改进式模块化多电平换流器快速仿真方法

提出了一种改进式模块化多电平换流器(MMC)快速仿真方法,与已有的模块化多电平换流器快速仿真方法相比,其改进体现在能够精确地对MMC闭锁状态下的桥臂进行模拟。改进式MMC快速仿真方法利用一个等效子模块替代一个桥臂,在MMC非闭锁情况下,桥臂等效为一个戴维南等效电路,与已有的MMC快速仿真方法相似;而在MMC闭锁情况下,桥臂将被等效为一个具有集中参数的半桥不控子模块。在PSCAD/EMTDC仿真软件中进行二阶段启动以及直流线路故障的仿真验证,已有的MMC快速仿真方法在处理MMC闭锁问题时由于未考虑二极管的插值问题,具有较大的计算误差,而所提出的改进式MMC快速仿真方法,很好地解决了二极管的插值问题,具有较高的仿真精度。     

基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器的建模

模块化多电平换流器（modular multilevel convener,MMC）主电路的搭建和仿真可以在实时数据仿真器（real time digital simulator,RTDS）的小步长环境下完成,由于目前的RTDS处理器计算容量不足以进行多达200电平的MMC仿真,为了尽可能在现有处理器运算情况下进行更大...     

基于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真建模与硬件在环实验

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)实时仿真平台可用于工程投运前控保装置的开发和测试,具有重要的指导意义。实际工程中MMC每个桥臂由大量子模块级联组成,给实时仿真带来巨大挑战。该文设计一种基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的MMC实时仿真建模方法,利用FPGA的并行特性实现MMC阀组的实时仿真计算,并将计算结果等值为RTDS小步长下的受控戴维南支路。将每个桥臂的子模块进行分组,每组通过FPGA流水线架构提高计算效率。通过与PSCAD/EMTDC下搭建的双端21电平模型在稳态、交直流暂态过程的仿真结果进行对比,验证所建FPGA模型的仿真精度,并与外接物理控制器进行硬件在环实验。实验结果表明,该模型可外接控制器,适用于系统级、阀级控制保护装置调试、大电网实时仿真等领域。     

基于PSCAD的大规模钳位双子模块-模块化多电平换流器高效仿真建模方法

采用钳位双子模块(CDSM)的模块化多电平换流器(MMC)具有较高开关器件利用率和直流故障穿越能力。针对大规模CDSM模块化多电平换流器(CDSM-MMC)仿真效率低的问题,分析了CDSM在闭锁状态和非闭锁状态下的不同动态特性,基于Dommel等值计算原理建立了一种戴维南等效模型。为了提高闭锁状态下的仿真精度,引入EMTDC中开关器件的函数接口,并设计了闭锁状态与正常状态切换的等效电路。同时,通过进一步简化,推导建立了开关信号模型。在PSCAD/EMTDC中搭建了CDSM模型和提出的两种模型,证明了所提出模型的仿真准确度和仿真效率。     

模块化多电平换流器型柔性直流系统的等效仿真方法比较

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电系统,其动态仿真分析面临着元件多、步长小、计算耗时极长的难题。比较了针对这一难题所提出的四种MMC等效仿真方法。通过比较四种等效方法与MMC详细电路仿真方法的仿真速度、对仿真步长的要求和不同稳定性侧面(低频振荡、短路故障、次同步振荡)的仿真精度,分析了四种等效方法各自的特点。分析结果为确定在不同分析目标和准确性要求下,应选择哪种等效仿真方法最合理提供了依据。同时该结果为进一步研究MMC型柔性直流输电系统的等效仿真方法奠定了基础。     

模块化柔直换流器内部环流振荡机理研究

作为一个典型的电力电子设备,模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)内部的子模块电容、桥臂电感等储能元件以及控制系统相互作用可能会诱发MMC的内部振荡。该文从小信号阻抗的角度出发研究MMC内部的环流振荡问题,建立MMC的环流阻抗模型,并评估主电路参数、环流控制器参数以及控制器延迟对MMC内部环流谐振特性的影响。该模型可以有效指导MMC内部稳定性设计,具有清晰的物理意义且方便工程设计人员的理解和使用。理论分析和仿真结果的对比表明,所提模型是有效的,并且具有较高的精度。     

