MMC半桥子模块电磁暂态快速模型建模思路及其验证

模型背景

柔性直流输电（MMC-HVDC）技术具有有功无功独立快速控制、方便的潮流反转、不依靠交流电网换相、可为无源网络供电等优势，使其成为目前直流输电技术的重要组成部分，是未来直流输电的发展方向。随着全控型功率器件的不断发展，柔性直流输电工程的功率传输容量不断提升且正成为新能源接入与电网互联的重要功率传输通道。

在进行MMC相关的研究时，通过搭建电磁暂态仿真模型的方式进行控制保护算法等的实验验证是一种被广泛认可的方式。但由于MMC本身的电路拓扑中含有大量的电力电子元器件（子模块），如果仿真中采用单个IGBT等器件进行每个子模块的搭建，最终模型将会耗费庞大的计算量和时间成本。

目前广泛采用的是基于平均值或戴维南等效等方式搭建的快速模型，当然在matlab中也有集成好的模块，除了器件级模型，还可以选择平均值和开关函数模型。平均值模型将所有子模块等效为1个子模块或直接将参考波作为整个桥臂电压，是一种稳态模型，无法模拟充电、闭锁以及单个子模块的情况；开关函数模型是一种较为准确的模型，但是matlab中的模块虽然可以模拟单个子模块的情况，但同样的电路拓扑下与器件模型的结果在某些工况下波形不一致，存在缺陷。

图1 MMC电路拓扑结构

建模思路

本文在之前巨人的肩膀上，基于matlab搭建了搭建了一种基于半桥结构的快速仿真模型，模型分为两部分：子模块主电路电气部分和逻辑部分。电气部分采用目前被广泛使用的受控电压源串联二极管后并联的形式，由于MMC换流阀的各桥臂是由子模块串联组成，各子模块等效电路可由如下图2中a所示的电路等效，进一步各串联的二极管可以等效为一个二极管，各受控电压源也可以等效为一个受控电压源，这样整个桥臂等效电路可以进一步的简化为如下图2中b所示；逻辑处理部分主要根据流入子模块的电流、所有可能的输脉冲情况以及子模块电容等计算子模块电容两端的电压及受控电压源电压。当子模块数量增加时，子模块主电路电气部分无需变化，只需在逻辑部分进行更改即可。大大减小计算量。

图2 子模块等效电路

仿真模型及验证

根据上述建模思路，在matlab中搭建简单的单个子模块及验证对比模型如下图3所示，其中对比模型采用matlab自带的集成半桥器件模型，两模型采用完全相同的参数。

图3 测试验证电路

图4 子模块参数

图5 子模块主电路电气部分

  考虑测试方便，仅对单个子模块的各种工况进行对比测试，分别测试流入子模块电流及子模块电容两端电压；脉冲可能的情况为：00（闭锁）、01（切除）、10（投入）、11（短路），对比四种工况波形情况如下：

  （1）闭锁

 

 脉冲为00（闭锁）情况下电流波形（黄色：器件模型，蓝色：快速模型）

   

脉冲为00（闭锁）情况下模块电容电压波形（黄色：器件模型，蓝色：快速模型）

     （2）切除

  

脉冲为01（切除）情况下电流波形（黄色：器件模型，蓝色：快速模型）

 

脉冲为01（切除）情况下模块电容电压波形（黄色：器件模型，蓝色：快速模型）

  （3）投入

脉冲为10（投入）情况下电流波形（黄色：器件模型，蓝色：快速模型）

脉冲为10（投入）情况下模块电容电压波形（黄色：器件模型，蓝色：快速模型）

（4）短路

脉冲为11（短路）情况下电流波形（黄色：器件模型，蓝色：快速模型）

脉冲为11（短路）情况下模块电容电压波形（黄色：器件模型，蓝色：快速模型）

通过上述模型及仿真结果可以看出，除了子模块切除时子模块电容电压波形（实际在整体模型使用中完全不会有影响）略有差别之外，其余情况下波形均基本完全重合，验证了电磁暂态快速模型的正确性（实际上目前的商用仿真软件也是采用类似的建模思路）。

当然，采用本文方法所搭建的子模块模型用于MMC-HVDC仿真模型上的案例在后续有时间的时候也会进一步更新。

审核编辑：刘清