一种模块化多电平换流器动态模型建模方法

摘要

本发明提供一种模块化多电平换流器动态模型建模方法，所述方法包括以下步骤：建立上桥臂单个子模块开关周期平均模型和上桥臂单个子模块小信号交流模型；建立上桥臂开关周期平均模型和上桥臂小信号交流模型；建立下桥臂开关周期平均模型和下桥臂小信号交流模型；建立模块化多电平换流器开关周期平均模型和模块化多电平换流器小信号模型。建立的模快化多电平换流器动态模型便于对模块化多电平换流器的动态性能和频响特性进行分析，便于用于装置级控制策略设计，并实现了对内部状态量的描述。

主权项

一种模块化多电平换流器动态模型建模方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1：建立上桥臂单个子模块开关周期平均模型和上桥臂单个子模块小信号交流模型；步骤2：建立上桥臂开关周期平均模型和上桥臂小信号交流模型；步骤3：建立下桥臂开关周期平均模型和下桥臂小信号交流模型；步骤4：建立模块化多电平换流器开关周期平均模型和模块化多电平换流器小信号模型；所述步骤1包括以下步骤：步骤1‑1：建立上桥臂单个子模块开关周期平均模型；步骤1‑2：建立上桥臂单个子模块小信号交流模型；所述步骤1‑1中，上桥臂单个子模块的方程为：$\left\{\begin{array}{c}{u}_{p1}=S_p{u}_{d1p}\\ i_{d1p}=S_p{i}_p\end{array}\right.---\left(1\right)$$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_p}{dt}=\frac{1}{L_1}(-{u_1}^{\prime }+S_p{u}_{d1p}-R_s^{\prime }{i}_p)\\ \frac{{\mathrm{du}}_{d1p}}{dt}=\frac{1}{C}(-S_p{i}_p-\frac{u_{d1p}}{R_1})\end{array}\right.---\left(2\right)$其中，u_p1为上桥臂单个子模块输出电压，u_d1p为上桥臂单个子模块直流电压，i_d1p为上桥臂单个子模块直流放电电流，i_p为上桥臂单个子模块输出电流；S_p表示开关函数，S_p∈[0，1]，S_p＝1表示与子模块交流输出端并联的IGBT截止，另一个IGBT导通，S_p＝0表示与子模块交流输出端并联的IGBT导通，另一个IGBT截止；L₁为上桥臂单个子模块电感，L₁＝L/N，U_d1p＝U_d/N，L为桥臂电抗，U_d为公共直流母线电压，C为单个子模块支撑电容，u₁′为单个子模块输出电压与桥臂电抗压降之和，R′_s为子模块串联电抗器等效串联电阻，R₁为子模块主电路损耗等效电阻；对(2)求开关周期平均得：$\left\{\begin{array}{c}\frac{d<i_p{>}_{T_s}}{dt}=\frac{1}{L_1}(-<{u_1}^{\prime }{>}_{T_s}+<S_p{u}_{d1p}{>}_{T_s}-R_s^{\prime }<i_p{>}_{T_s})\\ \frac{d<u_{d1p}{>}_{T_s}}{dt}=\frac{1}{C}(-<S_p{i}_p{>}_{T_s}-\frac{<u_{d1p}{>}_{T_s}}{R_1})\end{array}\right.---\left(3\right)$其中，T_s表示开关周期，表示u₁'在开关周期T_s内的平均值，表示S_pu_d1p在开关周期T_s内的平均值，表示i_p在开关周期T_s内的平均值，表示S_pi_p在开关周期T_s内的平均值，表示u_d1p在开关周期T_s内的平均值；假定在开关周期T_s内，u_d1p和i_p变化很小，可得以下近似关系：$<S_p{u}_{d1p}{>}_{T_s}\approx <S_p{>}_{T_s}<u_{d1p}{>}_{T_s}=d_p<u_{d1p}{>}_{T_s}---\left(4\right)$$<S_p{i}_p{>}_{T_s}\approx <S_p{>}_{T_s}<i_p{>}_{T_s}=d_p<i_p{>}_{T_s}---\left(5\right)$其中，d_p为开关信号占空比；将(4)和(5)带入(3)，得上桥臂单个子模块开关周期平均模型如下：$\left\{\begin{array}{c}\frac{d<i_p{>}_{T_s}}{dt}=\frac{1}{L_1}(-<{u_1}^{\prime }{>}_{T_s}+d_p<u_{d1p}{>}_{T_s}-R_s^{\prime }<i_p{>}_{T_s})\\ \frac{d<u_{d1p}{>}_{T_s}}{dt}=-\frac{1}{C}(d_p<i_p{>}_{T_s}+\frac{<u_{d1p}{>}_{T_s}}{R_1})\end{array}\right.