模塊化多電平換流器的仿真裝置、仿真系統及仿真方法

模塊化多電平換流器的仿真裝置、仿真系統及仿真方法
【專利摘要】本發明公開一種模塊化多電平換流器的仿真裝置、仿真系統及仿真方法，涉及仿真技術領域，為解決現有的利用電磁暫態模型進行的電磁暫態仿真效率較低的問題。所述模塊化多電平換流器的仿真裝置包括相連接的電網模型和等效模塊化多電平換流器：等效模塊化多電平換流器包括等效為對應橋臂的第一受控電壓源至第六受控電壓源，各受控電壓源均包括若干級聯的子模塊等效模型，各子模塊等效模型均包括單向導通器件，以及與所述單向導通器件并聯的可變電阻，各子模塊等效模型均與對應的受控電流源一一對應連接，各受控電流源均等效為對應的子模塊等效模型連接的外電路。本發明提供的模塊化多電平換流器的仿真裝置用于對模塊化多電平換流器進行時域仿真。
【專利說明】
模塊化多電平換流器的仿真裝置、仿真系統及仿真方法
技術領域
[0001] 本發明涉及仿真技術領域，尤其涉及一種模塊化多電平換流器的仿真裝置、仿真 系統及仿真方法。
【背景技術】
[0002] 柔性直流輸電技術是一種以電壓源換流器、自關斷器件和脈寬調制技術為基礎的 新型輸電技術;這種柔性直流輸電技術因具有有功-無功快速解耦控制、直流電壓穩定、占 地面積小等優點受到人們的廣泛關注，而且隨著電力電子技術的發展，基于模塊化多電平 換流器的柔性直流輸電（modular multilevel converter high voltage direct current，以下簡稱MMC-HVDC)在可再生能源并網、大容量遠距離輸電等領域得到了越來越 廣泛的應用。
[0003] 現有技術中為了提高MMC-HVDC系統的輸送容量與電能質量，模塊化多電平換流器 的每個橋臂通常由數百個子模塊串聯而成，而且為了滿足大容量遠距離架空線輸電的需 求，須采用具有直流故障自清除能力的子模塊拓撲結構;基于上述要求，相比于全橋式子模 塊，新型二極管箝位式子模塊在具備故障清除能力的同時，能夠顯著降低成本，具有較大應 用價值。
[0004] 為了保證MMC-HVDC系統穩定的運行狀態，一般會對模塊化多電平換流器建立電磁 暫態模型，并對所建立的電磁暫態模型進行電磁暫態仿真，以判斷MMC-HVDC系統在出現故 障時電氣量的變化情況。但由于模塊化多電平換流器米用了較多數量的子模塊，在MMC-HVDC系統運行時會產生大量的開關動作，而傳統的電磁暫態模型在開關狀態發生變位時， 會重新生成節點導納矩陣，并進行數次迭代運算，導致了電磁暫態仿真效率較低。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的在于提供一種模塊化多電平換流器的仿真裝置、仿真系統及仿真方 法用于解決現有的利用電磁暫態模型進行的電磁暫態仿真效率較低的問題。
[0006] 為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0007] 本發明的第一方面提供一種模塊化多電平換流器的仿真裝置，包括:相連接的電 網模型和等效模塊化多電平換流器，其中，
[0008] 所述等效模塊化多電平換流器包括等效為第一上橋臂的第一受控電壓源，等效為 第一下橋臂的第二受控電壓源，等效為第二上橋臂的第三受控電壓源，等效為第二下橋臂 的第四受控電壓源，等效為第三上橋臂的第五受控電壓源，等效為第三下橋臂的第六受控 電壓源；
[0009] 所述第一受控電壓源與第二受控電壓源串聯，構成所述等效模塊化多電平換流器 的第一相單元;第三受控電壓源與第四受控電壓源串聯，構成所述等效模塊化多電平換流 器的第二相單元;第五受控電壓源與所述第六受控電壓源串聯，構成所述等效模塊化多電 平換流器的第三相單元；
