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3)两电平换流器的稳态等效电源模型。
模型直接使用控制系统输出的稳态控制量作为等效电源的输出[9]。模型忽略换流器的电气特性,保留稳态的控制特性,适用于直流电网系统特性分析,但是在直流电网的暂态仿真中有很大的局限性。
1.3.2 MMC的建模
新型 MMC通过串联的子模块电压叠加输出高电压,具有输出电压谐波含量少、无需额外的滤波器和变压器的优点,十分适用于直流输电系统。MMC的换流器的电平数多,一般情况下可以达到250~500级电平,很难使用电磁暂态开关进行详细模拟,主要使用等效模型。根据本文的调研,MMC的等效模型主要有2种:一种是类似于开关函数的等效模型,另一种是使用桥臂等值的戴维南等效模型。
1)开关函数等效模型
开关函数等效模型以 MMC 的子模块为基础,通过子模块的累加表示桥臂的等效电压[10]。模型对子模块的投切数目和系统的动态特性都有较好模拟,但忽略了换流器内部的电容电压不平衡,无法模拟子模块的电压动态,适合进行控制系统的设计和系统稳定性的分析。
2)戴维南等效模型
MMC开关函数等效模型的推导建立在三相平衡的条件上,具有一定的局限性。基于戴维南等值的 MMC模型,其基本思想是把所有开关描述为阻值不同的电阻,当开关导通时,电阻值近似等于0(一般为0.01Ω),当开关关断时,电阻值很大(一般为106 Ω)。开状态的判断是通过子模块的电容电压和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开关信号来确定的。由于 MC元件在电路上有单相串联的拓扑特点,所以流过子模块的电流是一致的。由此可以把整个 MMC 桥臂进行等值,等值为一个戴维南等值电路。
使用戴维南等值的 MMC电路能精确模拟每一个子模块的内部过程,能进行阀故障或者子模块断路的仿真研究;同时,戴维南等值的 MMC电路的仿真速度快,仿真精度没有损失。进行 MMC 单桥臂等值是一种研究电磁暂态过程较理想的仿真手段。目前在 APDSS直流电网仿真软件中已建立了戴维南等值的 MMC模型。
1.3.3 AC/DC换流器模型的控制保护系统建模
控制系统的设计是 AC/DC 换流器建模技术的关键环节。
1.3.3.1 AC/DC换流器的系统控制模型
典型的系统级控制为间接控制和直接控制。间接控制是通过控制换流器交流侧输出电压基波的幅值和相位来达到控制目标。直接控制是由外环电压控制和内环电流控制构成,具有快速的电流响应特性,同时,具有很好的内在限流能力。另外,重复控制、自适应控制、滑模控制等新的控制策略也不断出现。系统控制主要用于分析模型和稳态模型的控制。
1.3.3.2 MMC换流器的底层控制系统建模
MMC的子模块控制器建模是 MMC建模中的关键环节,包括了 MMC 的子模块电压平衡控制和MMC电流环流抑制控制2个重要调节器。
1)子模块电压平衡控制为保证
MMC的正常工作,需要保持各子模块电容电压的平衡。文献[18]提出了基础电容电压监视平衡算法。此算法操作简单,易于实现,但子模块中的开关单元频繁开通和关断,增大了换流器的开关损耗。文献[19-20]提出在 MMC的调制过程中,使用快速检测电容电压的排序法,自动充放电容电压,减少了开关频率,也简化了控制,起到了平衡电容电压的功能。
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