基于狀態(tài)機(jī)的MMC換流閥快速建模方法與仿真實(shí)現(xiàn)

任佳佳

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030036)

0 引言

柔性直流輸電是20世紀(jì)90年代開始發(fā)展的一種新型的高壓直流輸電技術(shù)，其主要特點(diǎn)是采用具有自關(guān)斷能力的全控型電力電子器件構(gòu)成的電壓源變流器(voltage sourced converter，VSC)，取代了常規(guī)直流輸電中基于半控晶閘管器件的電流源變流器。在VSC-HVDC的建模中，基于半橋兩電平，使用的半導(dǎo)體器件較少，采用詳細(xì)的電力電子模型對(duì)仿真速度的影響較小，但是隨著電力電子器件數(shù)目越來越多，已不能繼續(xù)采用詳細(xì)模型，在換流閥與直流斷路器閥的建模方面，給閥的建模帶來了挑戰(zhàn)[1]。通常采用的模型有平均值模型和連續(xù)模型兩類。

平均值模型(averaged value model，AVM)，在換流器層面進(jìn)行等值，分別形成交、直流側(cè)的獨(dú)立模型，再通過功率守恒將交、直流側(cè)模型聯(lián)系起來。AVM不包含具體的子模塊模型，只體現(xiàn)MMC的外部特性，仿真效率非常高，適合于電網(wǎng)級(jí)研究。但是，AVM這種交、直流側(cè)單獨(dú)建模的方式，破壞了交流側(cè)和直流側(cè)的真實(shí)電路結(jié)構(gòu)，決定了它無法準(zhǔn)確地模擬MMC直流故障特性、閉鎖等重要的暫態(tài)行為，這是AVM的主要問題。通過很多附加電路改進(jìn)了AVM的交直流側(cè)電路結(jié)構(gòu)，使AVM能夠體現(xiàn)MMC在直流故障條件下的故障特性以及換流器閉鎖功能[2，3]。但是，改進(jìn)后的AVM只是針對(duì)半橋式MMC這種簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)于眾多的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的MMC改進(jìn)拓?fù)?，想要建立相?yīng)的AVM模型就會(huì)比較困難。

連續(xù)模型(continuous model，CM)，在橋臂層面進(jìn)行等值，利用可控電壓源等效橋臂的子模塊電容串，不包含子模塊模型，對(duì)橋臂內(nèi)部子模塊進(jìn)行平均化處理后，動(dòng)態(tài)計(jì)算可控電壓源，避免了節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的動(dòng)態(tài)求解。CM不但具有較高的仿真效率，而且能夠準(zhǔn)確地體現(xiàn)換流器解/閉鎖狀態(tài)、各類交直流故障等暫態(tài)行為。此外，與AVM不同，CM保留了橋臂的結(jié)構(gòu)，只是對(duì)橋臂內(nèi)子模塊進(jìn)行歸一化處理。當(dāng)子模塊結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，橋臂等值電路的建立也比較簡(jiǎn)單直觀，CM具有便捷地拓展建立各種MMC改進(jìn)拓?fù)浞抡婺Ｐ偷臐撡|(zhì)。

為了表征模型半導(dǎo)體功率器件的開關(guān)過程，準(zhǔn)確地仿真換流閥內(nèi)部的特征，本文提出一種基于狀態(tài)機(jī)的MMC-HVDC的快速建模方法，根據(jù)子模塊的狀態(tài)，將模塊分為子模塊投入狀態(tài)、子模塊將投入狀態(tài)，子模塊旁路狀態(tài)和子模塊將被旁路四種狀態(tài)。根據(jù)需要改變的狀態(tài)，來改變4種類型中的子模塊數(shù)量，每種狀態(tài)都是基于詳細(xì)模型來實(shí)現(xiàn)。

1 模塊化多電平與子模塊工作狀態(tài)

1.1 模塊化多電平

模塊化多電平(modular multilevel converter, MMC)的電路拓?fù)淙鐖D1所示，其用到的元器件數(shù)量和電平數(shù)成正比，是由大量?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)相同的低電壓等級(jí)的半橋子模塊(sub-module,SM)串聯(lián)疊加而成。由于MMC自身固有的“模塊化”構(gòu)造，可以方便地得到較高電平的多電平電壓輸出，波形品質(zhì)較為出色。理想情況下，當(dāng)輸出電平增大時(shí)，即會(huì)逼近標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，因此MMC可以采用較低的開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)控制目的。MMC的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

1) 模塊化和可擴(kuò)展性可以滿足任何電壓等級(jí)的要求；

2) 優(yōu)越的諧波特性，能夠在省去低頻變壓器和無源濾波裝置的情況下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)低諧波含量的高電壓輸出，并且不需要增加變換器的開關(guān)頻率；

3) 效率高，單個(gè)開關(guān)器件的開關(guān)頻率較低，等效開關(guān)頻率高，以高效率輸出了較高的電能質(zhì)量；

4) 具有較強(qiáng)的故障保護(hù)能力，可以通過子模塊的冗余設(shè)計(jì)提升MMC系統(tǒng)的故障穿越能力。

圖1 Siemens模塊化多電平(MMC)電路拓?fù)?/p>

1.2 子模塊工作模式分析

子模塊由電容和兩個(gè)功率模塊組成，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)與電流方向，子模塊有三種工作模式，如圖2所示。