[0010] 所述第一受控電壓源、所述第二受控電壓源、所述第三受控電壓源、所述第四受控 電壓源、所述第五受控電壓源和所述第六受控電壓源均包括若干級聯的子模塊等效模型， 所述子模塊等效模型為二極管箝位式子模塊等效模型，所述子模塊等效模型包括單向導通 器件，以及與所述單向導通器件并聯的可變電阻，各所述子模塊等效模型均與對應的受控 電流源一一對應連接;各所述受控電流源均等效為對應的所述子模塊等效模型連接的外電 路，各所述受控電流源的輸出電流為對應的所述子模塊等效模型所在受控電壓源的電流。
[0011] 基于上述模塊化多電平換流器的仿真裝置的技術方案，本發明的第二方面提供一 種模塊化多電平換流器的仿真系統，包括全局求解器、局部求解器，以及上述模塊化多電平 換流器的仿真裝置；
[0012] 所述全局求解器用于獲得各受控電壓源對應的電流；
[0013] 所述局部求解器用于根據各所述受控電壓源對應的電流，獲得對應子模塊等效模 型的端口電壓；
[0014] 所述全局求解器還用于根據各所述子模塊等效模型的端口電壓，得到對應受控電 壓源的電壓值。
[0015] 基于上述模塊化多電平換流器的仿真系統的技術方案，本發明的第三方面提供一 種模塊化多電平換流器的仿真方法，所述模塊化多電平換流器的仿真方法由上述模塊化多 電平換流器的仿真系統實施，所述模塊化多電平換流器的仿真方法包括以下步驟：
[0016] 步驟101，采用全局求解器獲得各受控電壓源對應的電流；
[0017] 步驟102,局部求解器根據各所述受控電壓源對應的電流，獲得對應子模塊等效模 型的端口電壓；
[0018] 步驟103,所述全局求解器根據各所述子模塊等效模型的端口電壓，得到對應受控 電壓源的電壓值；
[0019] 步驟104,重復步驟101-步驟103,直到達到預設仿真時間結束。
[0020] 本發明提供的模塊化多電平換流器的仿真裝置中，模塊化多電平換流器中的各橋 壁均被等效為對應的受控電壓源，各橋壁中包括的若干子模塊均被等效為對應的子模塊等 效模型，因此，本發明提供的模塊化多電平換流器的仿真裝置能夠通過采用全局求解器和 局部求解器相互配合，交替計算后獲得對應時段的仿真結果;獲得仿真結果的過程中，不需 要進行迭代計算，即仿真步長固定不變;因此，本發明實施例提供的模塊化多電平換流器的 仿真裝置在保證了仿真準確率的同時提高了仿真效率。
【附圖說明】
[0021] 此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發 明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
[0022] 圖1為現有技術中三相模塊化多電平換流器結構示意圖；
[0023]圖2為本發明實施例提供的仿真裝置電路圖；
[0024] 圖3為本發明實施例提供的三相模塊化多電平換流器解耦等效模型示意圖；
[0025] 圖4為本發明實施例提供的子模塊解耦等效模型示意圖；
[0026] 圖5為現有技術中子模塊的電路圖；
[0027] 圖6為本發明實施例提供的子模塊等效模型電路圖；
[0028] 圖7為本發明實施例提供的仿真流程示意圖；
[0029] 圖8為本發明實施例提供的仿真時間對比示意圖。
[0030] 附圖標記：
[0031] 1-全局求解器，2-局部求解器。
【具體實施方式】
[0032] 為了進一步說明本發明實施例提供的模塊化多電平換流器的仿真裝置、仿真系統 及仿真方法，下面結合說明書附圖進行詳細描述。
[0033] 請參閱圖1，本發明實施例提供的模塊化多電平換流器的仿真裝置所仿真的模塊 化多電平換流器為二極管箝位式模塊化多電平換流器，且模塊化多電平換流器包括三相， 其中的每一相均包括兩個串聯的橋壁，即串聯在一起的上橋臂和下橋臂；各上橋臂和各下 橋臂均包括若干級聯的子模塊，以及與若干級聯的子模塊串聯的一個橋臂電抗器L，子模塊 為二極管箝位式子模塊。