基于RTDS的模块化多电平换流器子模块等效模型

采用模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电是目前最具前景的直流输电方式。MMC系统需要大量的子模块串联,这给实时仿真带来巨大挑战。文中在实时数字仿真仪(RTDS)中采用CBuilder建立了自定义子模块rtds_SM,不仅能够减少RTDS仿真中MMC子模块的占用资源,还能解决已有的MMC封装模块不能用于研究MMC系统子模块发生故障的特性及其控制保护策略的问题。对子模块中的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、反并联二极管、电容进行建模,实现了用于子模块控制和保护的旁路开关以及旁路晶闸管模型。所建立的rtds_SM具有8个输入和2个输出,能反映子模块的各种运行工况以及子模块的电容均压控制。仿真结果表明,提出的MMC子模块模型占用仿真资源小且仿真精度高。     

基于数值计算模型的MMC半桥型子模块仿真方法

模块化多电平换流器(MMC)的各半桥子模块均由两个开关组(1个IGBT和1个反并联的二极管)构成。针对MMC在包含的子模块规模较大的情况下,对采用电路模型分割法对MMC进行分割后的子模块进行仿真求解时仍然会占用较多资源,效率不高的问题,提出了基于数值计算模型的MMC半桥子模块仿真验证方法。首先通过分析三相MMC及其半桥子模块(HBSM)的工作机制,把半桥型子模块中的两个开关组等效为在高、低阻态不断切换的等效电阻并给出了其等效电路。然后针对电容支路的离散化问题,根据梯形积分法推导了MMC半桥型子模块的数值求解公式,给出了数值计算电路模型。最后基于MATLAB仿真平台建立了基于数值计算模型的半桥子模块仿真验证模型,通过与详细模型子模块的仿真波形对比分析,结果表明了所建立的子模块数值计算模型是可行的。     

钳位双子模块型MMC的电磁暂态等效模型

针对电磁暂态程序中钳位双子模块(clamp double sub-module,CDSM)的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)仿真速度慢的问题,提出一种CDSM电磁暂态等效模型。首先,将正常状态下CDSM的工作原理与半桥子模块(half bridge sub-module,HBSM)相比较,提出了基于HBSM等效模型原理的CDSM的等效模型。其次,通过对CDSM闭锁状态工作原理的分析,建立了CDSM闭锁状态的等效模型。然后,提出了一种过渡状态,消除了CDSM等效模型从正常状态跳入闭锁状态的计算误差。最后,在PSCAD/EMTDC环境中建立单端21电平的CDSM-MMC系统,通过与开关器件所搭建模型进行对比,验证了所提CDSM等效模型具有良好的仿真精度和高性能的仿真效率。     

考虑相对误差和计算复杂度的MMC最佳等效仿真电平数的确定方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)已经展现出极其重要的工程应用前景,然而,即使采用超高电平数的MMC精确等效模型也无法满足未来直流电网的需求。因此,对MMC高效模型进行相对误差分析,以寻求满足特定模型精度和计算效率的等效仿真最佳电平数具有重要意义。文中以451电平MMC戴维南等效模型为基准,首先提出精确仿真不同电平MMC时的仿真步长计算方法。然后根据MMC等效模型与详细模型的仿真误差,采用基于测量所得客观权重的改进层次分析法,将各电气量的相对误差整合为该电平数下MMC的综合相对误差。在与基准模型电气参数相同的一系列电平数MMC中,分别仿真和计算得到稳态、交流系统暂态和直流系统暂态情况下的相对误差曲线,同时测量3种工况下各电平数MMC的仿真用时,采用归一化方法和曲线拟合,得到各工况下的最佳电平数。进而利用基于客观权重的层次分析法,根据不同场合对精度和效率的需求,得到不同权重比下的综合MMC等效仿真最佳电平数。最后,通过仿真算例验证最佳电平数MMC模型的合理性和有效性     

