[发明专利]基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法

权利要求书

1.基于实时数字仿真器的模块化多电平换流器桥臂建模方法，其特征在于，包括：

步骤1：根据研究的子模块的内部电容器和电力电子器件故障，将模块化多电平换流器桥臂中级联的子模块分为特殊子模块和一般子模块；

步骤2：对步骤1所得的每个特殊子模块建立详细等效模型，然后对每个特殊子模块中所有器件的故障状态进行建模，使得特殊子模块具备故障仿真功能,具体包括：将特殊子模块电容等效为一个电阻R_{Ceq_SM}，串联电压源U_{Ceq_SM}的戴维南模型，将两组由一个IGBT反并联一个二极管组成的开关组分别等效为可变电阻R_{1_SM}和R_{2_SM}，

其中，下标C表示子模块电容，SM表示子模块，eq表示该参数为等效模型的参数；R_{1_SM}为子模块中上IGBT和上二极管组成的开关组的电阻；R_{2_SM}为子模块中下IGBT和下二极管组成的开关组的电阻

所述开关组导通状态为阻值很小的R_ON，关断状态为阻值很大的R_OFF，然后对特殊子模块中所有器件的故障状态进行建模，当第i个特殊子模块的电容发生故障时，对第i个特殊子模块的电容的等效电阻R_{Ceq_SM}和等效电压源U_{Ceq_SMi}进行修正；当第i个特殊子模块中IGBT或反并联二极管发生故障时，对第i个特殊子模块的开关元件等效电阻R_{1_SMi}和R_{2_SMi}进行修正，

其中，R_ON为开关导通时的电阻；R_OFF开关断开时的电阻；

电容故障包括电容击穿故障和电容值下降故障，当为电容击穿故障时，电容等效为一个阻值很小的电阻，其戴维南等效电路的等效电阻R_{Ceq_SMi}和等效电压源U_{Ceq_SMi}分别为：

当为电容值下降故障时，其等效电阻R_{Ceq_SMi}和等效电压源U_{Ceq_SMi}分别为：

其中，Δt为仿真步长；t为当前时刻；C_fault为故障后的电容值；R_{Ceq_SMi}为第i个特殊子模块的等效电阻；U_{C_SMi}(t-Δt)为(t-Δt)时刻第i个子模块的电容电压；I_{C_SMi}(t-Δt)为(t-Δt)时刻第i个子模块的电容电流；U_{Ceq_SMi}为第i个子模块的等效电压源，

二极管故障包括击穿故障和断路故障，

当二极管为击穿故障时，对应R_{1_SMi}或R_{2_SMi}修正为R_ON；

当二极管为断路故障时，对应的R_{1_SMi}或R_{2_SMi}由IGBT状态决定，

所述IGBT故障包括击穿、断路和拒动故障，其中拒动故障包括拒绝关断和拒绝导通故障，

当IGBT为击穿故障时，对应的R_{1_SMi}或R_{2_SMi}修正为R_ON；

当IGBT2为拒绝关断故障时，对应的R_{1_SMi}或R_{2_SMi}修正为R_ON；

IGBT拒绝导通或断路故障时的等效电阻计算方法为：IGBT_{1_SMi}故障时，IGBT_{2_SMi}关断瞬间，桥臂电流I_br为正，则R_{1_SMi}＝R_ON，R_{2_SMi}＝R_OFF，桥臂电流I_br为负，则R_{1_SMi}＝R_OFF，R_{2_SMi}＝R_ON，IGBT_{2_SMi}导通瞬间，R_{1_SMi}＝R_OFF，R_{2_SMi}＝R_ON；IGBT_{2_SMi}故障时，桥臂电流I_br为正，则R_{1_SMi}＝R_ON，R_{2_SMi}＝R_OFF，桥臂电流I_br为负，则R_{1_SMi}＝R_OFF，R_{2_SMi}＝R_ON，IGBT_{1_SMi}导通瞬间，R_{1_SMi}＝R_ON，R_{2_SMi}＝R_OFF，该修正判据在同一子模块的另一IGBT发生状态变化时刻使用

步骤3：对步骤1所得的一般子模块建立简化等效模型，将级联的所有一般子模块整体等效为一个受控电流源并联一个电容，并用一个受控电压源反映所有子模块端口电压之和；

步骤4：开关SW和D1二极管、D2二极管构成组合开关，开关SW与D1二极管并联再与D2二极管串联，D1二极管的正极连接D2二极管的负极，组合开关控制桥臂的闭锁与非闭锁状态，组合开关与步骤2与步骤3所得的子模块等效模型并联构成桥臂混合模型；

步骤5：根据诺顿定理，对步骤4所得的桥臂混合模型进行等效计算,具体包括：并联的开关SW和D1二极管整体等效为可变电阻R_DSeq1，D2二极管等效为可变电阻R_DSeq2，L个特殊子模块等效为戴维南等效模型R_eqL和U_eqL，简化等效模型的参数分别为：

Ih_eqM(t)＝S_M×I₁(t) (4)

U_CM(t)＝R_CeqM[Ih_eqM(t)+Ih_eqM(t-Δt)]+U_CM(t-Δt) (5)

U_CeqM(t)＝R_CeqM×Ih_eqM(t-Δt)+U_CM(t-Δt) (6)

U_eqM(t)＝S_M×U_CM(t) (7)

其中，R_CeqM为将电容经梯形积分法等效后得到的等效电阻；U_CeqM(t)将电容经梯形积分法等效后得到的t时刻的等效电压源；Δt为仿真步长；C为子模块电容值；S_M为简化模型平均开关信号，解闭锁状态下S_M＝m/M，m为当前时刻投入的简化等效的子模块个数；闭锁状态下S_M＝1；U_CM(t)为简化等效模型的等效电容t时刻的电压；U_CM(t-Δt)为简化等效模型的等效电容在(t-Δt)时刻的电压；Ih_eqM(t)为t时刻简化等效模型的桥臂等效电流；Ih_eqM(t-Δt)为(t-Δt)时刻简化等效模型的桥臂等效电流；I₁(t)为流经受控电压源U_eqM的电流，

根据诺顿定理，在实时数字仿真器中计算得到桥臂等效电导G_eq和等效电流源Ih_eq分别为：

步骤6：在步骤4所得到的桥臂混合模型中增设桥臂故障节点，将桥臂等效为一个3节点模型，故障节点的位置可调，在故障节点处外接实时数字仿真器提供的故障模块进行桥臂接地故障仿真和不同桥臂之间的短路故障仿真，桥臂断路故障仿真及同一桥臂两点间短路仿真通过在自定义程序中改变桥臂子模块等效电阻实现；

步骤7：建立适用于桥臂混合模型的模块化多电平换流器的阀级控制器，根据诺顿定理，建立桥臂控制器与桥臂混合模型整体的等效模型。