[0034] 圖 1 中的SM_ap_l至 SM_ap_n; SM_bp_l至 SM_bp_n; SM_cp_l 至 SM_cp_n 分別代表對應 相的上橋臂所包括的若干子模塊，3]\1_&11_1至3]\1_&11_11; SM_bnj至SM_bn_n; SM_cnj至SM_ cn_n分別代表對應相的下橋臂所包括的若干子模塊；iap，ibP，ic；P分別代表對應相的上橋臂 電流，i an，ibn，:^分別代表對應相的下橋臂電流，即iap，ibP，icp，i an，ibn，:^分別代表對應的 受控電壓源的電流，Ud。為模塊化多電平換流器的直流電壓。
[0035] 請參閱圖2,本發明實施例提供的模塊化多電平換流器的仿真裝置，包括:相連接 的電網模型和等效模塊化多電平換流器，圖2中u abc為電網模型的三相電壓、BjPBc為三相交 流母線，Rt為變壓器漏阻，Lt為變壓器漏感，R s為啟動電阻，Ks為啟動電阻旁路開關，iab。為模 塊化多電平換流器的三相交流電流，v abc為模塊化多電平換流器的三相橋端電壓，MMC為等 效模塊化多電平換流器，Rd。為直流短路電阻，Kd。為短路故障開關，Ihd為直流負載。
[0036] 請參閱圖3,等效模塊化多電平換流器包括等效為第一上橋臂的第一受控電壓源 Uap，等效為第一下橋臂的第二受控電壓源Uan，等效為第二上橋臂的第三受控電壓源U bp，等 效為第二下橋臂的第四受控電壓源Ubn，等效為第三上橋臂的第五受控電壓源U CP，等效為第 三下橋臂的第六受控電壓源Ucn。各受控電壓源的輸出電壓即為與該受控電壓源對應的橋臂 的電壓，各受控電壓源的輸出電壓為對應的若干子模塊的輸出電壓Usm之和。
[0037] 第一受控電壓源Uap與第二受控電壓源Uan串聯，構成等效模塊化多電平換流器的 第一相單元;第三受控電壓源U bp與第四受控電壓源Ubn串聯，構成等效模塊化多電平換流器 的第二相單元;第五受控電壓源U CP與第六受控電壓源Ucn串聯，構成等效模塊化多電平換流 器的第三相單元。第一受控電壓源U ap、第二受控電壓源Uan、第三受控電壓源Ubp、第四受控電 壓源U bn、第五受控電壓源UCP和第六受控電壓源Ucn均包括若干級聯的子模塊等效模型，子模 塊等效模型為二極管箝位式子模塊等效模型，子模塊等效模型包括單向導通器件，以及與 單向導通器件并聯的可變電阻，各子模塊等效模型均與對應的受控電流源一一對應連接； 各受控電流源均等效為對應的子模塊等效模型連接的外電路，各受控電流源的輸出電流為 對應的子模塊等效模型所在受控電壓源的電流。
[0038] 具體的，請參閱圖4,用一個受控電流源代替了子模塊以外的電路，圖4中ilx代表對 應的受控電壓源的電流，u sm_lx^代表子模塊等效模型的端口電壓;其中，下標i的取值為對 應的a相、b相或c相，下標x的取值為對應的上橋臂p或下橋臂n，下標j的取值為1至n(即第一 子模塊等效模型至第η子模塊等效模型）。受控電壓源的電流為對應的子模塊等效模型所在 受控電壓源的電流，即為受控電壓源對應橋臂的橋臂電流。
[0039] 請參閱圖7,本發明實施例提供的模塊化多電平換流器的仿真裝置中，模塊化多電 平換流器中的各橋壁均被等效為對應的受控電壓源，各橋壁中包括的若干子模塊均被等效 為對應的子模塊等效模型，因此，本發明實施例提供的模塊化多電平換流器的仿真裝置能 夠通過采用全局求解器1和局部求解器2相互配合，交替計算后獲得對應時段的仿真結果； 獲得仿真結果的過程中，不需要進行迭代計算，即仿真步長固定不變；因此，本發明實施例 提供的模塊化多電平換流器的仿真裝置在保證了仿真準確率的同時提高了仿真效率。
