CN110501919A - 模块化多电平换流器数字物理混合仿真接口设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器数字物理混合仿真接口设计方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、根据MMC运行原理推导MMC数学模型；步骤二、设计数字物理接口折算系数，保证MMC实验平台的响应通过数字物理接口折算系数等效为对应大功率MMC换流站的响应；步骤三、根据MMC运行特点对其数学模型进行化简，将MMC的每个桥臂等效为一个受调制波控制的可变电容，MMC每相等效为上下桥臂电感、桥臂寄生电阻以及等效的可变电容构成的RLC串联支路，考虑到折算系数对电路参数的影响，推导s域下经折算系数变换后的DIM法补偿阻抗。本发明结构简单、易于实现，可以满足数字物理混和仿真***稳定性和精确性要求。

Description

模块化多电平换流器数字物理混合仿真接口设计方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，涉及一种模块化多电平换流器数字物理混合仿真接口设计方法。

背景技术

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)构成的直流电网动态行为复杂、暂态响应快，传统的数字仿真无法同时满足仿真速度与精度的要求。等比例物理动模实验平台样机可用于模拟柔性直流电网，但该方案成本极为高昂，且被研对象固定、仿真灵活性差。因此，柔性直流电网相关理论的验证必须要采取更为先进的仿真方法。

数字物理混合仿真，又称功率硬件在环(power hardware-in-the-loop，PHIL)仿真，将***中规模庞大、难以用硬件搭建的部分用实时数字仿真器模拟，而对于重点研究或结构负载、难以精确建模的部分用真实物理设备实现，形成既有数字仿真对象又有实际物理待测设备的数字物理混合仿真***，是进行柔性直流电网研究和工程设计验证的有效手段。

为将数字侧与物理侧连接起来，需要设计合适的数字物理接口。阻尼阻抗法(damping impedance method，DIM)在补偿阻抗与物理侧等效阻抗完全相同时具有极高的稳定裕度和精度，是应用最广的一种接口方法。对于柔性直流输电PHIL***，物理侧是MMC等非线性电力电子设备，其精确数学模型呈现出复杂的时变非线性，往往难以获得。另一方面，受制于实验室研究环境的约束和功率放大器的输出限额，实验室中的MMC往往难以达到柔直工程的电压和功率等级。为此，数字物理接口处应设置相应的折算系数以便将小功率等级的MMC转换为柔直***等级下的大功率MMC。当接口折算系数存在时，DIM法的补偿阻抗也将受其影响发生变化，然而目前尚没有准确详细的理论研究，缺少设计依据。

发明内容

本发明针对数字物理接口折算系数对DIM接口补偿阻抗影响缺乏理论基础的问题，提供了一种模块化多电平换流器数字物理混合仿真接口设计方法。本发明根据模块化多电平换流器的运行特点对其数学模型进行化简，推导经折算系数变换后的阻尼阻抗接口补偿阻抗。该方法结构简单、易于实现，可以满足数字物理混和仿真***稳定性和精确性要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种模块化多电平换流器数字物理混合仿真接口设计方法，包括如下步骤：

步骤一、根据MMC运行原理推导MMC数学模型，其中，MMC数学模型如下：

式中，R、L分别表示MMC桥臂等效电阻及桥臂电抗器的电感，u_j表示j相交流电压，u_DC表示直流母线电压，u_uj为j相上桥臂电压，i_uj和i_lj分别为j相上、下桥臂电流，m_uj和m_lj分别为j相上、下桥臂的调制波，N为子模块个数，C为子模块电容器；

步骤二、设计数字物理接口折算系数，保证MMC实验平台的响应通过数字物理接口折算系数等效为对应大功率MMC换流站的响应，其中，MMC实验平台折算到大功率MMC换流站等级下的时域表达式为：

MMC实验平台和大功率MMC换流站的MMC拓扑参数之间的关系为：

式中，k_u和k_i分别为大、小功率MMC的电压和电流折算系数，上标“'”表示大功率MMC的物理量；

步骤三、根据MMC运行特点对其数学模型进行化简，将MMC的每个桥臂等效为一个受调制波控制的可变电容，当MMC正常运行时，为了保证直流侧输出电压恒定，上下桥臂投入的子模块数量之和恒等于N，MMC每相等效为上下桥臂电感、桥臂寄生电阻以及等效的可变电容构成的RLC串联支路，考虑到折算系数对电路参数的影响，推导s域下经折算系数变换后的DIM法补偿阻抗，其中，补偿阻抗Z^*为：

