陈宁，齐磊，包萌
华北电力大学
引文信息
陈宁, 齐磊, 包萌, 等. 模块化多电平换流器的桥臂平均值模型[J]. 中国电力, 2019, 52(8): 8-15.
CHEN Ning, QI Lei, BAO Meng, et al. Bridge average value model of modular multilevel converter[J]. Electric Power, 2019, 52(8): 8-15.
近年，基于模块化多电平换流器（MMC）的柔性直流输电技术发展迅速。中国正在建设世界上第一个柔性直流电网工程—张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程（±500 kV，3000 MW），预计2019年年底部分投入运行。柔性直流电网工程的电磁暂态仿真是进行工程过电压、短路电流等计算的重要手段，在工程设计阶段需要开展大量的仿真工作。以张北柔直电网工程短路故障过电压计算为例，在计算时需考虑环网内不同位置故障的工况，且需考虑直流断路器不同的动作策略，因此在过电压计算时的仿真次数可达数千次。为了减少仿真时间，需尽可能地提高模型的仿真效率。但是由于MMC中存在大量的电力电子元件，导致其完整的电磁暂态仿真模型的仿真速度极慢，不能用于柔性直流电网工程的仿真。目前，国内外学者已经提出了很多类型的MMC提速仿真模型。其中，戴维南模型因具有较高的仿真精度与较好的提速效果，在MMC电磁暂态仿真中应用非常广泛。戴维南模型可以准确计算MMC子模块电容的充放电过程，适用于子模块级、桥臂级、换流器级和系统级的仿真。分析柔直电网系统级的仿真可以看出，在进行过电压、短路电流等计算时并不关心MMC子模块级的电气量。在这些计算中，戴维南模型计算MMC子模块电容电压的过程反而降低了仿真效率。从这个角度出发，可以通过简化子模块电容电压的计算以达到提高仿真速度的目的，本文围绕此问题开展了研究工作。
本文以戴维南模型的等效电路为基础，提出了一种新的桥臂平均值模型。该模型利用电容能量均分的思想实现了同一桥臂上所有子模块电容电压的均一化。因此该仿真模型不再需要在每个步长中更新并存储所有子模块电容电压，且不再需要电容电压排序算法。与戴维南模型相比，本文模型虽然不能反映MMC中每个子模块的充放电过程，但是相应的仿真速度有很大提高。可以用于不关心单个子模块电容电压的应用场景，如：环流抑制、交直流侧短路故障过电压和短路电流计算等。
图1 MMC结构
图2 MMC桥臂的戴维南等效过程
本文桥臂平均值模型的桥臂等效电路如图3所示。图中的两个二极管分别用于还原图2 a)中的两个二极管。在正常工作时，本文认为同一桥臂的子模块电容电压是相等的，以此进一步提高了仿真速度。
MMC中电容排序算法的目的是保证同一桥臂上子模块电容电压的均衡。为建立桥臂平均值模型，本文假设在更新子模块电容电压时，同一个桥臂上的所有子模块电容的电压均相等。实现方法是，在每一个仿真步长中同一个桥臂上电容增加或减小的能量均被平均分配到该桥臂中所有子模块电容上，即电容电压能量均分思想。以张北工程为例通过仿真对比了本文模型与戴维南模型的仿真精度，下图展示了不同工况下的仿真结果。从各图中可以看出，在不同工况的仿真中本文模型的仿真结果与戴维南模型吻合较好，证明了本文模型具有很高的仿真精度。
图4 稳态仿真结果对比
本文以MMC的戴维南等效电路为基础，利用能量均分思想提出了一种桥臂平均值模型，文中详细介绍了该模型的建模方法与提速原理。利用张北柔性直流电网中不同工况的仿真验证了所提模型的正确性与提速效果。通过研究获得了以下结论：（1）基于能量均分思想，本文提出了一种MMC桥臂平均值模型。该模型在戴维南等效模型电路的基础上认为每个仿真步长中同一桥臂上电容充电、放电的能量都平均分配到所有子模块电容上。因此，该模型不需要更新并存储所有子模块的电容电压并且不需要电压排序算法，显著提高了仿真速度。（2）利用张北柔性直流电网的仿真模型验证了本文模型的正确性，本文模型可以用于不考虑子模块电容时各种暂稳态的仿真。仿真速度比戴维南等效模型有显著提高，在用于张北工程的仿真时加速比为9。且随着电平数的增长提速效果也更加明显，在400电平时加速比为19。（3）为了提高仿真速度，本文忽略了各子模块电容的差异性，因此不能用于需考虑单个子模块电容电压的场景，例如：电容电压排序算法的研究。但是在其他类型的研究中，使用本文模型可以显著提高仿真速度。
第一作者：陈宁(1990—)，男，博士，研究方向为先进输变电技术、电力系统电磁兼容。E-mail：ncepuchenning@163.com。
第二作者：齐磊(1978—)，男，博士，教授，主要研究方向为先进输变电技术、电力系统电磁兼容。E-mail：qilei@ncepu.edu.cn。
齐磊教授科研团队隶属于华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室。课题组主要从事电磁场理论及其应用、柔性输变电装备、电力系统电磁兼容等研究方向的科研工作。主要承担国家重点研发计划课题1项、国家自然科学基金项目2项、“973计划”与“863计划”子课题5项、国家电网公司和中国南方电网公司科技项目20余项。发表学术论文80余篇，被SCI检索近20篇，申请国家发明专利20余项。◀《中国电力》2020年第5期目录
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编辑：杨彪
审核：蒋东方
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