[0040] 請參閱圖5，實際子模塊包括:第一電容C1、第二電容C2、第四二極管D4、反并聯連 接的第一開關管S1和第一二極管D1、反并聯連接的第二開關管S2和第二二極管D2、反并聯 連接的第三開關管S3和第三二極管D3;其中，第一二極管D1的正極與第二二極管D2的負極 連接，且第一二極管D1的正極連接到子模塊的正輸出端，第一二極管D1的負極連接到第一 電容C1的一端，第一電容C1的另一端與第二電容C2的一端連接，且第一電容C1的另一端連 接到第四二極管D4的負極，第二二極管D2的正極與第三二極管D3的正極連接，且第二二極 管D2的正極連接到第二電容C2的另一端，第三二極管D3的負極與第四二極管D4的正極連 接，且第三二極管D3的負極連接到子模塊的負輸出端。圖5中的U cl代表第一電容C1兩端的電 壓，1]。2代表第二電容C2兩端的電壓。
[0041] 將實際子模塊中的第一開關管S1等效為第一可變電阻、第二開關管S2等效為第二 可變電阻、第三開關管S3等效為第三可變電阻，在第四二極管D4并聯第四可變電阻，以獲得 子模塊等效模型。具體的，請參閱圖6,上述實施例提供的子模塊等效模型包括:第一電容 C1、第二電容C2、并聯的第一可變電阻和第一二極管D1、并聯的第二可變電阻和第二二極管 D2、并聯的第三可變電阻和第三二極管D3、并聯的第四可變電阻和第四二極管D4;其中，第 一二極管D1的正極與第二二極管D2的負極連接，第一二極管D1的正極與子模塊等效模型的 正輸出端連接，第一二極管D1的負極與第一電容C1的一端連接，第一電容C1的另一端與第 二電容C2的一端連接，第一電容C1的另一端與第四二極管D4的負極連接，第二二極管D2的 正極與第三二極管D3的正極連接，第二二極管D2的正極與第二電容C2的另一端連接，第三 二極管D3的負極與第四二極管D4的正極連接，第三二極管D3的負極與子模塊等效模型的負 輸出端連接。
[0042]通過限定上述子模塊等效模型的具體結構，能夠采用局部求解器獲得各子模塊等 效模型的端口電壓，全局求解器再根據各子模塊等效模型的端口電壓獲得最終仿真結果。
[0043] 本發明實施例還提供了一種模塊化多電平換流器的仿真系統，包括全局求解器1、 局部求解器2,以及上述實施例提供的模塊化多電平換流器的仿真裝置;其中，全局求解器1 用于獲得各受控電壓源對應的電流;局部求解器2用于根據各受控電壓源對應的電流，獲得 對應子模塊等效模型的端口電壓;全局求解器1還用于根據各子模塊等效模型的端口電壓， 得到對應受控電壓源的電壓值。
[0044] 更詳細的說，請參閱圖7,采用的全局求解器1的種類可以根據計算平臺的不同而 不同，一般均包含求解輸出方程、求解狀態方程、異常處理、步長控制（仿真步長加1)、調用 局部求解器2(外部函數）等功能模塊。本發明實施例提供的全局求解器1具備以上基本功 能，能夠獲得模塊化多電平換流器的仿真裝置中每一個受控電壓源對應的電流。需要說明 的是，能夠選擇的全局求解器1的具體形式多種多樣，例如：由通用電磁暫態仿真軟件提供 的全局求解器1，更具體的，采用MATLAB/Simul ink軟件的SymPowerSystems工具包作為全局 求解器1。此外，關于全局求解器1的具體使用方式為現有技術，此處不做詳細說明。
[0045] 上述局部求解器2能夠根據各受控電壓源對應的電流獲得對應子模塊等效模型的 端口電壓;再將各子模塊等效模型的端口電壓傳輸至全局求解器1，全局求解器1能夠將每 一個受控電壓源對應的若干子模塊等效模型的端口電壓進行加和，以獲得每一個橋臂對應 的受控電壓源的電壓值。
[0046] 值得注意的是，對于模塊化多電平換流器的時域仿真，一般會將仿真時段按照仿 真步長分為若干個小時段，對于每個小時段的仿真，就需要全局求解器1和局部求解器2進 行一次計算，以獲得該時段對應的仿真結果，因此，通過全局求解器1和局部求解器2交替計 算即能夠獲得模塊化多電平換流器在整個仿真時段的時域仿真結果。
