CN113179036B - 基于子模块直流电压控制闭环的mmc仿真模型及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型及方法。该***包括：每一个详细模型子模块的交流侧等效为两个受控电压源，每一个详细模型子模块的直流侧等效为相互并联的受控电流源、电容以及电阻，形成等效模型子模块；多个等效模型子模块构成MMC等效仿真模型；利用MMC等效仿真模型的桥臂调制波与MMC等效仿真模型的直流电压的比值生成桥臂开关函数；利用等效模型子模块的直流电压以及桥臂开关函数形成闭环；基于桥臂开关函数以及闭环，生成等效模型子模块开关函数；利用连续的等效模型子模块开关函数替代等效模型子模块的通断过程。本发明能够在保留MMC详细开关模型各电气量特性的同时，提高仿真速度。

Description

基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型及方法

技术领域

本发明涉及模块化多电平变流器(Modular Multi-level Converter，MMC)仿真领域，特别是涉及一种基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型及方法。

背景技术

随着各国科学技术以及社会经济的快速发展，世界各国对于新能源发电越发重视，纷纷投入大量资金技术支持新能源技术的研发，由于风电、太阳能发电具有分散性、间歇性、距离主网较远等特点，它们接入交直流电网后产生一些新的问题，基于电压源换相换流器的高压直流输电技术(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)是提高可再生能源比例的一种有效方式，通过VSC将分布式电源以经济灵活的方式接入交直流混合输配电网，成为国内外研究的一个重点问题。基于VSC的换流站是实现交直流输配电***的核心技术之一，目前采用的低电平数目的VSC开关频率较高、输出电压谐波较大，而模块化多电平变流器(Modular Multi-level Converter，MMC)具有开关损耗低、易于扩展等优点，拥有良好的工程应用前景。

目前在MMC建模方面，国内外专家进行了大量研究工作，提出了MMC详细模型、MMC平均值模型以及等值电路模型等模型，MMC详细模型由于存在大量开关元件的导通关断过程使得仿真速度极慢，大部分MMC平均值模型以及等值电路模型将子模块进行了简化，难以研究MMC的子模块特性，以上模型对子模块直流侧电压的控制仍然是利用均压算法控制子模块通断，导致仿真速度低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型及方法，以解决无法兼顾MMC的子模块特性，仿真速度低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型，应用于MMC详细模型，所述MMC详细模型包括三相，每相包括上桥臂以及下桥臂，所述上桥臂以及所述下桥臂均包括多个详细模型子模块，包括：

每一个所述详细模型子模块的交流侧等效为两个受控电压源，每一个所述详细模型子模块的直流侧等效为相互并联的受控电流源、电容以及电阻，形成等效模型子模块；多个所述等效模型子模块构成MMC等效仿真模型；两个所述受控电压源包括波动分量电压源以及稳定分量电压源；

利用所述MMC等效仿真模型的桥臂调制波与所述MMC等效仿真模型的直流电压的比值生成桥臂开关函数；利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述桥臂开关函数形成闭环；基于所述桥臂开关函数以及所述闭环，生成等效模型子模块开关函数；利用连续的所述等效模型子模块开关函数替代所述等效模型子模块的通断过程。

可选的，所述受控电流源作为所述等效模型子模块的输入直流电流，所述输入直流电流为所述桥臂开关函数与对应的桥臂电流的乘积。

可选的，采集所述等效模型子模块在所述输入直流电流作用下的电容电压，利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述桥臂开关函数形成闭环，以控制两个所述受控电压源。

可选的，利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述等效模型子模块的电容电压平均值，根据所述闭环，生成所述等效模型子模块的开关函数前馈；根据所述桥臂开关函数以及所述开关函数前馈生成所述等效模型子模块开关函数。

可选的，根据所述等效模型子模块开关函数以及所述等效模型子模块的直流电压生成所述等效模型子模块的总电压；基于所述等效模型子模块的总电压生成所述等效模型子模块的稳态分量电压以及波动分量电压。

一种基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真方法，包括：

将每一个详细模型子模块的交流侧等效为两个受控电压源，每一个所述详细模型子模块的直流侧等效为相互并联的受控电流源、电容以及电阻，形成等效模型子模块；两个所述受控电压源包括波动分量电压源以及稳定分量电压源；

利用MMC等效仿真模型的桥臂调制波与所述MMC等效仿真模型的直流电压的比值生成桥臂开关函数，并将所述桥臂开关函数与对应的桥臂电流的乘积输入至所述受控电流源，作为所述等效模型子模块的输入直流电流；