---\left(6\right);$所述上桥臂单个子模块开关周期平均模型中，交流侧的受控电压源R′_s和L₁依次串联，受控电压源正极作为上桥臂单个子模块等效开关周期模型的输出端正极，L₁未与R′_s连接的一端作为上桥臂单个子模块等效开关周期模型的输出端负极；直流侧的受控电流源R₁和C相互并联；所述步骤1‑2中，令：$\begin{array}{c}<{u_1}^{\prime }{>}_{T_s}={U_1}^{\prime }+{{\tilde{u}}_1}^{\prime }\\ <i_p{>}_{T_s}=I_p+{\tilde{i}}_p\\ <u_{d1p}{>}_{T_s}=U_{d1p}+{\tilde{u}}_{d1p}\\ d_p=D_p+{\tilde{d}}_p\end{array}---\left(7\right)$式中，U₁′,I_p,U_d1p,D_p为静态工作点，为扰动量；将(7)代入(6)可得$\left\{\begin{array}{c}\frac{d(I_p+{\tilde{i}}_p)}{dt}=\frac{1}{L_1}(-{U_1}^{\prime }-{{\tilde{u}}_1}^{\prime }+(D_p+d_p\left)\right(U_{d1p}+{\tilde{u}}_{d1p})-R_s^{\prime }(I_p+{\tilde{i}}_p\left)\right)\\ \frac{d(U_{d1p}+{\tilde{u}}_{d1p})}{dt}=\frac{1}{C}(-(D_p+d_p\left)\right(I_p+{\tilde{i}}_p)-\frac{U_{d1p}+{\tilde{u}}_{d1p}}{R_1})\end{array}\right.---\left(8\right)$由于静态工作点存在以下关系：$\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dI}}_p}{dt}=0\\ \frac{{\mathrm{dU}}_{d1p}}{dt}=0\\ {U_1}^{\prime }=U_d/2-u_s=D_p{U}_{d1p}-R_s{I}_p\\ D_p{I}_p=\frac{U_{d1p}}{R_1}\end{array}---\left(9\right)$其中，u_s为系统电压；根据(8)，忽略高次项，得上桥臂单个子模块小信号交流模型如下：$\left\{\begin{array}{c}\frac{d{\tilde{i}}_p}{dt}=\frac{1}{L_1}(-{{\tilde{u}}_1}^{\prime }+d_p{U}_{d1p}+D_p{\tilde{u}}_{d1p}-R_s^{\prime }{\tilde{i}}_p)\\ \frac{d{\tilde{u}}_{d1p}}{dt}=\frac{1}{C}\left(-D_p{\tilde{i}}_p-d_p{I}_p-\frac{{\tilde{u}}_{d1p}}{R_1}\right)\end{array}\right.---\left(10\right);$所述上桥臂单个子模块小信号交流模型包括上桥臂单个子模块受控源形式小信号交流模型和上桥臂单个子模块传递函数方框图形式小信号交流模型；所述上桥臂单个子模块受控源形式小信号交流模型中，交流侧的受控电压源d_pU_d1p、受控电压源R′_s和L₁依次串联；受控电压源d_pU_d1p正极作为上桥臂单个子模块小信号交流模型的输出端正极，L₁未与R′_s连接的一端作为上桥臂单个子模块小信号交流模型的输出端负极；直流侧的受控电流源受控电流源d_pI_p、R₁和C相互并联；所述上桥臂单个子模块传递函数方框图形式小信号交流模型中，输入信号d_p(s)经过比例环节U_d1p产生的信号、‑u₁′(s)以及输出信号u_dlp(s)通过比例环节D_p产生的反馈信号进入加法器1，所述加法器1产生的信号通过比例积分环节得到信号i_p(s)，所述信号i_p(s)经过比例环节D_p产生的信号和输入信号d_p(s)经过比例环节I_p产生的信号进入加法器2，所述加法器2产生的信号取负和输出信号u_dlp(s)经过比例环节产生的反馈信号取负进入加法器3，所述加法器3产生的信号经过比例环节产生输出信号u_dlp(s)。