[0047] 本發明實施例提供的模塊化多電平換流器的仿真系統中，采用了上述實施例提供 的模塊化多電平換流器的仿真裝置，通過全局求解器1和局部求解器2配合計算以獲得仿真 結果;這種仿真系統對應每一段仿真步長，全局求解器1和局部求解器2均配合進行一次計 算過程，以獲得該時段的仿真結果;獲得仿真結果的過程中，不需要進行迭代計算，即仿真 步長固定不變；因此，本發明實施例提供的模塊化多電平換流器的仿真系統在保證了仿真 準確率的同時提高了仿真效率。
[0048] 在實際仿真過程中，在穩定和直流短路故障情況下，采用等效模型(本發明實施例 提供)和參考模型(現有的)所獲得的直流電壓曲線、子模塊的端口電壓曲線、模塊化多電平 換流器的三相交流電流曲線基本重合；即本發明實施例提供的模塊化多電平換流器的仿真 系統能夠較準確地反映故障前后，模塊化多電平換流器的直流電壓、子模塊的端口電壓、三 相交流電流特性以及故障清除過程。
[0049] 而且，根據直流電壓的相對誤差AUd。的計算公式：
[0051]能夠得到直流電壓的相對誤差Δ Udc基本小于1 %。需要說明的是，IT dc代表采用現 有參考模型獲得的直流電壓，Ud。代表采用本發明實施例提供的等效模型獲得的直流電壓。 [0052]更進一步的說，采用Thinkpad T450s筆記本電腦（CPU: i7-5600U@2.6GHz 2.6GHz， RAM: 7.7GB，OS: Windows 7x64)作為仿真用計算機，仿真的時間為啟動過程（1 s)。請參閱圖 8，圖中的橫坐標代表每一個橋臂所包括的子模塊數量，縱坐標代表仿真消耗的時間，實線 代表采用現有參考模型獲得的參考波形，虛線代表采用本發明實施例提供的等效模型獲得 的參考波形。從圖8中可以看出：采用現有技術中參考模型時，隨著子模塊數量的增加，仿真 過程所需要的時間大幅度增加，而采用本發明實施例提供的等效模型時，隨著子模塊數量 的增加，仿真過程所需要的時間增加不明顯；因此，在子模塊數較多的情況下，本發明實施 例提供的模塊化多電平換流器的系統具有更高的仿真效率。
[0053]上述實施例提供的局部求解器2包括依次連接的參數獲取單元、電阻更新單元、節 點電壓更新單元以及端口電壓輸出單元;其中，參數獲取單元用于對子模塊等效模型所對 應的各個狀態分別進行離散化，得到延時電流導納矩陣G和一組支路阻抗矩陣Zj。電阻更新 單元用于根據模塊化多電平換流器中當前子模塊的開關元件對應的驅動信號、以及當前子 模塊等效模型中的單向導通器件的延時端電壓，得到可變電阻的取值;確定目標支路阻抗 矩陣Zl，其中iej。需要說明的是，確定子模塊等效模型中各可變電阻的阻值后，即能夠確 定在此狀態下對應的目標支路阻抗矩陣Zi，目標支路阻抗矩陣&為&中的一種情況。
[0054] 節點電壓更新單元用于根據受控電壓源對應的電流、延時電流導納矩陣G、延時節 點電壓和目標支路阻抗矩陣Zi，獲得對應的當前節點電壓。端口電壓輸出單元用于根據當 前節點電壓獲得端口電壓。節點電壓指子模塊等效模型中包括的各個節點所對應的電壓 值，根據子模塊等效模型的具體結構，以及子模塊等效模型中各個節點的電壓值，能夠獲得 子模塊等效模型具體的端口電壓值。
[0055] 本發明實施例還提供了一種模塊化多電平換流器的仿真方法，模塊化多電平換流 器的仿真方法由上述實施例提供的模塊化多電平換流器的仿真系統實施，模塊化多電平換 流器的仿真方法包括以下步驟：
[0056] 步驟101，采用全局求解器1獲得各受控電壓源對應的電流；
[0057]步驟102,局部求解器2根據各受控電壓源對應的電流，獲得對應子模塊等效模型 的端口電壓；
[0058]步驟103,全局求解器1根據各子模塊等效模型的端口電壓，得到對應受控電壓源 的電壓值；
[0059] 步驟104,重復步驟101-步驟103,直到達到預設仿真時間結束。
[0060] 上述實施例提供的局部求解器2根據當前各受控電壓源對應的電流，獲得對應子 模塊等效模型的端口電壓包括以下步驟：