采集所述等效模型子模块在所述输入直流电流作用下的电容电压，利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述桥臂开关函数形成闭环，以控制两个所述受控电压源；

利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述等效模型子模块的电容电压平均值根据所述闭环，生成所述等效模型子模块的开关函数前馈；

根据所述桥臂开关函数以及所述开关函数前馈生成所述等效模型子模块开关函数；

根据所述等效模型子模块开关函数以及所述等效模型子模块的直流电压生成所述等效模型子模块的总电压；

根据所述等效模型子模块的总电压生成所述等效模型子模块的稳态分量电压以及波动分量电压，以完成MMC等效仿真模型仿真过程。

可选的，所述桥臂开关函数为：

其中，d₁为桥臂开关函数，U_ref__pa为桥臂电压指令值，U_dc为直流侧电压。

可选的，所述等效模型子模块的电容电压平均值为：

其中，U_dcref__pa为等效模型子模块的电容电压平均值，N为桥臂子模块个数，U_{dcpa_i}为第i个所述等效模型子模块的直流电压。

可选的，所述稳定分量电压源的值为：

其中，U_{ap_i}为稳定分量电压源的值。

可选的，所述波动分量电压源的值为：

U_{ap0_i}＝d_{1_i}·U_{dcpa_i}-U_{ap_i}；其中，U_{ap0_i}为波动分量电压源的值，d_{1_i}为第i个所述等效模型子模块的等效开关函数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型及方法，利用连续的开关函数替代了子模块的通断过程，避免了大量电力电子元件的通断，保留了MMC详细开关模型各电气量特性；同时，本发明利用等效模型子模块的直流电压形成闭环控制，避免了详细开关模型以及平均值模型等模型存在的最近电平调制等均压控制环节，利用等效模型子模块的直流电压控制稳定子模块电压值，在简化控制算法的同时实现了均压控制功能，相比于MMC详细模型，本发明构建的MMC等效仿真模型的仿真速度得到了极大的提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的等效模型子模块与现有的详细模型子模块的结构对比图；

图2为本发明所提供的基于等效模型子模块的直流电压控制闭环的MMC仿真模型示意图；

图3为本发明所提供的等效模型子模块的受控电压源控制流程图；

图4为本发明所提供的基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型及方法，能够在保留MMC详细开关模型各电气量特性的同时，提高仿真速度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的等效模型子模块与现有的详细模型子模块的结构对比图，图2为本发明所提供的基于等效模型子模块的直流电压控制闭环的MMC仿真模型示意图，图3为本发明所提供的等效模型子模块的受控电压源控制流程图，如图1-图3所示，一种基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型，应用于MMC详细模型，所述MMC详细模型包括三相，每相包括上桥臂以及下桥臂，所述上桥臂以及所述下桥臂均包括多个详细模型子模块，包括：

每一个所述详细模型子模块的交流侧等效为两个受控电压源，每一个所述详细模型子模块的直流侧等效为相互并联的受控电流源、电容以及电阻，形成等效模型子模块；多个所述等效模型子模块构成MMC等效仿真模型；两个所述受控电压源包括波动分量电压源以及稳定分量电压源。本发明所提供的MMC等效仿真模型利用子模块直流电压作为闭环控制，在保障原有MMC详细开关模型电气精度的基础上极大的提高了仿真速度；该MMC等效仿真模型相比于简化平均值模型能够保留各子模块的电气特性，可以基于本模型研究MMC子模块的故障特性和闭锁特性，简化平均值模型则不具有该特性。

利用所述MMC等效仿真模型的桥臂调制波与所述MMC等效仿真模型的直流电压的比值生成桥臂开关函数；利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述桥臂开关函数形成闭环；基于所述桥臂开关函数以及所述闭环，生成等效模型子模块开关函数；利用连续的所述等效模型子模块开关函数替代所述等效模型子模块的通断过程。

其中，图1-图2中的u_sa、u_sb、u_sc是交流侧的电源电压；i_va、i_vb、i_vc是交流侧电流；u_a、u_b、u_c是MMC交流出口处的电压；i_pa、i_pb、i_pc分别表示上桥臂流过的电流，i_na、i_nb、i_nc分别表示下桥臂流过的电流；u_pa、u_pb、u_pc分别表示上桥臂的交流侧电压，u_na、u_nb、u_nc分别表示下桥臂的交流侧电压；L_ac、L₀分别是联结变压器的等效电感和桥臂电感，U_dc是直流侧电压，I_dc是直流侧电流。u_{ap_i}和u_{ap0_i}分别表示子模块交流侧受控电压源的稳定分量和波动分量；d_{1_i}表示子模块开关函数，u_{dcpa_i}为子模块直流电压；图1中所示详细模型子模块为半桥型子模块，由2个IGBT、2个反并联二极管以及一个电容构成，其中，i_SMi、u_SMi为子模块的电压电流，i_Ci、u_Ci为等效电容上的电流电压。