集成排序网络的模块化多电平换流器实时仿真模型

为实现模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)的实时仿真,提出一种基于电力系统实时数字仿真器(real time digital simulation,RTDS)的高效MMC实时仿真模型,并应用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)开发实现。模型使用流水线技术进行MMC桥臂阀组的等值计算,采用双调排序网络实现电容电压快速均压控制,避免大量子模块电容电压和触发控制信号的实时吞吐。基于此模型搭建单端201电平仿真系统,与PSCAD/EMTDC模型进行了仿真对比测试,并对比分析不同流水线个数和电平数下FPGA资源占用情况和时间性能。结果表明,该模型具备较高的集成度和仿真精度,使用单个ML605开发板即可实现高达501电平单端MMC的实时仿真,适用于构建大规模MMC直流电网实时仿真平台。     

MMC子模块中IGBT等效模型的仿真验证

RTDS（real time digital simulation）上小步长仿真模块对开关元件的数量有严格的限制,而模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）的每个子模块都有2个电力电子开关元件IGBT。随着系统容量的不断增加,如何在有限的硬件资源中实现多电平系统的仿真成为实时仿真系统的瓶颈。对如何在RTDS大步长的环境中建立正确的IGBT元件等效模型进行了分析,根据IGBT在MMC子模块（sub-module,SM）中的工作原理,采用开关函数建立IGBT的等效数学模型。该模型能够有效减小仿真占用的资源,扩大仿真容量,在大步长环境下能够正确表征IGBT的运行特性。采用Matlab验证了所建立的IGBT模型的可行性和正确性。     

MMC通用快速仿真模型及其在多端直流系统中的应用北大核心CSCD

为了研究复杂交直流网络下模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)与电网的交互影响问题,本文提出了一种普遍适用于多种拓扑变化的MMC通用快速仿真模型。首先,利用可控电压源、理想开关和二极管来等效不同拓扑在各种运行状态下的电路结构,得到桥臂通用简化电路,实现了MMC的动态特性和控制行为的准确模拟;其次,通过对多子模块开关和调制过程进行平均化等值,计算出桥臂动态平均值,避免了大规模节点导纳矩阵的动态求解,实现了仿真效率的提升。基于PSCAD/EMTDC平台,验证了所建立仿真模型的仿真精度和仿真速度;最后,应用MMC通用快速仿真模型,研究了多端柔性直流系统的关键控制策略和直流故障保护问题。     

MMC通用快速仿真模型及其在多端直流系统中的应用

为了研究复杂交直流网络下模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)与电网的交互影响问题,本文提出了一种普遍适用于多种拓扑变化的MMC通用快速仿真模型。首先,利用可控电压源、理想开关和二极管来等效不同拓扑在各种运行状态下的电路结构,得到桥臂通用简化电路,实现了MMC的动态特性和控制行为的准确模拟;其次,通过对多子模块开关和调制过程进行平均化等值,计算出桥臂动态平均值,避免了大规模节点导纳矩阵的动态求解,实现了仿真效率的提升。基于PSCAD/EMTDC平台,验证了所建立仿真模型的仿真精度和仿真速度;最后,应用MMC通用快速仿真模型,研究了多端柔性直流系统的关键控制策略和直流故障保护问题。     

基于钳位双子模块的MMC故障清除和重启能力分析

针对当前已投入运行的高压直流(HVDC)输电工程中模块化多电平换流器(MMC)不具备直流侧故障电流闭锁能力的问题,分析了一种可自清除直流侧故障电流并且可重启动的MMC拓扑——基于钳位双子模块的MMC。这种拓扑可在发生直流故障时通过闭锁所有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的触发信号和利用二极管的反向阻断能力迅速完成闭锁过程,从而达到无需交流断路器动作实现清除直流故障的目的。这种拓扑将半桥模块化MMC的调制方法和控制策略与可清除直流故障能力结合在一起,且具有结构简单、造价经济等特点。通过对半桥模块化MMC和钳位双子模块MMC在直流侧双极短路故障情况下的故障电流进行分析和仿真,验证了基于钳位双子模块的MMC在处理直流侧故障方面的能力和效果。     