[0061] 步驟201，對子模塊等效模型所對應的各個狀態分別進行離散化，得到延時電流導 納矩陣G和一組支路阻抗矩陣Zj;
[0062] 步驟202,根據模塊化多電平換流器中當前子模塊的開關元件對應的驅動信號、以 及當前子模塊等效模型中的單向導通器件的延時端電壓，得到可變電阻的取值;確定目標 支路阻抗矩陣Zi，其中iej;
[0063] 步驟203,根據受控電壓源對應的電流、延時電流導納矩陣G、延時節點電壓和目標 支路阻抗矩陣Zi，獲得對應的當前節點電壓；
[0064] 步驟204,根據當前節點電壓獲得端口電壓。
[0065] 為了更清楚的說明模塊化多電平換流器的仿真方法，基于上述實施例提供的具體 的子模塊等效模型，對仿真方法的具體過程進行說明。
[0066] 請參閱圖6,在上述步驟201中，得到的一組支路阻抗矩陣1為：
[0068]值得注意的是，由于每個可變電阻有兩個取值，因此能夠得到16個支路阻抗矩陣。 [0069]得到的延時電流導納矩陣G為：
[0071]其中，Ri為第一可變電阻的阻值，R2為第二可變電阻的阻值，R3為第三可變電阻的 阻值，R4為第四可變電阻的阻值，&為第一電容的容值，C2為第二電容的容值，T s為一個仿真 步長的時間長度。
[0072]在上述步驟202中，根據第一二極管D1的延時端電壓、第二二極管D2的延 時端電、第三二極管D3的延時端電壓廠^1?)和第四二極管D4的延時端電壓Z一1 (UD4)，以及模塊化多電平換流器中當前子模塊內第一二極管D1并聯的第一開關管S1的第一 驅動信號 81、與第二二極管D2并聯的第二開關管S2的第二驅動信號g2、與第三二極管D3并聯 的第三開關管S3的第三驅動信號g 3,獲得可變電阻的取值為：
[0075]其中，gl表不第一驅動信號，g2表不第二驅動信號，g3表不第三驅動信號，gi= 1表 示驅動信號驅動開關管打開，gl = 〇表示驅動信號驅動開關管關斷，Z<( ·)表示延時一個步 長操作(zIUdO即上一個步長時段對應的二極管兩端的電壓值），rcin為導通電阻， rciff為關 斷電阻。更詳細的說，當gi = l或Z-HUDi)大于等于0.7時，Ri取值為r〇n，當gi = 0且z-HUDi)小 于0.7時，Ri取值為r〇ff。
[0076] 在上述步驟203中，當前節點電壓仏為：
[0078] 其中，zlUn)為延時節點電壓，即上一個步長時段對應的節點電壓，i為受控電壓 源對應的電流，下標η代表不同節點所對應的編號;η的取值范圍為0-4，如圖6所示，No，他， N2，N3，N4代表子模塊中對應的節點，Uo，Ui，U2，U 3，U4分別代表對應節點的當前節點電壓。
[0079] 在上述步驟204中，根據當前節點電壓獲得端口電壓1^為：
[0080] Usm=[l 0 0 0]Un。
[0081] 值得注意的是，在上述步驟204中，除能夠獲得端口電壓仏0卜，還能夠根據節點電 壓獲得二極管端電壓、電容端電壓。
[0082]根據當前節點電壓獲得二極管端電壓UD為：
[0084]根據當前節點電壓獲得第一電容&端電壓Uq為：
[0085] UCj:=[0 0 1
[0086] 根據當前節點電壓獲得第二電容C2端電壓UC2為：
[0087] Uc2=[_l 0 0 l]Un。
[0088] 獲得的二極管端電壓、電容Q端電壓和電容C2端電壓能夠用于模塊化多電平換流 器的閉環控制。
[0089] 本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部 分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。
