本发明属于输配电技术领域， 尤其涉及一种仿真提速电路的设计方法。 背景技术

近年来， 高电压大功率的全控型电力电子器件如 IGBTs和 IGCTs在远距离 输电系统和低压配电网络中得到广泛使用， 特别是应用于基于电压源换流器的 高压直流输电（VSC-HVDC)技术。与传统的两电平 和三电平 VSC-HVDC相比， 由西门子公司提出的模块化多电平换流器 （MMC) (子模块为半桥结构） 拓扑 具有无需大量 IGBT直接串联，器件承受电压电流变化率低，� �需滤波器等优点。 同时， 在同等电压等级下， 它需要两倍的开关器件， 且由于需要对其分散布置 的子模块电容进行电压平衡控制， 使其控制系统变得复杂。

世界上第一个商业化运行的 MMC-HVDC工程是美国的传斯贝尔 （TBC) 工程， 其额定容量为 400MW, 直流电压 ±200kV， 每个换流器桥臂中有 216个 子模块。此外，将于 2013年建成的法国到西班牙的 MMC-HVDC工程 INELFE, 额定容量为 2 X 1000MW。 在实际工程投运之前， 非常有必要对 MMC模型进行 电磁暂态仿真以验证所设计控制算法和选择的 系统参数的合理性， 且仿真高频 开关器件动作过程时， 必须设置较短的仿真步长， 否则严重影响仿真精度， 但 是在 PSCAD/EMTDC平台下仿真具有高达数千个子模块的� ��流器时， 将变得非 常困难。 此处以双端系统具有 3000个子模块为例， 经仿真测试并估算发现， 如 果设置仿真步长为 20微妙， 仿真时长为 5秒， 则每次仿真需要 3000小时 （125 天） 以上， 速度过于缓慢， 严重影响工作进度， 并将导致控制参数的调节与优 化及后续研究工作变得无法实现。

为解决这一问题， 有文献提出一种简化动态模型， 该模型基本保留了换流 器的对外输出特性， 但是无法精确模拟换流器中每个子模块的特性 ， 例如， 无 法模拟特定子模块故障情况下系统的特性； 有文献提出一种 MMC 的时变等效 戴维南电路模型， 可以在保证仿真精度的前提下显著提高 MMC 的仿真速度， 但是其只考虑了子模块结构为半桥的 MMC换流器， 如果将其应用于子模块结 构为全桥的 MMC及其它换流器结构时， 同样需要复杂的用户自定义才可以实现， 无法利用 PSCAD/EMTDC的库元件从原有模型直接改造， 因此其通用性和扩展 性较差。 发明内容

针对上述背景技术中提到现有模块化多电平换 流器仿真时间长、 通用性和 扩展性差等不足， 本发明提出了一种仿真提速电路的设计方法。

本发明的技术方案是， 一种仿真提速电路的设计方法， 其特征是该设计方 法包括以下步骤：

步骤 1 :在现有换流器全部子模块串联模型的基础上� �将换流器的每个桥臂 替换为可控电压源， 并实时测量桥臂电流；

步骤 2: 将桥臂中全部子模块的正端连接同一可控电流 源，全部子模块的负 端接地， 并实时测量子模块的输出电压；

步骤 3:将同一桥臂中全部子模块的输出电压求和，� ��其设定为可控电压源 的瞬时电压值， 将桥臂电流的测量值设定为可控电流源的电流 值。

所述可控电压源的计算公式为： 其中：

z 为可控电压源的电压; u _sm 一,为第 i个子模块端 P输出电压。 本发明可以在保证换流器和子模块的暂稳态仿 真精度的前提下， 利用 PSCAD/EMTDC库元件直接从原先仿真模型进行改造� ��经仿真测试并对比发现， 如果利用 MMC (子模块为全桥或半桥结构）的原有模型对其� � PSCAD/EMTDC中 直接进行建模仿真， 则在同等仿真步长和仿真时长的前提下， 所需仿真用时与 子模块个数呈指数倍增长， 而本发明提出的提速模型， 其仿真用时与子模块个 数呈线性增长， 因此相比原有模型， 所提出的提速模型的提速倍数也与子模块 个数呈指数增长， 提速效果非常显著。 此外， 由于所提出的发明无需用户元件 自定义， 且便于从原有模型直接改造， 因此具有很强的通用性。 附图说明