图3中，U_{dcpa_i}为子模块直流电压，U_{dcref_pa}为同一桥臂上的子模块直流电压平均值，d₁表示桥臂开关函数，PI_i为第i个子模块的PI参数，d_{1_i}表示子模块开关函数，U_{ap_i}和U_{ap0_i}分别表示子模块交流侧受控电压源的稳定分量和波动分量，图3中的U_{ap_i}和U_{ap0_i}即为图1和图2中的u_{ap_i}，u_{ap0_i}。

在实际应用中，所述受控电流源作为所述等效模型子模块的输入直流电流，所述输入直流电流为所述桥臂开关函数与对应的桥臂电流的乘积。

在实际应用中，采集所述等效模型子模块在所述输入直流电流作用下的电容电压，利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述桥臂开关函数形成闭环，以控制两个所述受控电压源。

在实际应用中，利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述等效模型子模块的电容电压平均值，根据所述闭环，生成所述等效模型子模块的开关函数前馈；根据所述桥臂开关函数以及所述开关函数前馈生成所述等效模型子模块开关函数。

在实际应用中，根据所述等效模型子模块开关函数以及所述等效模型子模块的直流电压生成所述等效模型子模块的总电压；基于所述等效模型子模块的总电压生成所述等效模型子模块的稳态分量电压以及波动分量电压。

图4为本发明所提供的基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真方法流程图，如图4所示，一种基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真方法，包括：

步骤401：将每一个详细模型子模块的交流侧等效为两个受控电压源，每一个所述详细模型子模块的直流侧等效为相互并联的受控电流源、电容以及电阻，形成等效模型子模块；两个所述受控电压源包括波动分量电压源以及稳定分量电压源。

步骤402：利用MMC等效仿真模型的桥臂调制波与所述MMC等效仿真模型的直流电压的比值生成桥臂开关函数，并将所述桥臂开关函数与对应的桥臂电流的乘积输入至所述受控电流源，作为所述等效模型子模块的输入直流电流。

所述桥臂开关函数为：

其中，d₁为桥臂开关函数，U_{ref_pa}为桥臂电压指令值，该桥臂电压指令值为MMC仿真模型内的双闭环调节***输出的桥臂电压指令值，U_dc为直流侧电压。

步骤403：采集所述等效模型子模块在所述输入直流电流作用下的电容电压，利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述桥臂开关函数形成闭环，以控制两个所述受控电压源。

步骤404：利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述等效模型子模块的电容电压平均值根据所述闭环，生成所述等效模型子模块的开关函数前馈。

所述等效模型子模块的电容电压平均值为：

其中，U_{dcref_pa}为等效模型子模块的电容电压平均值，N为桥臂子模块个数，U_{dcpa_i}为第i个所述等效模型子模块的直流电压。

步骤405：根据所述桥臂开关函数以及所述开关函数前馈生成所述等效模型子模块开关函数。

步骤406：根据所述等效模型子模块开关函数以及所述等效模型子模块的直流电压生成所述等效模型子模块的总电压。

步骤407：根据所述等效模型子模块的总电压生成所述等效模型子模块的稳态分量电压以及波动分量电压，以完成MMC等效仿真模型仿真过程。

所述稳定分量电压源的值为：

其中，U_{ap_i}为稳定分量电压源的值。

所述波动分量电压源的值为：U_{ap0_i}＝d_{1_i}·U_{dcpa_i}-U_{ap_i}；其中，U_{ap0_i}为波动分量电压源的值，d_{1_i}为第i个所述等效模型子模块的等效开关函数。

基于等效模型子模块的直流电压完成闭环调节，对MMC的每一个等效模型子模块都构造了的基于各自直流电压的闭环控制，利用等效模型子模块的PI自调节取代了均压控制。

将等效模型子模块的直流侧等效成一个受控电流源以及电容的串联，考虑到各等效模型子模块的稳态时电压以及损耗略有不同，在MMC等效仿真模型的直流侧引入大电阻等效不同等效模型子模块的损耗。

利用桥臂调制波和直流电压构造开关函数，利用桥臂开关函数和桥臂电流的乘积将传统详细开关模型子模块的通断过程转变为时域上的连续过程，期间桥臂上每一个等效模型子模块均导通，这与详细开关模型每一桥臂上只导通部分子模块不同。