本发明通过MMC运行原理推导MMC数学模型，根据数字物理变比对物理侧MMC直流侧等效阻抗进行折算，推导适合于DIM法的补偿阻抗。相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明针对柔性直流输电数字物理混和仿真***数字、物理侧功率等级不同的问题，从模块化多电平换流器的数学模型入手详细推导了大、小功率换流站参数之间的折算系数，保证小功率动模平台能准确反映柔直换流站的特性。

2、本发明在充分考虑柔直PHIL***数字、物理侧功率等级不同问题的基础上，推导MMC直流侧等效阻抗模型，使其适用于柔直PHIL阻尼阻抗接口的补偿阻抗。

3、本发明一方面可以保证小功率MMC实验平台能准确反映柔直换流站的特性，另一方面，阻尼阻抗接口可以满足柔直PHIL仿真的稳定性和精确性的要求，适用性强。

附图说明

图1是现有三相模块化多电平变换器的拓扑结构示意图；

图2是背靠背柔性直流输电PHIL***的结构示意图；

图3是MMC直流侧等效阻抗简化模型；

图4是直流母线短路故障实验波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明在考虑数字物理变比的基础上，提供了一种模块化多电平换流器数字物理混合仿真接口设计方法，所述方法具体步骤如下：

步骤一、根据MMC运行原理推导MMC数学模型。

现有三相的模块化多电平换流器的拓扑结构如图1所示。其中每相含有上、下两个桥臂，每个桥臂包括一个桥臂电抗器L和N个结构相同的子模块，每个子模块由一个功率单元和一个电容器C并联而成，每个功率单元为半桥结构或其他类似的功率单元。

根据基尔霍夫定律，列写MMC的电路方程：

i_j＝i_lj-i_uj (4)；

其中，R、L分别表示MMC桥臂等效电阻及桥臂电抗器的电感，u_j表示j相交流电压，u_DC表示直流母线电压，u_uj和u_lj分别为j相上、下桥臂电压，i_DC表示直流电流，i_uj和i_lj分别为j相上、下桥臂电流。

进一步，定义s_uj(k)为j相上桥臂中第k个子模块的开关函数，该函数反映了子模块的投切状态：

当j相上桥臂第k个子模块投入时，s_uj(k)为1，子模块的输出电压u_uj(k)等于子模块电容电压u_Cuj(k)，电容电流i_Cuj(k)等于桥臂电流i_uj；当j相上桥臂第k个子模块切除时，s_uj(k)为0，子模块输出电压u_uj(k)和电容电流i_Cuj(k)均为0。因此，对j相上桥臂每个子模块可列写以下方程组：

u_uj(k)＝s_uj(k)u_Cuj(k) (6)；

i_Cuj(k)＝s_uj(k)i_uj (7)；

下桥臂子模块的方程与上桥臂子模块的方程类似：

u_lj(k)＝s_lj(k)u_Clj(k) (9)；

i_Clj(k)＝s_lj(k)i_lj (10)；

所述公式描述了采用开关函数表示的MMC详细数学模型，每个子模块的电容对应着一个微分方程，当子模块数量较多时模型将变得十分复杂。为进行简化，这里采用桥臂平均的方法处理上述高阶模型。假设同一个桥臂中所有子模块的电容电压、电流均相等，且满足：

u_Cuj(k)＝u_Cuj (12)；

i_Cuj(k)＝i_Cuj (13)。

桥臂中所有子模块的开关函数之和等于桥臂的调制波，即：

其中，m_uj为j相上桥臂的调制波，对于半桥子模块，调制波的取值范围为[0,1]，表示一个桥臂子模块的投入比例。将式(12)～(14)带入式(1)～(8)，化简后得到：

i_j＝i_lj-i_uj (18)；

u_uj＝Nm_uju_Cuj (19)；

为了更直观体现MMC交直流电压与桥臂电流、控制之间的关系，对所述公式进行改写：

其中，m_lj为j相下桥臂的调制波，N为子模块个数，C为子模块电容器。

步骤二、设计数字物理接口折算系数，保证MMC实验平台的响应能通过数字物理接口的折算系数等效为对应大功率MMC换流站的响应。

图2为所述方法所提及的***结构图，其中，数字侧为定电压柔直等级换流站，物理侧为定功率换流站样机，二者通过数字物理接口相连。其中，数字物理接口方法为阻尼阻抗法，物理侧小功率MMC样机的三相交流输出端连接电阻负载R’load。