图 1为 MMC (子模块为半桥或全桥） 的拓扑结构；

图 2为半桥 MMC的子模块拓扑结构；

图 3为全桥 MMC的子模块拓扑结构；

图 4为本发明所提出模型中 MMC的等效桥臂示意图；

图 5为本发明所提出模型中半桥 MMC桥臂中全部子模块的连接示意图； 图 6为本发明所提出模型中全桥 MMC桥臂中全部子模块的连接示意图； 图 7为本发明所提出模型中半桥结构 MMC的任意子模块的连接图； 图 8为本发明所提出模型中全桥结构 MMC的任意子模块的连接图。

图中各符号：

图 1中 A，B，C,表示 MMC换流器交流侧三相； SM1， SM2, ···， SMn，表示 MMC某桥臂中第一个子模块， 第二个子模块， …， 第"个子模块； L表示桥臂 电抗器； 表示 MMC正负极直流母线间的电压差；

图 2中 Tl， Τ2， 分别表示半桥子模块中上下两个 IGBT， Dl， D2， 分别表 示相应 IGBT的反并联二极管； 表示半桥子模块中电容器； 表示子模块电 容电压； w _m 表示子模块端口输出电压；

图 3中 Tl， Τ2， Τ3， Τ4分别表示全桥子模块中四个 IGBT， Dl， D2， D3,D4 分别表示相应 IGBT的反并联二极管； G表示全桥子模块中电容器； ^表示子 模块电容电压； 表示子模块端口输出电压；

图 4中 U 示 MMC等效桥臂的电流监测值； 表示 MMC等效桥臂 所对应的《个子模块的端口输出电压之和； L表示桥臂电抗器；

图 5中 I _p ase_l， I _phase_2， · · · , I_phase—n分别表示与第 1,2， ···《个子模块所连 接的可控电流源的电流值； u it …， „ _m —„分别表示第 1,2， …， "个 子模块的端口输出电压；

图 6中全部符号意义与图 5相同；

图 7中， 表示与第/ ( l ^ i ^ n ) 个子模块所连接的可控电流源的电 流值； 其余符号意义与图 2中相应符号相同；

图 8中全部变量意义与图 3及图 7中相应符号相同。 具体实施方式

下面结合附图， 对优选实施例作详细说明。 应该强调的是， 下述说明仅仅 是示例性的， 而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明所要解决的技术问题是具有很高电平的 模块化多电平换流器在 PSCAD/EMTDC 中仿真速度过慢的问题， 提供一种模块化多电平换流器在 PSCAD/EMTDC中的仿真提速模型。 本发明采用如下技术方案实现：

下面对模块化多电平换流器在 PSCAD EMTDC中的仿真提速模型进行详细 说明。

图 i为 MMC的拓扑结构， 图 2和图 3为其两种可选择的子模块拓扑， 在 原先仿真过程中， 需要在 PSCAD/EMTDC中搭建图 1结合图 1或图 1结合图 3 所示拓扑， 全部子模块为串联连接， 当子模块数很大时， 仿真速度将变得非常 慢。 本发明将利用 PSCAD/EMTDC中库元件在原有模型基础上进行如下� ��模： 步骤 1 :在现有换流器全部子模块串联模型的基础上� � 将换流器的每个桥臂 替换为可控电压源， 并实时测量桥臂电流；

将图 1中 MMC三相共六个桥臂均替换为如图 4中所示的等效桥臂。 其中， 电抗器 L保留， 其余全部子模块等效为一个可控电压源， 其电压值为^ , _m ， 并监 测其桥臂电流 /^^，电流正方向如图 4所示。

步骤 2:将桥臂中全部子模块的正端连接同一可控电� ��源， 全部子模块的负 端接地， 并实时测量子模块的输出电压；

如图 5结合图 7或图 6结合图 8所示， 断开 MMC桥臂中全部子模块的电 气连接， 在第 C l ^ i ^ n 个子模块的正端口连接一个可控电流源， 其电流为 正方向如图 7和图 8所示， 负端口接地， 且满足式 (1

一 phase― i ^ _ phase ( 1 ) 其中：

；^ 为与第 个子模块连接的可控电流源的电流值；

I— _phase 为流过桥臂的电流值。 步骤 3:将同一桥臂中全部子模块的输出电压求和，� ��其设定为可控电压源 的瞬时电压值， 将桥臂电流的测量值设定为可控电流源的电流 值。

步骤 1中桥臂可控电压源的电压 计算式 (2)所示：

其中：

为可控电压源的电压， 即桥臂的 η个子模块的端口输出电压之和。 也即其为步骤 2中同桥臂 "个子模块的端口输出电压之和。

u _smJ 为第 i个子模块端 Π输出电压。 以上所述， 仅为本发明较佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局 限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露 的技术范围内， 可轻易 想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此， 本发明的保护 范围应该以权利要求的保护范围为准。