效模型包括MMC数模混合仿真数字侧等效模型、MMC数模混合仿真功率接口和MMC数模混合仿真物理侧等效模型；MMC数模混合仿真数字侧等效模型通过MMC数模混合仿真功率接口与MMC数模混合仿真物理侧等效模型连接，如图4.
所述MMC数模混合仿真数字侧等效模型包括串联的理想电压源、数字侧等效电阻R1和数字侧等效电感L1；
如图2-图3，对于N+1电平MMC来说，稳态运行时任一时刻每相的上下桥臂处于投入状态的子模块个数之和始终为N个，即N1a+N2a＝N1b+N2b＝N成立。其中，N1a、N2a分别为a相在稳态运行时，其上下桥臂处于投入状态的MMC子模块个数，N1b、N2b为此时b相上下桥臂处于投入状态的MMC子模块个数。可知，MMC可等效为a相上桥臂和b相上桥臂处于投入状态子模块的等效电阻、电容串联，然后与相同方式串联后的a相下桥臂、b相下桥臂再并联，最后再与等效桥臂电感LL和换流变漏抗LT串联。于是MMC数模混合仿真物理侧等效模型包括串联的物理侧等效电阻R2、物理侧等效电容C2和物理侧等效电感L2；分别表示为：
L2＝LL+LT
其中，N为MMC稳定运行时单相上下桥臂均处于投入状态的子模块个数之和；R0为MMC子模块处于投入状态时的等效电阻；C0为MMC子模块处于投入状态时的等效电容；LT为换流变漏抗；LL为等效桥臂电感，且LL＝L0，L0为单相上/下桥臂电抗。
所述步骤2中，如图5-图6，基于电压型理想变压器算法对MMC数模混合仿真功率接口进行解耦运算。
所述MMC数模混合仿真功率接口包括放大设备和采样设备；所述放大设备为电压型功率放大器，所述采样设备包括A/D转换器和D/A转换器；
数字侧端口电压通过D/A转换器进行D/A转换并通过电压型功率放大器放大，再送往物理侧受控电压源为前向通道；物理侧端口电流经过A/D转换器进行A/D转换后送往数字侧受控电流源为反馈通道。
设电压型功率放大器和采样设备在拉普拉斯频域下的动态特性分别用TVA(s)和Tc(s)表示，用Td1表示前向通道的延时，Td2表示反馈通道的延时；于是采用电压型理想变压器算法对MMC数模混合仿真功率接口进行解耦运算后，得到：
其中，u2(s)为拉普拉斯频域下的物理侧端口电压，u1(s)为拉普拉斯频域下的数字侧端口电压，i1(s)为拉普拉斯频域下的数字侧电流，i2(s)为拉普拉斯频域下的物理侧电流；
于是，得到MMC数模混合仿真功率接口在拉普拉斯频域下的变换矩阵，有：
其中，A(s)为MMC数模混合仿真功率接口在拉普拉斯频域下的变换矩阵。
所述步骤3中，利用Routh判据确定满足MMC数模混合仿真功率接口稳定性的阻抗匹配条件。
MMC数模混合仿真数字侧等效模型和MMC数模混合仿真物理侧等效模型在拉普拉斯频域下的阻抗分别用Z1(s)和Z2(s)表示，有：
其中，R1为数字侧等效电阻，L1为数字侧等效电感；R2为物理侧等效电阻，C2为物理侧等效电容，L2为物理侧等效电感；
理想情况下，TVA(s)和Tc(s)近似为1，于是可得MMC数模混合仿真功率接口的开环传递函数G0(s)，有：
其中，Td为MMC数模混合仿真功率接口总延时，且Td＝Td1+Td2，Td1表示前向通道的延时，Td2表示反馈通道的延时；
于是得到MMC数模混合仿真功率接口的闭环特征方程式为1+G0(s)＝0，即：
为了简化分析，利用一阶Pade近似原理对进行近似处理，有：
其中，a为由Td决定的变量，a>0且a＝1/Td；
于是可得MMC数模混合仿真功率接口的特征方程式为：
(L2-L1)C2s3+(R2-R1+aL1+aL2)C2s2+[1+a(R1+R2)C2]s+a＝0
利用Routh判据对MMC数模混合仿真功率接口的特征方程式进行稳定性分析，列写Routh阵列表，令Routh阵列表第一列元素为正可以得到满足MMC数模混合仿真功率接口稳定性的阻抗匹配条件，有：
所述步骤4中，利用电力***电磁暂态仿真软件PSCAD对工作于STATCOM模式下的MMC数模混合仿真功率接口进行仿真，验证阻抗匹配条件的正确性和合理性。
在电力***电磁暂态仿真软件PSCAD中搭建基于电压型理想变压器算法解耦实现工作于STATCOM模式下的MMC数模混合仿真等效模型(如图7)，通过调整数字侧等效参数和物理侧等效参数，完成阻抗匹配条件的正确性和合理性的验证。
所述数字侧等效参数包括数字侧等效电阻R1的阻值和数字侧等效电感L1的电感值；
所述物理侧等效参数包括物理侧等效电阻R2的阻值、物理侧等效电容C2的容值和物理侧等效电感L2的电感值。
数字侧等效参数和物理侧等效参数如表1：
表1
设Td＝10μs。首先，运行表1所示等效参数，得出MMC数模混合仿真功率接口能够稳定运行。其次，保证其他参数不变，调整物理侧等效电感L2＝38.2mH，使L2<L1成立，再次运行***逐渐失稳。当Td越大，数字侧和物理侧波形相位偏差变大，数据传输过程中造成的误差就会越大，超过一定阈值后会导致数据发散。因此当Td越小，越有利于提高MMC数模混合仿真功率接口稳定性和精确性。
验证结果表明所推导满足MMC数模混合仿真功率接口稳定必要条件的正确性和合理性，同时该推导过程也具有一定的通用性和适用性，该方法对MMC数模混合仿真功率接口的参数设计具有一定的指导意义。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立MMC数模混合仿真等效模型；
步骤2：对MMC数模混合仿真功率接口进行解耦运算；
步骤3：确定满足MMC数模混合仿真功率接口稳定性的阻抗匹配条件；