根据P＝UI，电压、电流和功率三者互相牵制，一旦确定其中两个变量，第三个变量的取值就因此固定下来。基于此，电压、电流和功率三个折算系数只需确定其中两个。

数字物理接口只反馈物理侧端口电压或电流信号给数字侧，但物理侧内部相同性质的物理量都应固定的比例关系。

式(21)、(22)表明，MMC数学模型中只含有电压、电流、拓扑参数和控制参数，没有直接反映出功率的变化，数字物理接口折算系数只考虑电压和电流折算系数：

其中，k_u和k_i分别为大、小功率MMC的电压和电流折算系数，上标“'”表示大功率MMC的物理量。

只有当小功率MMC实验平台与其经过折算后得到大功率换流站的控制方式完全相同时，二者生成的调制信号才能完全一致，保证大小MMC之间的稳态和动态特性呈现固定的比例关系。二者调制波可表示为：

将式(23)、(24)代入式(21)、(22)中，得到小功率MMC动模实验平台折算到大功率换流站等级下的时域表达式：

MMC动模平台的响应能通过数字物理接口的折算系数等效为对应大功率MMC换流站的响应，式(24)、(25)与式(20)、(21)各项需对应相等，得到两个MMC拓扑参数之间的关系为：

步骤三、根据MMC运行特点对其数学模型进行化简，推导经折算系数变换后的DIM法补偿阻抗。

MMC运行的本质是通过调制波不断改变各个桥臂中投入的子模块数量，从而实现电能变换。根据这一过程可以将MMC的每个桥臂等效为一个受调制波控制的可变电容。

由MMC的运行原理可知，直流电流仅沿着环流路径流通而不进入交流侧，因此这里在求取MMC的直流侧阻抗时忽略交流侧所接的负载。MMC上、下桥臂的桥臂电感、桥臂寄生电阻以及等效的可变电容构成RLC串联支路。图3为所述方法的物理侧MMC直流侧等效阻抗简化模型，其阻抗可表示为：

当MMC正常运行时，为了保证直流侧输出电压恒定，一般要求上下桥臂子模块对称互补投入，即任意时刻上下桥臂投入的子模块数量之和恒等于N(忽略了环流抑制产生的调制波二倍频成分)，因此有m_uj+m_lj＝1。从而上式可简化为：

进而可求得MMC直流侧阻抗的解析式：

考虑到数字物理接口的折算系数的影响，加在与数字侧相连的数字物理信息接口处的补偿阻抗Z^*应写为：

根据本发明提供的模块化多电平换流器数字物理混合仿真接口设计方法，设计背靠背柔直PHIL***的实施例。确定数字侧为100MW、300kV的201电平定电圧换流站，电压折算系数取值为0.001，电流折算系数取值为100，从而使物理侧样机的响应经过折算后等效对应柔直等级下的定功率换流站。物理侧的1kW、300V定功率换流站样机通过DIM接口与数字侧相连，表1给出了***参数。

表1实验参数

在上述背靠背柔直PHIL***上进行直流母线短路故障实验。由图4的实验波形可以看出，DIM补偿阻抗设计方法可以满足***稳定性和精确性。

Claims (5)

1.一种模块化多电平换流器数字物理混合仿真接口设计方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、根据MMC运行原理推导MMC数学模型；

步骤二、设计数字物理接口折算系数，保证MMC实验平台的响应通过数字物理接口折算系数等效为对应大功率MMC换流站的响应；

步骤三、根据MMC运行特点对其数学模型进行化简，将MMC的每个桥臂等效为一个受调制波控制的可变电容，MMC每相等效为上下桥臂电感、桥臂寄生电阻以及等效的可变电容构成的RLC串联支路，考虑到折算系数对电路参数的影响，推导s域下经折算系数变换后的DIM法补偿阻抗。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器数字物理混合仿真接口设计方法，其特征在于所述步骤一中，MMC数学模型如下：

式中，R、L分别表示MMC桥臂等效电阻及桥臂电抗器的电感，u_j表示j相交流电压，u_DC表示直流母线电压，u_uj为j相上桥臂电压，i_uj和i_lj分别为j相上、下桥臂电流，m_uj和m_lj分别为j相上、下桥臂的调制波，N为子模块个数，C为子模块电容器。

3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器数字物理混合仿真接口设计方法，其特征在于所述步骤二中，MMC实验平台折算到大功率MMC换流站等级下的时域表达式为：

MMC实验平台和大功率MMC换流站的MMC拓扑参数之间的关系为：

式中，k_u和k_i分别为大、小功率MMC的电压和电流折算系数，上标“'”表示大功率MMC的物理量。

4.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器数字物理混合仿真接口设计方法，其特征在于所述步骤三中，s域下的补偿阻抗Z^*为：

5.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器数字物理混合仿真接口设计方法，其特征在于所述步骤三中，当MMC正常运行时，为了保证直流侧输出电压恒定，上下桥臂投入的子模块数量之和恒等于N，N为子模块个数。