基于大规模子模块群的MMC建模与快速仿真算法

对高压大容量模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)和基于MMC的直流输电系统进行仿真时,子模块数目众多,导致了仿真速度缓慢。针对该问题,分析了MMC桥臂的电气行为,建立了在闭锁状态和解闭锁状态时桥臂的数学模型。对该数学模型进行简化后,建立了桥臂的等效电路和等效电气关系,使之能够模拟桥臂的闭锁状态和解闭锁状态。为验证桥臂的等效电路和等效电气关系的准确性,设计了一个柔性直流输电系统,并在仿真软件中搭建了基于详细MMC模型和简化MMC模型的直流输电系统,对MMC的启动、解闭锁、稳态过程和直流故障过程进行了仿真。仿真结果表明,2种仿真模型的电气行为基本保持一致,验证了简化MMC模型的准确性。     

V/f控制MMC带换流变压器空载充电发生高频振荡的机理分析

风电经柔性直流输电并网系统中，V/f控制的模块化多电平换流器(MMC)带换流变压器空载充电时可能发生高频振荡，换流变压器动态和MMC控制环节动态对系统高频振荡有较大影响。文中研究V/f控制MMC带换流变压器空载充电发生高频振荡的机理，分析交流电路参数和MMC控制参数对系统高频小干扰稳定性的影响。首先，建立考虑换流变压器杂散电容的送端MMC换流站谐波状态空间模型，通过分析换流变压器杂散电容变化时的特征值轨迹，并与时域仿真结果进行对比，说明高频小干扰稳定性分析中考虑杂散电容的必要性。然后，对MMC带换流变压器空载充电时的高频振荡模式进行参与因子分析，确定参与程度较高的状态变量和关键环节，建立适用于高频小干扰稳定性分析的降阶模型，并利用阻抗特性分析揭示系统发生高频振荡的机理。最后，通过计算系统特征值轨迹，分析交流电路参数和MMC控制参数对系统高频小干扰稳定性的影响，利用电磁暂态仿真验证了分析结果的正确性。     

基于分层控制的模块化多电平变流器模型预测控制方法

为了解决传统模块化多电平变流器(MMC)控制器参数过多,参数整定复杂且对控制参数敏感,以及已有MMC模型预测控制(MPC)方法计算量过大、实用性不强等问题,提出一种新型MMC模型预测控制方法,通过建立相应代价函数对MMC相电流、桥臂环流和子模块电压进行分层控制,从而大幅度减少计算量。对相电流模型预测控制的误差进行理论分析并提出补偿措施,提高了相电流控制精度。在Matlab/Simulink平台搭建了11电平MMC仿真系统进行仿真验证。结果表明,新型MMC模型预测控制方法单次运算耗时仅为已有模型预测控制方法的0.24%,相电流误差得到有效校正补偿,功率响应时间短且无超调,验证了新型MMC模型预测控制方法具有计算量低、动态响应快、稳态精度高的特性。     

模块化多电平换流器快速电磁暂态仿真模型

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电磁暂态仿真耗时过长的问题,提出了2种MMC快速仿真模型。通过分析MMC子模块原理,提出将MMC桥臂等效为自定义数值计算模块与受控电压源组合的数值计算详细模型;并在该模型的基础上设计了一种将独立子模块电磁暂态模型和一般子模块数值计算模型结合的混合模型仿真方法,弥补了数值计算模型难以模拟子模块电磁暂态过程的缺陷。为了进一步提高模型的仿真速度,通过简化MMC的电压均衡控制及子模块状态的差异性,建立了数值计算平均值模型。在PSCAD/EMTDC上搭建MMC-HVDC模型,对所提出的快速仿真模型及仿真方法的有效性进行了验证。     

级联结构SSSC的RTDS小步长建模

针对RTDS小步长模型应用的难点。建立了SSSC的小步长(<2μs)仿真模型,其SSSC采用H桥级联加单相耦合变压器的主电路接线方式,调制方法为可在线计算逆变器触发角的阶梯波调制,控制策略为恒阻抗控制。针对RTDS建模的特点,探讨了建立电压源逆变器小步长仿真模型的几点注意问题,给出了建立H桥级联式SSSC的RTDS模型的具体实现方法。对比分析不同运行工况下RTDS模型与EMTDC/PSCAD4.02模型的仿真结果,验证了所建立的SSSCRTDS模型的正确性。