[0090] 以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵 蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種模塊化多電平換流器的仿真裝置，其特征在于，包括:相連接的電網模型和等效 模塊化多電平換流器，其中， 所述等效模塊化多電平換流器包括等效為第一上橋臂的第一受控電壓源，等效為第一 下橋臂的第二受控電壓源，等效為第二上橋臂的第三受控電壓源，等效為第二下橋臂的第 四受控電壓源，等效為第三上橋臂的第五受控電壓源，等效為第三下橋臂的第六受控電壓 源； 所述第一受控電壓源與第二受控電壓源串聯，構成所述等效模塊化多電平換流器的第 一相單元;第三受控電壓源與第四受控電壓源串聯，構成所述等效模塊化多電平換流器的 第二相單元;第五受控電壓源與所述第六受控電壓源串聯，構成所述等效模塊化多電平換 流器的第三相單元； 所述第一受控電壓源、所述第二受控電壓源、所述第三受控電壓源、所述第四受控電壓 源、所述第五受控電壓源和所述第六受控電壓源均包括若干級聯的子模塊等效模型，所述 子模塊等效模型為二極管箝位式子模塊等效模型，所述子模塊等效模型包括單向導通器 件，以及與所述單向導通器件并聯的可變電阻，各所述子模塊等效模型均與對應的受控電 流源一一對應連接；各所述受控電流源均等效為對應的所述子模塊等效模型連接的外電 路，各所述受控電流源的輸出電流為對應的所述子模塊等效模型所在受控電壓源的電流。2. 根據權利要求1所述的模塊化多電平換流器的仿真裝置，其特征在于，所述子模塊等 效模型包括:第一電容、第二電容、并聯的第一可變電阻和第一二極管、并聯的第二可變電 阻和第二二極管、并聯的第三可變電阻和第三二極管、并聯的第四可變電阻和第四二極管； 其中，所述第一二極管的正極與所述第二二極管的負極連接，所述第一二極管的正極與所 述子模塊等效模型的正輸出端連接，所述第一二極管的負極與所述第一電容的一端連接， 所述第一電容的另一端與所述第二電容的一端連接，所述第一電容的另一端與所述第四二 極管的負極連接，所述第二二極管的正極與所述第三二極管的正極連接，所述第二二極管 的正極與所述第二電容的另一端連接，所述第三二極管的負極與所述第四二極管的正極連 接，所述第三二極管的負極與所述子模塊等效模型的負輸出端連接。3. -種模塊化多電平換流器的仿真系統，其特征在于，包括全局求解器、局部求解器， 以及權利要求1或2所述的模塊化多電平換流器的仿真裝置； 所述全局求解器用于獲得各受控電壓源對應的電流； 所述局部求解器用于根據各所述受控電壓源對應的電流，獲得對應子模塊等效模型的 端口電壓； 所述全局求解器還用于根據各所述子模塊等效模型的端口電壓，得到對應受控電壓源 的電壓值。4. 根據權利要求3所述的模塊化多電平換流器的仿真系統，其特征在于，所述局部求解 器包括依次連接的參數獲取單元、電阻更新單元、節點電壓更新單元以及端口電壓輸出單 元;其中， 所述參數獲取單元用于對所述子模塊等效模型所對應的各個狀態分別進行離散化，得 到延時電流導納矩陣G和一組支路阻抗矩陣Zj; 所述電阻更新單元用于根據所述模塊化多電平換流器中當前子模塊的開關元件對應 的驅動信號、以及當前所述子模塊等效模型中的單向導通器件的延時端電壓，得到可變電 阻的取值;確定目標支路阻抗矩陣21，其中i e j; 所述節點電壓更新單元用于根據所述受控電壓源對應的電流、所述延時電流導納矩陣 G、延時節點電壓和所述目標支路阻抗矩陣Z1，獲得對應的當前節點電壓； 所述端口電壓輸出單元用于根據所述當前節點電壓獲得所述端口電壓。5. 根據權利要求3所述的模塊化多電平換流器的仿真系統，其特征在于，所述全局求解 器為通用電磁暫態仿真軟件提供的全局求解器。