步骤4：对MMC数模混合仿真功率接口进行仿真，验证阻抗匹配条件的正确性和合理性；
所述步骤1中，MMC数模混合仿真等效模型包括MMC数模混合仿真数字侧等效模型、MMC数模混合仿真功率接口和MMC数模混合仿真物理侧等效模型；MMC数模混合仿真数字侧等效模型通过MMC数模混合仿真功率接口与MMC数模混合仿真物理侧等效模型连接；
所述MMC数模混合仿真数字侧等效模型包括串联的理想电压源、数字侧等效电阻R1和数字侧等效电感L1；
所述MMC数模混合仿真物理侧等效模型包括串联的物理侧等效电阻R2、物理侧等效电容C2和物理侧等效电感L2；分别表示为：
L2＝LL+LT
其中，N为MMC稳定运行时单相上下桥臂均处于投入状态的子模块个数之和；R0为MMC子模块处于投入状态时的等效电阻；C0为MMC子模块处于投入状态时的等效电容；LT为换流变漏抗；LL为等效桥臂电感，且LL＝L0，L0为单相上/下桥臂电抗。
2.根据权利要求1所述的判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法，其特征在于：所述步骤2中，基于电压型理想变压器算法对MMC数模混合仿真功率接口进行解耦运算。
3.根据权利要求2所述的判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法，其特征在于：所述MMC数模混合仿真功率接口包括放大设备和采样设备；所述放大设备为电压型功率放大器，所述采样设备包括A/D转换器和D/A转换器；
数字侧端口电压通过D/A转换器进行D/A转换并通过电压型功率放大器放大，再送往物理侧受控电压源为前向通道；物理侧端口电流经过A/D转换器进行A/D转换后送往数字侧受控电流源为反馈通道。
4.根据权利要求3所述的判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法，其特征在于：设电压型功率放大器和采样设备在拉普拉斯频域下的动态特性分别用TVA(s)和Tc(s)表示，用Td1表示前向通道的延时，Td2表示反馈通道的延时；于是采用电压型理想变压器算法对MMC数模混合仿真功率接口进行解耦运算后，得到：
其中，u2(s)为拉普拉斯频域下的物理侧端口电压，u1(s)为拉普拉斯频域下的数字侧端口电压，i1(s)为拉普拉斯频域下的数字侧电流，i2(s)为拉普拉斯频域下的物理侧电流；
于是，得到MMC数模混合仿真功率接口在拉普拉斯频域下的变换矩阵，有：
其中，A(s)为MMC数模混合仿真功率接口在拉普拉斯频域下的变换矩阵。
5.根据权利要求1所述的判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法，其特征在于：所述步骤3中，利用Routh判据确定满足MMC数模混合仿真功率接口稳定性的阻抗匹配条件。
6.根据权利要求1或5所述的判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法，其特征在于：MMC数模混合仿真数字侧等效模型和MMC数模混合仿真物理侧等效模型在拉普拉斯频域下的阻抗分别用Z1(s)和Z2(s)表示，有：
其中，R1为数字侧等效电阻，L1为数字侧等效电感；R2为物理侧等效电阻，C2为物理侧等效电容，L2为物理侧等效电感；
理想情况下，电压型功率放大器在拉普拉斯频域下的动态特性TVA(s)和采样设备在拉普拉斯频域下的动态特性Tc(s)近似为1，于是可得MMC数模混合仿真功率接口的开环传递函数G0(s)，有：
其中，Td为MMC数模混合仿真功率接口总延时，且Td＝Td1+Td2，Td1表示前向通道的延时，Td2表示反馈通道的延时；
于是得到MMC数模混合仿真功率接口的闭环特征方程式为1+G0(s)＝0，即：
为了简化分析，利用一阶Pade近似原理对进行近似处理，有：
其中，a为由Td决定的变量，a>0且a＝1/Td；
于是可得MMC数模混合仿真功率接口的特征方程式为：
(L2-L1)C2s3+(R2-R1+aL1+aL2)C2s2+[1+a(R1+R2)C2]s+a＝0
利用Routh判据对MMC数模混合仿真功率接口的特征方程式进行稳定性分析，列写Routh阵列表，令Routh阵列表第一列元素为正可以得到满足MMC数模混合仿真功率接口稳定性的阻抗匹配条件，有：
7.根据权利要求1所述的判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法，其特征在于：所述步骤4中，利用电力***电磁暂态仿真软件PSCAD对工作于STATCOM模式下的MMC数模混合仿真功率接口进行仿真，验证阻抗匹配条件的正确性和合理性。
8.根据权利要求7所述的判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法，其特征在于：在电力***电磁暂态仿真软件PSCAD中搭建基于电压型理想变压器算法解耦实现工作于STATCOM模式下的MMC数模混合仿真等效模型；通过调整数字侧等效参数和物理侧等效参数，完成阻抗匹配条件的正确性和合理性的验证。
9.根据权利要求8所述的判断MMC数模混合仿真功率接口稳定性的方法，其特征在于：所述数字侧等效参数包括数字侧等效电阻R1的阻值和数字侧等效电感L1的电感值；
所述物理侧等效参数包括物理侧等效电阻R2的阻值、物理侧等效电容C2的容值和物理侧等效电感L2的电感值。
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