基於rtds的mmc自定義子模塊的設計方法
2023-06-03 01:33:01
專利名稱：基於rtds的mmc自定義子模塊的設計方法
技術領域：
本發明屬於電力系統運行和控制技術領域，尤其涉及一種基於RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法。
背景技術：
近幾年，隨著風力發電、太陽能發電等可再生能源發電的發展，基於電壓源換流器的輕型直流輸電系統(VSC-HVDC)由於具有經濟、靈活、高可控性等優點，得到了快速的應用和發展。輕型直流輸電廣泛應用於可再生能源比如大型風電場併網、分布式發電併網、孤島供電、大城市電網供電、非同步交流電網互聯、多端直流輸電等領域。 但常規的VSC-HVDC系統一般採用兩電平或三電平電壓源型換流器，存在開關頻率高、輸出電壓諧波大、電壓等級低、換流站佔地面積大的缺點，此外還存在串聯器件動態均壓的問題。模塊化多電平換流器(MMC)新型靈活的拓撲結構很好的克服了傳統VSC-HVDC輸出電壓諧波大、換流站佔地面積大，開關損耗高的缺點，是目前最有前景的直流輸電方式。基於MMC的輕型直流輸電系統需要大量的子模塊(SM，sub-module)串聯，給實時仿真計算帶來了巨大的挑戰，特別是採用實時數字仿真器(real-time digitalsimulator, RTDS)對MMC換流器進行建模。在MMC系統中子模塊是換流器最基本也是最重要的組成單元，子模塊的運行情況關係到整個MMC系統的安全和可靠性，因此研究單個子模塊故障以及控制保護策略對基於MMC的輕型直流輸電系統具有重要的意義。但是在現有的RTDS軟體中可用於MMC系統建模的元件，是封裝好的橋臂，不能用於單個子模塊故障的控保策略的研究，這給RTDS與外接控保裝置的測試帶來了困難，因此開發可用於單個子模塊故障的MMC實時仿真系統，具有重大的現實意義的。
發明內容
針對背景技術中所述的實時數字仿真器RTDS自帶的模塊化多電平換流器MMC元件不能用於研究單個子模塊故障的控保策略問題，本發明提出了一種基於RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法。一種基於RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法，其特徵在於，所述方法具體包括以下步驟步驟I :對模塊化多電平換流器MMC子模塊所包括的元件進行建模；步驟2 :在步驟I中得到的數學模型的基礎上，得到子模塊SM的等效模型；步驟3 :根據子模塊不同的工作狀態，將子模塊等效模型，簡化成電導為g，注入電流源為ih(t)的諾頓等效模型，確定子模塊的計算模式；步驟4 :設定自定義子模塊的輸入輸出變量及自定義子模塊實現的功能；步驟5:定義子模塊的參數和各節點的類型，並生成自定義子模塊的頭文件rtdsSM. h ；
步驟6 :根據步驟2和步驟3得到的MMC子模塊的等效模型與計算模式，以及在步驟5生成的頭文件rtds SM.h，設計rtds SM的程序實現流程，並編寫實現自定義子模塊rtds SM的程序。步驟I中，具有控保電路的MMC子模塊包括絕緣柵雙極型電晶體IGBT、反並二極體、電容、旁路開關和旁路晶閘管，分別對子模塊的五種元件進行建模；(I)電容等效模型電容的電壓和電流的關係為
權利要求
1.一種基於RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法，其特徵在於，所述方法具體包括以下步驟 步驟I :對模塊化多電平換流器MMC子模塊所包括的元件進行建模； 步驟2 :在步驟I中得到的數學模型的基礎上，得到子模塊SM的等效模型； 步驟3 :根據子模塊不同的工作狀態，將子模塊等效模型，簡化成電導為g，注入電流源為ih(t)的諾頓等效模型，確定子模塊的計算模式； 步驟4 :設定自定義子模塊的輸入輸出變量及自定義子模塊實現的功能； 步驟5 :定義子模塊的參數和各節點的類型，並生成自定義子模塊的頭文件rtdS_SM. h ； 步驟6 :根據步驟2和步驟3得到的MMC子模塊的等效模型與計算模式，以及在步驟5生成的頭文件rtds_SM. h,設計rtds_SM的程序實現流程,並編寫實現自定義子模塊rtds_SM的程序。