兩個(gè)IGBT均閉鎖的模式下，根據(jù)外部電壓方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)子模塊的充電，沒有放電過程。當(dāng)VT1開通、VT2閉鎖的模式下，子模塊輸出電壓為電容電壓，電流能夠雙向流動(dòng)，分別對(duì)電容進(jìn)行充放電；當(dāng)VT2開通、VT1閉鎖的模式下，子模塊輸出電壓為零，電流能夠雙向流動(dòng)，電容被旁路。

圖2 子模塊工作模式

2 基于狀態(tài)機(jī)的模塊化多電平的快速建模

2.1 基本原理

根據(jù)模塊化電壓源換流閥，由于涉及的子模塊數(shù)量較多，采用詳細(xì)模型建模將導(dǎo)致系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣龐大、無法求解的問題，通常采用的有換流閥戴維南等值電路的方法，將換流閥等效為一個(gè)受控電壓源與等效電阻串聯(lián)的電路，實(shí)現(xiàn)與電氣網(wǎng)絡(luò)的接口。但是該方法忽略了開關(guān)器件的開關(guān)過程，不能實(shí)現(xiàn)閥體本身，如功率器件的開關(guān)等的暫態(tài)過程。為此，提出了基于狀態(tài)機(jī)的MMC換流閥快速建模方法。

根據(jù)子模塊狀態(tài)，將換流閥表示為四種狀態(tài)：子模塊投入狀態(tài)、子模塊待投入狀態(tài)、子模塊待切除狀態(tài)和子模塊切除狀態(tài)，每種狀態(tài)用一個(gè)詳細(xì)模塊來實(shí)現(xiàn)。假如有N個(gè)子模塊投入，M個(gè)子模塊切除狀態(tài)，則子模塊投入狀態(tài)為N-1個(gè)，子模塊待切除狀態(tài)為1個(gè)，子模塊待切除狀態(tài)為1個(gè)，子模塊切除狀態(tài)為M-1個(gè)。

圖3 換流閥四種狀態(tài)

2.2 實(shí)施過程

根據(jù)當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，利用待投入或待切除狀態(tài)的子模塊來實(shí)現(xiàn)具體的變換過程，當(dāng)需要投入一個(gè)子模塊時(shí)，則將待投入子模塊投入，也就是待投入模塊變?yōu)橥度肽K，子模塊投入狀態(tài)為N-1個(gè)；在下一個(gè)時(shí)刻，將投入的子模塊歸入已投入模塊，子模塊投入狀態(tài)為N個(gè)，恢復(fù)待投入子模塊狀態(tài)。

切除過程與此類似，如需要切除一個(gè)子模塊時(shí)，則將待切除子模塊切除，也就是待切除模塊變?yōu)榍谐K，子模塊切除狀態(tài)為M-1個(gè)；在下一個(gè)時(shí)刻，將切除的子模塊歸入已切除模塊，子模塊切除狀態(tài)為M個(gè)，恢復(fù)待切除子模塊狀態(tài)。

綜上可得，這樣就能利用4個(gè)子模塊，實(shí)現(xiàn)較多子模塊的換流閥的仿真，且能夠模擬實(shí)際換流閥內(nèi)部的開關(guān)過程，兼具詳細(xì)模型能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部開關(guān)過程的優(yōu)點(diǎn)和簡(jiǎn)化模型的仿真快速性的優(yōu)點(diǎn)。

3 仿真分析與驗(yàn)證

直流電壓±500kV，各換流站采用MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，近期為四端柔直環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，容量分別為1500 MW、1500 MW、3000 MW、3000 MW，子模塊為244個(gè)，對(duì)應(yīng)的直流側(cè)電容值分別為8μF、8μF、15μF、15μF。

通過電磁暫態(tài)仿真軟件搭建了柔性質(zhì)量輸電電網(wǎng)模型，進(jìn)行仿真分析，仿真得到的極輸出電壓如圖4所示，從圖4可以看出，變流器輸出是帶有偏置的電壓(實(shí)際波形是帶階梯的方波，仿真中為了提高仿真速度，進(jìn)行了簡(jiǎn)化)。

圖4 極輸出電壓波形和直流線路電壓波形

仿真得到極1上、下橋臂電流如圖5所示，兩者都含有直流電流，其含有的基波分量相反。

圖5 仿真的橋臂電流

4 結(jié)論

針對(duì)模塊化電壓源換流閥的子模塊數(shù)量較多，無法進(jìn)行詳細(xì)模型建模的問題，本文提出了基于狀態(tài)機(jī)的MMC換流閥快速建模方法。根據(jù)子模塊狀態(tài)，將換流閥表示為四種狀態(tài)，子模塊投入狀態(tài)、子模塊待投入狀態(tài)、子模塊切除狀態(tài)和子模待塊切除狀態(tài)，每種狀態(tài)用一個(gè)詳細(xì)模塊來實(shí)現(xiàn)，通過待投入子模塊實(shí)現(xiàn)子模塊的投入，子模塊待切除狀態(tài)實(shí)現(xiàn)子模塊的切除，并合理調(diào)整投入和切除子模塊的數(shù)量，就實(shí)現(xiàn)了子模塊電力電子閥的詳細(xì)建模。通過電磁暫態(tài)仿真建模，驗(yàn)證了提出的快速建模方法，在保證精度的情況下，能夠準(zhǔn)確地仿真換流閥內(nèi)部的特征。