6. -種模塊化多電平換流器的仿真方法，其特征在于，所述模塊化多電平換流器的仿 真方法由權利要求3所述的模塊化多電平換流器的仿真系統實施，所述模塊化多電平換流 器的仿真方法包括以下步驟： 步驟101，采用全局求解器獲得各受控電壓源對應的電流； 步驟102,局部求解器根據各所述受控電壓源對應的電流，獲得對應子模塊等效模型的 端口電壓； 步驟103,所述全局求解器根據各所述子模塊等效模型的端口電壓，得到對應受控電壓 源的電壓值； 步驟104,重復步驟101-步驟103,直到達到預設仿真時間結束。7. 根據權利要求6所述的模塊化多電平換流器的仿真方法，其特征在于，所述局部求解 器根據當前各所述受控電壓源對應的電流，獲得對應所述子模塊等效模型的端口電壓包括 以下步驟； 步驟201，對所述子模塊等效模型所對應的各個狀態分別進行離散化，得到延時電流導 納矩陣G和一組支路阻抗矩陣Zj; 步驟202，根據所述模塊化多電平換流器中當前子模塊的開關元件對應的驅動信號、以 及當前所述子模塊等效模型中的單向導通器件的延時端電壓，得到可變電阻的取值;確定 目標支路阻抗矩陣Z1，其中i e j; 步驟203,根據所述受控電壓源對應的電流、所述延時電流導納矩陣G、延時節點電壓和 所述目標支路阻抗矩陣21，獲得對應的當前節點電壓； 步驟204，根據所述當前節點電壓獲得所述端口電壓。8. 根據權利要求7所述的模塊化多電平換流器的仿真方法，其特征在于，所述子模塊等 效模型包括:第一電容、第二電容、并聯的第一可變電阻和第一二極管、并聯的第二可變電 阻和第二二極管、并聯的第三可變電阻和第三二極管、并聯的第四可變電阻和第四二極管； 其中，所述第一二極管的正極與所述第二二極管的負極連接，所述第一二極管的正極與所 述子模塊等效模型的正輸出端連接，所述第一二極管的負極與所述第一電容的一端連接， 所述第一電容的另一端與所述第二電容的一端連接，所述第一電容的另一端與所述第四二 極管的負極連接，所述第二二極管的正極與所述第三二極管的正極連接，所述第二二極管 的正極與所述第二電容的另一端連接，所述第三二極管的負極與所述第四二極管的正極連 接，所述第三二極管的負極與所述子模塊等效模型的負輸出端連接； 在所述步驟201，所述一組支路阻抗矩陣&為：其中，R1為第一可變電阻的阻值，R2為第二可變電阻的阻值，R3為第三可變電阻的阻值， R4為第四可變電阻的阻值，C1為第一電容的容值，C2為第二電容的容值，T s為一個仿真步長 的時間長度； 在所述步驟202中，根據第一二極管的延時端電壓、第二二極管的延時端電壓、第三二 極管的延時端電壓和第四二極管的延時端電壓，以及所述模塊化多電平換流器中當前子模 塊內與所述第一二極管并聯的第一開關管的第一驅動信號、與所述第二二極管并聯的第二 開關管的第二驅動信號、與所述第三二極管并聯的第三開關管的第三驅動信號，獲得可變 電阻的取值為：其中，gl表示第一驅動信號，g2表示第二驅動信號，g3表示第三驅動信號， gl = l表示驅動 信號驅動開關管打開，gl = 〇表示驅動信號驅動開關管關斷，z<( ·)表示延時一個步長操 作，r〇n為導通電阻，rciff為關斷電阻； 在所述步驟203中，所述當前節點電壓仏為：其中，^1(Un)為延時節點電壓，i為所述受控電壓源對應的電流，下標η代表不同節點所 對應的編號； 在所述步驟204中，根據所述當前節點電壓獲得所述端口電壓Usm為： Usm=[l 0 0 0]Un〇9.根據權利要求8所述的模塊化多電平換流器的仿真方法，其特征在于，在所述步驟 204中，根據所述當前節點電壓獲得二極管端電壓Ud為：根據所述當前節點電壓獲得第一電容端電壓Uq為：根據所述當前節點電壓獲得第二電容端電壓Uc2為：
【文檔編號】H02J3/36GK106026159SQ201610614012
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月28日
【發明人】龔文明, 朱喆, 許樹楷, 饒宏
【申請人】南方電網科學研究院有限責任公司, 中國南方電網有限責任公司電網技術研究中心