将等效模型子模块的交流侧等效成两个受控电压源，分别代表子模块上的稳定分量以及波动分量，稳定分量电压源由桥臂调制波控制，它包含直流分量以及基频电压分量；波动分量电压源是用于补偿子模块电压通过子模块开关函数耦合到交流侧时的电压与稳定分量的差值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型，应用于MMC详细模型，所述MMC详细模型包括三相，每相包括上桥臂以及下桥臂，所述上桥臂以及所述下桥臂均包括多个详细模型子模块，其特征在于，包括：

每一个所述详细模型子模块的交流侧等效为两个受控电压源，每一个所述详细模型子模块的直流侧等效为相互并联的受控电流源、电容以及电阻，形成等效模型子模块；多个所述等效模型子模块构成MMC等效仿真模型；两个所述受控电压源包括波动分量电压源以及稳定分量电压源；

利用所述MMC等效仿真模型的桥臂调制波与所述MMC等效仿真模型的直流电压的比值生成桥臂开关函数；利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述桥臂开关函数形成闭环；基于所述桥臂开关函数以及所述闭环，生成等效模型子模块开关函数；利用连续的所述等效模型子模块开关函数替代所述等效模型子模块的通断过程。

2.根据权利要求1所述的基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型，其特征在于，所述受控电流源作为所述等效模型子模块的输入直流电流，所述输入直流电流为所述桥臂开关函数与对应的桥臂电流的乘积。

3.根据权利要求2所述的基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型，其特征在于，采集所述等效模型子模块在所述输入直流电流作用下的电容电压，利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述桥臂开关函数形成闭环，以控制两个所述受控电压源。

4.根据权利要求3所述的基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型，其特征在于，利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述等效模型子模块的电容电压平均值，根据所述闭环，生成所述等效模型子模块的开关函数前馈；根据所述桥臂开关函数以及所述开关函数前馈生成所述等效模型子模块开关函数。

5.根据权利要求4所述的基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型，其特征在于，根据所述等效模型子模块开关函数以及所述等效模型子模块的直流电压生成所述等效模型子模块的总电压；基于所述等效模型子模块的总电压生成所述等效模型子模块的稳态分量电压以及波动分量电压。

6.一种基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任一项所述的基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真模型，所述基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真方法包括：

将每一个详细模型子模块的交流侧等效为两个受控电压源，每一个所述详细模型子模块的直流侧等效为相互并联的受控电流源、电容以及电阻，形成等效模型子模块；两个所述受控电压源包括波动分量电压源以及稳定分量电压源；

利用MMC等效仿真模型的桥臂调制波与所述MMC等效仿真模型的直流电压的比值生成桥臂开关函数，并将所述桥臂开关函数与对应的桥臂电流的乘积输入至所述受控电流源，作为所述等效模型子模块的输入直流电流；

采集所述等效模型子模块在所述输入直流电流作用下的电容电压，利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述桥臂开关函数形成闭环，以控制两个所述受控电压源；

利用所述等效模型子模块的直流电压以及所述等效模型子模块的电容电压平均值根据所述闭环，生成所述等效模型子模块的开关函数前馈；

根据所述桥臂开关函数以及所述开关函数前馈生成所述等效模型子模块开关函数；

根据所述等效模型子模块开关函数以及所述等效模型子模块的直流电压生成所述等效模型子模块的总电压；

根据所述等效模型子模块的总电压生成所述等效模型子模块的稳态分量电压以及波动分量电压，以完成MMC等效仿真模型仿真过程。

7.根据权利要求6所述 的基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真方法，其特征在于，所述桥臂开关函数为：

其中，d₁为桥臂开关函数，U_{ref_pa}为桥臂电压指令值，U_dc为直流侧电压。

8.根据权利要求7所述 的基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真方法，其特征在于，所述等效模型子模块的电容电压平均值为：

其中，U_{dcref_pa}为等效模型子模块的电容电压平均值，N为桥臂子模块个数，U_{dcpa_i}为第i个所述等效模型子模块的直流电压。

9.根据权利要求8所述 的基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真方法，其特征在于，所述稳定分量电压源的值为：

其中，U_{ap_i}为稳定分量电压源的值。

10.根据权利要求9所述 的基于子模块直流电压控制闭环的MMC仿真方法，其特征在于，所述波动分量电压源的值为：

U_{ap0_i}＝d_{1_i}·U_{dcpa_i}-U_{ap_i}；其中，U_{ap0_i}为波动分量电压源的值，d_{1_i}为第i个所述等效模型子模块的等效开关函数。

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