2.根據權利要求I所述的一種基於RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法，其特徵在於，所述步驟I中，具有控保電路的MMC子模塊包括絕緣柵雙極型電晶體IGBT、反並二極體、電容、旁路開關和旁路晶閘管，具體對子模塊的五種元件進行建模過程如下 (O電容等效模型 電容的電壓和電流的關係為 應用梯形差分法將式(I)線性化，得
3.根據權利要求I所述的一種基於RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法，其特徵在於，所述步驟2中，在步驟I中五個元件數學模型的基礎上，由步驟I中的式(6)、(8)和(11)得到子模塊SM的等效模型，得到SM輸出的電壓為
4.根據權利要求I所述的一種基於RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法，其特徵在於，所述步驟3中，根據子模塊不同的工作狀態，將子模塊的等效模型，進一步化簡成電導為g，注入電流源為ih(t)的諾頓等效模型，得到子模塊基本計算模式包括 模式I :等效電容充放電模式電導g=l/Rm+G。，注入電流源為ih(t)； 模式2 :小電阻短路模式電導g=l/Rm，注入電流源為O ; 模式3 :大電阻開路模式電導S=IzXff，注入電流源為O。
5.根據權利要求I所述的一種基於RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法，其特徵在於，所述步驟6中，根據步驟2和步驟3得到的MMC子模塊的等效模型與基本計算模式，以及在步驟5生成的頭文件rtds_SM· h，設計rtds_SM的程序實現流程的過程包括以下步驟 步驟61 :根據所設定的輸入變量，首先判斷旁路開關信號Kf是否發生拒動故障 a)若&=1，表示不發生故障，則表徵旁路開關實際動作的信號Ps就是等於輸入的旁路開關動作信號K ； b)若KF=0，表示發生拒動故障，則判斷旁路開關的輸入動作信號K，若K=I，表示外界輸入的開關信號是斷開的，為了表示拒動，開關的實際動作信號Ps是不斷開，因此令Ps=O;同理當K=O時，令Ps=I ； 步驟62 :同時對旁路晶閘管的信號進行處理 T是晶閘管接收的外界輸入觸發導通信號，Tt是一個判斷輸入信號T上升沿的一個變量，一旦檢測到T的值為I時，令Tt = 1，晶閘管收到觸發導通信號；否則，Tt = O,晶閘管沒有收到觸發導通信號； 步驟63 :然後先對旁路開關的實際動作信號Ps進行判斷，旁路開關是否閉合 1)若Ps=0，表示旁路開關是閉合的，則子模塊直接進入小電阻計算模式2； 2)若&=1，表示旁路開關是斷開的，繼續判斷晶閘管的導通信號Tt的情況； 步驟64 :判斷晶閘管的導通信號Tt的情況 步驟641 :若1\ = 1，則說明晶閘管的觸發信號是導通，那么子模塊需要判斷子模塊的兩個節點的電位大小Vni和Vn2的關係 I.I)若VN1>VN2，則說明晶閘管反向不導通，判斷IGBT是否發生故障S1F和S2f分別表示上IGBT1和下IGBT2的故障信號，具體步驟如下 a)若S2F=1，表示下IGBT2發生短路故障，此時子模塊直接進入小電阻短路計算模式2，同時令子模塊狀態切換信號變ΤΕΜ_Ρ=0 ； b)若S2F=0，表示下IGBT2不發生故障，則此時再進一步判斷上IGBT1是否發生故障； ①S1F=1，表示上IGBT1發生短路故障，當FP2>0，即為高電平時，Fpi為低電平，子模塊進入計算模式2，同時令變量ΤΕΜ_Ρ=0 ;否則，當FP2〈=0，即為低電平時，Fpi為高電平，則進入切換信號的判斷先判斷切換信號TEM_P是否大於0，若ΤΕΜ_Ρ>0，則說明上個時間時刻子模塊是投入狀態，則更新電容電壓，子模塊進入計算模式I ;STEM_P〈=0，則說明上個時間時刻子模塊是切除狀態，則保持電容電壓為上個時刻的值，再進入計算模式1，最後再計算電容均壓信號Vctl ； ②S1F=0，表示上IGBT1不發生故障，則先判斷Fpi是否大於0，若FP1〈=0，則子模塊進入計算模式2，否則，FP1>0時，子模塊進入①中切換信號TEM_P的判斷部分； .1.2)若VN1〈VN2，則晶閘管和下IGBT的反並二極體導通，子模塊進入小電阻短路計算模式2 ； 步驟642 :若1\ = 0，則說明晶閘管沒有收到觸發導通信號，此時，子模塊的模型就只包括上下IGBT及對應的反並二極體，還有電容，此時需要判斷子模塊的運行狀態 .2.I)若EN=0，表示子模塊處於閉鎖狀態，即上IGBT和下IGBT的觸發電平Fpi和Fp2都是低電平，此時子模塊通過反並二極體D1和D2對電容充電或者子模塊被旁路當VN1>VN2時，進一步判斷電容電壓\c與兩個節點N1與N2間的壓差的關係，只有當VNe〈VN1-VN2時，子模塊電容充電，進入計算模式1，否則，子模塊進入大電阻開路計算模式3，即此時子模塊既不充電也不放電； . 2.2)若EN=1，表示子模塊處於非閉鎖狀態，具體的處理過程包括以下步驟 a)若S2F=1，表示下IGBT2發生短路故障，此時子模塊直接進入小電阻短路計算模式2，同時令子模塊狀態切換信號變ΤΕΜ_Ρ=0 ； b)若S2f= O，表示下IGBT2不發生故障，則此時再進一步判斷上IGBTl是否發生故障； ①S1F=1，表示上IGBT1發生短路故障，當FP2>0，即為高電平時，Fpi為低電平，子模塊進入計算模式2，同時令變量ΤΕΜ_Ρ=0 ;否則，當FP2〈=0，即為低電平時，Fpi為高電平，先判斷切換信號TEM_P是否大於O，若ΤΕΜ_Ρ>0，則說明上個時間時刻子模塊是投入狀態，則更新電容電壓，子模塊進入計算模式I ;STEM_P〈=0，則說明上個時間時刻子模塊是切除狀態，則保持電容電壓為上個時刻的值，再進入計算模式1，最後再計算電容均壓信號Vctl ； ②S1F=0，表示上IGBT1不發生故障，則先判斷Fpi是否大於0，若FP1〈=0，則子模塊進入計算模式2，否則，FP1>0時，子模塊進入判斷切換信號TEM_P是否大於0，若ΤΕΜ_Ρ>0，則說明上個時間時刻子模塊是投入狀態，則更新電容電壓，子模塊進入計算模式I ;STEM_P〈=0，則說明上個時間時刻子模塊是切除狀態，則保持電容電壓為上個時刻的值，再進入計算模式I，最後再計算電容均壓信號Vctl。
全文摘要
本發明公開了電力系統運行和控制技術領域的一種基於RTDS的MMC自定義子模塊的設計方法。其技術方案是，建立含有IGBT、旁路二極體和電容元件，以及用於子模塊控制和保護的旁路開關和旁路晶閘管元件的子模塊等效模型，並根據CBuilder的程序開發語言，編寫自定義子模塊的程序，實現子模塊的各種運行狀態。本發明的有益效果是，提出的自定義子模塊能正確模擬由單個元件組成的仿真模型，仿真精度高，並能結合載波相移調製策略，不需外部搭建電容均壓控制器，即可實現子模塊的電容均壓，減少了控制器的佔用資源。另外，子模塊的輸入端信號中可以輸出表徵子模塊故障的信號，用於測試子模塊的控保裝置。
文檔編號H02M3/07GK102969888SQ201210430909
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月1日 優先權日2012年11月1日
發明者劉崇茹, 林雪華, 李海峰, 林周宏 申請人:華北電力大學