[发明专利]一种MMC功率模块非线性特征仿真模型

摘要

一种MMC功率模块非线性特征的仿真模型，由一个受控电流源i_m、一个电容C_m、一个线性电阻R_b和一个非线性电阻R_hp组成；受控电流源i_m的正极分别与电容C_m的正极、线性电阻R_b的一端及非线性电阻R_hp的一端相连接；受控电流源i_m的负极与C_m电容的负极、线性电阻R_b的另一端及非线性电阻R_hp另一端连接；所述仿真模型模拟MMC换流器在无均匀主动控制下MMC功率模块电容电压发散过程，实现全桥型功率模块和半桥型功率模块的非线性特征仿真，适用于混合型MMC换流器在无主动均压控制时MMC功率模块电容电压发散过程的电磁暂态仿真。

主权项

1.一种MMC功率模块非线性特征仿真方法，其特征在于：所述的仿真模型由一个受控电流源i_m、一个电容C_m、一个线性电阻R_b和一个非线性电阻R_hp组成；受控电流源i_m的正极分别与电容C_m的正极、线性电阻R_b的一端及非线性电阻R_hp的一端相连接；受控电流源i_m的负极与C_m电容的负极、线性电阻R_b的另一端及非线性电阻R_hp另一端连接；所述仿真模型模拟MMC换流器在无主动均压控制下MMC功率模块之间电容电压发散过程，实现全桥型功率模块和半桥型功率模块的非线性特征仿真；所述仿真模型的受控制电流源、非线性电阻和功率模块电容电压计算方法及过程如下：(1)计算受控电流源电流值i_m受控电流源电流值i_m与MMC功率模块拓扑结构、桥臂电流i_a及MMC功率模块开关状态有关；假设桥臂电流i_a从上至下流入MMC功率模块为正，桥臂电流i_a从下至上流出MMC功率模块为负；MMC功率模块为全桥功率模块，不考虑第一开关器件K₁和第二开关器件K₂同时导通时功率模块电容发生短路工况，也不考虑第三开关器件K₃和第四开关器件K₄同时导通时功率模块电容发生短路工况；全桥功率模块非线性特征仿真模型中受控电流源电流值i_m计算方法如下：当第一开关器件K₁、第二开关器件K₂、第三开关器件K₃和第四开关器件K₄均为关断状态，受控电流源电流值i_m为桥臂电流i_a的绝对值；当第一开关器件K₁为开通状态、第二开关器件K₂为关断状态、第三开关器件K₃为关断状态、第四开关器件K₄为开通状态，受控电流源电流值i_m与桥臂电流i_a数值相等，符号相同；当第一开关器件K₁为关断状态、第二开关器件K₂为开通状态、第三开关器件K₃为开通状态和第四开关器件K₄为关断状态，受控电流源电流值i_m与桥臂电流数值相等，符号相反，即‑i_a；当第一开关器件K₁为开通状态、第二开关器件K₂为关断状态、第三开关器件K₃为开通状态、第四开关器件K₄为关断状态，受控电流源电流值i_m为零；当第一开关器件K₁为关断状态、第二开关器件K₂为开通状态、第三开关器件K₃为关断状态、第四开关器件K₄为开通状态，受控电流源电流值i_m为零；MMC功率模块为半桥功率模块，不考虑第五开关器件和第六开关器件同时导通时半桥功率模块电容短路工况；半桥功率模块非线性特征仿真模型的受控电流源电流值i_m计算方法如下：当第五开关器件K₅为关断状态、第六开关器件K₆为关断状态，桥臂电流i_a为正值时受控电流源电流值i_m与桥臂电流i_a数值相等，符号相同，当桥臂电流i_a为负值时，受控电流源电流值i_m为零；当第五开关器件K₅为开通状态、第六开关器件K₆为关断状态，受控电流源电流值i_m与桥臂电流i_a数值相等，符号相同；当第五开关器件K₅为关断状态、第六开关器件K₆为开通状态，受控电流源电流值i_m为零；(2)计算非线性电阻R_hp阻值全桥功率模块或者半桥功率模块的自取能电源具有恒功率消耗特性，因此可将自取能电源等效为恒功率电阻，非线性电阻R_hp阻值与MMC功率模块电容电压v_c的平方成正比，与自取能电源恒定功率P_hp成反比；自取能电源恒定功率P_hp为全桥型功率模块自取能电源消耗功率P_F或者半桥功率模块自取能电源消耗功率P_H，非线性电阻R_hp阻值的计算公式如式(1)所示：(3)计算MMC功率模块的电容电压所述的MMC功率模块非线性特征仿真模型用于全桥功率模块和半桥功率模块的差别在于受控电流源电流值i_m的计算方法不同；根据MMC功率模块非线性特征仿真模型计算出全桥功率模块或者半桥功率模块的电容电压，实现MMC功率模块非线性特征的电磁暂态仿真；其中，R_b为全桥功率模块或者半桥功率模块的均压电阻阻值，C为全桥功率模块或者半桥功率模块的电容容值，v_c为全桥功率模块或者半桥功率模块的电容电压，i_m为受控电流源的电流值；将式(1)代入式(2)，并采用欧拉法求解式(2)，可得适用于数字仿真的差分方程式(3)：其中，T_s为计算步长，电容电压初始值为0，v_c(0)＝0，k为数字仿真次数；式(3)经过一次计算可得T_s时刻仿真计算得到的电容电压值v_c(1)；以此类推，经过k次计算可得到kT_s时刻仿真计算得到的电容电压值v_c(k)，v_c(k+1)为(k+1)T_s时刻仿真计算得到的电容电压值；kT_s代表仿真运行时间，由于数字仿真每次仿真计算步长相等，因此k≥0且为整数。